Le Fibre polimeriche

A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli
Scienza e ingegneria dei materiali ceramici
Le Fibre polimeriche
Categorie di rinforzi fibrosi per composizione
Vetro
Carbonio
Fibre
Polimeriche
Aramidiche
Polietilene
PBO
Boro
Carburo di silicio
PIPD
Allumina
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Le fibre aramidiche (o Kevlar)
‰ Poliammidi aromatiche altamente cristalline, in cui almeno
l’85% dei gruppi ammidici CN 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).
Kevlar 49
Asse fibra
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Natura cristallina delle fibre aramidiche
‰ La struttura cristallina è
monoclina (a=0,787nm, b0,518,
c= 1,29nm)
‰ L’asse c della cella elementare
si allinea con l’asse della fibra
‰ Il grado di cristallinità delle
fibre di Kevlar può superare il
90%
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Tenacità delle fibre Kevlar
‰ I compositi in aramidica sono
da 2 a 4 volte più tenaci dei
compositi in carbonio.
‰ La rottura non è fragile come
quella delle fibre di vetro e
carbonio.
‰ Si spezzano in una serie di
fibrille, che sono parti di
macromolecola orientate nella
stessa direzione della fibra.
‰ Queste piccole fratture
assorbono molta più energia e
quindi si ha un aumento di
tenacità.
‰ Il soldato inglese Eric Walderman
centrato più volte nella battaglia di
Umm Qasr (Iraq) salvato
dall’elmetto in Kevlar
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Fibre aramidiche: pro e contro
Vantaggi:
‰ Elevatissima resistenza
specifica a trazione
‰ Elevata resistenza
all’impatto e assorbimento
di vibrazioni
‰ Elevata resistenza alla
fiamma
‰ Buona stabilità termica fino
a 250-300°C
‰ Buona resistenza chimica
‰ Coefficiente di espansione
termica lineare negativo
Svantaggi:
‰ Bassa resistenza a
compressione
‰ Difficoltà di taglio e
lavorazione
‰ Sensibilità alla luce UV
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Fibre aramidiche a confronto
E-glass
2.54
72
2400
Modulo a
trazione
specifico
(MN*m/kg)
29
S-glass
2.49
86
4300
34
1.7
5
Carbon HS (PAN)
1.76
228
3500
129
2
-0.1 ÷ -0.5
Carbon HM (PAN)
1.77
390
3100
220
1.7
0.5 ÷ -1.2
Carbon UHM (PAN)
1.85
440
2000
237
1.08
-0.1 ÷ -0.5
Kevlar 29
1.44
70
3600
49
2.5
Kevlar 49
1.45
140
3600
97
2.48
Kevlar 149
1.47
160
3200
109
2.18
Fibra
Densità
(g/cm3)
Modulo a Resistenza a
trazione
trazione
(GPa)
(MPa)
Resistenza a
trazione
specifico
(MN*m/kg)
0.95
Coefficiente Diam
di espansione (µm)
termica
(10-6 m/m°C)
2.8
10-20
-2
10-20
7
12
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Applicazioni delle fibre aramidiche
‰ Parti inferiori delle ali
‰ Parti strutturali di aerei
‰ Dispositivi di lancio di
missili
‰ Giubbotti ed elmetti
antiproiettili
‰ Ruote di auto e aerei
• TETHER: cavo di collegamento (guinzaglio) del
satellite allo Shuttle, lungo 22 km (diametro 2.54
mm) e composto da un filo centrale di Nomex
avvolto da un filo di rame, che agisce come
conduttore elettrico. Lo strato di rame è poi isolato
con Teflon, ricoperto da un braid in Kevlar 29 (che
conferisce resistenza ) e da un altro esterno in
Nomex che protegge il tether da abrasione e da
corrosione.
http://liftoff.msfc.nasa.gov/Shuttle/STS-75/tss-1r/hw/tether.html
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Kevlar a confronto
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Le fibre di 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 commerciale di SPECTRA (Honeywell), Dyneema (DSM),
Snia, (Tenfor) o Tekmilon (Mitsui).
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Le fibre di polietilene: pro e contro
Vantaggi:
Svantaggi:
‰ 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.
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Fibre di polietilene a confronto con altri
rinforzi
Densità
(g/cm3)
Modulo a
trazione
(GPa)
Resistenza a
trazione
(MPa)
2400
Modulo a
trazione
specifico
(MN*m/kg)
29
Resistenza a
trazione
specifico
(MN*m/kg)
0.95
Coefficiente di
espansione
termica
(10-6 m/m°C)
2.8
E-glass
2.54
72
S-glass
2.49
86
4300
34
1.7
5
Carbon HS (PAN)
1.76
228
3500
129
2
-0.1 ÷ -0.5
Carbon HM (PAN)
1.77
390
3100
220
1.7
0.5 ÷ -1.2
Carbon UHM (PAN)
1.85
440
2000
237
1.08
-0.1 ÷ -0.5
Kevlar 29
1.44
70
3600
49
2.5
Kevlar 49
1.45
140
3600
97
2.48
Kevlar 149
1.47
160
3200
109
2.18
SPECTRA 1000
0.97
113
3200
116
3.3
Fibra
-2
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Applicazione delle fibre di polietilene
‰ indumenti ed elmetti
antiproiettile,
‰ pannelli di protezione
balistica
‰ guanti resistenti al taglio
‰ vele, paracadute, corde
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Le fibre PBO
‰ Poly p-phenylene-2,6benzobisoxazole: polimero
aromatico che contiene legami
eterociclici invece che ammidici
‰ Ne risulta un modulo elastico
superiore a quello delle fibre
aramidiche.
‰ Nome commerciale: ZYLON
(Toyobo).
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Zylon a confronto
Densità
(g/cm 3 )
M odulo a
trazione
(GPa)
Resistenza a
trazione
(M Pa)
2400
M odulo a
trazione
specifico
(M N*m/kg)
29
Resistenza a
trazione
specifico
(M N*m/kg)
0.95
Coefficiente di
espansione
termica
(10 -6 m/m°C)
2.8
E-glass
2.54
72
S-glass
2.49
86
4300
34
1.7
5
Carbon H S (PAN)
1.76
228
3500
129
2
-0.1 ÷ -0.5
Carbon HM (PAN)
1.77
390
3100
220
1.7
0.5 ÷ -1.2
Carbon UHM (PAN)
1.85
440
2000
237
1.08
-0.1 ÷ -0.5
Kevlar 29
1.44
70
3600
49
2.5
Kevlar 49
1.45
140
3600
97
2.48
Kevlar 149
1.47
160
3200
109
2.18
SPECTRA 1000
0.97
113
3200
116
3.3
ZYLON AS
1.57
180
5800
115
3.7
ZYLON HM
1.56
270
5800
173
3.7
PIPD
1.7
280-330
3800-4000
165-194
2.2-2.4
Boro
2.7
393
3400
145
1.26
5
SiC
3.08
400
3440
130
1.12
1.5
Fibra
-2
-6
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche
Microstruttura delle
fibre Zylon
‰ Le catene si connettono con legami a
ponti di idrogeno bidirezionali che
rinforzano le catene laterali e il
legame tra catene
‰ si origina una struttura simile ad un
honeycomb con alto modulo,
resistenza compresa quella in
compressione
‰ Struttura cristallina vista lungo
l’asse della catena
A. Licciulli, F. Lionetto, A. Maffezzoli Le fibre polimeriche