Composites

COMPOSITI

Prima di tutto un composito è qualsiasi materiale formato da più di un componente. Ci sono molti compositi intorno a voi. Il calcestruzzo è un composito, formato da cemento, ghiaia e sabbia e spesso ha anche barre di ferro all'interno per rinforzarlo. I palloncini che usano in ospedale quando siete ammalati sono formati da un composito che è formato da un foglio di poliestere unito "a sandwich" con un sottile foglio di alluminio.

In questa pagina parleremo soprattutto di compositi polimerici. Naturalmente intendiamo compositi formati da polimeri, o da polimeri uniti ad altri tipi di materiale. In modo specifico parleremo dei compositi rinforzati da fibre. Si tratta di materiali nei quali una fibra formata da un materiale è intrappolata in un altro materiale. Perché faremo ciò? Andiamo a scoprirlo…

SECCO

Inizieremo con un esempio di uno dei primi composIti polimerici rinforzati da fibre, realizzato dagli umani. Tanto tempo fa, le persone che vivevano in America Centrale e nell'America del Sud usavano il lattice di gomma naturale, poliisoprene, per produrre guanti e stivali. Se vi è già capitato di indossare guanti di gomma, capirete che un impermeabile fatto di lattice di gomma non è molto pratico. A metà del diciannovesimo secolo un ragazzo di nome Charles Macintosh ebbe una idea brillante…

Prese due strati di tessuto di cotone e li ha imbevutiin una gomma naturale, nota anche come poliisoprene. (Ricordate, il cotone è una forma di un polimero naturale chiamato cellulosa). In questo modo si ottengono pratici impermeabili perché mentre la gomma li rende idrorepellenti gli strati di cotone lo rendono comodo da indossare. Ancora oggi un impermeabile in Gran Bretagna viene definito "macintosh".

Ecco il motivo per cui si realizzano i compositi: per ottenere un materiale che ha le proprietà di entrambi i suoi componenti. In questo caso si combinano l'idrorepellenza del poliisoprene ed il comfort del cotone.

I compositi moderni sono formati di solito da due componenti, una fibra ed una matrice. La fibra è quasi sempre vetro, ma qualche volta può essere Kevlar, fibra di carbonio, o polietilene. La matrice è di solito un termoindurente come resina epossidica, polidiciclopentadiene o poliimide. La fibra è inserita nella matrice per rendere la stessa più resistente. I compositi rinforzati da fibre hanno due punti a loro favore. Sono resistenti e leggeri. Spesso sono più forti dell'acciaio ma pesano molto meno. I compositi possono essere utilizzati per rendere le automobili più leggere diminuendo i consumi e quindi l'inquinamento.

Cosa fanno le fibre

Un composito rinforzato con fibre di vetro molto comune è il Fiberglas^TM. La sua matrice si ottiene facendo reagire un poliestere, con doppi legami carbonio-carbonio nella catena principale, e stirene.

Lo stirene ed i doppi legami del poliestere reagiscono tramite la polimerizzazione radicalica per formare una resina reticolata. Le fibre di vetro vengono inglobate all'interno, dove agiscono da rinforzo.

Nella Fiberglas^TM le fibre non sono allineate in una particolare direzione. Sono solo una massa aggrovigliata come quella che vedete disegnata a destra. Possiamo rendere il composito ancora più resistente allineando le fibre nella stessa direzione. Le fibre orientate in questa direzione agiscono in modo quasi magico nei confronti del composito. Quando il composito viene allungato nella direzione delle fibre è molto resistente. Se, al contrario il composito viene allungato perpendicolarmente alla direzione delle fibre non è assolutamente resistente.

Le fibre orientate sono resistenti quando vengono allungate nella direzione della fibra stessa

Sono deboli nella direzione perpendicolare a quella della fibra.

Questo non è sempre negativo, talvolta è necessario avere il composito resistente solo in una direzione. A volte gli oggetti che dovete produrre saranno sollecitati solo in una direzione.

Talvolta invece è necessario che il composito sia resistente in più di una direzione. A questo punto orientiamo le fibre verso più direzioni. Spesso lo facciamo usando un tessuto di fibre che devono rinforzare il composito. Le fibre tessute danno al composito una buona resistenza in molte direzioni.

Le fibre tessute rendono il composito resistente in più direzioni

Cosa fa la matrice

Cosa dobbiamo dire della matrice? Abbiamo detto cosa fanno le fibre per la matrice ma cosa fa la matrice per le fibre? Perché non usare le fibre da sole? Prima di tutto la matrice tiene insieme tutte le fibre. Un fascio di fibre libere non sarebbe assolutamente utile. Inoltre anche se le fibre sono resistenti, possono essere fragili. La matrice può assorbire energia deformandosi sotto la sollecitazione. La matrice in effetti aggiunge tenacità al composito. Infine mentre le fibre hanno un buon carico di rottura (ossia sono resistenti alla trazione) di solito hanno una bassissima resistenza alla compressione ossia si deformano quando vengono schiacciate. La matrice fornisce loro la resistenza alla compressione.

Valutiamo le fibre

Non tutte le fibre sono uguali. Tutte hanno sia lati positivi che lati negativi. Il vetro è la fibra più nota. Perché? Perché è molto economica. Può sembrare strano che il vetro venga usato per rinforzare, in quando il vetro è veramente facile da rompere. Lo so bene io dopo anni di esperienza distruttiva passati in laboratorio. Per qualche motivo quando il vetro viene filato in fibre molto sottili, agisce in maniera diversa. Le fibre di vetro sono forti e flessibili.

Vi ricordate quelle scarpette di vetro che indossava Cenerentola al ballo? Non erano proprio di vetro puro. Erano fatte effettivamente con un materiale composito rinforzato con fibra di vetro. Pensateci, scarpe di vetro? Si sarebbero rotte non appena Cenerentola avesse inciampato in un granello di ghiaia sul sentiero che portava al Palazzo del Principe! E anche se non si fossero rotte si sarebbero frantumate non appena il maldestro principe avesse pestato i piedi di Cenerentola durante il ballo. Ma le scarpette in composito rinforzato con fibra di vetro sono abbastanza resistenti da sopportare un ballo sincopato del più grande piede regale

Ci sono anche altre fibre più resistenti. E' una cosa positiva in quanto talvolta il vetro non è abbastanza resistente e tenace. Per alcuni particolari, come parti di aeroplani, che subiscono forti sollecitazioni, è necessario abbandonare queste fibre eleganti. Quando non esistono problemi di costi, si possono usare fibre più resistenti, ma più costose, come Kevlar, fibre di carbonio, o Spectra. La fibra di carbonio di solito è più resistenti del Kevlar, ossia può sopportare maggiore energia senza rompersi. Ma il Kevlar tende ad essere più tenace. Può allungarsi un pochino per evitare di rompersi, più della fibra di vetro. Lo Spectra^TM è un tipo di polietilene più resistente e più tenace sia della fibra di carbonio che del Kevlar.

Valutiamo le Matrici

A seconda del tipo di impiego, si utilizzano matrici differenti. Quando si vuole risparmiare denaro, esistono alcune matrici economiche con proprietà accettabili. Un esempio sono i sistemi insaturi di poliestere/stirene. Sono validi per applicazioni comuni. Le carrozzerie delle Chevrolet Corvette sono formate da compositi con matrice a base di poliestere insaturo, rinforzate con fibre di vetro. Presentano però qualche problema. Si restringono molto durante la reticolazione, possono assorbire acqua facilmente e la loro resistenza all'urto è bassa. Non sono molto resistenti chimicamente.

Un altro sistema a basso costo è la cosiddetta resina vinilestere. Il primo passo per ottenere la resina vinilestere è far reagire un diepossido con un acido acrilico, o acido metacrilico.

Poi si polimerizzano i gruppi vinilici, e si ottiene una resina reticolata. A volte si utilizzano oligomeri più grandi come questo:

Sono reticolati nello stesso modo, con la polimerizzazione dei gruppi vinilici. Le resine vinilestere hanno qualche vantaggio rispetto ai poliesteri insaturi. Non assorbono molta acqua, e non si restringono quasi per niente quando vengono vulcanizzate. Inoltre hanno una buona resistenza chimica. Inoltre grazie ai gruppi idrossilici si legano bene con il vetro. Tutto ciò risulta utile se state utilizzando il vetro come fibra.

Né il vinilestere né i poliesteri insaturi sono molti validi per le applicazioni ad alta temperatura. Per le alte temperature è necessario utilizzare matrici come le resine epossidiche. Per ottenerle si inizia con un diepossido come abbiamo fatto per ottenere le resine vinilestere. Questa volta però non lo facciamo reagire con l'acido acrilico. Lo reticoliamo con una diammina. I gruppi epossidici reagiranno con la diammina, e l'intero sistema diventa reticolato:

Grazie a tutti questi gruppi idrossilici, le resine epossidiche possono legarsi alle fibre di vetro. Hanno alcune proprietà che non si possono avere con matrici più economiche. Non assorbono acqua, e non si restringono molto quando vengono reticolate. Possono essere utilizzate a temperature elevate, fino a 160°C in alcuni casi.

Per applicazioni con temperature VERAMENTE elevate, non sappiamo bene cosa fare. Ci sono varie possibilità. Le poliimidi resistono alle temperature elevate ma assorbono molta acqua, questo provoca la loro rottura. I polibenzoxazoli r esistono alle temperature elevate ma sono impossibili da processare. Alcuni sono interessati alle matrici idrocarboniche. La ricerche sono ancora in corso attualmente.

La maggior parte dell'interesse è rivolto al settore aerospaziale. Vi è un forte interesse proprio attualmente per un aereo che possa volare da Tokyo a Los Angeles in tre ore. Questo aereo passerebbe attraverso un'orbita terrestre molto bassa durante il suo volo. Questo significa che dovrebbe rientrare nell'atmosfera, e il rientro darebbe origine a una grande quantità di calore sulla superficie dell'aeroplano. Sono necessari compositi che resistano alla tortura.