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DIAGRAMMI DI ASHBY
I diagrammi “a bolle” di Ashby raggruppano i materiali in funzione delle
loro proprietà meccaniche, termiche, elettriche, ecc., allo scopo di
consentire la selezione dei materiali per un particolare utilizzo.
L'idea non è quella di arrivare ad una
selezione «automatica», ma di avere
un’idea dei possibili compromessi
nell’utilizzo di materiali .diversi
e specialmente di rendersi conto di
quali possano essere le proprietà di
un possibile «ibrido».
Il diagramma «principale» di Ashby è quello tra modulo elastico
e densità, che dà un’idea della «rigidezza specifica» di un materiale.
RESISTENZA E RIGIDEZZA SPECIFICA
Si notano le altissime proprietà specifiche dei compositi, anche rispetto
al campo dei metalli. Questo le distingue dalle schiume che sono polimeri
a porosità controllata (in modo da modulare la densità richiesta).
METODI DI PRODUZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI
• Impregnazione delle fibre e laminazione in stampo aperto (hand layup) con matrici termoindurenti
• Laminazione con stampo e controstampo
• Stampaggio a compressione (compression moulding) con matrici
termoplastiche
• Stampaggio ad iniezione (injection moulding) con matrici
termoplastiche a profilo di viscosità complesso
• Resin transfer moulding per lastre o profili di maggiore precisione
• Pultrusione per prodotti a sezione prismatica
• Estrusione per tubi
• Filament winding per profili cilindrici (es. bombole)
TERMOPLASTICO E TERMOINDURENTE
TELEFONO IN BACHELITE
(1950): resina fenolica
termoindurente
La formazione di legami di reticolazione si può ottenere
grazie alla luce, al calore od all'aggiunta di composti
chimici. E’ un processo irreversibile, perciò, innalzando
la temperatura oltre un certo limite, il termoplastico
rammollisce o fonde, il termoindurente si degrada.
OGGETTI IN POLIPROPILENE
(termoplastico) (spot Moplen, 1965)
TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA (Tg)
TEMPERATURA DI ESERCIZIO (Te):
• Per Te>Tg : comportamento gommoso
• Per Te<Tg : comportamento vetroso
IMBIANCHIMENTO
DA SFORZO
POLIPROPILENE
Il polivinilacetato (PVA) che ha una Tg vicina alla temperatura ambiente è spesso
utilizzato in miscela con altri polimeri (come “copolimero”)
PRODOTTI IN FASE GOMMOSA
E PRODOTTI IN FASE VETROSA
PADELLA ANTIADERENTE
CON FILM DI TEFLON (G)
PIATTO DI POLISTIRENE (V)
LASTRE DI PLEXIGLAS (V)
FILO DI SALDATURA
IN POLICAPROLATTONE (G)
FUNE DI NYLON (V)
CONTENITORI IN POLICARBONATO (V)
COMPOSITI POLIMERICI: DISPOSIZIONE DELLE FIBRE
Nelle fibre si parla di «rapporto di forma», che è
il rapporto tra la loro lunghezza ed il loro diametro. Se il rapporto
di forma è maggiore di 200, le fibre si dicono continue (o lunghe).
CORAZZE DI INSETTI: COMPOSITI NATURALI
Locuste
Morfologicamente
la procuticola multilaminata di un insetto è un composito costituito
Locuste
da fibre di chitina ed altri componenti che rinforzano una matrice proteica con
un’alternanza di simmetrie lineari ed elicoidali, per aumentarne l’isotropia.
PANNELLI IN COMPOSITO (fibre orientate random)
La procedura meno costosa per creare un pannello composito
(es. di legno con altre fibre naturali) è la compressione
dell'estruso con un collante (binder) per assicurare la tenuta.
In questo caso le fibre sono corte (pochi mm) e possono
essere più o meno spesse e ben distribuite nel composito.
Ultimamente, si sono producono anche pannelli
senza binder con fibre naturali comprimibili
(legnose): es. cocco, kenaf o canapa.
Proprietà
isolkenaf
Isolkenaf (isolante termico-acustico)
MANIFATTURA STUOIE COMPOSITE
Provino di mat di canapa
in resina epossidica
Le stuoie sono prodotte con l'idea
di introdurre la maggior quantità possibile
di rinforzo con basso costo.
Ci sono una serie di materiali di largo uso
in fibra di vetro prodotti in questo modo,
es. GMT (glass mat thermoplastic),
SMC (sheet moulding compound),
DMC (dough moulding compound).
Quest'ultima contiene anche carbonato di calcio
come filler naturale.
ALCUNI TIPI DI COMPOSITI TESSUTI
Tessuti (woven)
Braided
Stitched
Trama e ordito (2-D)
Fibre intrecciate (a coda di cavallo)
per strutture leggere e tubolari
Struttura a maglie cucita
attraverso trama e ordito
con possibili varianti:
Il successo meccanico dell'operazione di
tessitura dipende dal fatto che le fibre
abbiano diametro costante: per questo
nel caso delle fibre naturali ci si limita
spesso alle sole strutture 2-D
PRODUZIONE DI FIBRE POLIMERICHE
a. Melt spinning (filatura del fuso), adatta per polimeri che fondono bene (poliestere, nylon)
b. Dry spinning (filatura in soluzione a secco) (per acetato di cellulosa, rayon)
c. Wet spinning (filatura ad umido), p.es. per poliuretani (Spandex)
ESEMPI E NUOVE TECNOLOGIE: GEL SPINNING
LINO FILATO A SECCO
LINO FILATO A UMIDO
FIBRE DI CELLULOSA PRODOTTE
PER MELT SPINNING
FIBRE DI POLIETILENE AD ALTISSIMO PESO MOLECOLARE
(UHMWPE) FILATE IN FORMA DI GEL (DYNEEMA)
PRODUZIONE DEI BIOCOMPOSITI PER ESTRUSIONE
E' una tecnologia particolarmente adatta
per i biocompositi, p. es. costituiti da polimeri
a base di amido (acido polilattico o
policaprolattone) con fibre naturali, come la
canapa o il lino. La maggior parte dei
biocompositi sono per ora a fibre corte con
orientazione casuale (random)
Biocomposito in acido
polilattico e fibra di lino
L’estrusore a doppia vite dà più flessibilità
nel trattamento del fuso (le due viti possono ruotare
a diverse velocità ed anche in verso opposto)
RESIN TRANSFER MOULDING (RTM)
Sistema di stampaggio (stampo e controstampo)
Resin transfer moulding
Il sistema RTM consente di evitare la laminazione
manuale dei polimeri termoindurenti.
Si svolge a pressione abbastanza bassa
(spesso di poche atmosfere) o in certi casi
facendo il vuoto (VARTM), per ridurre
la presenza di aria, ed a temperatura raramente
superiore ai 110-120°C, ma richiede notevoli
studi reologici per far fluire il polimero
attraverso il letto di fibre, già disposte
per la configurazione finale, e quindi per garantire
un'impregnazione ottimale.
PRODUZIONE COMPOSITO IN SACCO
(A VUOTO, A PRESSIONE, IN AUTOCLAVE)
TETTUCCI PER
MODELLINI DI AEREI
(sx: sacco e vuoto:
dx.: laminazione manuale)
Sono tutti processi nei quali si cerca di migliorare
la qualità dei laminati ottenuti, senza grandi
aumenti di costo e per piccole serie,
ottenendo un più adeguato allineamento
delle fibre per esempio con la preimpregnazione
delle fibre oltre che con la rullatura.
E' cruciale l'uso del distaccante, data l’aspecificità
delle superfici utilizzate (spesso puramente piane).
FILAMENT WINDING
Recipiente a pressione
in kevlar/epossidica
sotto prova idraulica
Calandratura
PVC
calandrato
Pezzi prodotti per filament winding
Il filament winding consente di avere un composito quasi-isotropo od anche più complesso,
avvolto intorno ad un recipiente di plastica stampato. L'idea del filament winding nasce
dalla regolazione di spessore ottenibile con la calandratura, con la differenza che i rulli
sono utilizzati per scorrimento e non per schiacciamento.
PULTRUSIONE
La pultrusione permette delle produzioni in continuo, la scelta di sezioni di tipo
diverso (di solito tendenzialmente prismatiche o cilindriche) ed una certa
regolazione degli spessori e miglioramento della resistenza a rottura, specie in
una direzione preferenziale. Le sezioni possono essere anche cave, con la
condizione essenziale che siano dei profili estrudibili (tirabili: non film sottili).
ANCORA SULLA PIEGATURA DEI COMPOSITI
Il cetriolo di mare, già mostrato in precedenza,
ha la possibilità di avere due livelli di rigidezza
In funzione della necessità. Questo è stato
Simulato con l’incorporazione di particelle magnetiche
In un polimero, attivabili con l’ambiente (p.es. pH)
CETRIOLO DI MARE
(oloturia) CHE SI ANNIDA
TRA I CORALLI
PIEGATURA MAGNETICA DI UN POLIMERO
COMPOSITI CON DIVERSE FUNZIONALITA'
(es. “bleeding composites” o “smart materials”)
a.
Sistema autoriparante
b.
a. Sistema biomimetico con fibre cave (hollow fibres) al 50%
random e fibre piene
b. Fuoriuscita del liquido fluorescente dalle fibre cave che mostra
sotto lampada UV il danneggiamento del materiale
Le fibre cave, oppure le fibre ottiche nel caso degli smart materials,danno l'indicazione
del danneggiamento (in qualche caso le fibre ottiche possono anche fornire
una riparazione d'emergenza), però “disturbano” fortemente la disposizione
del rinforzo nel composito (essendo di diametro molto superiore alle fibre di vetro,
di carbonio o di Kevlar utilizzate di solito)
ALTRE POSSIBILITA' SENSORIALI NEI COMPOSITI
Invece di introdurre delle fibre ottiche con dimensioni maggiori
e quindi “destabilizzanti” per il composito, è possibile introdurre
normali fibre di vetro trattate per trasportare la luce in modo
efficiente alle frequenze d'interesse in modo da visualizzare
per esempio il danneggiamento dopo impatto, come qui.
Questa è una “prassi” seguita normalmente anche nel caso
della natura, per esempio il bozzolo del baco da seta riflette
le frequenze luminose che non servono allo sviluppo della
larva, assorbendo le altre.
a. Forme del bozzolo del
baco da seta
b. Spettro di riflessione delle
frequenze luminose