Scienza e tecnologia dei materiali innovativi

3. TIPOLOGIE DI FIBRE. FIBRE DI VETRO, CARBIONIO, ARAMIDICHE; PRODUZIONE E

PROPRIETA’. POLIMERI TERMOPLASTICI E TERMOINDURENTI.

Fibre di vetro

Le fibre di vetro sono utilizzate per rinforzare matrici polimeriche. Sono le più impiegate in quanto

presentano buona stabilità dimensionale, buona resistenza meccanica (2-5) e alla corrosione, buone

proprietà di isolamento elettrico, facilità di fabbricazione e costo contenuto.

Tuttavia, mostrano anche diversi svantaggi, quali bassa rigidezza (70-80) e bassa resistenza alla fatica e

all’abrasione, densità elevata (2.5-2.8), possibile difficoltà di adesione con matrici polimeriche e limitata

resistenza ad alte temperature.

I principali tipi di vetro usati per produrre fibre di vetro sono i vetri E (elettrico) e S (ad alta

più alto e impiegato nell’industria aereospaziale.)

Resistenza, elevate prestazioni, costo

Le fibre di vetro sono prodotte per stiratura di monofilamenti di vetro fusi, all'interno di un forno, fatte

passare attraverso filiere di platino e nel caso di fibre continue vengono raccolte su boine rotanti ad alta

velocità. Tanti di questi filamenti vengono poi assemblati per formare un “trefolo” di fibre di vetro.

Le fibre corte, vengono prodotte invece con trascinamento dei filamenti fusi da un getto di gas, che le

spezza e le aggroviglia.

Esempi di applicazioni: parti di autovetture e imbarcazioni, pavimentazioni industriali, contenitori per

stoccaggio e tubi di plastica.

Processo di fabbricazione delle fibre di vetro

Le fibre di vetro sono utilizzate per rinforzare matrici polimeriche avanzate.

µm, godono di un’alta rigidezza, resistenza (3.1-4.5)

Essendo molto sottili con diametro di circa 5-8 e bassa

densità (1,7-2,1)

Il modulo di elasticità e resistenza varia a seconda del processo produttivo, in base al quale si differenziano

in: standard (207-240), intermediate (240-340), high o ultra-high (340-940).

Proprietà che vengono molto utilizzate per applicazioni aerospaziali e attrezzature sportive e tempo libero

(mazze da golf, canne da pesca).

Tuttavia, presentano un comportamento a rottura fragile ed un costo molto elevato che esclude il loro

utilizzo in molti altri settori industriali.

Sono realizzare attraverso il susseguirsi di quattro fasi:

1. Filatura, che consiste nella trasformazione del polimero PAN in filamento, che viene a sua volta

trasformato in filamento infusibile, in atmosfera contenente ossigeno dai 180° ai 300°, durante la fase di

ossidazione.

2.carbonizzazione: Le fibre vengono riscaldate fino a quando non si forma la struttura grafitica.

3.grafitizzazione: necessario per l’aumento del modulo di elasticità in quando viene aumentato

l’orientamento dei cristallini grafici all’interno delle fibre.

Scaricato da asddsfsh hfshsf (takayoh222@wii999.com)

lOMoARcPSD|10081890

Fibre di carbonio

molto sottili. Godono di un’alta rigidezza, resistenza e bassa densità.

Sono

Tuttavia, presentano un comportamento a rottura fragile ed un costo molto elevato.

Il modulo di elasticità e resistenza varia a seconda del processo produttivo, in base al quale si differenziano

in: standard, intermediate, high o ultra-high.

Sono realizzare attraverso il susseguirsi delle fasi di: stabilizzazione, carbonizzazione, e grafitizzazione.

Vengono impiegate per applicazioni aerospaziali e attrezzature sportive e tempo libero mazze da golf,

canne da pesca. (kevlar, Twaron)

Fibre aramidiche

usate in applicazioni dove è richiesta un’alta resistenza al calore: in campo bellico, per indumenti

Sono

proiettivi, industriali, attrezzature sportive. Risulta più duttile della fibra di carbonio e con alta tenacità e

alle fibre di vetro. Presenta inoltre resistenza all’impatto, al creep

resistenza meccanica (3.0-4.5), superiore

e alla rottura per fatica, ma non troppo in compressione, bassa densità (<1.5) e medio modulo elastico

(130-150).

La Kevlar 49: è la fibra più resistente, rigida, resistente all’impatto a fatica, a solventi e al calore.

Lo svantaggio è che non si lega bene alle matrici e può creare microcricche nella resina, inoltre

sono dure e quindi difficili da lavorare e sensibili ai raggi UV.

Queste fibre vengono ottenute direttamente con il processo di polimerizzazione

Fibre ceramiche

Non sono molto diffuse, vengono usate per applicazioni ad altissima temperatura come ad esempio

componenti motoristiche.

Fibre di basalto

Hanno migliori proprietà meccaniche rispetto alle fibre di vetro, soprattutto a temperature elevate.

si caratterizzano per l’alta rigidezza e resistenza a compressione, e per un costo elevato.

Fibre di boro: Scaricato da asddsfsh hfshsf (takayoh222@wii999.com)

lOMoARcPSD|10081890

Polimeri termoplastici

I termoplastici hanno strutture lineari o poco ramificate unite tra loro da legami di natura elettrostatica

(forze di Van der Waals), senza elettroni liberi per cui sono ottimi isolanti termici ed elettrici. Presentano

una temperatura di transizione più elevata dei polimeri termoindurenti, che li rende facilmente plasmabili

per effetto della temperatura, e per un numero infinito di volte, perciò sono facilmente ricicabili.

Sono morbidi, duttili, tenaci ed elastici ma anche piuttosto fragili; tuttavia la loro viscosità rende

problematico il legame con le fibre e richiede tecniche di lavorazione complesse e costose.

Sono ottenuti per riscaldamento (fusione), formatura e solidificazione per raffreddamento.

I polimeri termoplastici più importanti sono:

con eccellenti proprietà meccaniche, chimiche e di resistenza che vengono mantenute anche ad alte

PEEK

temperature,(x parti di pistone, pompe e valvole, nel settore aerospaziale, automobilistico, e di processo

chimico, protesi mediche.)

le poliammidi di cui fanno parte il Nylon (materiale con elevato modulo elastico, durezza, resistenza

PA

meccanica, chimica e all’abrasione, elevato punto di fusione) il Kevlar (grande resistenza alle trazioni e agli

urti corde, giubbotti antiproiettile.) e il Nomex (elevata capacità di antifiamma, x tute vigili del fuoco);

il polipropilene caratterizzato da un elevato carico di rottura, una bassa densità, una buona resistenza

PP

termica e all’abrasione (x oggetti di uso comune.)

il polibutileneè flessibile, resiste bene agli impatti e ha una buona resistenza elastica, alle alte

PB

temperature e alla pressione idrostatica, (x tubi sottoposti a pressione, in packaging flessibili, adesivi)

Polimeri termoindurenti

I termoindurenti sono polimeri reticolati, che induriscono all'effetto del calore ma non subiscono alcun

ammorbidimento se sottoposti ad ulteriore riscaldamento, per cui una volta fissati non possono essere

riutilizzati o riciclati. Sono in genere più duri, più resistenti e più fragili dei termoplastici con una maggiore

stabilità dimensionale e sensibilità all’umidità e alla temperatura.

Le principali resine termoindurenti sono: epossidiche, vinilestere, fenoliche, poliimmidiche,

bismaleimidiche. basso ritiro durante la

Le hanno buone proprietà meccaniche, resistenza all’acqua,

resine epossidiche

reticolazione, hanno costi piuttosto elevati, sono soggetti a corrosione ed è difficile ottenere l’esatta

miscelazione tra i componenti. (x componenti aerospaziali e componenti commerciali).

Le hanno bassi costi e sono facili da usare, hanno una temperatura di esercizio non molto

resine poliestere

alta, un elevato ritiro, emissioni velenose di stirene, assorbono l’umidità e hanno proprietà meccaniche

moderate. (x scafi, imbarcazioni, carrozzerie automobili)

hanno un’alta resistenza alla fiamma, basse emissioni di fumo, un basso costo, un basso

Le resine fenoliche

assorbimento dell’acqua e una buona rigidità dielettrica, risultano corrosive se bagnate, sono fragili e poco

resistenti all’ossidazione e hanno scarsa finitura superficiale. (x adesivi termoformanti per compensato)

Le resistono alle alte temperature ma hanno costi moltoelevati. (x motori

resine BMI e poliimmidiche

aereonautici) Scaricato da asddsfsh hfshsf (takayoh222@wii999.com)

lOMoARcPSD|10081890

4. PRINCIPALI PROCESSI DI FABBRICAZIONE DEI COMPOSITI POLIMERICI A STAMPO

APERTO E CHIUSO

Tecnologie di fabbricazione di composti a stampo aperto

Ci sono varie tipologie di fabbricazione che presentano un unico semi stampo (maschio o femmina)

concavo o convesso. Quelle adatte a lavorare rinforzi di fibre lunghe o tessuti:

È un procedimento facile e a basso costo utilizzato per oggetti a cui non si richiede

Laminazione manuale:

elevate prestazioni e la cui qualità dipende dall’abilità dell’operatore. Sullo stampo vengono applicati in

sequenza i seguenti prodotti: Distaccante; Gel coast (è una resina poliestere o episodica con cariche e

pigmenti), una resina termoindurente e una lamina di rinforzo per incrementare lo spessore ed ottenere le

proprietà meccaniche desiderate.

Questo procedimento nonostante sia facile e a basso costo potrebbe cause problemi di sicurezza e salute

negli ambienti di lavoro (x cinghie di imbarcazioni, serbatoi, pannelli).

una tecnica analoga alla laminazione manuale ma impiegata per ottenere

Laminazione in autoclave:È

elevate prestazioni e si struttura in 7 fasi:

1. taglio a misura del preimpregnato (lamine di fibre, in genere unidirezionali o tessuti, tenuti insieme da

una resina ad alta viscosità)

2. Rimozione del film distaccante;

3.Laminazione eseguita su di uno stampo aperto di lega leggera o di un materiale composito e determina la

scelta degli orientamenti delle fibre, la loro quantità e la sequenza della laminazione;

4.applicazione sacco a vuoto con tutti gli strati accessori, anime, etc.;

5.Consolidamento degli strati in autoclave (e polimerizzazione della resina attraverso riscaldamento ad alte

temperature e pressione

6. estrazione del pezzo e lavorazioni finali;

7.Assemblaggio.

Uso: componenti strutturali di aerei, parti di macchine sportive, oggetti di alto livello per sport.

È una tecnica estremamente precisa, ha un alto contenuto di fibre e un basso contenuto di vuoti, ha una

bassa produttività sia per i costi elevati, sia per la complessità e per l’abilità richiesta agli operatori.

La fibra continua impregnata di resina viene avvolta su un apposito mandrino, messo in

Avvolgimento:

rotazione. I fili possono essere avvolti singolarmente o in lamine di fibre. Una volta ottenuto uno spessore

sufficiente viene effettuato un processo di reticolazione (cura)e

al termine il mandrino viene tolto.

È un processo automatico di veloce produzione, con costi relativamente bassi, e che garantisce alte

percentuali di rinforzo, buon controllo delle quantità di resina e del posizionamento delle fibre.