Materiali compositi con ossido di grafene come interfase per il monitoraggio dell'integrità strutturale

T

5% , temperatura alla quale ha inizio la degradazione, calcolata intersecando le

• T

onset

tangenti al termogramma prima e dopo l’inizio della degradazione.

, temperatura di degradazione corrispondente alla massima velocità di perdita di

• T

d

peso.

, massa percentuale residua alla fine della prova.

• m

r

La , è un indice che permette di calcolare il contenuto percentuale di fibra di vetro

m

r

all’interno del composito.

2.4.8 Analisi meccanica dinamica (DMA)

Si tratta di una analisi termica utilizzata per determinare le proprietà viscoelastiche del

materiale: temperatura di transizione vetrosa, modulo conservativo e modulo di perdita.

Il test è stato svolto utilizzando la macchina DMA Q800 in modalità dual-cantilever con

campioni rettangolari (55 mm mm mm), da a con una velocità di

◦ ◦

×13 ×1.3 0 C 150 C,

riscaldamento di e frequenza di oscillazione pari a 1 Hz.

◦

5 C/min 23

Figura 7: TGA Q5000IR

2.4.9 Prove di flessione quasi-statiche

La prova a flessione in tre punti è stata eseguita sia sul composito con fibre vergini sia su

quello con fibre rivestite, alle temperature di e per ricavare alle diverse

◦ ◦ ◦

0 C, 23 C 50 C

temperature i seguenti parametri: il modulo elastico flessionale (E), la resistenza a carico

massimo (σ ) e la deformazione a rottura (ε ).

b b

Per eseguire la prova di flessione è stata seguita la normativa ASTM D-790-03 variando

ogni parametro in funzione di ciascun campione (dimensioni x x circa) ed è

150 13 1.5

stata utilizzata la macchina INSTRON 5969.

2.4.10 Prova di resistenza al taglio interlaminare (ILSS)

Per determinare la resistenza a delaminazione dei compositi EP-GF ed EP-rGO-GF è

stata eseguita una prova di flessione in tre punti utilizzando, come nelle prove di flessione

quasi-statiche, la macchina INSTRON 5969, seguendo la normativa ASTM-D2344. In

particolare, per poter svolgere questa prova, sono stati preparati dei campioni di EP-GF

ed EP-rGO-GF costituiti da strati di GF (diversamente da tutti gli altri test, nei quali

12

sono stati utilizzati compositi di soli 4 strati di GF). Noto il carico massimo (P ), spessore

(h) e larghezza (b) del provino, è possibile calcolare lo sforzo (F ) tramite l’Equazione (4).

24 P (4)

= 0.75 ×

F ×

b h

2.4.11 Monitoraggio della resistenza elettrica durante la flessione

Questo test consente di monitorare la variazione percentuale della resistenza elettrica

del composito con fibre rivestite, mentre è sottoposto ad una flessione in 3 punti, svolta

seguendo la normativa ASTM D-790-03 come descritto nel Paragrafo 2.4.9 (è stata mi-

surata la resistenza elettrica delle sole fibre in trazione del composito). Il monitoraggio è

stato eseguito alle temperature di e utilizzando la INSTRON 5969 ed il

◦ ◦ ◦

0 C, 23 C 50 C

multimetro digitale KEITHLEY 6517A (Figura 8).

Figura 8: Monitoraggio della resistenza elettrica durante un test di flessione in tre punti.

25

3 Risultati e discussione

3.1 Analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM)

Dall’analisi delle GF al microscopio elettronico a scansione (Figura 9) è possibile notare

l’effettivo rivestimento di GO delle fibre ottenuto tramite il processo di deposizione elet-

troforetica. Si tratta di un rivestimento molto sottile ma non uniforme (con protuberanze

che raggiungono i µm) ma che consente, come spiegato nel Paragrafo 3.2, una buona

2 − 3

conducibilità elettrica sia delle fibre che del composito finale.

(a) (b)

Figura 9: Immagini SEM di a) GF prima del rivestimento b) GF (campione 2A) dopo il

rivestimento.

3.2 Misura della resistività elettrica delle fibre

Nella Tabella 4 sono riportati i valori di resistività calcolata per ogni campione. Si nota

come, sia l’aumento della tensione alla quale avviene il processo di EPD, sia l’aumento

della concentrazione di GO nella soluzione, incida sulla resisitività volumica delle fibre (le

quali, se non rivestite, presentano una resistività di Ciò è legato al fatto che

−14

10 Ω cm).

la quantità di GO che riveste le fibre dipende da questi due paramentri, come descritto

nel Paragrafo 3.1. Data la bassa resistività volumica, il campione 2A è stato scelto come

rinforzo per i compositi preparati. 27

Tabella 4: Resistività volumica per ogni campione di fibra prodotto.

% Ω m

V /cm

Campione GO tensione resistività

0A 0.005 0.5 6449 ± 241

0B 0.005 1 5439 ± 368

0C 0.005 1.5 2073 ± 562

1A 0.01 0.5 1154 ± 146

1B 0.01 1 887 ± 203

1C 0.01 1.5 222 ± 54

2A 0.02 0.5 41 ± 7

2B 0.02 1 51 ± 18

2C 0.02 1.5 52 ± 14

3.3 Misure di densità

Nella Tabella 5 sono riportati i valori medi di densità e porosità dei campioni testati,

dove e sono i valori di densità teorica e sperimentale.

ρ ρ

t s Tabella 5: Densità e porosità dei compositi preparati.

(g/cm ) (g/cm ) (%)

3 3

ρ ρ porosità

t s -

1.1470 1.1470 ± 0.0014

EP 2.1056 1.9960 ± 0.0068 5.20 ± 0.32

EP-GF 2.1095 2.0363 ± 0.0404 3.47 ± 1.91

EP-rGO-GF

Dalla Tabella 5 si nota che la frazione di vuoti, in volume, è simile nei due campioni di

EP-GF ed EP-rGO-GF. Ciò significa che il rivestimento di rGO non porta alla formazione

di difetti del materiale che potrebbero comprometterne la resistenza meccanica.

La misura del peso delle fibre e del composito ha permesso di confermare il risultato

ottenuto dall’analisi termogravimentrica (Paragrafo 3.7): l’80 % in peso del composito è

dovuto alle fibre (pari al 62 % in volume). 28

3.4 Analisi al microscopio ottico dei compositi

In Figura 10(a-b) si possono vedere le immagini ottenute tramite un’analisi al microscopio

ottico dei compositi. (a) (b)

Figura 10: Immagini al microscopio ottico di a) EP-GF b) EP-rGO-GF.

Le circonferenze rappresentano le sezioni delle fibre di vetro, immerse nella matrice

di resina epossidica. Le zone scure sono porosità dovute al taglio; è possibile infatti

eliminarle lucidando ulteriormente la superficie.

3.5 Misura della resistività elettrica dei compositi

Nella Tabella 6 è riportata la resistività volumica del composito misurata a diverse tem-

perature. Tabella 6: Resistività volumica di EP-rGO-GF alle diverse temperature.

Ω m

Temperatura resistività

◦

0 C 80 ± 37

◦

23 C 74 ± 30

◦

50 C 54 ± 26

29

Risulta evidente che una temperatura elevata favorisce la conducibilità elettrica del

composito e tende quindi ad abbassare la sua resistività volumica. I valori di resistività

ottenuti sono bassi, e dovrebbero consentire un monitoraggio elettrico del composito.

3.6 Calorimetria differenziale a scansione (DSC)

Dalla calorimetria differenziale a scansione sono state ricavate la di primo riscaldamen-

T

g

(1) (2)

to (T ) e di secondo riscaldamento (T ) della resina epossidica utilizzata come matrice

g g

nei compositi. I due valori ricavati sono rispettivamente e

◦ ◦

94.32 C 94.69 C.

In Figura 11 è riportato il termogramma della prova.

0.4

exo) 0.3

®

( 0.2

[W/g] 0.1

specifica I Riscaldamento

0.0 Raffreddamento

II Riscaldamento

-0.1

Potenza -0.2

-0.3

-0.4 0 20 40 60 80 100 120 140

Temperatura (°C)

Figura 11: DSC resina epossidica.

30

3.7 Analisi termogravimetrica (TGA)

Nella Tabella 7 sono riportati i dati ricavati dalla TGA eseguita sulla resina epossidica

e sui compositi senza e con rivestimento delle fibre. In Figura 12 sono riportati i termo-

grammi della TGA per i compositi EP-GF e EP-rGO-GF.

100

95 EP-GF

EP-rGO-GF

(%) 90

residua 85

Massa 80

75

70 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura (°C)

Figura 12: Analisi termogravimetrica sui compositi EP-GF e EP-rGO-GF.

Tabella 7: Risultati delle prove TGA sui campioni preparati.

EP EP-GF EP-rGO-GF

171.1 76.7 214.8

T 1% 306.6 332.5 346.5

T 5% 346.7 375.7 367.3

T d 335.1 347.0 332.1

T onset 7.35 77.4 81.6

m r 31

La massa residua al termina della prova coincide con la percentuale in peso delle fibre

di vetro presenti nel composito che risulta quindi essere dell’ordine dell’80% della massa

totale del composito stesso.

3.8 Analisi meccanica dinamica (DMA)

Tramite questa analisi è stato possibile confrontare le proprietà viscoelastiche dei com-

positi con e senza rivestimento delle fibre. Nella Figura 13 vengono messi a confronto il

modulo dissipativo e il modulo conservativo mentre nella Figura 14 si comparano i fattori

di smorzamento tan-delta.

28 6

EP-GF

26 EP-rGO-GF

24 EP-GF

(GPa) 5 (GPa)

EP-rGO-GF

22

20

conservativo 4 dissipativo

18

16 3

14

12 Modulo

2

Modulo 10

8 1

6

4 0

2

0 0 50 100 150

Temperatura (°C)

Figura 13: Modulo conservativo e modulo dissipativo dei compositi preparati.

32

0.5

0.4 EP-GF

EP-rGO-GF

delta 0.3

Tan 0.2

0.1

0.0 0 20 40 60 80 100 120 140

Temperatura (°C)

Figura 14: Fattore di perdita dei compositi preparati.

◦

23 C

Tabella 8: Modulo conservativo a e temperatura di picco del modulo dissipativo e del tan

delta dei compositi preparati. EP-GF EP-rGO-GF

(MPa) 20373 26147

Modulo conservativo ( 95 80

◦

C)

Picco modulo dissipativo

( 98 83

◦ C)

Picco tan delta

Analizzando il fattore di perdita si deduce, quindi, un miglioramento delle proprietà

viscoelastiche del composito EP-rGO-GF rispetto all’EP-GF.

33

3.9 Prove di flessione quasi-statiche

Sono state inizialmente eseguite prove di flessione sia per EP-GF che per EP-rGO-GF

terminate al raggiungimento di un allungamento dell’1% per calcolare il modulo elastico

flessionale. Successivamente sono state eseguiti ulteriori test terminati alla rottura del

campione. I test sono stati eseguiti alla temperatura di e per confrontare

◦ ◦

23 C 50 C

i rispettivi sforzi a rottura. I dati ricavati sono riportati nelle Figure 18 e 17 mentre,

l’andamento della curva sforzo-deformazione, nella Figure 15 e 16.

1000

800 EP-GF

EP-rGO-GF

(MPa) 600

Sforzo 400

200

0

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030

Deformazione (mm/mm)

Figura 15: Curva sforzo-deformazione a temperatura ambiente dei compositi preparati.

34

1000 EP-rGO-GF 50°C

EP-rGO-GF 23°C

800 EP-GF 50°C

EP-GF