3.3 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DELLA FIBRA DI GINESTRA

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1 3.3 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DELLA FIBRA DI GINESTRA La caratterizzazione meccanica delle fibre di ginestra è stata effettuata mediante prove di trazione utilizzando un dinamometro INSTRON 4302 (cella di carico di 10 N). Le fibre sono state poste fra due morsetti pneumatici, azionati mediante aria compressa ad una pressione di circa 1 bar, comandati da una valvola appartenente al suddetto strumento e posti ad una distanza pari alla lunghezza utile di fibra in esame. Si è operato con una velocità di traversa di 1 mm/min, a temperatura ambiente (24 ± 2 C). Per la selezione dei filamenti impiegati per la prova valgono le stesse considerazioni esposte al riguardo alle attenzioni riservate al maneggiamento, al diametro e alla sezione della fibra. In particolare, allo scopo di contenere la variabilità intrinseca del diametro delle fibre vegetali, si sono selezionati solo campioni di fibra con un diametro approssimativamente costante lungo tutto il tratto interessato dalla prova di trazione. Tramite osservazione al microscopio ottico, è stato possibile selezionare fibre che avessero un diametro medio di circa 50 µm, avendo assunto indicativamente un valore di riferimento riportato in letteratura [9]. Le prove di trazione sono state condotte su fibre aventi tre diverse lunghezze ( Gauge lengths ) (10, 30 e 50 mm); si sono effettuate prove utili per ogni lunghezza; altre sono state scartate per inconvenienti tecnici o perché non si è riuscito a determinare il diametro di fibra (rivelatasi ad esempio non singola, con conseguente rottura in piú stadi successivi e sfilacciamento) Valutazione della resistenza tensile della fibra di ginestra a temperatura ambiente Il modello proposto da Weibull, come illustrato nel paragrafo 3.1, è finalizzato all ottenimento della funzione ( l ) σ. Esso è basato sull assunzione di un comportamento fragile delle fibre: la fibra di ginestra, cosí come quelle di juta, soddisfa questo requisito, come dimostrano i diagrammi carico/spostamento tracciati al plotter: 75

2 σ [MPa] ε [%] Fig Un tipico esempio di curve sforzo/deformazione di fibre di ginestra, tracciate dal plotter del dinamometro Instron Dopo la selezione iniziale dei filamenti, nella prova di trazione di ciascuna fibra si è letto al dinamometro il valore di picco del carico (load), in corrispondenza del quale si è avuta la rottura; il punto critico della prova è la valutazione del diametro di fibra, che consenta di ricavare lo sforzo di rottura (stress σ ) dal valore del carico. Come già discusso per la juta, le difficoltà risiedono nella particolare moologia di una fibra vegetale come la ginestra: infatti ciascun filamento in realtà è una struttura (chiamata strand ) composta da fasci di fibrille cementate fortemente da lignina; ciò rende tanto la supeicie esterna quanto la sezione trasversale irregolari, con conseguente variabilità della sezione lungo la fibra. Invece di assumere un diametro equivalente quale media di piú valori presi in un certo numero di punti della fibra o in due direzioni nella sezione minore con un comparatore (come è stato fatto in [9]), si è preferito misurare all oculare graduato del microscopio ottico il diametro in corrispondenza della sezione di rottura della fibra assoggettata a trazione, dopo che la rottura è avvenuta; quindi si è rapportato il valore del carico di rottura alla sezione di rottura stessa calcolata con quel valore di diametro e assunta approssimativamente circolare (in realtà la sezione, pur tondeggiante, non è del tutto circolare): σ = load (3.20) 2 ð φ 76

3 Per ogni Gauge length si è costruita quindi una tabella riportante i valori sperimentali di diametro e di carico di rottura, nonché quelli calcolati dello sforzo di rottura, della funzione di distribuzione P n (σ ) e delle variabili { [ ln( )] ln l} ln e ln σ della curva (3.9) [Tab. in App.B]; sotto ogni tabella è riportato il relativo grafico con la retta ( P l ) f n, interpolante i dati delle ultime due colonne. Nelle tabelle riportate in appendice, P n (σ ) esprime la frazione numerica di fibre aventi una resistenza inferiore alla σ della rispettiva riga: tale valore si ottiene dividendo il numero progressivo del campione (riportato nella prima colonna della tabella) per il numero totale dei campioni esaminati piú uno, e ciò grazie al fatto che si sono ordinati i campioni in ordine crescente di resistenza a trazione. I dati delle ultime due colonne di ciascuna delle tre tabelle vengono interpolati con una retta del tipo y = m x + c, dove 1 y = ln ln 1 Pn m =α x = lnσ c = α lnγ. ( σ ) lnl Dalla retta interpolante si ricavano coefficiente angolare m ed intercetta c, dai quali si risale ai due parametri α e γ del modello di Weibull: α = m, γ = exp ( c α) (3.21) Noti i due parametri e valutata la funzione gamma Γ = Γ( α), possiamo infine calcolare il valore medio di resistenza σ relativo a ciascuna delle tre lunghezze l in esame della fibra tramite la (3.17), ovvero tre punti per la costruzione della retta di lavoro cercata, e, in definitiva, compilare le tre righe della Tab.3.8 e tracciare la retta interpolante della Fig Come nel caso della juta, il grafico di ( l ) log in funzione di log l mostra un aumento dello sforzo a rottura medio al diminuire della lunghezza. La resistenza tensile è molto variabile ( MPa), mentre la deformazione a rottura risulta contenuta per le fibre piú lunghe (2.5%) e maggiore per quelle piú corte (4.5%), a causa di una probabile minor presenza di difetti all interno di quest ultime. Una stima di massima del σ modulo elastico indica un valor medio di circa 21.5 GPa. 77

4 Caratterizzazione meccanica della fibra di GINESTRA RETTA DI LAVORO Fibra non preriscaldata l [mm] log l α γ (α+1)/α Γ[(α+1)/α] log σ,m σ,m [MPa] Tab. 3.8 Calcolo della resistenza tensile media della fibra di ginestra, a temperatura ambiente, alle tre Gauge lengths 2.80 Retta di lavoro per la fibra di GINESTRA non preriscaldata 2.76 y = x R 2 = log σ,m [MPa] log l [mm] Fig Retta di lavoro per la fibra di ginestra, a temperatura ambiente, costruita con i dati della Tab

5 3.3.2 Valutazione della resistenza tensile della fibra di ginestra pretrattata termicamente Come nel caso della juta [ 3.2.2], anche per la ginestra si è ripetuta la procedura sperimentale di caratterizzazione meccanica della fibra su campioni pretrattati termicamente in condizioni prossime a quelle di stampaggio dei provini SFC. L analisi termogravimetrica/termica differenziale non ha evidenziato una perdita di peso significativa della fibra fino a 200 C [ 2.2.4]: anche la ginestra, pur mostrando una resistenza alla degradazione inferiore a quella della juta, è in grado di sostenere le condizioni di processo delle matrici termoplastiche impiegate. Selezionate oltre 30 fibre di diametro approssimativamente uniforme per ognuna delle tre Gauge lengths adottate per la fibra non preriscaldata (10, 30 e 50 mm), si è effettuato su tali fibre un riscaldamento a 170 C per 5 minuti in pressa. I singoli filamenti preriscaldati sono stati assoggettati poi a trazione per la valutazione della distribuzione di resistenza [vedi e 3.3.1]. Dalla retta di lavoro finale [Fig.3.12], che esprime la ricercata dipendenza della resistenza meccanica σ dalla lunghezza l della fibra, si può notare come sia confermato l andamento crescente dello sforzo a rottura medio al diminuire della lunghezza. Confrontando i dati della fibra pretrattata termicamente nelle condizioni di stampaggio del polipropilene con quelli delle fibre non trattate [Tab.3.10 e Fig.3.13], si può osservare una riduzione della resistenza meccanica alquanto contenuta: ciò ha confortato l utilizzo di questo tipo di fibra come rinforzo per matrici termoplastiche e, nel contempo, ha reso supelua un ulteriore caratterizzazione meccanica della fibra preriscaldata ad una temperatura leggermente piú bassa, quale quella raggiunta nello stampaggio del polietilene. 79

6 Caratterizzazione meccanica della fibra di GINESTRA RETTA DI LAVORO Fbra preriscaldata a T=170 C per 5' l [mm] log l α γ (α+1)/α Γ[(α+1)/α] log σ,m σ,m [MPa] Tab. 3.9 Calcolo della resistenza tensile media della fibra di ginestra, preriscaldata, alle tre Gauge lengths 2.76 Retta di lavoro per la fibra di GINESTRA preriscaldata 2.72 y = x R 2 = log σ,m [MPa] log l [mm] Fig Retta di lavoro per la fibra di ginestra, preriscaldata, costruita con i dati della Tab

7 Resistenza tensile media a rottura della fibra di GINESTRA Gauge length σ,m [MPa] [mm] T=20 C preriscaldata Tab Confronto di dati sperimentali di resistenza tensile media della fibra di ginestra non trattata termicamente oppure preriscaldata alla temperatura di stampaggio dei compositi Confronto Rette di lavoro per fibra di GINESTRA preriscaldata o no y = x non preriscaldata preriscaldata log σ,m [MPa] y = x log l [mm] Fig Rette di lavoro per la fibra di ginestra, non trattata termicamente oppure preriscaldata, costruite con i dati della Tab