Visualizzazioni: 0 Autore: Editor del sito Tempo di pubblicazione: 2025-05-16 Origine: Sito
La plastica rinforzata con fibra ( FRP ) (anche polimero rinforzato con fibra ) è un materiale composito realizzato in una matrice polimerica rinforzata con fibre. Le fibre sono generalmente vetri, carbonio, aramide o basalto. Raramente, sono state utilizzate altre fibre come carta o legno o amianto. Il polimero è di solito una plastica epossidica, vinilester o poliestere di termoinestro; Le resine di formaldeide al fenolo sono ancora in uso.
Gli FRP sono comunemente usati nelle industrie aerospaziali, automobilistiche, marine e di costruzione. Si trovano comunemente anche nell'armatura balistica.
Un polimero è generalmente fabbricato mediante polimerizzazione della crescita o polimerizzazione di addizione. Se combinato con vari agenti per migliorare o in alcun modo alterare le proprietà del materiale dei polimeri, il risultato viene definito come una plastica. Plastica di plastica si riferisce a quei tipi di materie plastiche che derivano dal legame due o più materiali omogenei con proprietà materiali diverse per derivare un prodotto finale con determinati materiali desiderati e proprietà meccaniche. Le materie plastiche rinforzate con fibre sono una categoria di materie plastiche composite che usano specificamente materiali in fibra per migliorare meccanicamente la resistenza e l'elasticità delle materie plastiche. Il materiale plastico originale senza rinforzo in fibra è noto come tematrix o agente di legame. La matrice è una plastica dura ma relativamente debole che è rafforzata da più forti filamenti o fibre che rafforzano più rigide. La misura in cui la resistenza e l'elasticità siano migliorate in una plastica rinforzata in fibra dipende dalle proprietà meccaniche sia della fibra che della matrice, il loro volume l'uno rispetto all'altro e la lunghezza e l'orientamento della fibra all'interno della matrice. [1] Il rinforzo della matrice si verifica per definizione quando il materiale FRP mostra una maggiore resistenza o elasticità rispetto alla sola forza e elasticità della matrice. [2]
Bachelite è stata la prima plastica rinforzata con fibre. Il Dr. Leo Baekeland aveva inizialmente deciso di trovare un sostituto per Shellac (realizzato dall'escrezione di coleotteri di lacini). I chimici avevano iniziato a riconoscere che molte resine e fibre naturali erano polimeri e la Baekeland ha studiato le reazioni del fenolo e della formaldeide. Per prima cosa ha prodotto uno shellac di fenolo-formaldeide solubile chiamato 'Novolak ' che non è mai diventato un successo del mercato, quindi si è rivolto allo sviluppo di un legante per l'asbesto che, a quel tempo, era modellato di gomma. Controllando la pressione e la temperatura applicate al fenolo e alla formaldeide, nel 1905 ha potuto produrre il suo materiale da sognato di duri (la prima plastica sintetica del mondo): Bachelite. [3] [4] ha annunciato la sua invenzione in una riunione dell'American Chemical Society il 5 febbraio 1909. [5]
Lo sviluppo della plastica rinforzata con fibra per uso commerciale veniva ampiamente studiato negli anni '30. Nel Regno Unito, sono state condotte ricerche considerevoli da pionieri come Norman de Bruyne. Era particolarmente interessante per l'industria dell'aviazione. [6]
La produzione di massa di fili di vetro fu scoperta nel 1932 quando Slayter Games, un ricercatore di Owens-Illinois, diresse accidentalmente un getto di aria compressa in un flusso di vetro fuso e produceva fibre. Un brevetto per questo metodo di produzione di lana di vetro fu richiesto per la prima volta nel 1933. [7] Owens si unì alla compagnia Corning nel 1935 e il metodo fu adattato da Owens Corning per produrre il suo brevettato 'fibreglas ' (uno 's ') nel 1936. Originariamente, Fibreglas era una lana di vetro con fibre che si affidavano a un grande gas, rendendolo utile, che fa un po 'a gas, che fa un po' a gas, che fa un calverio, in particolare a un imitatore, che si è un po 'insultatore, in modo utile, che ha un calzante, in particolare a un imitato, che ha un calverio, in particolare a un imitato, che si è un po' insultatore, che ha avuto un calverio, in particolare un insulato, che ha un calzante.
Una resina adatta per combinare il 'fibreglas ' con una plastica per produrre un materiale composito, è stata sviluppata nel 1936 da Du Pont. Il primo antenato delle moderne resine di poliestere è la resina di Cianamide del 1942. I sistemi di polimerizzazione del perossido furono utilizzati da allora. [8] Con la combinazione di fibreglas e resina il contenuto di gas del materiale è stato sostituito dalla plastica. Ciò si è ridotto alle proprietà di isolamento a valori tipici della plastica, ma ora per la prima volta il composito ha mostrato grande forza e promessa come materiale strutturale e costruttivo. Confusamente, molti compositi in fibra di vetro hanno continuato a essere chiamati 'fibra di vetro ' (come nome generico) e il nome è stato utilizzato anche per il prodotto in lana di vetro a bassa densità contenente gas anziché in plastica.
A Ray Greene di Owens Corning è attribuita la produzione della prima barca composita nel 1937, ma non ha continuato ulteriormente a causa della fragile natura della plastica utilizzata. Nel 1939 fu riferito che la Russia aveva costruito una barca passeggeri di materiali plastici e gli Stati Uniti una fusoliera e le ali di un aereo. [9] La prima auto ad avere un corpo in vetro in fibra fu lo scarabeo robusto del 1946. È stato costruito solo uno di questo modello. [10] Il prototipo Ford del 1941 avrebbe potuto essere la prima auto di plastica, ma c'è una certa incertezza sui materiali utilizzati in quanto è stato distrutto poco dopo. [11] [12]
Il primo aereo di plastica rinforzato con fibre fu il Fairchild F-46, volato per la prima volta il 12 maggio 1937, o il piano di plastica Bennett in costruzione californica. [13] Una fusoliera in fibra di vetro fu utilizzata su un Vultee BT-13A modificato designato il XBT-16 con sede a Wright Field alla fine del 1942. [14] Nel 1943 furono intrapresi ulteriori esperimenti sugli aerei strutturali da parte di 1944, che risultavano nel primo aereo, che risultava nel primo aereo, con il primo piano, con il primo aereo, che si tratteneva nel primo aereo, con il primo aereo, con il primo aereo, con il primo aereo, con il primo aereo, con il primo aereo, che si tratteneva nel primo aereo, che si trovava nel primo aereo, con il primo aereo, con il primo aereo, che si tratteneva nel primo aereo [5 ]. [17] Uno sviluppo significativo negli strumenti per i componenti GFRP era stato realizzato dalla Republic Aviation Corporation nel 1943. [18]
La produzione di fibre di carbonio iniziò alla fine degli anni '50 e fu utilizzata, sebbene non ampiamente, nell'industria britannica a partire dai primi anni '60. Anche le fibre di Aramid venivano prodotte in questo periodo, apparendo prima con il nome commerciale Nomex di DuPont. Oggi, ognuna di queste fibre è ampiamente utilizzata nell'industria per tutte le applicazioni che richiedono materie plastiche con forza specifica o qualità elastiche. Le fibre di vetro sono le più comuni in tutti i settori, sebbene i compositi in fibra di carbonio e carbonio-aramide siano ampiamente trovati nelle buone applicazioni aerospaziali, automobilistiche e sportive. [2] Questi tre (vetro, carbonio, antaramide) continuano ad essere le importanti categorie di fibre utilizzate in FRP.
La produzione globale di polimeri sulla scala presente oggi è iniziata a metà del 20 ° secolo, quando i bassi costi di materiale e produzioni, nuove tecnologie di produzione e nuove categorie di prodotti combinate per rendere economica la produzione di polimeri. L'industria è finalmente maturata alla fine degli anni '70, quando la produzione mondiale di polimeri ha superato quella dell'acciaio, rendendo i polimeri il materiale onnipresente che è oggi. Le materie plastiche rinforzate con fibre sono state un aspetto significativo di questo settore sin dall'inizio.
FRP prevede due processi distinti, il primo è il processo in base al quale il materiale fibroso viene prodotto e formato, il secondo è il processo in base al quale i materiali fibrosi sono legati alla matrice durante lo stampaggio. [2]
La fibra di rinforzo è prodotta in orientamenti bidimensionali e tridimensionali
Il polimero bidimensionale rinforzato in fibra è caratterizzato da una struttura laminata in cui le fibre sono allineate solo lungo il piano nella direzione X e nella direzione Y del materiale. Ciò significa che nessuna fibra è allineata nello spessore attraverso lo spessore o nella direzione Z, questa mancanza di allineamento nello spessore attraverso attraverso lo spessore può creare uno svantaggio nei costi e nell'elaborazione. I costi e il lavoro aumentano perché le tecniche di elaborazione convenzionali utilizzate per fabbricare compositi, come lay-up a mano bagnata, l'autoclave e lo stampaggio di trasferimento di resina, richiedono un'elevata quantità di manodopera qualificata per tagliare, impilare e consolidare in una componente preformata.
I compositi polimerici tridimensionali rinforzati in fibra sono materiali con strutture in fibra tridimensionale che incorporano fibre nella direzione X, nella direzione Y e nella direzione Z. Lo sviluppo di orientamenti tridimensionali è derivato dalla necessità dell'industria di ridurre i costi di fabbricazione, aumentare le proprietà meccaniche a spessore e migliorare la tolleranza ai danni da impatto; Tutti erano problemi associati a polimeri bidimensionali rinforzati in fibra.
Le preformi in fibra sono il modo in cui le fibre sono prodotte prima di essere legate alla matrice. Le preformi in fibra sono spesso prodotte in fogli, tappetini continui o come filamenti continui per applicazioni a spruzzo. I quattro modi principali per produrre la preforma in fibra sono attraverso le tecniche di elaborazione tessile di tessitura, maglia, intrecciare e cuciture.
La tessitura può essere fatta in modo convenzionale per produrre fibre bidimensionali e in una tessitura multistrato che può creare fibre tridimensionali. Tuttavia, è necessaria la tessitura multistrato per avere più livelli di filati di ordito per creare fibre nella direzione Z creando alcuni svantaggi nella produzione, vale a dire il momento di impostare tutti i filati di ordito sul telaio. Pertanto, la maggior parte della tessitura multistrato è attualmente utilizzata per produrre prodotti di larghezza relativamente stretti o prodotti di alto valore in cui il costo della produzione di preforma è accettabile. Un altro dei principali problemi che affrontano l'uso di tessuti multistrato è la difficoltà a produrre un tessuto che contiene fibre orientate con angoli diversi da 0 'e 90 ' rispettivamente.
Il secondo modo principale per produrre preformi in fibra è intrecciare. La treccia è adatta alla produzione di tessuto piatto o tubolare a larghezza stretta e non è capace come la tessitura nella produzione di grandi volumi di tessuti ampi. La treccia viene eseguita sopra i mandrini che variano in forma o dimensione trasversale lungo la loro lunghezza. La treccia è limitata agli oggetti di dimensioni in mattoni. A differenza della tessitura standard, la treccia può produrre tessuti che contiene fibre a 45 gradi angoli l'uno dall'altro. Le fibre tridimensionali intrecciate possono essere eseguite utilizzando intrecciate intrecciate a quattro fasi, a due passaggi o multistrato. Quattro passi o righe e colonne intrecciati utilizza un letto piatto contenente righe e colonne di portatore di filato che formano la forma della preforma desiderata. Ulteriori vettori vengono aggiunti all'esterno dell'array, la cui posizione precisa e quantità dipende dall'esatta forma e struttura di preforma richiesta. Esistono quattro sequenze separate di moto di riga e colonna, che agiscono per intrecciare i filati e produrre la preforma intrecciata. I filati sono meccanicamente forzati nella struttura tra ogni fase per consolidare la struttura in un processo simile all'uso di una canna nella tessitura. La treccia a due fasi è diversa dal processo in quattro fasi perché il due passaggi include un gran numero di filati fissati nella direzione assiale e un numero inferiore di filati intrecciati. Il processo è costituito da due passaggi in cui i portatori intrecciati si muovono completamente attraverso la struttura tra i portatori assiali. Questa sequenza relativamente semplice di movimenti è in grado di formare preformi essenzialmente di qualsiasi forma, comprese le forme circolari e cave. A differenza del processo in quattro fasi, il processo in due fasi non richiede una compattazione meccanica, le movimenti coinvolte nel processo consentono alla treccia di essere attirata dalla sola tensione del filo. L'ultimo tipo di treccia è intrecciato a interblocco multistrato che consiste in una serie di innai circolari standard uniti per formare un telaio intrecciato cilindrico. Questo telaio ha una serie di tracce intrecciate parallele attorno alla circonferenza del cilindro, ma il meccanismo consente il trasferimento di portatori di filati tra le tracce adiacenti che formano un tessuto intrecciato multistrato con filati che si interrompevano a strati adiacenti. La treccia di interblocco multistrato differisce sia dalle trecce a quattro fasi che in due fasi in quanto i filati ad interblocco sono principalmente sul piano della struttura e quindi non riducono significativamente le proprietà del piano della preforma. I processi a quattro fasi e in due fasi producono un maggiore grado di interlinda mentre i filati intrecciati percorrono lo spessore della preforma, ma contribuiscono quindi meno alle prestazioni in piano della preforma. Uno svantaggio dell'attrezzatura di interblocco multistrato è che a causa del movimento sinusoidale convenzionale dei portatori di filati per formare la preforma, l'attrezzatura non è in grado di avere la densità dei portatori di filati che è possibile con le due fasi e quattro macchine.
Le preformi in fibra a maglia possono essere eseguite con i tradizionali metodi di ordito e [trama] a maglia, e il tessuto prodotto è spesso considerato da molti come tessuto bidimensionale, ma le macchine con due o più letti di ago sono in grado di produrre tessuti multistrato con yam che attraversano gli strati. Sviluppi nei controlli elettronici per la selezione dell'ago e il trasferimento di loop in maglia e nei meccanismi sofisticati che consentono di tenere aree specifiche del tessuto e controllate dal loro movimento. Ciò ha permesso al tessuto di formarsi nella forma preforma tridimensionale richiesta con un minimo di spreco di materiale.
Le cuciture sono probabilmente la più semplice delle quattro principali tecniche di produzione tessile e una che può essere eseguita con il più piccolo investimento in macchinari specializzati. Fondamentalmente le cuciture consistono nell'inserimento di un ago, che trasporta il filo del punto, attraverso una pila di strati di tessuto per formare una struttura 3D. I vantaggi delle cuciture sono che è possibile cucire sia il tessuto asciutto che quello di pre -preg, sebbene l'attaccità del prepreg renda difficile il processo e generalmente crea più danni all'interno del materiale pre -preg che nel tessuto secco. La cucitura utilizza anche i tessuti bidimensionali standard che sono comunemente in uso all'interno dell'industria composita, quindi esiste un senso di familiarità riguardo ai sistemi di materiali. L'uso di tessuto standard consente inoltre un maggiore grado di flessibilità nel lay-up del tessuto del componente di quanto sia possibile con gli altri processi tessili, che hanno restrizioni sugli orientamenti in fibra che possono essere prodotti. [19]
Una struttura rigida viene solitamente utilizzata per stabilire la forma dei componenti FRP. Le parti possono essere stabilite su una superficie piana denominata 'Caul Plate ' o su una struttura cilindrica denominata 'Mandrel '. Tuttavia, la maggior parte delle parti di plastica rinforzate con fibre vengono create con uno stampo o uno strumento '. I stampi possono essere stampi femminili concavi, stampi maschi o lo stampo può racchiudere completamente la parte con uno stampo superiore e inferiore.
I processi di stampaggio delle materie plastiche FRP iniziano posizionando la preforma della fibra su o nello stampo. La preforma in fibra può essere fibra secca o fibra che contiene già una quantità misurata di resina chiamata 'prepreg '. Le fibre secche sono 'bagnate ' con resina a mano o la resina viene iniettata in uno stampo chiuso. La parte viene quindi curata, lasciando la matrice e le fibre nella forma creata dallo stampo. Il calore e/o la pressione vengono talvolta usati per curare la resina e migliorare la qualità della parte finale. I diversi metodi di formazione sono elencati di seguito.
I singoli fogli di materiale pre -preg sono stabiliti e messi in uno stampo in stile femmina insieme a una vescica a palloncino. Lo stampo è chiuso e posto in una pressa riscaldata. Infine, la vescica viene pressurizzata forzando gli strati di materiale contro le pareti dello stampo.
Quando la materia prima (blocco di plastica, blocco di gomma, foglio di plastica o granuli) contiene fibre di rinforzo, una parte modellata a compressione si qualifica come plastica rinforzata con fibre. Più tipicamente la preforma di plastica utilizzata nello stampaggio a compressione non contiene fibre di rinforzo. Nella modanatura a compressione, a 'preform ' o 'carica ', di SMC, BMC è posto in cavità dello stampo. Lo stampo è chiuso e il materiale è formato e curato all'interno della pressione e del calore. Lo stampaggio a compressione offre dettagli eccellenti per le forme geometriche che vanno da motivi e dettagli di sollievo a curve complesse e forme creative, per ingegneria di precisione tutto in un tempo di cura massimo di 20 minuti. [20]
I singoli fogli di materiale pre-creato sono stabiliti e collocati in uno stampo aperto. Il materiale è ricoperto di film di rilascio, materiale di sanguinamento/sfiato e una borsa a vuoto. Un vuoto viene tirato su una parte e l'intero stampo viene posizionato in un'autoclave (recipiente a pressione riscaldata). La parte è curata con un vuoto continuo per estrarre i gas intrappolati dal laminato. Questo è un processo molto comune nel settore aerospaziale perché offre un controllo preciso sullo stampaggio a causa di un lungo ciclo di cura lento che va da una a diverse ore. [21] Questo controllo preciso crea esatte le forme geometriche laminato necessarie per garantire la forza e la sicurezza nel settore aerospaziale, ma è anche lento e ad alta intensità di lavoro, il che significa che i costi spesso lo limitano all'industria aerospaziale. [20]
Fogli di materiale pre -creato sono avvolti attorno a un mandrino in acciaio o alluminio. Il materiale pre -preg è compatto dal nastro di violoncello di nylon o polipropilene. Le parti sono in genere guarite dallo sottovalutazione e appesi in un forno. Dopo la cura, il violoncello e il mandrino vengono rimossi lasciando un tubo di carbonio cavo. Questo processo crea tubi di carbonio cavi forti e robusti.
La formazione del layup bagnato combina il rinforzo delle fibre e la matrice mentre vengono posizionate sullo strumento di formazione. [2] Gli strati di fibra di rinforzo vengono posizionati in uno stampo aperto e quindi saturi con una resina bagnata versandolo sul tessuto e lavorando nel tessuto. Lo stampo viene quindi lasciato in modo che la resina curerà, di solito a temperatura ambiente, sebbene il calore sia talvolta utilizzato per garantire una cura adeguata. A volte viene utilizzata una borsa a vuoto per comprimere un layup bagnato. Le fibre di vetro sono più comunemente utilizzate per questo processo, i risultati sono ampiamente noti come fibra di vetro e vengono utilizzati per realizzare prodotti comuni come sci, canoe, kayak e tavole da surf. [20]
I fili continui di fibra di vetro vengono spinti attraverso una pistola portatile che taglia entrambi i fili e li combina con una resina catalizzata come il poliestere. Il vetro tritato impregnato viene girato sulla superficie dello stampo in qualunque spessore e progetta l'operatore umano che pensa sia appropriato. Questo processo è buono per le grandi produzione di produzione a costi economici, ma produce forme geometriche con meno resistenza rispetto ad altri processi di stampaggio e ha una tolleranza dimensionale scarsa. [20]
Le macchine tirano fasci di fibre attraverso un bagno bagnato di resina e ferite su un mandrino in acciaio rotante in orientamenti specifici le parti sono curate a temperatura ambiente o temperature elevate. Il mandrino viene estratto, lasciando una forma geometrica finale ma in alcuni casi può essere lasciato. [20]
I fasci di fibre e i tessuti a fessura vengono tirati attraverso un bagno bagnato di resina e formati nella forma della parte ruvida. Il materiale saturo è estruso da una cura di matrice chiusa riscaldata mentre viene continuamente tirato attraverso la matrice. Alcuni dei prodotti finali della pultrusione sono forme strutturali, cioè IE I, angolo, canale e foglio piatto. Questi materiali possono essere utilizzati per creare tutti i tipi di strutture in fibra di vetro come scale, piattaforme, serbatoi di sistemi di corrimano, tubi e supporti per la pompa. [20]
Chiamato anche infusione di resina . I tessuti vengono inseriti in uno stampo in cui viene quindi iniettata la resina bagnata. La resina viene generalmente pressurizzata e forzata in una cavità che è sotto vuoto nello stampaggio di trasferimento di resina. La resina è interamente attirata in cavità sotto il vuoto nello stampaggio di trasferimento di resina assistita dal vuoto. Questo processo di stampaggio consente tolleranze precise e modellatura dettagliata, ma a volte non riesce a saturare completamente il tessuto che porta a punti deboli nella forma finale. [20]
FRP consente l'allineamento delle fibre di vetro delle termoplastiche per adattarsi a programmi di progettazione specifici. Specificare l'orientamento delle fibre di rinforzo può aumentare la resistenza e la resistenza alla deformazione del polimero. I polimeri rinforzati in vetro sono più forti e più resistenti alle forze deformanti quando le fibre di polimeri sono parallele alla forza che vengono esercitate e sono più deboli quando le fibre sono perpendicolari. Pertanto, questa capacità è subito un vantaggio o una limitazione a seconda del contesto dell'uso. Le macchie deboli delle fibre perpendicolari possono essere utilizzate per cerniere e connessioni naturali, ma possono anche portare a un fallimento del materiale quando i processi di produzione non riescono a orientare correttamente le fibre parallele alle forze previste. Quando le forze vengono esercitate perpendicolari all'orientamento delle fibre, la forza e l'elasticità del polimero è inferiore alla sola matrice. Nei componenti in resina fuso realizzati in polimeri rinforzati in vetro come UP ed EP, l'orientamento delle fibre può essere orientato in trame bidimensionali e tridimensionali. Ciò significa che quando le forze sono probabilmente perpendicolari a un orientamento, sono parallele a un altro orientamento; Questo elimina il potenziale per punti deboli nel polimero.
Il fallimento strutturale può verificarsi nei materiali FRP quando:
Le forze di trazione allungano la matrice più delle fibre, causando il taglio del materiale all'interfaccia tra matrice e fibre.
Le forze di trazione vicino alla fine delle fibre superano le tolleranze della matrice, separando le fibre dalla matrice.
Le forze di trazione possono anche superare le tolleranze delle fibre che causano la frattura delle fibre che portano al fallimento del materiale. [2]
Un materiale a matrice polimerica termoset o materiale a matrice polimerica termoplastica di grado ingegneristico, deve soddisfare determinati requisiti per essere prima adatto agli FRP e garantire un successo di se stesso. La matrice deve essere in grado di saturare correttamente e preferibilmente legarsi chimicamente con il rinforzo in fibra per la massima adesione in un periodo di indurimento adeguato. La matrice deve anche avvolgere completamente le fibre per proteggerle da tagli e tacche che ridurrebbero la loro forza e per trasferire le forze alle fibre. Le fibre devono anche essere separate l'una dall'altra in modo che se si verifica un fallimento è localizzato il più possibile e se si verifica un fallimento, la matrice deve anche debond dalla fibra per ragioni simili. Infine, la matrice dovrebbe essere di una plastica che rimane chimicamente e fisicamente stabile durante e dopo i processi di rinforzo e stampaggio. Per essere adatti come materiale di rinforzo, gli additivi in fibra devono aumentare la resistenza alla trazione e il modulo dell'elasticità della matrice e soddisfare le seguenti condizioni; Le fibre devono superare il contenuto di fibre critiche; La forza e la rigidità delle fibre stesse devono superare la sola forza e rigidità della matrice; e ci deve essere un legame ottimale tra fibre e matrice
'Plastici rinforzati in fibra di vetro ' o FRPS (comunemente indicato semplicemente come fibra di vetro) usano fibre di vetro di grado tessile. Queste fibre tessili sono diverse dalle altre forme di fibre di vetro usate per intrappolare deliberatamente l'aria, per applicazioni isolanti (vedi lana di vetro). Le fibre di vetro tessile iniziano come diverse combinazioni di siO 2, al 2o 3, b 2o 3, cao o mgO in polvere. Queste miscele vengono quindi riscaldate attraverso lo scioglimento diretto a temperature di circa 1300 gradi Celsius, dopo di che le stampi vengono utilizzate per estrludere i filamenti di fibra di vetro di diametro che vanno da 9 a 17 µm. Questi filamenti vengono quindi avvolti in fili più grandi e girati su bobine per il trasporto e un'ulteriore elaborazione. La fibra di vetro è di gran lunga il mezzo più popolare per rafforzare la plastica e quindi gode di una vasta gamma di processi di produzione, alcuni dei quali sono applicabili alle fibre di aramide e al carbonio, anche a causa delle loro qualità fibrose condivise.
Il moving è un processo in cui i filamenti vengono girati in fili di diametro maggiore. Questi fili vengono quindi comunemente usati per tessuti per rinforzare tessuti in vetro e tappetini e nelle applicazioni a spruzzo.
I tessuti in fibra sono materiale di rinforzo del tessuto in forma web che ha sia indicazioni di ordito che trama. I tappetini in fibra sono tappetini non tessuti a forma di web di fibre di vetro. I tappetini sono fabbricati in dimensioni tagliate con fibre tritate o in tappetini continui usando fibre continue. Il vetro a fibra tritato viene utilizzato nei processi in cui le lunghezze dei fili di vetro vengono tagliate tra 3 e 26 mm, i fili vengono quindi utilizzati nelle materie plastiche più comunemente destinate ai processi di stampaggio. I fili corti in fibra di vetro sono corti a fili di vetro da 0,2-0,3 mm che vengono utilizzati per rafforzare i termoplastici più comunemente per lo stampaggio a iniezione.
Le fibre di carbonio vengono create quando le fibre di poliacrilonitrile (PAN), le resine del pitch o il rayon vengono carbonizzate (attraverso l'ossidazione e la pirolisi termica) ad alte temperature. Attraverso ulteriori processi di gratitizzazione o allungamento della forza o dell'elasticità delle fibre possono essere migliorati rispettivamente. Le fibre di carbonio sono prodotte in diametri analoghi alle fibre di vetro con diametri che vanno da 4 a 17 µm. Queste fibre si sono avvolte in fili più grandi per il trasporto e ulteriori processi di produzione. [2] Ulteriori processi di produzione includono tessitura o intrecciato in tessuti di carbonio, panni e tappetini analoghi a quelli descritti per il vetro che può quindi essere utilizzato in rinforzi reali. [1]
Le fibre aramidiche sono più comunemente conosciute come Kevlar, Nomex e Technora. Gli aramidi sono generalmente preparati dalla reazione tra un gruppo di ammina e un gruppo di alogenuri di acido carbossilico (aramide); [1] comunemente ciò si verifica quando una poliammide aromatica viene girata da una concentrazione liquida di acido solforico in una fibra cristallizzata. [2] Le fibre vengono quindi girate in fili più grandi per intrecciarsi in corde grandi o tessuti (aramide). [1] Le fibre aramidiche sono prodotte con gradi variabili in base a diverse qualità per resistenza e rigidità, in modo che il materiale possa essere in qualche modo adattato a specifiche esigenze di progettazione, come tagliare il materiale duro durante la produzione. [2]
| materiale di rinforzo [2] Proprietà | materiali a matrice più comuni | migliorate |
|---|---|---|
| Fibre di vetro | UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | Forza, elasticità, resistenza al calore |
| Fibre di legno | PE, PP, ABS, HDPE, PLA | Resistenza alla flessione, modulo di trazione, resistenza alla trazione |
| Fibre di carbonio e aramidi | Ep, up, ve, pa | Elasticità, resistenza alla trazione, resistenza alla compressione, resistenza elettrica. |
| Particolati inorganici | Termoplastici semicristallini, UP | Riduzione isotropica, abrasione, resistenza alla compressione |
Le materie plastiche rinforzate con fibre sono più adatte a qualsiasi programma di progettazione che richieda risparmio di peso, ingegneria di precisione, tolleranze finite e semplificazione delle parti sia nella produzione che nel funzionamento. Un manufatto polimerico modellato è più economico, più veloce e più facile da produrre rispetto al manufatto in alluminio o in acciaio e mantiene tolleranze e resistenza al materiale simili e talvolta migliori.
Rudder of Airbus A310
I vantaggi rispetto a un timone tradizionale realizzato in alluminio fogli sono:
Riduzione del 25% di peso
Riduzione del 95% dei componenti combinando parti e forme in parti più semplici.
Riduzione complessiva dei costi di produzione e operativi, l'economia delle parti comporta costi di produzione più bassi e i risparmi di peso creano risparmi di carburante che riducono i costi operativi del volare l'aereo.
I collettori di aspirazione del motore sono realizzati con PA 66 rinforzata in fibra di vetro.
Vantaggi che questo ha sui collettori di alluminio cast sono:
Fino a una riduzione del 60% di peso
Migliorata qualità della superficie e aerodinamica
Riduzione dei componenti combinando parti e forme in forme modellate più semplici.
PEDALI DI GAS AUTOMOTIVO E FRIZIONE FATTO DELLA PA 66 rinforzata in fibra di vetro (DWP 12–13)
I vantaggi sull'alluminio timbrato sono:
I pedali possono essere modellati come singole unità che combinano sia i pedali che i collegamenti meccanici che semplificano la produzione e il funzionamento del design.
Le fibre possono essere orientate a rafforzare le sollecitazioni specifiche, aumentando la durata e la sicurezza.
Finestre in alluminio, porte e facciate vengono isolate termicamente utilizzando materie plastiche di isolamento termico in poliammide rinforzata in fibra di vetro. Nel 1977 Ensinger GmbH ha prodotto il primo profilo di isolamento per i sistemi di finestre.
FRP può essere applicato per rafforzare le travi, le colonne e le lastre di edifici e ponti. È possibile aumentare la forza dei membri strutturali anche dopo che sono stati gravemente danneggiati a causa delle condizioni di carico. Nel caso di membri in cemento rinforzato danneggiato, ciò richiederebbe innanzitutto la riparazione del membro rimuovendo i detriti sciolti e riempiendo cavità e crepe con mortaio o resina epossidica. Una volta che il membro è stato riparato, il rafforzamento può essere raggiunto attraverso il lay-up umido, a mano di impregnare i fogli di fibra con resina epossidica, quindi applicandoli alle superfici pulite e preparate del membro.
In genere vengono adottate due tecniche per il rafforzamento delle travi, relative al miglioramento della resistenza desiderato: rafforzamento della flessione o rafforzamento del taglio. In molti casi potrebbe essere necessario fornire entrambi i miglioramenti della forza. Per il rafforzamento della flessione di un raggio, vengono applicati fogli o piastre FRP sulla faccia di tensione del membro (la faccia inferiore per un membro semplicemente supportato con carico superiore applicato o carico di gravità). Le principali fibre di trazione sono orientate nell'asse longitudinale del raggio, simile al suo rinforzo interno in acciaio flessibile. Ciò aumenta la resistenza del raggio e la sua rigidità (carico richiesto per causare la deflessione unitaria), tuttavia riduce la capacità di deflessione e la duttilità.
Per il rafforzamento di taglio di un raggio, il FRP viene applicato sul Web (lati) di un membro con fibre orientate trasversali sull'asse longitudinale del raggio. La resistenza alle forze di taglio si ottiene in modo simile alle staffe di acciaio interne, colmando le crepe di taglio che si formano sotto carico applicato. FRP può essere applicato in diverse configurazioni, a seconda delle facce esposte del membro e del grado di rafforzamento desiderato, questo include: legame laterale, W-wraps (giacche U) e impacchi chiusi (impacchi completi). Il legame laterale implica l'applicazione di FRP ai lati solo del raggio. Fornisce la minima quantità di rafforzamento di taglio a causa di fallimenti causati dal de-legame dalla superficie del cemento ai bordi liberi FRP. Per i wraps a U, il FRP viene applicato continuamente in una forma 'U' attorno ai lati e alla faccia inferiore (tensione) del raggio. Se tutte le facce di una trave sono accessibili, l'uso di impacchi chiusi è desiderabile in quanto forniscono il miglioramento della forza. L'involucro chiuso prevede l'applicazione di FRP attorno all'intero perimetro del membro, in modo tale che non vi siano estremità libere e la modalità di fallimento tipica è la rottura delle fibre. Per tutte le configurazioni di avvolgimento, il FRP può essere applicato lungo la lunghezza del membro come foglio continuo o come strisce discrete, con una larghezza e spaziatura minima predefinita.
Le lastre possono essere rafforzate applicando strisce FRP sul viso inferiore (tensione). Ciò comporterà migliori prestazioni di flessione, poiché la resistenza alla trazione delle lastre è integrata dalla resistenza alla trazione di FRP. Nel caso di raggi e lastre, l'efficacia del rafforzamento FRP dipende dalle prestazioni della resina scelta per il legame. Questo è particolarmente un problema per il rafforzamento del taglio usando il legame laterale o le U-WRAPS. Le colonne sono in genere avvolte con FRP attorno al loro perimetro, come con avvolgimento chiuso o completo. Ciò non solo si traduce in una maggiore resistenza al taglio, ma più cruciale per la progettazione della colonna, ma si traduce in un aumento della resistenza a compressione sotto il carico assiale. L'involucro FRP funziona trattenendo l'espansione laterale della colonna, che può migliorare il confinamento in modo simile a quello del rinforzo a spirale per il nucleo della colonna.
Nel giugno 2013, Kone Elevator Company ha annunciato Ultrarope per l'uso in sostituzione di cavi in acciaio negli ascensori. Sigilla le fibre di carbonio nel polimero ad alta attribuzione. A differenza del cavo in acciaio, l'ultrarope è stata progettata per edifici che richiedono fino a 1.000 metri di sollevamento. Gli ascensori in acciaio si esauriscono a 500 metri. La società ha stimato che in un edificio alto 500 metri, un ascensore avrebbe utilizzato il 15 % in meno di potenza elettrica rispetto a una versione in acciaio. A partire da giugno 2013, il prodotto aveva superato tutti i test di certificazione dell'Unione Europea e degli Stati Uniti. [22]
La FRP è utilizzata nei progetti che richiedono una misura di resistenza o modulo di elasticità che la plastica non rinforzata e altre scelte materiali sono o maltrattate per meccanicamente o economicamente. Ciò significa che la considerazione di progettazione primaria per l'utilizzo di FRP è garantire che il materiale venga utilizzato economicamente e in un modo che sfrutta specificamente i suoi miglioramenti strutturali. Questo non è sempre così, l'orientamento delle fibre crea anche una debolezza materiale perpendicolare alle fibre. Pertanto, l'uso del rinforzo delle fibre e il loro orientamento influisce sulla forza, la rigidità e l'elasticità di una forma finale e quindi il funzionamento del prodotto finale stesso. L'orientamento della direzione delle fibre, unidirezionale, in bidimensionalmente o 3dimensionalmente durante la produzione influisce sul grado di resistenza, flessibilità ed elasticità del prodotto finale. Le fibre orientate nella direzione delle forze mostrano una maggiore resistenza alla distorsione da queste forze e viceversa, quindi le aree di un prodotto che devono resistere alle forze saranno rinforzate con le fibre nella stessa direzione e le aree che richiedono flessibilità, come le cerniere naturali, useranno le fibre in una direzione perpendicolare alle forze. L'uso di più dimensioni evita questo o uno scenario e crea oggetti che cercano di evitare punti deboli specifici a causa dell'orientamento unidirezionale delle fibre. Le proprietà di resistenza, flessibilità ed elasticità possono anche essere ingrandite o ridotte attraverso la forma geometrica e il design del prodotto finale. Questi includono tale considerazione del design come garantire uno spessore della parete adeguato e creare forme geometriche multifunzionali che possono essere modellate come singoli pezzi, creando forme che hanno più materiale e integrità strutturale riducendo giunti, connessioni e hardware. [2]
Poiché un sottoinsieme di materie plastiche di plastica è responsabile di una serie di problemi e preoccupazioni nello smaltimento e nel riciclaggio dei rifiuti di plastica. Le materie plastiche rappresentano una sfida particolare nel riciclaggio perché derivano da polimeri e monomeri che spesso non possono essere separati e restituiti ai loro stati vergini, per questo motivo non tutte le materie plastiche possono essere riciclate per il riutilizzo, in effetti alcune stime sostengono che solo il 20% al 30% della plastica può essere riciclata. Le materie plastiche rinforzate con fibre e le loro matrici condividono queste preoccupazioni ambientali e ambientali. Oltre a queste preoccupazioni, il fatto che le fibre stesse siano difficili da rimuovere dalla matrice e preservare per il riutilizzo significa amplificare queste sfide di FRP. I FRP sono intrinsecamente difficili da separare nei materiali di base, che si trovano in fibra e matrice e la matrice in materie plastiche, polimeri e monomeri utilizzabili separati. Queste sono tutte preoccupazioni per il design informato per l'ambiente oggi. Le materie plastiche offrono spesso risparmi in termini di energia e risparmi economici rispetto ad altri materiali. Inoltre, con l'avvento di nuove matrici più ecologiche come bioplastici e materie plastiche UV, FRP otterrà la sensibilità ambientale. [1]
Termoplastico rinforzato con fibra lunga
^ Salta fino a: A B C D E Smallman, Re e RJ Bishop. Moderna metallurgia fisica e ingegneria dei materiali. 6 ° ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999.
^ Salta fino a: A B C D E F G H I J ERHARD, GUNTER. Progettare con materie plastiche. Trans. Martin Thompson. Monaco: Hanser Publishers, 2006.
Salta su^ Amato, Ivan (29 marzo 1999). 'Leo Baekeland '. Tempo 100 . TEMPO.
Salta su^ 'Leo Baekeland '. Plastica . Sito di storia del Regno Unito. 28 giugno 2000.
Salta su^ 'Nuova sostanza chimica ' (PDF). Il New York Times. 6 febbraio 1909.
Salta su^ resina sintetica - Usa nella costruzione di aeromobili, The Times, London England, lunedì 5 ottobre 1936, pagina 14, numero 47497
Salta su^ Numero di brevetto americano 2133235: metodo e apparato per la preparazione del brevetto di lana di vetro in lana di vetro, 1933.
Salta su^ 50 anni di barche in plastica rinforzate, George Marsh, 8 ottobre 2006, http://www.reinfordplastics.com/view/1461/50 anni-of-reinford-plastic-boats-/
Salta su^ notevoli progressi - l'uso di materie plastiche, seque post, Wellington, Nuova Zelanda, volume CXXVIII, numero 31, 5 agosto 1939, pagina 28
Salta su^ auto del futuro in Plastics, The Mercury (Hobart, Tasmania), lunedì 27 maggio 1946, pagina 16
Salta su^ 'Post War Automobile '. Bradford Daily Record . 28 marzo 1941. P. 12. Estratto il 17 giugno 2015 - tramite NewsPapers.com. 
Salta su^ 'Post War Automobile '. Il Corpus Christi Times . 12 gennaio 1942. P. 3. Estratto il 17 giugno 2015 - tramite NewsPapers.com.
Salta su^ 'Gli aerei di plastica dagli stampi sono Plan of Army '. Greeley Daily Tribune . 24 giugno 1938. P. 2. Estratto il 12 agosto 2015 - tramite NewsPapers.com.
Salta su^ aerei da guerra americani della seconda guerra mondiale, David Donald, Aerospace Publishing Limited, 1995, pagine 251–252, ISBN 1-874023-72-7
Salta su^ Utilizzo accelerato di nuovi materiali, Comitato per l'utilizzo accelerato di nuovi materiali, Washington, National Academy of Sciences - National Academy of Engineering, Springfield, VA, 1971, pagine 56–57 di WP Conrardy
Salta su^ fuseli sandwich in fibra di vetro modellati per aereo BT-15, Rapporto tecnico dell'Aeronautica militare dell'Esercito 5159, 8 novembre 1944
Salta su^ Manuale di materie plastiche rinforzate; Donald V. Rosato, Dominick V. Rosato e John Murphy; Elsevier; 2004; Pagina 586
Salta su^ storia dei compositi, Tim Palucka e Bernadette Bensaude-Vincent, http: //authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/composites/composites_overview.htm
Salta su^ Tong, L, Ap Mouritz e Mk Bannister. Compositi polimerici rinforzati in fibra 3D. Oxford: Elsevier, 2002.
^ Salta fino a: A B C D E F G Modano composito
Salta su^ Dogan, Fatih; Hadavinia, Homayoun; Donchev, Todor; Bhonge, Prasannakumar S. (5 agosto 2012). 'Delaminazione di strutture composite colpite da elementi di interfaccia di zona coesiva e contatto con tiebreak '. Journal of Engineering . 2(4): 612–626. doi: 10.2478/s13531-012-0018-0.
Salta su^ 'Ultrarope annunciato a uno stop zoom su edifici alti '. Phys.org. Estratto 2013-06-13.
>>>>> Nota: articolo proveniente da https://en.wikipedia.org/wiki/fibre-reinforced_plastic <<<