Ing. Carlo Della Bona. Fibre di rinforzo tradizionali ed innovative e tecnologie di trasformazione

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1 Ing. Carlo Fibre di rinforzo tradizionali ed innovative e tecnologie di trasformazione 1

2 CONTENUTI FIBRE TRADIZIONALI Carbonio Aramidica Vetro TIPOLOGIE DI RINFORZO PROCESSI INNOVATIVI Innovative tex Dynano tex FIBRE INNOVATIVE Vectran Dyneema\Spectra Zylon Technora 2

3 Fibra di carbonio La fibra di carbonio è prodotta attraverso processi d ossidazione e carbonizzazione di un precursore organico ricco di carbonio già in forma di fibra. Il precursore più utilizzato è il poliacrilonitrile (PAN) Variazioni durante il processo di carbonizzazione permettono di produrre carbonio con diverse caratteristiche (alta resistenza o alto modulo). Una volta prodotta la fibra di carbonio viene sottoposta ad un trattamento superficiale applicando un appretto chimico (SIZING) che aumenti l adesione della resina alla fibra e per proteggere durante le lavorazioni successive. 3

4 Tipologie di fibra di carbonio La fibra di carbonio viene classificata in base al titolo (peso per unità di lunghezza), al modulo ed alla resistenza. TITOLO: in base al numero di filamenti nel singolo tow 3K-200 tex 6K-400 tex 12K-800 tex 24K-1600 tex 50K-3600 tex MODULO E RESISTENZA: HS-alta resistenza (modulo Gpa), IM- modulo intermedio ( Gpa), HM -alto modulo ( Gpa). 4

5 Produttori di fibra di carbonio Principali produttori Paesi TORAY: TOHO TENAX: MITSUBISHI-GRAFIL: ZOLTEK TAYRIFIL CYTEK HEXCEL Giappone, Usa, Francia Usa, Giappone, Germania Usa, Germania Usa, Messico, Ungheria Taiwan Usa Usa, Spagna 5

6 Trend mondiale fibra di carbonio 6

7 Costi fibra di carbonio PREZZI FIBRA: Alta Resistenza (HS) 3K-200 tex: euro\kg 42/44 6K-400 tex : euro\kg 35/37 12K-800 tex : euro\kg 20/22 24K-1600 tex : euro\kg 18/20 PREZZI TESSUTI BILANCIATI: Alta resistenza (HS) 3K-200 tex: 160 g\m2: euro\m g\m2 : euro\m2 14 6K-400 tex : 300 g\m2 : euro\m K-800 tex : 400 g\m2 : euro\m g\m2 : euro\m K-1600 tex : 800 g\m2 : euro\m K-3600 tex : euro\kg 16/18 Alto Modulo (HM): Pan 300/400 GPa- : euro\kg 60/80 Pan 500/700 GPa : euro\kg 100/150 Pitch 640 Gpa : euro\kg 100 Alto Modulo:????????? 7

8 Fibra aramidica Tutte le tipologie di fibra aramidica hanno una buona resistenza all impatto e sono usate largamente nelle applicazioni balistiche. La resistenza a compressione è molto bassa, simile a quella del vetro. La fibra aramidica presenta inoltre delle buone resistenze all abrasione, all aggressione chimica e termica. I raggi ultravioletti fanno degradare rapidamente la fibra aramidica. Le proprietà degradano rapidamente anche in presenza di umidità Commercializzato in Italia con i trademark KEVLAR (DUPONT) e TWARON (TEIJIN) PROPRIETA : -densita : 1.4 g\cm3 -modulo trazione: 105 Gpa -resistenza a trazione: 3100 Mpa -Allungamento a rottura: 2.7% COSTO: 1610 dtex tessuto bilanciato g/m2 27 euro/kg 9/13 euro kg 8

9 Fibra di vetro E E in assoluto la fibra più diffusa per l ottimo compromesso qualità\prezzo Largamente utilizzata in moltissimi settori PROPRIETA : -densita : 2.55 g\cm3 -modulo trazione: 72 Gpa -resistenza a trazione: 2400 Mpa -Allungamento a rottura: 3% COSTO: 2 euro/kg tessuto bilanciato 100\300 g/m2 mat 225\450 g/m2 2 euro\m2 3 euro\kg 9

10 Confronto proprietà fibre secche Le proprietà tipiche delle più comuni fibre di rinforzo possono essere riassunte nella seguente tabella: 10

11 Tipologie di rinforzo 1 CHOPPED STRAND MAT(CSM): Questo rinforzo nella quasi totalità dei casi è prodotto con fibra di vetro che vengono tagliate e distribuite uniformemente in ogni direzione sul piano; successivamente vengono legate assieme da un legante composto da una dispersione in acqua di silani. Il Mat, proprio per la sua costruzione, è un tipo di rinforzo che per essere impregnato correttamente richiede un elevata quantità di resina: circa il doppio del suo peso non impregnato. E il riforzo più diffuso per la costruzione di manufatti in PRFV con basse caratteristiche meccaniche ma uniformemente distribuite in tutte le direzioni ( le fibre sono distribuite uniformemente in ogni direzione). Si differenziano per grammatura (150, 225, 300, 450, 600 g\m2). STUOIE (woven roving): Questo rinforzo è realizzato tessendo il roving di vetro continuo. In tal modo le fibre sono disposte in due direzione ortogonali l una all altra: l ordito (fibre disposte nella lunghezza del rotolo) e la trama (disposta lungo la larghezza del rotolo). La continuità delle fibre delle stuoia e le quantità minori di resina necessarie alla sua impregnazione (circa lo stesso peso della fibra secca non impregnata) conferiscono ai laminati realizzati con essa buone caratteristiche meccaniche. ACCOPPIATI: Formati dall unione di una stuoia con del Mat con una cucitura. Questo tipo di rinforzo viene utilizzato quasi esclusivamente nella laminazione manuale e permette di applicare due strati con un unica operazione d impregnazione. Utilizzando resine poliesteri è infatti necessario alternare uno strato di mat ad uno di stuoia per evitare fenomeni di delaminazione. 11

12 Tipologie di rinforzo 2 TESSUTI (fabrics): Con questa denominazione vengono indicati tutti i rinforzi BILANCIATI in vetro realizzati utilizzando yarns. Questi, a differenza del roving, hanno titoli molto più bassi (dagli 11 tex ai 200 tex) e consentono di realizzare dei tessuti dai 25 g/mq ai 400 g/mq. Le fibre di vetro utilizzate vengono trattate superficialmente con degli appretti che ne consentono l utilizzo nelle macchine tessili. Per questo,oltre alla fase di tessitura sono previste due ulteriori fasi: una prima di rimozione dell appretto tessile (LAVAGGIO), una seconda di applicazione di un finissaggio che permetta l aggancio chimico della resina alla superficie del vetro (FINISHING). I tessuti BILANCIATI realizzati con le altre fibre (carbonio, aramidica, poliestere) non necessitano di tale procedura in quanto le fibre utilizzate nella tessitura hanno già un appretto idoneo alle resine che verranno utilizzate (SIZING). Si possono realizzare tessuti dai 30 ai 1000 g\mq. UNIDIREZIONALI (UD): Sono particolari stuoie o tessuti nei quali la maggior parte delle fibre (>85%) sono disposte lungo la direzione dell ordito. Le fibre in trama hanno la sola funzione di handling per il tessuto secco (vetro, poliestere o termoplastico) MULTIASSIALI (multiaxials): Vengono prodotti con delle macchine tessili particolari che permettono la stesura delle fibre lungo direzioni diverse dall ordito (0 ) e dalla trama (90 ), generalmente ±45. In tal modo si possono realizzare rinforzi con caratteristiche meccaniche elevate lungo tutte le direzioni. Le fibre sono generalmente fissate con sottili fili di poliestere (sticking). Usualmente vengo prodotti multiassiali: ±45 (biassiali), 0 ±45 (triassiali), 0 ±45 90 (quadriassiali), 0 90 (biassiali). NASTRI (Tapes): Tessuti in altezza ridotta (2-20 cm). A differenza dei tessuti standard sono realizzati con trama continua. Possibilità di avere le versioni bilanciate o unidirezionali. 12

13 Tipologie di rinforzo 3 STILI TESSILI (Weaving Style): A parità di quantità di fibra, la differenza fra stili tessili comporta una diversa lavorabilità e drappeggiabilità (handling) del tessuto stesso. 13

14 Processi innovativi- INNOVATIVE TEX -Da una collaborazione Alenia Angeloni nasce il brevetto sui tessuti ibridi fibra-metallo. - Il brevetto deriva dall esigenza di sposare le caratteristiche elastoplastiche del metallo con quelle delle fibre sintetiche per compositi. - Innovative Tex combina importanti proprietà nella dissipazione degli urti e nella capacità di resistenza agli impatti con le già note proprietà dei materiali compositi. CARATTERITICHE PRINCIPALI: -Possibilità di combinare svariati metalli (Titanio, Acciaio Inox, Rame, Alluminio, Ottone, Oro) con le principali fibre sintetiche per compositi (Carbonio, Aramide, Vetro, Vectran, ecc), per ottenere differenti proprietà meccaniche - Possibilità di realizzare tessuti con diverse armature e stili tessili, per ottenere lavorabilità e proprietà meccaniche desiderate. 14

15 Processi innovativi- INNOVATIVE TEX Carbon fiber IM7 + Titanium wire Grade 5 HS carbon fiber + Inox Steel wire Glass fiber+ Aluminium wire HS carbon fiber + Gold wire Aramide fiber + Aluminium wire HS carbon fiber + Copper 15 wire

16 Processi innovativi- INNOVATIVE TEX 16

17 Processi innovativi- INNOVATIVE TEX PROPRIETA : -Aumento delle proprietà di resistenza agli impatti -Aumento della resistenza alla penetrazione -Diminuzione dell area delaminata in caso di impatto -Facilità di individuazione zone danneggiate (criterio BVID) -Conseguente risparmio in tempo per i controlli -Possibilità di sostituire in aeronautica Arall e Glare Le proprietà derivanti dalla combinazione di fibre e fili metallici conferiscono proprietà non comuni in un composito. Dai test effettuati emerge come il composito ibrido sia un compromesso di proprietà fra composito tradizionale e metallo: in particolare aumentano la capacità di resistenza e dissipazione degli impatti e la resistenza alla delaminazione in caso di urto. Le prove CAI (Compression After Impact) e le analisi delle aree delaminate sono la conferma di queste proprietà. Le caratteristiche evidenziate rendono il composito ibrido un materiale estremamente interessante per possibili futuri impieghi in diversi settori, ove sicurezza, leggerezza, resistenza alla presenza di intagli e all impatto siano elementi fondamentali. 17

18 Processi innovativi- DYNANOTEX - Dynanotex è un sistema brevettato di allargatura fibre per la realizzazione di tessuti unidirezionali in fibra di carbonio - Dynanotex consiste in due strati di fibra di carbonio unidirezionale uniti da un adesivo compatibile con le resine epossidiche. Fig. 1 Allargatura fibre Fig. 2 Dynanotex system 18

19 Processi innovativi- DYNANOTEX 19

20 Processi innovativi- DYNANOTEX CARATTERISTICHE PRINCIPALI: -Nessun elemento inquinante sulle superfici del prodotto -Perfetto allineamento delle fibre. -Nessuno stress durante la lavorazione -Riduzione di spessore (35% in meno rispetto agli unidirezionali tradizionali) - Rinforzi di basso peso (da 70 a 400 g\m²) a partire da filati a titolo alto (15K- 24K- 50K) VANTAGGI: - Il perfetto allineamento delle fibre permette di sfruttarne al 100% le proprietà meccaniche. -Aumento delle proprietà a taglio interlaminare dovute alla perfetta distribuzione di fibre nel volume del laminato. -Eliminazione di accumuli di resina grazie alla perfetta distribuzione delle fibre. -Possibilità di realizzare preimpregnati con la tecnologia a solvente 20

21 CARATTERISTICHE PRINCIPALI: Processi innovativi- DYNANOTEX - Aumento della bagnabilità delle fibra grazie all aumento del fenomeno della capillarità. 21

23 Processi innovativi- DYNANOTEX Tessuto bilanciato realizzato utilizzando striscie di Unidirezionale Dynanotex. Permette di realizzare tessuti con elevate performance meccaniche ed elevato effetto tridimensionale, mantenendo costanza di spessore con qualsiasi disegno tessile. 23

25 Fibre innovative: Vectran Chimicamente il Vectran è un poliestere-poliarilato, ma ha proprietà completamente diverse da quelle dell fibre poliesteri. Nei poliesteri convenzionali le catene molecolari sono flessibili ed hanno disposizione casuale. Per ottenere le necessarie proprietà tessili la fibra deve essere orientata, il che normalmente avviene per azione combinata della velocità di estrusione e dello stiro post-filiera. CARATTERISTICHE: tenacità e modulo assai elevati; basso assorbimento di umidità (a differenza dell aramide) eccellente resistenza a molti agenti chimici; coefficiente di espansione termica modesto; alta resistenza all abrasione, grazie all impiego di finissaggi; eccellente mantenimento delle proprietà meccaniche anche dopo esposizione a ripetuti cicli di temperatura; eccellenti caratteristiche di smorzamento delle vibrazioni; 25

26 Fibre innovative: Vectran La resistenza all abrasione è superiore a quella delle aramidiche-para, specie ai carichi più elevati, ma è inferiore a quella delle polietileniche ad alto peso molecolare. Rispetto all aramide migliora nettamente la bagnabilità PROPRIETA : Densità: 1.4 g\cm3 Resistenza a rottura: Mpa Modulo iniziale: Gpa Allungamento a rottura: % Temperatura di fusione: C COSTO: 1670 dtex tessuto bilanciato g/m2 27 euro/kg 9/13 euro\m2 26

27 Fibre innovative: Zylon Fibra PBO prodotta in Giappone da Toyobo CARATTERISTICHE: Elevatissima resistenza a trazione Elevatissimo modulo a trazione Elevata resistenza a fatica Elevata stabilità dimensionale Elevata resistenza al calore (decomposizione e 500 C, stabile in continuo fino a 200 C) PROPRIETA (zylon HM): Densità: 1.54 g\cm3 Resistenza a rottura: 5800 Mpa Modulo iniziale: 270 Gpa Allungamento a rottura: 2.5 % Temperatura di fusione: 650 C COSTO: 1670 dtex tessuto bilanciato g/m2 40 euro/kg 18\20 euro\m2 27

28 Fibre innovative: Technora Fibra Para-aramidica (trademark Tejjin), prodotta attraverso differenti processi dal PPTA (Poly-paraphenilene Terephthalamide) CARATTERISTICHE: Elevata resistenza a trazione Elevata resistenza a fatica Elevata stabilità dimensionale Elevata resistenza al calore (decomposizione e 500 C, stabile in continuo fino a 200 C) PROPRIETA : Densità: 1.4 g\cm3 Resistenza a rottura: 3400 Mpa Modulo iniziale: 73 Gpa Allungamento a rottura: 4.5 % Temperatura di fusione: 500 C COSTO: 1670 dtex tessuto bilanciato g/m2 27 euro/kg 9/13 euro\m2 28

29 Fibre innovative: Dyneema\ Spectra Il processo prevede la preparazione di una soluzione di PE al 5%; con questa diluizione le molecole di PE si srotolano e tendono ad occupare uno spazio maggiore ed al momento dell estrusione dalla filiera le molecole vengono forzate ad assumere una forma allungata. Dopo l'estrusione la soluzione viene raffreddata formando un gel ed il solvente viene rimosso per estrazione o per evaporazione. Oggi, nel mondo, i principali produttori di fibra PE HT sono : -DSM (Olanda), marchio DYNEEMA; -DSM-Toyobo in Giappone; -Mitsui (Giappone) marchio TEKMILON; -Allied (USA) marchio SPECTRA (licenza DSM). PROPRIETA : Densità: 1.4 g\cm3 Resistenza a rottura: 2700 Mpa Modulo iniziale: 89 Gpa Allungamento a rottura: 3.5 % Temperatura di fusione: 140 C Applicazioni in composito limitate dalla resistenza termica 29

30 Costi processo produzione materia prima 30

31 Ing. Carlo Grazie Mail: Tel: