Studio preliminare su sandwich con fibra di canapa come materiale per il progetto Mille e una vela 2010

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1 Studio preliminare su sandwich con fibra di canapa come materiale per il progetto Mille e una vela 2010 Chiara Pilloton

2 Introduzione: il progetto Mille e una vela. Mille e una vela per l Università è un programma didattico avviato nel 2005 dall Ateneo di Roma Tre per sviluppare i legami tra pensiero, fisicità e manualità nell apprendimento di alcune discipline universitarie atte a stimolare la creatività. L iniziativa, aperta a tutti i Paesi del Mediterraneo, suggerisce spunti e programmi sperimentali finalizzati alla realizzazione di prototipi di barche a vela da competizione di piccole dimensioni (4.60 m), progettati e costruiti in ambito universitario nel rispetto di caratteristiche e vincoli predefiniti come per esempio il materiale da utilizzare che deve essere il legno o le fibre naturali. I prototipi che ne derivano vengono utilizzati dalle singole istituzioni universitarie per iniziative di carattere sportivo che permettono di selezionare ed addestrare equipaggi formati ciascuno da due studenti, ragazzi e ragazze, iscritti presso i rispettivi atenei, con lo scopo di partecipare ad incontri, manifestazioni e regate nazionali ed internazionali nel campo della vela da competizione. Obiettivo principale del programma è quello di realizzare periodicamente a fine anno accademico un incontro tra tutti gli Atenei partecipanti, denominato Mille e una vela per l Università. Abstract. Questo studio ha lo scopo di validare come materiale adatto alla costruzione dello skiff di 4.60 m per la regata Mille e una vela un sandwich con la fibra di canapa. Sono stati effettuati delle prove di flessione a 3 e a 4 punti presso il Laboratorio di Macchine del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aeronautica dell Università degli Studi di Roma La Sapienza. Sono state testate diverse stratifiche di canapa con diversi orientamenti di fibra usando come core sia la balsa che il cedro con diversi spessori. Questi risultati sono stati paragonati a quelli ottenuti da provini similari con sandwich di fibra di vetro e di compensato marino. La scelta finale è stata quella di utilizzare per la costruzione della barca un sandwich con le pelli esterne formate da uno strato da 300 g/m 2 di fibra di canapa orientato a ±45 e il core di listelli di cedro di 5mm incollati insieme con colla strutturale poliuretanica. Provini testati, da testare e campioni presi durante la costruzione della barca. Chiara Pilloton Pagina 2

3 1. La fibra. La fibra di canapa utilizzata è stata fornita dalla ASSOCANAPA. E una fibra che nasce per utilizzo tessile. Nominalmente ha un peso di 300 g/m 2 e nasce come tessuto orientato a 0 /90. Il tessuto non è perfettamente bilanciato e non c è un controllo accurato dello spessore del filato. Il tessuto ci è stato fornito con un trattamento inamidante che ne peggiora le caratteristiche meccaniche e che abbiamo in parte eliminato con un lavaggio. Dati di letteratura relativi a diverse fibre naturali confrontati con il Vetro E Proprietà Canapa Lino Juta Vetro E Densità (g/cm 3 ) 1,48 1,4 1,46 2,5 Sforzo a rottura a trazione (GPa) ,8-4,5 Modulo di Young (GPa) Allungamento a rottura (%) 1,6 1,2 1, Il core. Inizialmente sono stati testati dei provini che avevano come core il legno di balsa. La balsa usata aveva le fibre posizionate in direzione longitudinale e non nella direzione dello spessore. Questo ha portato ad un eccessivo schiacciamento del core, sia nelle prove a 3 che a 4 punti, che portava ad una sensibile riduzione dell inerzia del provino nella sezione di massima sollecitazione ed una prematura rottura del provino stesso. In oltre sia con la fibra di canapa che di vetro si sono evidenziati problemi di delaminazione legati al buckling. Si è passato all utilizzo del cedro come core. Il cedro ha una densità superiore rispetto alla balsa ma ha caratteristiche meccaniche nettamente superiori ed è più facile da reperire in quanto già largamente usato nella costruzione di barche. Balsa Cedro Density (g/cm 3 ) Ultimate Tensil Strenght (MPa) Shear Strenght (MPa) Chiara Pilloton Pagina 3

4 Carico (N) Carico (N) Università di Roma La Sapienza Per motivi di peso si è testato come materiale di possibile utilizzo per la costruzione della barca il cedro di 5 mm di spessore. Il cedro a nostra disposizione si presentava sotto forma di listelli di 50mm circa di larghezza. Sono stati testati due diversi tipi di incollaggio dei listelli: il primo utilizzando resina epossidica (Camattini EC 152 con catalizzatore W 152 extra solw) con addensanti di microsfere di silicio e polvere a base fenolica, il secondo usando una colla strutturale poliuretanica (3M Scotch-Weld Polyurethane Multipurpose Adhesive 5005). Sono state effettuate delle prove che sollecitassero l adesione della colla e della resina sul cedro e non essendosi rivelate differenze tra i due tipi di incollaggio ci siamo orientati sulla scelta della colla per la maggior facilità di applicazione Prove adesione listelli a 4 Pti Freccia (mm) Provino colla poliuretanica Provino resina epoxy Prove adesione listelli a 3 Pti Freccia (mm) Provino 1-colla poliuretanica Provino 2-colla poliuretanica Provino 1-resina epoxy Provino 2-resina epoxy Chiara Pilloton Pagina 4

5 3. Tecnica di laminazione. Tutti i provini sono stati realizzati con il wet lay up system con applicazione del sacco a vuoto. Si è notato come servissero due ore circa a 25 C per permettere alla resina di raggiungere una viscosità sufficiente prima di applicare il vuoto ed evitare che la resina venisse assorbita dal peel ply e dall aeratore in maniera eccessiva impoverendo il tessuto. La fibra di canapa usata tende ad assorbire molta resina all interno delle maglie del tessuto ma ha il difetto di non impregnarsi facilmente all interno del filato. Fase di laminazione di alcuni provini inseriti nel sacco a vuoto. I dati ottenuti sugli ultimi test effettuati ci danno come percentuale di impregnazione del laminato finale di circa il 56% in peso. Calcolo ercentuale resina in peso: Provino A Provino B Dimensioni (mm x mm) 300 x x 100 Peso core di cedro (g) ± ± 0.01 Peso core impregnato (g) ± ± 0.01 Peso fibra di canapa (g) ± ± 0.01 Peso sandwich laminato (g) ± ± 0.01 Peso resina (g) ± ± 0.01 Percentuale resina in peso (%) ± ± 0.01 Chiara Pilloton Pagina 5

6 Sono state valutate anche le percentuali di impregnazione sia della balsa che del cedro per poter valutare effettivamente la percentuale di resina rimanente nel tessuto dopo la fase di laminazione. Sono stati ottenuti i seguenti risultati: Balsa Cedro Dimensioni provino (mm x mm) 335 x x 242 Peso secco (g) ± ± 0.01 Peso resinato (g) ± ± 0.01 Peso resina (g) 5.22 ± ± 0.01 Peso a m 2 (g/m 2 ) Note: i provini sono stati resinati solo da un lato. Il peso a m 2 è stato calcolato raddoppiando i valori legati alla resina. 4. Test a flessione. La macchina di prova: La macchina assiale MTS servo idraulica da 250kN è usata per tutti i tipi di test. E equipaggiata con vari tipi di attacchi. I dati possono esser acquisiti tramite una cella di carico assiale e un misuratore cilindrico di spostamento LVDT. La macchina è guidata da un controller 407 MTS. E munita di controllo di spostamento, forza e deformazione. La cella di carico può misurare ±330 kn (statico) o ±250 kn dinamico con una accuratezza di 0.5. Dimensione provini: I provini testati avevano dimensione di 300 mm di lunghezza e 90 mm di larghezza con spessore variabile in base alla stratifica ed allo spessore del core testato Distanza appoggi prove a 4 punti: Per effettuare le prove di flessione a 4 punti gli appoggi sono stati posizionati a 200 mm di distanza. Sono stati usati due coltelli con raggio di curvatura di 24 mm a distanza di 50 mm tra di loro. Chiara Pilloton Pagina 6

7 5. Analisi dati. Prima serie provini Come base dello studio si è analizzato il comportamento a flessione di provini costituiti da fibra di canapa e core di balsa da 8 e 10 mm. Per poter effettuare una analisi qualitativa sono stati confrontato i risultati ottenuti con quelli ricavati da provini equivalenti in peso realizzati con fibra di vetro e core di balsa da 8 mm e con un provino di compensato marino da 8 mm. Specifiche di laminazione dei provini: Provino sottoposto al test di flessione a 4 punti. PROVINO A1 MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 3 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% layer 2 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% layer 1 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% core Balsa 8 mm layer 1 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% layer 2 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% PROVINO A2 MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 3 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% layer 2 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% layer 1 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% core Balsa 10 mm layer 1 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% layer 2 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% PROVINO A3 MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 1 VTR EBX g/mq 0 /+45 /90 /-45 Epoxy 50% core Balsa 8 mm layer 1 VTR EBX g/mq 0 /+45 /90 /-45 Epoxy 50% PROVINO A4 MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA core C.M. 8 mm Chiara Pilloton Pagina 7

8 Carico (N) Università di Roma La Sapienza 1800 Prove di flessione a 4 punti - serie Freccia (mm) provino A1-canapa e balsa 8mm provino A2-canapa e balsa 10mm provino A3-vetro e balsa 8mm provino A4-compensato marino 8mm Commenti Tutti i provini in sandwich, sia con fibra naturale che con fibra di vetro, hanno dimostrato caratteristiche superiori al compensato marino. Come si evince dal grafico non si sono registrate differenze significative tra i provini realizzati con fibra di canapa e quelli con fibra di vetro. Il core usato era una balsa con fibre longitudinali nata per il modellismo. Questa disposizione di fibre gli conferisce caratteristiche meccaniche superiori nella flessione ma inferiori nel comportamento a compressione lungo lo spessore. Dato che il core deve garantire resistenza allo schiacciamento, questo specifico materiale così orientato non è adatto. I risultati sono così falsati in quanto questo core porta a delaminare il sandwich con effetto buckling e riduce l inerzia della sezione conferendo un carico eccessivo alla fibra sottoposta a trazione che arriva a rottura prematuramente. Schiacciamento del core di balsa e delaminazione della fibra Chiara Pilloton Pagina 8

9 In oltre una laminato asimmetrico, secondo la teoria dei laminati, porta ad avere in risposta a semplici sollecitazioni di flessione o trazione delle risposte composte di torsione, taglio oltre a flessione e trazione. Seconda serie provini Per la seconda serie di provini si è scelto di utilizzare come core il legno di cedro e una stratifica simmetrica delle fibre paragonando sandwich di peso similare con fibre di canapa e fibre di vetro. Specifiche di laminazione dei provini: PROVINO B1-7mm MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 2 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% layer 1 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% core Cedro 7 mm layer 1 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% layer 2 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% PROVINO B2-7mm MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 1 VTR EBX g/mq ±45 Epoxy 50% core Cedro 7 mm layer 1 VTR EBX g/mq ±45 Epoxy 50% PROVINO B3-6mm MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 2 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% layer 1 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% core Cedro 6 mm layer 1 Canapa 300 g/mq 0 /90 Epoxy 50% layer 2 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% PROVINO B4-6mm MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 1 VTR EBX g/mq ±45 Epoxy 50% core Cedro 6 mm layer 1 VTR EBX g/mq ±45 Epoxy 50% Chiara Pilloton Pagina 9

10 Carico (N) Università di Roma La Sapienza 4000 Prove di flessione a 4 punti - serie Provino B1-canapa e cedro 7mm Provino B2-vetro e cedro 7mm Provino B3-canapa e cedro 6mm Provino B4-vetro e cedro 6mm Freccia (mm) Commenti I risultati ottenuti ci confortano sulle capacità di resistenza della fibra di canapa che risultano superiori rispetto ai provini similari con fibra di vetro. Va considerato infatti che la canapa ha un peso specifico inferiore rispetto alla fibra di vetro e quindi a parità di peso totale un sandwich con la canapa avrà una densità di fibra superiore. Dobbiamo comunque considerare che la fibra di vetro usata era un unico tessuto biassiale da 600 g/m 2 orientato a ±45 mentre per i provini con fibra di canapa avevamo due tessuti bilanciati da 300 g/m 2 orientati a ±45 e a 0 /90. Mentre la fibra orientata a 90 non dava praticamente contributo, quella a 0 garantiva maggiore resistenza del provino a flessione. Dalle curve riportate si nota che la fibra di canapa presenta un comportamento più fragile rispetto a quello della fibra di vetro. Rispetto ai provini della prima serie con core di balsa otteniamo risultati numerici superiori legati sia alle caratteristiche meccaniche a flessione superiori del cedro sia al mancato schiacciamento del core stesso che ha garantito un inerzia della sezione centrale costante. Questi miglioramenti vengono pagati con un maggior peso complessivo del sandwich. Chiara Pilloton Pagina 10

11 Carico (N) Università di Roma La Sapienza Terza serie provini Lo scopo dello studio era rivolto ad individuare e testare il materiale idoneo alla costruzione dello skiff secondo il regolamento R3 della manifestazione Mille e una vela. Per ottimizzare le performance della barca avevamo l obiettivo di non superare gli 80 kg nella costruzione dello scafo, delle strutture, della coperta e delle attrezzature. Secondo l esponente dei pesi che avevamo calcolato considerando le superfici da laminare abbiamo individuato come possibile stratifica quella costituita da una pelle esterna ed una interna di canapa da 300 g/m 2 orientate a ±45 con un core di cedro di 5 mm di spessore con listelli incollati con colla poliuretanica. Si è quindi testato questo materiale per averne una validazione. Specifiche provino: PROVINO C1-5mm MATERIALE CARATTERISTICHE ORIENTAMENTO RESINA layer 1 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% core Cedro 5 mm layer 1 Canapa 300 g/mq ±45 Epoxy 50% 1200 Prova di flessione a 4 punti del provino canapa e cedro 5mm Provino C1-canapa e cedro 5mm Freccia (mm) Chiara Pilloton Pagina 11

12 6. Conclusioni. In conclusione è stato scelto il sandwich costituito da una pelle esterna ed una interna di canapa da 300 g/m2 orientate a ±45 con un core di cedro di 5 mm di spessore con listelli incollati con colla poliuretanica. Questo materiale, anche se ha caratteristiche meccaniche inferiori rispetto a quelli testati precedentemente, garantisce comunque una buona affidabilità e ci consente di rientrare nei pesi stimati. Questo è stato uno studio preliminare qualitativo. Per ogni tipologia di laminazione è stato testato un singolo provino. Per dare una validazione più accurata si ritiene necessario approfondire l analisi testando più provini con le stesse metodologie usate fino ad ora. Al momento sono stati preparati altri provini per valutare la caduta di resistenza del materiale sottoposto ad un ciclo di invecchiamento (acqua, salsedine, raggi UV, sbalzi termici). Sono stati prelevati durante la costruzione dello skiff dei campioni di materiale che verranno testati. L imbarcazione è stata costruita presso i Cantieri Navali d Este ed è navigante. Si stanno effettuando dei test per valutarne le prestazioni e la resistenza del materiale. In conclusione i dati ottenuti confermano la possibilità di sostituire la fibra di vetro con la fibra di canapa nella costruzione di materiali compositi. Il prossimo passo sarà quello di individuare un produttore che possa fornire un tessuto più idoneo alla costruzione. In particolare serve un controllo maggiore sul singolo filato che non dovrà subire trattamenti tipici dell industria tessile ma sul quale anzi si possa applicare un appretto che ne migliori l adesione con la matrice epossidica. Evidentemente sarà necessario anche avere un tessuto biassiale e/o unidirezionale che garantisca minor presenza di resina all interno della trama del tessuto, maggiori caratteristiche meccaniche del filamento che non sarà sottoposto ad intreccio e maggiore drappabilità. Chiara Pilloton Pagina 12

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