Ing. Carlo Della Bona

Ing. Carlo Della Bona
Fibre di rinforzo tradizionali ed
innovative e tecnologie di
trasformazione
1
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
CONTENUTI
‰ FIBRE TRADIZIONALI
ƒCarbonio
ƒ Aramidica
ƒVetro
‰TIPOLOGIE DI RINFORZO
‰PROCESSI INNOVATIVI
ƒ Innovative tex
ƒ Dynano tex
‰ FIBRE INNOVATIVE
ƒ Vectran
ƒ Dyneema\Spectra
ƒ Zylon
ƒTechnora
2
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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 230-280 Gpa),
IM- modulo intermedio (280-450 Gpa),
HM -alto modulo (300 – 680 Gpa).
4
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Produttori di fibra di carbonio
Principali produttori
Paesi
TORAY:
Giappone, Usa, Francia
TOHO TENAX:
Usa, Giappone, Germania
MITSUBISHI-GRAFIL:
Usa, Germania
ZOLTEK
Usa, Messico, Ungheria
TAYRIFIL
Taiwan
CYTEK
Usa
HEXCEL
Usa, Spagna
5
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Trend mondiale fibra di carbonio
6
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Costi fibra di carbonio
PREZZI FIBRA:
PREZZI TESSUTI BILANCIATI:
• Alta Resistenza (HS)
• Alta resistenza (HS)
3K-200 tex: euro\kg 42/44
3K-200 tex:
160 g\m2: euro\m2 12
200 g\m2 : euro\m2 14
6K-400 tex : euro\kg 35/37
6K-400 tex :
300 g\m2 : euro\m2 20
12K-800 tex : euro\kg 20/22
12K-800 tex :
24K-1600 tex : euro\kg 18/20
24K-1600 tex :
400 g\m2 : euro\m2 13
600 g\m2 : euro\m2 18
800 g\m2 : euro\m2 20
50K-3600 tex : euro\kg 16/18
• Alto Modulo (HM):
• Alto Modulo:
Pan 300/400 GPa- : euro\kg 60/80
???
Pan 500/700 GPa : euro\kg 100/150
???
Pitch 640 Gpa : euro\kg 100
???
7
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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 170-200 g/m2
27 euro/kg
9/13 euro kg
8
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Fibra di vetro E
‰ E’ in assoluto la fibra più diffusa per l’ottimo compromesso qualità\prezzo
‰ Largamente utilizzata in moltissimi settori
‰PROPRIETA’:
‰ COSTO:
-densita’: 2.55 g\cm3
-modulo trazione: 72 Gpa
-resistenza a trazione: 2400 Mpa
-Allungamento a rottura: 3%
2 euro/kg
tessuto bilanciato 100\300 g/m2
mat 225\450 g/m2
2 euro\m2
3 euro\kg
9
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Confronto proprietà fibre secche
‰ Le proprietà tipiche delle più comuni fibre di rinforzo possono essere riassunte nella seguente
tabella:
10
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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 + Copper15
wire
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Processi innovativi- INNOVATIVE TEX
16
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Processi innovativi- DYNANOTEX
19
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Processi innovativi- DYNANOTEX
CARATTERISTICHE PRINCIPALI:
- Aumento della bagnabilità delle fibra grazie all’aumento del fenomeno della capillarità.
21
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Processi innovativi- DYNANOTEX
22
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Processi innovativi- DYNANOTEX
24
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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: 2500-3100 Mpa
•Modulo iniziale: 62-86 Gpa
•Allungamento a rottura: 2.2 -2.5 %
•Temperatura di fusione: 327 - 331 °C
‰ COSTO: 1670 dtex
tessuto bilanciato 170-200 g/m2
27 euro/kg
9/13 euro\m2
26
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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 170-200 g/m2
40 euro/kg
18\20 euro\m2
27
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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 170-200 g/m2
27 euro/kg
9/13 euro\m2
28
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
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
Composite Technology
Ing. Carlo Della Bona
Costi processo produzione materia prima
30
Ing. Carlo Della Bona
Grazie
Mail: [email protected]
Tel: +39.347.1501034
31