Visualizzazioni: 0 Autore: Editor del sito Orario di pubblicazione: 2025-05-16 Origine: Sito
La plastica rinforzata con fibre ( FRP ) (anche polimero rinforzato con fibre ) è un materiale composito costituito da una matrice polimerica rinforzata con fibre. Le fibre sono solitamente di vetro, carbonio, aramide o basalto. Raramente sono state utilizzate altre fibre come carta, legno o amianto. Il polimero è solitamente una plastica termoindurente epossidica, vinilestere o poliestere; le resine fenoliche formaldeide sono ancora in uso.
Gli FRP sono comunemente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, marittimo e delle costruzioni. Si trovano comunemente anche nelle armature balistiche.
Un polimero viene generalmente prodotto mediante polimerizzazione a crescita graduale o polimerizzazione per addizione. Quando combinato con vari agenti per migliorare o alterare in qualsiasi modo le proprietà dei materiali dei polimeri, il risultato viene definito plastica. Le plastiche composite si riferiscono a quei tipi di plastica che risultano dall'unione di due o più materiali omogenei con proprietà materiali diverse per ottenere un prodotto finale con determinati materiali e proprietà meccaniche desiderati. Le plastiche rinforzate con fibre sono una categoria di plastiche composite che utilizzano specificamente materiali in fibra per migliorare meccanicamente la resistenza e l'elasticità della plastica. Il materiale plastico originale senza rinforzo in fibra è noto come matrice o agente legante. La matrice è una plastica resistente ma relativamente debole, rinforzata da filamenti o fibre di rinforzo più forti e rigidi. La misura in cui la resistenza e l'elasticità vengono migliorate in una plastica rinforzata con fibre dipende dalle proprietà meccaniche sia della fibra che della matrice, dal loro volume relativo l'uno rispetto all'altro, nonché dalla lunghezza e dall'orientamento delle fibre 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 resistenza e all'elasticità della sola matrice. [2]
La bachelite è stata la prima plastica rinforzata con fibre. Il dottor Leo Baekeland aveva inizialmente deciso di trovare un sostituto della gommalacca (prodotta dall'escrezione dei coleotteri lacca). I chimici avevano cominciato a riconoscere che molte resine e fibre naturali erano polimeri e Baekeland studiò le reazioni del fenolo e della formaldeide. Per prima cosa produsse una gommalacca solubile a base di fenolo-formaldeide chiamata 'Novolak' che non divenne mai un successo di mercato, poi si dedicò allo sviluppo di un legante per l'amianto che, a quel tempo, veniva stampato con gomma. Controllando la pressione e la temperatura applicate al fenolo e alla formaldeide, scoprì nel 1905 di poter produrre il materiale duro modellabile dei suoi sogni (la prima plastica sintetica al mondo): la bachelite. [3] [4] Annunciò la sua invenzione in una riunione dell'American Chemical Society il 5 febbraio 1909. [5]
Lo sviluppo della plastica rinforzata con fibre per uso commerciale è stato oggetto di ricerche approfondite negli anni '30. Nel Regno Unito, pionieri come Norman de Bruyne hanno intrapreso ricerche considerevoli. Era particolarmente interessante per l'industria aeronautica. [6]
La produzione di massa di fili di vetro fu scoperta nel 1932 quando Games Slayter, un ricercatore di Owens-Illinois, diresse accidentalmente un getto di aria compressa verso un flusso di vetro fuso e produsse fibre. Un brevetto per questo metodo di produzione della lana di vetro fu richiesto per la prima volta nel 1933. [7] Owens si unì alla società Corning nel 1935 e il metodo fu adattato da Owens Corning per produrre la sua 'fibra di vetro' brevettata (uno 's') nel 1936. Originariamente, la fibra di vetro era una lana di vetro con fibre che intrappolavano una grande quantità di gas, rendendola utile come isolante, soprattutto alle alte temperature.
Una resina adatta per combinare la 'fibra di vetro' con la plastica per produrre un materiale composito fu sviluppata nel 1936 da du Pont. Il primo antenato delle moderne resine poliestere è la resina Cyanamid del 1942. A quel tempo venivano utilizzati sistemi di polimerizzazione a perossido. [8] Con la combinazione di fibra di vetro e resina il contenuto di gas del materiale è stato sostituito dalla plastica. Ciò ha ridotto le proprietà isolanti ai valori tipici della plastica, ma ora per la prima volta il composito ha mostrato grande resistenza e promessa come materiale strutturale e da costruzione. In modo confuso, molti compositi in fibra di vetro continuarono ad essere chiamati 'fibra di vetro' (come nome generico) e il nome fu utilizzato anche per il prodotto in lana di vetro a bassa densità contenente gas al posto della plastica.
Ray Greene di Owens Corning è accreditato di aver prodotto la prima barca in composito nel 1937, ma all'epoca non andò oltre a causa della natura fragile della plastica utilizzata. Nel 1939 la Russia avrebbe costruito una nave passeggeri in materiali plastici e gli Stati Uniti la fusoliera e le ali di un aereo. [9] La prima vettura ad avere una carrozzeria in fibra di vetro fu la Stout Scarab del 1946. È stato costruito solo uno di questo modello. [10] Il prototipo Ford del 1941 avrebbe potuto essere la prima automobile in plastica, ma c'è qualche incertezza sui materiali utilizzati poiché venne distrutta poco dopo. [11] [12]
Il primo aereo in plastica rinforzata con fibre fu il Fairchild F-46, volato per la prima volta il 12 maggio 1937, o il Bennett Plastic Plane costruito in California. [13] Una fusoliera in fibra di vetro fu utilizzata su un Vultee BT-13A modificato designato XBT-16 con sede a Wright Field alla fine del 1942. [14] Nel 1943 furono intrapresi ulteriori esperimenti costruendo parti strutturali di velivoli da materiali compositi risultando nel primo aereo, aVultee BT-15, con una fusoliera in GFRP, designato XBT-19, volato nel 1944. [15] [16] [17] Uno sviluppo significativo nell'attrezzatura per i componenti in GFRP è stato apportato dalla Republic Aviation Corporation nel 1943. [18]
La produzione della fibra di carbonio iniziò alla fine degli anni ’50 e venne utilizzata, anche se non ampiamente, nell’industria britannica a partire dai primi anni ’60. In questo periodo venivano prodotte anche le fibre aramidiche, che apparvero per la prima volta con il nome commerciale Nomex di DuPont. Oggi, ciascuna di queste fibre è ampiamente utilizzata nell'industria per qualsiasi applicazione che richieda plastiche con resistenza o qualità elastiche specifiche. Le fibre di vetro sono le più comuni in tutti i settori, anche se i compositi in fibra di carbonio e fibra di carbonio-aramide sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni aerospaziali, automobilistiche e sportive. [2] Queste tre (vetro, carbonio e andaramide) continuano ad essere le categorie importanti di fibre utilizzate nella FRP.
La produzione globale di polimeri sulla scala attuale è iniziata a metà del XX secolo, quando bassi costi di produzione e materiali, nuove tecnologie di produzione e nuove categorie di prodotti si sono combinati 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 hanno rappresentato fin dall'inizio un aspetto significativo di questo settore.
Il FRP prevede due processi distinti, il primo è il processo mediante il quale il materiale fibroso viene prodotto e formato, il secondo è il processo mediante il quale i materiali fibrosi vengono legati alla matrice durante lo stampaggio. [2]
La fibra di rinforzo è prodotta sia con orientamento bidimensionale che tridimensionale
I polimeri rinforzati con fibre bidimensionali sono caratterizzati da una struttura laminata in cui le fibre sono allineate solo lungo il piano in direzione x e in direzione y del materiale. Ciò significa che nessuna fibra è allineata nello spessore passante o nella direzione z, questa mancanza di allineamento nello spessore passante può creare uno svantaggio in termini di costi e lavorazione. I costi e la manodopera aumentano perché le tecniche di lavorazione convenzionali utilizzate per fabbricare i compositi, come la stratificazione a mano umida, l'autoclave e lo stampaggio a trasferimento di resina, richiedono un'elevata quantità di manodopera qualificata per tagliare, impilare e consolidare in un componente preformato.
I compositi polimerici rinforzati con fibra tridimensionale sono materiali con strutture fibrose tridimensionali che incorporano fibre nella direzione x, direzione y e direzione z. Lo sviluppo degli orientamenti tridimensionali è nato dalla necessità dell'industria di ridurre i costi di fabbricazione, aumentare le proprietà meccaniche dello spessore e migliorare la tolleranza ai danni da impatto; si trattava tutti di problemi associati ai polimeri rinforzati con fibre bidimensionali.
Le preforme delle fibre rappresentano il modo in cui le fibre vengono prodotte prima di essere incollate alla matrice. Le preforme 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 di fibra sono attraverso le tecniche di lavorazione tessile di tessitura, lavorazione a maglia, intreccio e cucitura.
La tessitura può essere eseguita in modo convenzionale per produrre fibre bidimensionali, nonché in una tessitura multistrato che può creare fibre tridimensionali. Tuttavia, la tessitura multistrato deve avere più strati di fili di ordito per creare fibre nella direzione z creando alcuni svantaggi nella produzione, vale a dire il tempo per impostare tutti i fili di ordito sul telaio. Pertanto, la maggior parte della tessitura multistrato viene attualmente utilizzata per produrre prodotti di larghezza relativamente ridotta o prodotti di alto valore in cui il costo di produzione delle preforme è accettabile. Un altro dei principali problemi che si incontrano nell'uso di tessuti multistrato è la difficoltà nel produrre un tessuto che contenga fibre orientate con angoli diversi rispettivamente da 0' e 90' tra loro.
Il secondo metodo principale per produrre preforme in fibra è la trecciatura. L'intrecciatura è adatta alla produzione di tessuti piatti o tubolari di larghezza ridotta e non è efficace quanto la tessitura nella produzione di grandi volumi di tessuti larghi. L'intrecciatura viene eseguita sopra mandrini che variano nella forma della sezione trasversale o nella dimensione lungo la loro lunghezza. L'intrecciatura è limitata a oggetti delle dimensioni di un mattone. A differenza della tessitura standard, l'intrecciatura può produrre un tessuto che contiene fibre ad angoli di 45 gradi l'una rispetto all'altra. L'intrecciatura delle fibre tridimensionali può essere eseguita utilizzando la trecciatura interlock a quattro fasi, a due fasi o multistrato. L'intrecciatura a quattro fasi o a righe e colonne utilizza un letto piatto contenente righe e colonne di portafili che formano la forma della preforma desiderata. Ulteriori trasportatori vengono aggiunti all'esterno della serie, la cui posizione precisa e la cui quantità dipendono dall'esatta forma e struttura della preforma richiesta. Esistono quattro sequenze separate di movimento di righe e colonne, che agiscono per intrecciare i fili e produrre la preforma intrecciata. I fili vengono forzati meccanicamente nella struttura tra ogni fase per consolidare la struttura in un processo simile all'uso di una canna nella tessitura. L'intrecciatura in due fasi è diversa dal processo in quattro fasi perché la trecciatura in due fasi comprende un gran numero di fili fissati nella direzione assiale e un minor numero di fili di intrecciatura. Il processo consiste in due fasi in cui i portanti della treccia si muovono completamente attraverso la struttura tra i portanti assiali. Questa sequenza di movimenti relativamente semplice è in grado di formare preforme essenzialmente di qualsiasi forma, comprese forme circolari e cave. A differenza del processo in quattro fasi, il processo in due fasi non richiede compattazione meccanica, i movimenti coinvolti nel processo consentono alla treccia di essere tesa solo dalla tensione del filo. L'ultimo tipo di trecciatura è la trecciatura ad incastro multistrato che consiste in un numero di trecciatrici circolari standard unite insieme per formare un telaio cilindrico intrecciato. Questo telaio ha un numero di binari di intrecciatura paralleli attorno alla circonferenza del cilindro ma il meccanismo consente il trasferimento di portafili tra binari adiacenti formando un tessuto intrecciato multistrato con fili che si intrecciano a strati adiacenti. La treccia intrecciata multistrato differisce sia dalle trecce a quattro fasi che da quelle a due fasi in quanto i fili intrecciati si trovano principalmente nel piano della struttura e quindi non riducono significativamente le proprietà nel piano della preforma. I processi a quattro e due fasi producono un maggior grado di interconnessione mentre i fili di intrecciatura attraversano lo spessore della preforma, ma quindi contribuiscono meno alle prestazioni nel piano della preforma. Uno svantaggio dell'attrezzatura di interblocco multistrato è che a causa del movimento sinusoidale convenzionale dei portafili per formare la preforma, l'attrezzatura non è in grado di avere la densità dei portafili che è possibile con le macchine a due e quattro fasi.
Le preforme delle fibre per maglieria possono essere realizzate con i metodi tradizionali di lavorazione a maglia di ordito e [trama] e il tessuto prodotto è spesso considerato da molti come tessuto bidimensionale, ma le macchine con due o più fronture di aghi sono in grado di produrre tessuti multistrato con fili che attraversano gli strati. Evoluzioni nei controlli elettronici per la selezione degli aghi e il trasferimento delle maglie, e nei sofisticati meccanismi che permettono di trattenere specifiche aree del tessuto e di controllarne il movimento. Ciò ha consentito al tessuto di modellarsi nella forma tridimensionale richiesta della preforma con un minimo spreco di materiale.
La cucitura è probabilmente la più semplice delle quattro principali tecniche di produzione tessile e quella che può essere eseguita con il minimo investimento in macchinari specializzati. Fondamentalmente la cucitura consiste nell'inserire un ago, che trasporta il filo del punto, attraverso una pila di strati di tessuto per formare una struttura 3D. I vantaggi della cucitura sono che è possibile cucire sia il tessuto asciutto che quello preimpregnato, sebbene l'appiccicosità del prepreg renda il processo difficile e generalmente crei più danni all'interno del materiale preimpregnato che nel tessuto asciutto. La cucitura utilizza anche i tessuti bidimensionali standard comunemente utilizzati nell'industria dei compositi, quindi c'è un senso di familiarità riguardo ai sistemi di materiali. L'uso del tessuto standard consente inoltre un maggiore grado di flessibilità nella stratificazione del tessuto del componente rispetto a quanto è possibile con gli altri processi tessili, che presentano restrizioni sugli orientamenti delle fibre che possono essere prodotte. [19]
Una struttura rigida viene solitamente utilizzata per stabilire la forma dei componenti in FRP. Le parti possono essere disposte su una superficie piana denominata 'caul plate' o su una struttura cilindrica denominata 'mandrino'. Tuttavia, la maggior parte delle parti in plastica rinforzata con fibre vengono create con uno stampo o un 'utensile'. Gli stampi possono essere stampi femmina concavi, stampi maschio oppure lo stampo può racchiudere completamente la parte con uno stampo superiore e uno inferiore.
Il processo di stampaggio della plastica FRP inizia posizionando la preforma della fibra sopra o nello stampo. La preforma di fibra può essere fibra secca, oppure fibra che contiene già una quantità misurata di resina chiamata 'prepreg'. Le fibre secche vengono 'bagnate' con la resina manualmente oppure la resina viene iniettata in uno stampo chiuso. La parte viene quindi polimerizzata, lasciando la matrice e le fibre nella forma creata dallo stampo. Talvolta vengono utilizzati calore e/o pressione per polimerizzare la resina e migliorare la qualità della parte finale. I diversi metodi di formatura sono elencati di seguito.
I singoli fogli di materiale preimpregnato vengono disposti e posizionati in uno stampo di tipo femminile insieme a una camera d'aria simile a un palloncino. Lo stampo viene chiuso e posto in una pressa riscaldata. Infine, la camera d'aria 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 stampata a compressione si qualifica come plastica rinforzata con fibre. Più tipicamente la preforma plastica utilizzata nello stampaggio a compressione non contiene fibre di rinforzo. Nello stampaggio a compressione, una 'preforma' o 'carica', di SMC, BMC viene inserita nella cavità dello stampo. Lo stampo è chiuso e il materiale viene formato e polimerizzato all'interno tramite pressione e calore. Lo stampaggio a compressione offre dettagli eccellenti per forme geometriche che vanno dai dettagli di motivi e rilievi a curve complesse e forme creative, fino all'ingegneria di precisione, il tutto entro un tempo di polimerizzazione massimo di 20 minuti. [20]
I singoli fogli di materiale preimpregnato vengono impilati e posizionati in uno stampo aperto. Il materiale è ricoperto da una pellicola distaccante, da materiale spurgante/sfiatatoio e da un sacco a vuoto. Viene creato il vuoto su una parte e l'intero stampo viene posto in un'autoclave (recipiente a pressione riscaldato). La parte viene polimerizzata con un vuoto continuo per estrarre i gas intrappolati dal laminato. Questo è un processo molto comune nell'industria aerospaziale perché offre un controllo preciso sullo stampaggio grazie a un ciclo di polimerizzazione lungo e lento che dura da una a diverse ore. [21] Questo controllo preciso crea le esatte forme geometriche del laminato necessarie per garantire resistenza e sicurezza nell'industria aerospaziale, ma è anche lento e ad alta intensità di manodopera, il che significa che i costi spesso lo limitano all'industria aerospaziale. [20]
Fogli di materiale preimpregnato vengono avvolti attorno ad un mandrino di acciaio o alluminio. Il materiale preimpregnato viene compattato mediante nastro per violoncello in nylon o polipropilene. Le parti vengono generalmente polimerizzate in lotti mediante confezionamento sotto vuoto e sospensione in un forno. Dopo la polimerizzazione, il violoncello e il mandrino vengono rimossi lasciando un tubo di carbonio cavo. Questo processo crea tubi cavi in carbonio resistenti e robusti.
La formatura a umido combina il rinforzo delle fibre e la matrice quando vengono posizionati sullo strumento di formatura. [2] Gli strati di fibra di rinforzo vengono posizionati in uno stampo aperto e quindi saturati con una resina bagnata versandola sul tessuto e lavorandola nel tessuto. Lo stampo viene quindi lasciato in modo che la resina si indurisca, solitamente a temperatura ambiente, anche se a volte viene utilizzato il calore per garantire una polimerizzazione adeguata. A volte viene utilizzato un sacco a vuoto per comprimere un layup bagnato. Le fibre di vetro sono più comunemente utilizzate per questo processo, i risultati sono ampiamente conosciuti come fibra di vetro e vengono utilizzati per realizzare prodotti comuni come sci, canoe, kayak e tavole da surf. [20]
Fili continui di fibra di vetro vengono spinti attraverso una pistola portatile che taglia i fili e li combina con una resina catalizzata come il poliestere. Il vetro tritato impregnato viene sparato sulla superficie dello stampo in qualunque spessore e design l'operatore umano ritenga appropriato. Questo processo è adatto per grandi cicli di produzione a costi economici, ma produce forme geometriche con meno resistenza rispetto ad altri processi di stampaggio e ha una scarsa tolleranza dimensionale. Design Tanks LLC è uno dei principali produttori che utilizzano questo processo. [20]
Le macchine trascinano i fasci di fibre attraverso un bagno umido di resina e li avvolgono su un mandrino rotante in acciaio con orientamenti specifici. Le parti vengono polimerizzate a temperatura ambiente o a 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 tagliati vengono fatti passare attraverso un bagno umido di resina e formati nella forma del pezzo grezzo. Il materiale saturo viene estruso da uno stampo chiuso riscaldato che polimerizza mentre viene tirato continuamente attraverso lo stampo. Alcuni dei prodotti finali della pultrusione sono forme strutturali, ovvero travi a I, angolari, canali e lamiere piane. Questi materiali possono essere utilizzati per creare tutti i tipi di strutture in fibra di vetro come scale, piattaforme, sistemi di corrimano, serbatoi, tubi e supporti di pompe. [20]
Chiamato anche infusione di resina . I tessuti vengono posizionati in uno stampo nel quale viene poi iniettata la resina bagnata. La resina viene generalmente pressurizzata e forzata in una cavità sotto vuoto nello stampaggio a trasferimento di resina. La resina viene interamente aspirata nella cavità sotto vuoto nello stampaggio a trasferimento di resina assistito dal vuoto. Questo processo di stampaggio consente tolleranze precise e una modellatura dettagliata, ma a volte può non riuscire a saturare completamente il tessuto, causando punti deboli nella forma finale. [20]
L'FRP consente l'allineamento delle fibre di vetro dei materiali termoplastici per adattarsi a programmi di progettazione specifici. Specificare l'orientamento delle fibre di rinforzo può aumentare la forza e la resistenza alla deformazione del polimero. I polimeri rinforzati con vetro sono più forti e più resistenti alle forze di deformazione quando le fibre polimeriche sono parallele alla forza esercitata e sono più deboli quando le fibre sono perpendicolari. Quindi questa capacità è allo stesso tempo un vantaggio o un limite a seconda del contesto di utilizzo. I punti deboli delle fibre perpendicolari possono essere utilizzati per cerniere e connessioni naturali, ma possono anche portare al cedimento del materiale quando i processi di produzione non riescono a orientare correttamente le fibre parallelamente alle forze previste. Quando le forze vengono esercitate perpendicolarmente all'orientamento delle fibre, la resistenza e l'elasticità del polimero sono inferiori a quelle della sola matrice. Nei componenti in resina colata realizzati con polimeri rinforzati con vetro come UP ed EP, l'orientamento delle fibre può essere orientato in trame bidimensionali e tridimensionali. Ciò significa che quando le forze sono possibilmente perpendicolari ad un orientamento, sono parallele ad un altro orientamento; questo elimina il rischio di punti deboli nel polimero.
Il cedimento strutturale può verificarsi nei materiali FRP quando:
Le forze di trazione allungano la matrice più delle fibre, provocando il taglio del materiale all'interfaccia tra matrice e fibre.
Le forze di trazione vicino all'estremità delle fibre superano le tolleranze della matrice, separando le fibre dalla matrice.
Le forze di trazione possono anche superare le tolleranze delle fibre provocando la frattura delle fibre stesse con conseguente cedimento del materiale. [2]
Un materiale a matrice polimerica termoindurente, o un materiale a matrice polimerica termoplastica di livello tecnico, deve soddisfare determinati requisiti per essere innanzitutto adatto agli FRP e garantire un rinforzo efficace di se stesso. La matrice deve essere in grado di saturarsi adeguatamente e preferibilmente legarsi chimicamente con il rinforzo in fibra per la massima adesione entro un periodo di polimerizzazione adeguato. La matrice deve inoltre avvolgere completamente le fibre per proteggerle da tagli e intagli che ne ridurrebbero la resistenza, e per trasferire le forze alle fibre. Le fibre devono inoltre essere mantenute separate l'una dall'altra in modo che, se si verifica una rottura, sia localizzata il più possibile, e se si verifica una rottura, anche la matrice deve staccarsi dalla fibra per ragioni simili. Infine la matrice dovrebbe essere di materiale plastico che rimanga chimicamente e fisicamente stabile durante e dopo i processi di rinforzo e stampaggio. Per essere idonei come materiale di rinforzo, gli additivi fibrosi devono aumentare la resistenza alla trazione e il modulo elastico della matrice e soddisfare le seguenti condizioni; le fibre devono superare il contenuto critico di fibre; la resistenza e la rigidità delle fibre stesse devono superare la resistenza e la rigidità della sola matrice; e deve esserci un legame ottimale tra fibre e matrice
La 'plastica rinforzata con fibra di vetro' o FRP (comunemente chiamata semplicemente fibra di vetro) utilizza fibre di vetro di qualità tessile. Queste fibre tessili sono diverse da altre forme di fibre di vetro utilizzate per intrappolare deliberatamente l'aria, per applicazioni isolanti (vedi lana di vetro). Le fibre di vetro tessili iniziano come combinazioni variabili di SiO 2, Al 2O 3, B 2O 3, CaO o MgO sotto forma di polvere. Queste miscele vengono poi riscaldate mediante fusione diretta a temperature intorno ai 1300 gradi Celsius, dopodiché vengono utilizzate delle matrici per estrudere filamenti di fibra di vetro di diametro compreso tra 9 e 17 µm. Questi filamenti vengono poi avvolti in fili più grandi e filati su bobine per il trasporto e l'ulteriore lavorazione. La fibra di vetro è di gran lunga il mezzo più diffuso per rinforzare la plastica e gode quindi di numerosi processi produttivi, alcuni dei quali sono applicabili anche alle fibre aramidiche e di carbonio a causa delle loro qualità fibrose condivise.
Lo stoppino è un processo in cui i filamenti vengono filati in fili di diametro maggiore. Questi fili vengono quindi comunemente utilizzati per tessuti e tappetini di vetro di rinforzo e in applicazioni a spruzzo.
I tessuti in fibra sono materiali di rinforzo in tessuto a forma di nastro che hanno sia direzioni di ordito che di trama. I tappetini in fibra sono tappetini non tessuti a forma di nastro di fibre di vetro. I materassini sono prodotti in dimensioni tagliate con fibre tagliate, oppure in materassini continui utilizzando fibre continue. La fibra di vetro tagliata viene utilizzata nei processi in cui vengono tagliate lunghezze di fili di vetro comprese tra 3 e 26 mm, i fili vengono quindi utilizzati nella plastica più comunemente destinata ai processi di stampaggio. I fili corti di fibra di vetro sono fili corti di fibre di vetro da 0,2–0,3 mm utilizzati per rinforzare i materiali termoplastici più comunemente per lo stampaggio a iniezione.
Le fibre di carbonio vengono create quando le fibre di poliacrilonitrile (PAN), le resine di pece o il rayon vengono carbonizzate (attraverso l'ossidazione e la pirolisi termica) ad alte temperature. Attraverso ulteriori processi di grafitizzazione o stiramento è possibile aumentare rispettivamente la resistenza o l'elasticità delle fibre. Le fibre di carbonio sono prodotte in diametri analoghi alle fibre di vetro con diametri compresi tra 4 e 17 µm. Queste fibre si avvolgono in fili più grandi per il trasporto e ulteriori processi di produzione. [2] Ulteriori processi produttivi includono la tessitura o l'intreccio in tessuti, tele e stuoie di carbonio analoghi a quelli descritti per il vetro che possono poi essere utilizzati in veri e propri rinforzi. [1]
Le fibre aramidiche sono più comunemente conosciute come Kevlar, Nomex e Technora. Le aramidi vengono generalmente preparate mediante la reazione tra un gruppo amminico e un gruppo alogenuro di acido carbossilico (arammide); [1] comunemente ciò si verifica quando una poliammide aromatica viene filata da una concentrazione liquida di acido solforico in una fibra cristallizzata. [2] Le fibre vengono quindi filate in fili più grandi per intrecciarsi in grandi corde o tessuti (aramide). [1] Le fibre aramidiche sono prodotte con vari gradi in base a diverse qualità di resistenza e rigidità, in modo che il materiale possa essere in qualche modo adattato alle specifiche esigenze di progettazione, come il taglio del materiale resistente durante la produzione. [2]
| Materiale di rinforzo [2] | Materiali della matrice più comuni | Proprietà migliorate |
|---|---|---|
| Fibre di vetro | UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | Robustezza, elasticità, resistenza al calore |
| Fibre di legno | PE, PP, ABS, HDPE, PLA | Resistenza a flessione, modulo a trazione, resistenza a trazione |
| Fibre di carbonio e aramidiche | EP, SU, VE, PA | Elasticità, resistenza alla trazione, resistenza alla compressione, resistenza elettrica. |
| Particolato inorganico | Termoplastici semicristallini, UP | Ritiro isotropo, abrasione, resistenza alla compressione |
Le plastiche rinforzate con fibre sono ideali per 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 in polimero stampato è più economico, più veloce e più facile da produrre rispetto a un manufatto in alluminio fuso o acciaio e mantiene tolleranze e resistenze del materiale simili e talvolta migliori.
Timone dell'Airbus A310
I vantaggi rispetto ad un timone tradizionale in lamiera di alluminio sono:
Riduzione del peso del 25%.
Riduzione del 95% dei componenti combinando parti e forme in parti stampate più semplici.
La riduzione complessiva dei costi operativi e di produzione, l'economia dei componenti si traduce in costi di produzione inferiori e il risparmio di peso crea risparmi di carburante che riducono i costi operativi di volo dell'aereo.
I collettori di aspirazione del motore sono realizzati in PA 66 rinforzato con fibra di vetro.
I vantaggi rispetto ai collettori in alluminio pressofuso sono:
Fino al 60% di riduzione del peso
Miglioramento della qualità della superficie e dell'aerodinamica
Riduzione dei componenti combinando parti e forme in forme stampate più semplici.
Pedali dell'acceleratore e della frizione per autoveicoli in PA 66 rinforzato con fibra di vetro (DWP 12–13)
I vantaggi rispetto all’alluminio stampato sono:
I pedali possono essere stampati come unità singole combinando pedali e collegamenti meccanici, semplificando la produzione e il funzionamento del progetto.
Le fibre possono essere orientate per rinforzarsi contro sollecitazioni specifiche, aumentandone la durabilità e la sicurezza.
Finestre, porte e facciate in alluminio vengono isolate termicamente utilizzando materiali plastici termoisolanti in poliammide rinforzata con fibra di vetro. Nel 1977 Ensinger GmbH ha prodotto il primo profilo isolante per sistemi di finestre.
L'FRP può essere applicato per rinforzare travi, colonne e solette di edifici e ponti. È possibile aumentare la resistenza degli elementi strutturali anche dopo che sono stati gravemente danneggiati a causa delle condizioni di carico. Nel caso di elementi in cemento armato danneggiati, ciò richiederebbe innanzitutto la riparazione dell'elemento mediante rimozione dei detriti sciolti e riempimento di cavità e crepe con malta o resina epossidica. Una volta riparato l'elemento, il rinforzo può essere ottenuto mediante stratificazione manuale a umido impregnando i fogli di fibra con resina epossidica e applicandoli poi alle superfici pulite e preparate dell'elemento.
Per il rinforzo delle travi vengono tipicamente adottate due tecniche, relative all'incremento di resistenza desiderato: rinforzo a flessione o rinforzo a taglio. In molti casi potrebbe essere necessario fornire entrambi i miglioramenti della forza. Per il rinforzo a flessione di una trave, fogli o piastre in FRP vengono applicati alla faccia tesa dell'elemento (la faccia inferiore per un elemento semplicemente supportato con carico applicato dall'alto o carico per gravità). Le principali fibre tensili sono orientate nell'asse longitudinale della trave, in modo simile al suo rinforzo interno in acciaio flessionale. Ciò aumenta la resistenza della trave e la sua rigidità (carico richiesto per causare la deflessione dell'unità), tuttavia diminuisce la capacità di deflessione e la duttilità.
Per il rinforzo a taglio di una trave, l'FRP viene applicato sull'anima (lati) di un elemento con fibre orientate trasversalmente all'asse longitudinale della trave. La resistenza alle forze di taglio si ottiene in modo simile alle staffe interne in acciaio, colmando le crepe di taglio che si formano sotto il carico applicato. L'FRP può essere applicato in diverse configurazioni, a seconda delle facce esposte dell'elemento e del grado di rinforzo desiderato, tra cui: incollaggio laterale, avvolgimenti a U (camicie a U) e avvolgimenti chiusi (avvolgimenti completi). L'incollaggio laterale prevede l'applicazione di FRP solo sui lati della trave. Fornisce la minima quantità di rinforzo a taglio dovuto a cedimenti causati dal distacco dalla superficie del calcestruzzo in corrispondenza dei bordi liberi dell'FRP. Per gli involucri a U, l'FRP viene applicato continuamente a forma di 'U' attorno ai lati e alla faccia inferiore (tensione) della trave. Se tutte le facce di una trave sono accessibili, è consigliabile l'uso di involucri chiusi poiché forniscono il massimo miglioramento della resistenza. L'avvolgimento chiuso prevede l'applicazione di FRP attorno all'intero perimetro dell'elemento, in modo tale che non vi siano estremità libere e la tipica modalità di cedimento è la rottura delle fibre. Per tutte le configurazioni di avvolgimento, la FRP può essere applicata lungo la lunghezza dell'elemento come un foglio continuo o come strisce distinte, aventi una larghezza e una spaziatura minime predefinite.
Le lastre possono essere rinforzate applicando strisce di FRP sulla loro faccia inferiore (tensione). Ciò si tradurrà in migliori prestazioni a flessione, poiché la resistenza a trazione delle lastre è integrata dalla resistenza a trazione dell’FRP. Nel caso di travi e solai, l'efficacia del rinforzo dell'FRP dipende dalle prestazioni della resina scelta per l'incollaggio. Ciò è particolarmente un problema per il rinforzo a taglio mediante incollaggio laterale o involucri a U. Le colonne sono generalmente avvolte con FRP attorno al loro perimetro, come con l'avvolgimento chiuso o completo. Ciò non solo si traduce in una maggiore resistenza al taglio, ma, cosa ancora più importante per la progettazione della colonna, si traduce in una maggiore resistenza alla compressione sotto carico assiale. L'involucro in FRP agisce limitando l'espansione laterale della colonna, il che può migliorare il confinamento in modo simile al rinforzo a spirale per il nucleo della colonna.
Nel giugno 2013, la società di ascensori KONE ha annunciato che Ultrarope verrà utilizzato in sostituzione dei cavi d'acciaio negli ascensori. Sigilla le fibre di carbonio in polimero ad alto attrito. A differenza del cavo in acciaio, Ultrarope è stato progettato per edifici che richiedono fino a 1.000 metri di sollevamento. Gli ascensori in acciaio arrivano a 500 metri. L’azienda ha stimato che in un edificio alto 500 metri, un ascensore consumerebbe il 15% in meno di energia elettrica rispetto a una versione con cavi in acciaio. A giugno 2013, il prodotto aveva superato tutti i test di certificazione dell'Unione Europea e degli Stati Uniti. [22]
L'FRP viene utilizzato in progetti che richiedono una misura di resistenza o modulo di elasticità per cui la plastica non rinforzata e altri materiali non sono adatti dal punto di vista meccanico o economico. Ciò significa che la considerazione di progettazione principale per l’utilizzo dell’FRP è garantire che il materiale venga utilizzato in modo economico e in modo da sfruttare specificamente i suoi miglioramenti strutturali. Tuttavia non è sempre così, l'orientamento delle fibre crea anche una debolezza del materiale perpendicolare alle fibre. Pertanto l'uso del rinforzo delle fibre e il loro orientamento influisce sulla resistenza, rigidità ed elasticità della forma finale e quindi sul funzionamento del prodotto finale stesso. L'orientamento della direzione delle fibre, unidirezionale, bidimensionale o tridimensionale 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 di queste forze e viceversa, quindi le aree di un prodotto che devono resistere alle forze saranno rinforzate con fibre nella stessa direzione e le aree che richiedono flessibilità, come le cerniere naturali, utilizzeranno fibre in una direzione perpendicolare alle forze. L'utilizzo di più dimensioni evita questo o uno scenario e crea oggetti che cercano di evitare eventuali punti deboli specifici dovuti all'orientamento unidirezionale delle fibre. Le proprietà di resistenza, flessibilità ed elasticità possono anche essere amplificate o diminuite attraverso la forma geometrica e il design del prodotto finale. Questi includono considerazioni di progettazione come garantire uno spessore adeguato delle pareti e creare forme geometriche multifunzionali che possono essere modellate come pezzi singoli, creando forme che hanno più integrità materiale e strutturale riducendo giunti, connessioni e hardware. [2]
Essendo un sottoinsieme della plastica FR, la plastica è soggetta a una serie di problemi e preoccupazioni legati allo smaltimento e al riciclaggio dei rifiuti di plastica. La plastica rappresenta una sfida particolare nel riciclo perché deriva da polimeri e monomeri che spesso non possono essere separati e riportati al loro stato vergine, per questo motivo non tutta la plastica può essere riciclata per il riutilizzo, infatti alcune stime sostengono che solo dal 20% al 30% della plastica può essere riciclata. Le plastiche rinforzate con fibre e le loro matrici condividono queste preoccupazioni relative allo smaltimento e all’ambiente. Oltre a queste preoccupazioni, il fatto che le fibre stesse siano difficili da rimuovere dalla matrice e conservare per il riutilizzo significa che gli FRP amplificano queste sfide. Gli FRP sono intrinsecamente difficili da separare nei materiali di base, ovvero in fibra e matrice, e la matrice in plastica, polimeri e monomeri utilizzabili separatamente. Queste sono tutte preoccupazioni per una progettazione attenta all’ambiente oggi. La plastica spesso offre risparmi energetici ed economici rispetto ad altri materiali. Inoltre, con l’avvento di nuove matrici più rispettose dell’ambiente come la bioplastica e la plastica degradabile ai raggi UV, il FRP acquisirà sensibilità ambientale. [1]
Termoplastica rinforzata con fibre lunghe
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>>>>>Nota: articolo tratto da https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastic<<<<