PMC. TECNOLOGIA dei prodotti di base e semilavorati: ELEMENTI COSTITUTIVI PMC: MMC CMC

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1 MATERIALI COMPOSITI a matrice polimerica: PMC - principi e schemi - MATERIALI PARTE 2 elaborazione del - FINALITA : - produzione di materiali resistenti, leggeri, a volte flessibili; con elevato rapporto resistenza/peso (resistenza specifica); con elevato rapporto rigidezza/peso (modulo specifico); - riduzione di costi lavorazione; processi produttivi flessibili; ELEMENTI COSTITUTIVI PMC: matrice: resine epossidiche - poliestere - poliammidiche; resine poliuretaniche fenoliche - vinilestere;... compito della matrice: [basso costo; basso peso specifico; preferite matrici termoindurenti] - tenere unite fibre [particelle] di rinforzo - trasmettere e distribuire lo sforzo applicato al rinforzo (più resistente) e una esigua frazione alla matrice (meno resistente); - proteggere il rinforzo da danneggiamenti superficiali dovuti a abrasione meccanica o degradazione chimica dell ambiente; - mantenere separate le fibre tra loro per evitare la propagazione di cricche da fibra a fibra (compositi fibrosi); rinforzo: fibra:vetro;carbonio; aramidiche [kevlar-nomex]; particelle: boro;berillio;.. compito del rinforzo: limita movimenti della matrice; sostiene i carichi applicati al composito, dà resistenza; migliori risultati con fibre orientate e disposte uniformi; additivi: cariche, stabilizzanti, riempitivi, agenti accoppianti,... PMC MMC CMC FIBRE: mono/multifilati fasci - tessuti fibre corte (compositi 3D) fibre lunghe (compositi unidirezionali o laminati) trecce mat[fiocchi] TECNOLOGIA dei prodotti di base e semilavorati:

2 TIPI PMC: compositi strutturali la matrice è rinforzata prevalentemente da fibre continue anche in forma ordinata di tessuto e non è caricata con additivi particellari. [matrici termoindurenti] Caratteristiche: elevato contenuto di fibre, alto grado di perfezione costruttiva (assenza quasi totale di vuoti o difetti), alte prestazioni fisico-meccaniche. compositi non strutturali la matrice è rinforzata con fibre discontinue distribuite e orientate in modo casuale e/o con cariche particellari e semi-particellari. [matrici termo plastiche] Caratteristiche: medio-basse e sono realizzati tipicamente con matrici poliestere insature e vinilestere e fibre di vetro. fibre di Carbonio hanno la migliore combinazione tra elevata resistenza e modulo a trazione, ma bassa capacità di allungamento. fibre aramidiche hanno buona combinazione tra elevata resistenza, elevato modulo ed elevato allungamento (resistenza all urto), [es.kevlar]. fibre di vetro hanno basso costo, durezza, elevata resistenza chimica e a trazione,buon modulo E, bassa rigidezza. ALCUNI ESEMPI: Lamine pre-impregnate: sono semilavorati composti da fibre e resina da polimerizzare (in diversi modi). Le fibre possono essere disposte in una sola direzione o tessute; il comportamento è sempre anisotropo. USO: fabbricazione dei laminati o degli strati esterni dei pannelli sandwich; elevate prestazioni meccaniche e buona fabbricazione. Laminati: sono ottenuti per sovrapposizione di lamine, in genere a rinforzo unidirezionale o tessuto, disposte secondo differenti orientazioni. Generalmente l assemblaggio delle lamine avviene per polimerizzazione dell insieme, a volte per incollaggio. USO: materiali strutturali, per necessità di elevate prestazioni meccaniche (rigidezza, resistenza, comportamento a fessurazione, per esigenza di limitare il peso). Sandwich: i pannelli sandwich sono come la trave a doppio T al caso bidimensionale, mettendo la parte resistente a flessione all esterno, e riempire la parte centrale con un materiale leggero (schiume solide, balsa, reticoli a nidi d ape). USI: campo navale, aerospaziale, aeronautico,sportivo. TECNOLOGIE DI PRODUZIONE dei COMPOSITI - PROCESSO = resina base + fibre + processo opportuno di reticolazione = composito; 1) Lavorazione manuale: contenitore [aperto] + resina + strati di fibre; reticolazione in forno; Tecnologia a spruzzo: è un getto in pressione, su contenitore [aperto], di resina e fibre corte premiscelate. 2) Stampaggio in pressione o sotto vuoto [stampo chiuso]: per laminati piani = contenitore + resina + strati di fibre + pressione/sotto vuoto; reticolazione in forno; od anche, in autoclave, con certe curvature; laminato preparato a freddo, sovrapponendo vari strati di preimpregnato, poi è posto in autoclave o presse scaldanti a T 180 C per polimerizzare sotto pressione. tipi: sacco a vuoto; in autoclave; 3) Pultrusione: per laminati continui e fibre lunghe; fibre in bagno di resina, tirate attraverso il forno di reticolazione; [stampo chiuso] 4) Stampaggio RTM per trasferimento [stampo chiuso]: stampo pre-forma di fibre; iniezione di resina; reticolazione; espulsione; 5) Avvolgimento - FW (Filament Winding): per forme a simmetria cilindroide, aperte alle estremità, o anche forme chiuse; fibre tirate in stampo aperto in bagno di resina e avvolte su cilindro/mandrino sfilabile [strati di fibra+matrice]; reticolazione in forno;

3 1 - Tecnologia a spruzzo: 1 - Tecnologia a mano: 2 - Tecnologia sotto vuoto di pre-impregnati - anche in autoclave 3 - Tecnologia di pultrusione: viene impiegata industrialmente, per produzione in grande serie e in continuo di profilati (gli stessi della serie in acciaio). La polimerizzazione avviene a caldo e in breve tempo. 5 - Tecnologia FW (Filament Winding): tecnologia industriale di costruzione di pezzi a simmetria cilindrica o comunque a sezione convessa. La fibra è preimpregnata di resina e quindi avvolta in modo regolare e programmato su un mandrino della forma voluta. La polimerizzazione può essere a caldo o a temperatura ambiente,tramite catalizzatore o anche tramite raggi UV. E' una tecnica molto usata per la costruzione di serbatoi in pressione, ma anche di grandi pezzi, come fusoliere di aerei o corpi di razzi vettori. 4 Tecnologia RTM (Resin Transfer Moulding): il rinforzo è messo a secco nello stampo; in seguito, si procede all'iniezione di resina in pressione, a volte con stampo sotto vuoto. La polimerizzazione avviene a temperatura ambiente o a caldo, con o senza cat. COMPONENTI DEI COMPOSITI: FIBRE - FIBRA DI CARBONIO - CARATTERISTICHE La Fibra di Carbonio è un polimero che ha forma di grafite; nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti in struttura lamellare a anelli esagonali legati tra loro a formare grandi piani, con aspetto di una "rete metallica"; i piani sono legati tra loro da legami Van der Waals; il singolo piano ha nome grafene. Queste fibre di solito non si usano da sole, ma vengono impiegate per rinforzare materiali come le resine epossidiche ed altri materiali termoindurenti. Questi materiali rinforzati prendono il nome di compositi perchè contengono più di un componente. I compositi rinforzati con fibra di carbonio sono molto forti in rapporto al loro peso, spesso più forti dell'acciaio, ma molto più leggeri; questi materiali sono usati per sostituire i metalli in molti usi, da parti di aerei o dello Space Shuttle alle racchette da tennis e le mazze da golf.

4 PRODUZIONE: La fibra di carbonio si ottiene mediante un complesso processo di riscaldamento ad alta temperatura in assenza di ossigeno pirolisi - da un precursore: 1) polimero poliacrilonitrile [più usato]; 2) rayon (cellulosa rigenerata), 3) pece; FASI: - produzione poliacrilonitrile: per polimerizzazione radicalica di acrilonitrile in sospensione acquosa; - filatura del P.sciolto in solvente (viscoso), quindi sottoposto a coagulazione,lavaggio,stiro,condizionamento termico. - pirolizzazione della fibra: ossidazione (T=300 C) - carbonizzazione T1800 C grafitizzazione (T=3000 C), in assenza ossigeno e atmosfera azoto;- anodizzazione elettrolitica (ossidazione- adesione della fibra al materiale matrice)- lavaggio essiccamento finissaggio. PROPRIETA : ottima resistenza meccanica ( GPa), alto costo, bassa tenacità, alto modulo elastico ( GPa), bassa densità ( gr/cm3) FIBRE ARAMIDICHE KEVLAR... Poliammidi aromatiche altamente cristalline, in cui almeno l 85% dei gruppi ammidici C-N sono legati direttamente a due anelli aromatici in posizione para (atomo 1 e 4). Sono diffuse con il nome commerciale di KEVLAR (DuPont),TWARON (Akzo Nobel) o NOMEX (DuPont). Il più noto è il Kevlar (Du Pont): Kevlar 29 ha bassa densità, alta resistenza per protezioni balistiche (giubbetti antiproiettile), funi e cavi Kevlar 49 ha modulo elastico più elevato e viene usato nei compositi. Il Nomex ha struttura para invece che meta nella disposizione dei gruppi aromatici PROPRIETA : elevatissima resistenza specifica a trazione - elevata resistenza all impatto e assorbimento di vibrazioni, elevata resistenza alla fiamma - buona stabilità termica fino a C - buona resistenza chimica - coefficiente di espansione termica lineare negativo - bassa resistenza a compressione - difficoltà di taglio e lavorazione - sensibilità alla luce UV FIBRE DI VETRO PRODUZIONE FIBRE DI VETRO: vetro di tipo E, i più utilizzati: 52-56% SiO2, 12-16% Al2O3, 16-25% CaO, 8-13% B2O3 vetro di tipo S, ad alta resisenza: 65% SiO2, 25% Al2O3,10% MgO PROPRIETA : ottima resistenza meccanica (2-5 GPa), basso costo, buona tenacità, basso modulo elastico (70-80 GPa), media densità ( gr/cm3). TIPI: E-Glass, ha un costo più basso rispetto gli altri tipi di fibre; questo è il motivo principale del suo largo uso in campo industriale. S-Glass originariamente sviluppata per componenti automobilistici, ha la più alta resistenza a trazione tra tutte le fibre commerciali in uso.tuttavia la differenza nella composizione ed il più alto costo dimanifattura fa il suo uso più dispendioso rispetto la E-Glass; Una versione a costo più contenuto è la S-2Glass è stata creata negli ultimi anni C-Glass, è usato nelle applicazioni chimiche dove è richiesta una maggiore resistenza alla corrosione agli acidi A-Glass è stata formulata specificatamente per l isolamento termico FIBRE POLIETILENE - Polietilene ad altissimo peso molecolare, UHMWPE (Ultra high molecular weight polyethylene); prodotte per gel spinning seguito da stiri elevati. Elevatissimo grado di cristallinità (95-99%). Introdotte verso la metà degli anni 80, sono diffuse con il nome commercialedi Spectra (Honeywell), Dyneema (DSM),Snia, (Tenfor) o Tekmilon (Mitsui). Vantaggi: Elevatissima resistenza specifica a trazione (superiore del 40% a quella del Kevlar) - Elevata resistenza all impatto e assorbimento di vibrazioni - Inattaccabilità agli acidi e alle basi - Bassa costante dielettrica - Densità inferiore a 1 kg/dm3 - Elevata resistenza all abrasione - Resistenza ai raggi UV - Bassa temperatura di fusione (150 C) - Alta infiammabilità - Ritiro di qualche percento per azione del calore.

5 Applicazione delle fibre di polietilene: indumenti ed elmetti antiproiettile - pannelli di protezione balistica - guanti resistenti al taglio - vele, paracadute, corde. TESSUTI IBRIDI Tessuti contenenti più di un tipo di rinforzo strutturale per componenti di peso e/o spessore molto ridotto. Carbonio/Aramidica: combinano l elevata resistenza ad impatto e a trazione delle fibre aramidiche con l elevata resistenza a compressione e a trazione delle fibre di carbonio. Aramidica/Vetro: combinano la bassa densità e l elevata resistenza ad impatto e a trazione delle fibre aramidiche con la buona resistenza a compressione e a trazione ed il basso costo delle fibre di vetro. Carbonio/Vetro:combinano la bassa densità e l elevata rigidezza e resistenza a compressione delle fibre di carbonio con il basso costo delle fibre di vetro. COMPONENTI DEI COMPOSITI: MATRICI - MATRICI EPOSSIDICHE: Le resine epossidiche sono polimeri termoindurenti contenenti, nel precursore liquido, l'anello epossidico a tre atomi. PREPARAZIONE: sintetizzate da bisfenolo A e da epicloridrina, i quali vengono riscaldati in presenza di un indurente come la trimetilammina in grado di creare interazioni forti tra le catene formatesi; il processo di polimerizzazione impiega induritori. PROPRIETA : Le resine epossidiche sono vetrose a temperatura ambiente e vengono quindi miscelate con diluenti per abbassare la viscosità a livelli adeguati per l'impregnazione delle fibre. I diluenti sono stirene monomero e stirene ossido. La viscosità di una resina epossidica senza diluente può variare moltissimo, da liquido a solida, di solito queste resine si presentano sotto forma di di-epossido, si tratta di una catena lineare di molecole alla cui estremità trovano posto i gruppi epossidici (CH 2 -O-CH) con i quali reagiscono gli agenti leganti durante la polimerizzazione. I gruppi ad anello contribuiscono ad aumentare la rigidità e la resistenza al calore delle resine; eccellenti proprietà meccaniche; ottimo potere adesivo; caratteristiche di isolamento elettrico e di resistenza agli agenti chimici. Esse hanno un bassissimo ritiro, un ottima resistenza alla temperatura ed un elevata insensibilità ai substrati alcalini ed all umidità, sia prima che dopo l indurimento. Le resine epossidiche sono dotate di caratteristiche fisiche superiori e tempi di reazione più brevi rispetto alle poliesteri e alle vinilesteri ma il loro prezzo è più elevato. Eccellente adesività, resistenza al calore e chimica. Inoltre possiedono buone proprietà meccaniche e sono ottimi isolanti elettrici. Opportunamente catalizzate, danno origine a polimeri ad alte prestazioni ampiamente utilizzati nella costruzione e manifattura di articoli tecnici. APPLICAZIONI: Questa categoria di resine è la più utilizzata per la realizzazione di materiali compositi avanzati, ottenuti mediante la combinazione della resina con delle fibre. Le resine epossidiche, opportunamente formulate, sono particolarmente indicate per il trattamento di supporti metallici, per l adesione anche in presenza di umidità o per substrati alcalini, come il calcestruzzo. Usi: materiali compositi; vernici, rivestimenti, adesivi; rivestimenti di contenitori per uso alimentare; PROPRIETA : buone caratteristiche mecaniche e di adesione alle fibre, minor ritiro, sono costose e vengono utilizzate per lo più con fibre carbonio e aramidiche (compositi pregiati, areonautica...) MATRICI POLIESTERE - [vedi altro documento] molto utilizzate con fibre di vetro hanno basso costo e trovano applicazione per: scafi imbarcazioni, pannelli per edifici, carrozzeria autoveicoli, apparecchiature... PREGI: Bassa viscosità - Corti tempi di cura - Bassi costi DIFETTI: Proprietà meccaniche e chimiche più scarse (rispetto alle epossidiche) - Elevato Ritiro - Uso dello Stirene (cancerogeno ed altamente infiammabile) come diluente R. poliestere rinforzate [EG+AT]: aumento di robustezza, flessibilità e rigidità con raggiunta di additivi rinforzi quali fibre di vetro o di carbonio: uso nell edilizia, per condotte, paratie, serramenti,casseforme,vetrate, pannelli decorativi; nella nautica; parti di autobus, furgoni, macchine agricole, roulotte,carrozze ferroviarie.

6 APPENDICI:

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