ITBO20070506A1 - Materiale composito e metodo per la sua realizzazione - Google Patents

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ITBO20070506A1
ITBO20070506A1 IT000506A ITBO20070506A ITBO20070506A1 IT BO20070506 A1 ITBO20070506 A1 IT BO20070506A1 IT 000506 A IT000506 A IT 000506A IT BO20070506 A ITBO20070506 A IT BO20070506A IT BO20070506 A1 ITBO20070506 A1 IT BO20070506A1
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IT000506A
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Italo Montanari
Paolo Nieri
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Delta Tech S R L
Italo Montanari
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Description

D E S C R I Z I O N E
La presente invenzione è relativa ad un materiale composito, un metodo per la sua realizzazione, un uso di tale materiale, un manufatto ed un articolo comprendenti tale materiale.
In particolare, la presente invenzione è relativa ad un materiale composito presentante un primo ed un secondo strato esterno ed uno strato interno, il quale comprende un primo materiale fibroso non tessuto ed è disposto a contatto tra il primo ed il secondo strato; il primo ed il secondo strato esterno sono tra loro collegati per tramite di almeno una resina.
Nei materiali compositi noti del tipo sopra descritto, la resina è distribuita in modo sostanzialmente omogeneo tra il primo ed il secondo strato, solitamente, saturando lo strato interno.
Tali materiali, pur presentando nel complesso buone caratteristiche meccaniche, sono dotati, per alcune applicazioni, di resistenza alla delaminazione, resistenza alla penetrazione, assorbimento di energia di impatto, smorzamento di vibrazioni meccaniche e/o acustiche ancora non sufficientemente buone. Tali materiali presentano, d'altro canto, un costo ed un peso (a parità di spessore) relativamente elevato.
Gli svantaggi dei materiali noti sono particolarmente sentiti nell'industria automobilistica ove, tra l'altro, si è alla ricerca di nuovi materiali in grado di assorbire in modo efficiente l'energia di impatto in modo da ridurre il danno per una persona eventualmente investita in caso di incidente.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire un materiale composito, un metodo per la sua realizzazione, un uso di tale materiale, un manufatto ed un articolo comprendenti tale materiale, i quali permettano di superare, almeno parzialmente, gli inconvenienti sopra descritti e sismo, nel contempo, di facile ed economica realizzazione.
Secondo la presente invenzione vengono quindi forniti un materiale composito, un metodo per la sua realizzazione, un uso di tale materiale, un manufatto ed un articolo comprendente tale materiale secondo quanto licitato nelle rivendicazioni indipendenti che seguono e, preferibilmente, in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalle rivendicazioni indipendenti.
A meno che non sia specificato esplicitamente il contrario, i seguenti termini presentano il significato indicato qui sotto.
Nel presente testo, per materiale fibroso parzialmente saturato si intende un materiale fibroso comprendente una o più zone sostanzialmente saturate o completamente saturate.
Nel presente testo, per zona sostanzialmente saturata si intende una zona in cui le fibre sono inserite in una matrice definita da una resina. Un gruppo di fibre di una zona sostanzialmente saturata presentano una flessibilità marcatamente diversa dalla flessibilità di un gruppo di fibre completamente libere da resina. Vantaggiosamente, le fibre della zona sostanzialmente saturata presentano una flessibilità che si avvicina di più alla flessibilità di un gruppo di fibre di una zona completamente saturata che alla flessibilità di un gruppo di fibre libere da resina. Le zone sostanzialmente saturate possono essere completamente saturate .
Nel presente testo, per zona completamente saturata si intende una zona in cui le fibre sono inserite in una matrice sostanzialmente continua di resina. Le fibre di una zona completamente saturata non sono mobili le une rispetto alle altre senza la rottura della matrice di resina.
Nel presente testo, per zona sostanzialmente non impregnata si intende una zona in cui le fibre sono completamente prive di resina oppure le fibre sono impregnate di resina in modo tale che la loro flessibilità non sia differente in modo rilevante dalla flessibilità delle fibre completamente prive di resina,· preferibilmente, la flessibilità di un gruppo di fibre della zona sostanzialmente non impregnata si avvicina di più alla flessibilità di un gruppo di fibre libere da resina che alla flessibilità di un gruppo di fibre di una zona completamente saturata.
Le zone sostanzialmente saturate e le zone sostanzialmente non impregnate possono essere distinte al microscopio ottico; le zone sostanzialmente non impregnate rimangono porose e indicativamente simili ad una schiuma strutturale (si veda in particolare le figure 9-11). Nelle immagini al microscopio ottico le zone scure di maggiori dimensioni (in particolare con una dimensione maggiore di 0,05 mm, vantaggiosamente 0,1 mm, più vantaggiosamente maggiore di 0,2) sono le zone sostanzialmente non impregnate. Le zone in cui è presente una pluralità di punti bianchi sono le zone sostanzialmente saturate.
Nel presente testo, per materiale agugliato (needlepunched) si intende un materiale fibroso, preferibilmente in forma di foglio, che è stato sottoposto ad agugliatura.
Nel presente testo, per agugliatura si intende un trattamento di materiale fibroso in forma di foglio,· il trattamento prevede di intrecciare le fibre attraverso un piano di giacitura del foglio e, preferibilmente, in tutte le direzioni. Solitamente il trattamento di agugliatura prevede di spingere le fibre utilizzando aghi.
In conseguenza del trattamento di agugliatura le fibre sono distribuite ed orientate nel foglio in modo sostanzialmente casuale ed in maniera che almeno parte delle fibre attraversano trasversalmente il foglio da parte a parte.
L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi d'attuazione non limitativi, in cui:
. la figura 1 illustra curve sperimentali sforzo (ordinata) / deformazione (ascissa) a trazione di tre materiali realizzati in accordo con la presente invenzione e di un materiale di riferimento;
. la figura 2 illustra curve sperimentali sforzo (ordinata) / deformazione (ascissa) a flessione di tre dei materiali della figura 1;
• la figura 3 illustra schematicamente una sezione trasversale di un materiale realizzato in accordo con la presente invenzione,·
. le figure 4-6 illustrano curve sperimentali forza (ordinata) / tempo (ascissa) di test di impatto per tre dei materiali della figura 1 realizzati in accordo con la presente invenzione
■ la figura 7 illustra un esempio di materiale fratturato a seguito di test di inpatto realizzato in accordo con la presente invenzione;
■ la figura 8 illustra la curva di viscosità della resina DT806R in condizioni di riscaldamento costante alla velocità di 2°C al minuto al partire dalla temperatura ambiente; in ascissa è riportata la temperatura in ordinata la viscosità;
• le figure 9-11 sono fotografie al microscopio ottico di sezioni trasversali dei materiali della figura 1 realizzati in accordo con la presente invenzione;
• la figura 12 è una vista prospettica di un manufatto, in particolare un componente di carrozzeria, dell'industria automobilistica;
• la figura 13 illustra schematicamente e parzialmente in sezione una porzione di un apparato utilizzabile per prove di perforazione; e
. la figura 14 illustra schematicamente un particolare dell'apparato della figura 13, le misure riportate sono indicate in millimetri;
• la figura 15 illustra curve sperimentali forza (ordinata) / spostamento (ascissa) di test di penetrazione per i quattro materiali della figura 1.
Nella figura 12, con 1 è indicato un manufatto (parzialmente illustrato in sezione) dell'industria automobilistic, vantaggiosamente un componente di una carrozzeria automobilistica (in particolare un parafango), in materiale composito. Facendo particolare riferimento alla figura 3, il materiale composito presenta un primo ed un secondo strato 2 e 3 esterno ed uno strato interno 4, il quale comprende un primo materiale fibroso non tessuto ed è disposto a contatto tra il primo ed il secondo strato 2 e 3; il primo ed il secondo strato 2 e 3 sono tra loro collegati per tramite di almeno una resina; lo strato interno è parzialmente saturato dalla resina e presenta almeno una zona 5 sostanzialmente non impregnata dalla resina stessa.
Vantaggiosamente, lo strato interno 4 presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata da 15% a 85%, vantaggiosamente da 20% a 85%, rispetto al proprio volume totale. Secondo alcune forme di attuazione, lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata da 40% a 60%, vantaggiosamente da 45% a 55% rispetto al proprio volume totale. Secondo alcune forme di attuazione, lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata da 60% a 85% rispetto al proprio volume totale; vantaggiosamente, da 65% a 85%; vantaggiosamente da 75% a 85%. Secondo alcune forme di attuazione, lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata da 15% a 40% rispetto al proprio volume totale; vantaggiosamente da 20% a 30%.
Vantaggiosamente, la distanza tra il primo strato 2 e la zona 5 sostanzialmente non impregnata è inferiore a tre volte la distanza tra il secondo strato 3 e la zona 5 sostanzialmente non impregnata; la distanza tra il secondo strato 3 e la zona 5 sostanzialmente non impregnata è inferiore a tre volte la distanza tra il primo strato 2 e la zona 5 sostanzialmente non impregnata.
Vantaggiosamente, lo strato interno 4 comprende una zona 6 sostanzialmente saturata dalla resina estendentesi senza sostanzialmente soluzione di continuità dal primo al secondo strato 2 e 3.
Secondo alcune vantaggiose forme di attuazione, il primo materiale fibroso è sostanzialmente saturato dalla resina in corrispondenza del primo e del secondo strato 2 e 3.
Vantaggiosamente, lo strato interno 4 presenta una pluralità di zone 5 sostanzialmente non impregnate .
Secondo alternative forme di attuazione lo strato interno 4 comprende (vantaggiosamente è costituito da) almeno un materiale scelto nel gruppo consistente di: fibre organiche sintetiche (ad esempio polietilene, polipropilene, poliaramidiche, poliestere, poliiramidiche, polibenzossazzoliniche, polieteroaroraatiche), fibre artificiali (ad esempio a base di cellulosa rigenerata), fibre naturali (ad esempio cotone, canapa, lino, lama, amianto), fibre metalliche .
Vantaggiosamente, il materiale fibroso non tessuto dello strato interno è un materiale tessuto non tessuto. Secondo alcune forme di attuazione, lo strato interno è costituito da un unico foglio (ply) di materiale fibroso.
Vantaggiosamente, il materiale fibroso non tessuto dello strato interno è raggruppato in modo da definire un foglio; le fibre sono distribuite e orientate nel foglio in modo che almeno parte delle fibre attraversano trasversalmente il foglio in modo da estendersi senza soluzione di continuità dal primo al secondo strato 2 e 3.
Secondo alcune forme di attuazione particolarmente vantaggiose, il citato materiale fibroso non tessuto è un materiale agugliato.
Secondo alcune forme di attuazione, il primo ed il secondo strato 2 e 3 comprendono un materiale scelto nel gruppo consistente di: intrecciato "classico", un tessuto multiassiale cucito, un nastro unidirezionale di fibre, uno strato fibroso non tessuto, una rete o una struttura fibrosa a maglia larga, una pellicola resinosa pura, una pellicola plastica o membrana, un foglio metallico (lamiera).
Vantaggiosamente, il primo ed il secondo strato 2 e 3 comprendono, rispettivamente, almeno un secondo materiale fibroso ed almeno una terzo materiale fibroso. Secondo alcune forme di attuazione, il secondo materiale fibroso è un materiale intrecciato, in particolare tessuto; il terzo materiale fibroso è un materiale intrecciato, in particolare tessuto.
Secondo alcune forme di attuazione, il primo strato 2 comprende una prima matrice resinosa impregnante il secondo materiale fibroso; il secondo strato 3 comprende una seconda matrice resinosa impregnante il terzo materiale fibroso. Vantaggiosamente, la prima e/o la seconda matrice resinosa comprendono la detta resina.
Secondo alcune forme di attuazione, il primo strato 2 comprende una prima matrice resinosa impregnante il secondo materiale fibroso,· mentre il secondo strato 3 è privo di alcun elemento resinoso al proprio interno.
Secondo alcune vantaggiose forme di attuazione, almeno uno tra il primo ed il secondo strato 2 e 3 è costituito dalla resina; ad esempio, il primo strato può essere costituito da PVC.
Vantaggiosamente, il primo ed il secondo strato 2 e 3 sono sostanzialmente uguali.
Secondo alcune forme di attuazione, la resina è scelta in un gruppo consistente di: resina termoindurente (ad esempio epossidica, poliestere, poliuretanica, acrilica, benzossazinica, bismaleimidica, estere cianato, fenolica), termoplastica (ad esempio poliolefinica, polioolefinica alogenata, poliestere, poliammidica, poliuretanica termoplastica, polietere, poliimidica e loro copolimeri) e un alternativa tipologia di adesivo. Secondo alcune forme di attuazione, la resina è una resina espandente o non espandente. Secondo alcune forme di attuazione, la resina è a base di schiume sintattiche.
Vantaggiosamente la resina è una resina termoindurente. Secondo alcune forme di attuazione una resina epossidica.
In accordo con un ulteriore aspetto della presente invenzione, viene fornito un metodo per la realizzazione di un materiale composito come sopra definito .
Il metodo comprende una prima fase di sovrapposizione, durante la quale uno strato interno 4, comprendente un primo materiale fibroso non tessuto sostanzialmente non impregnato, viene sovrapposto a contatto ad un primo strato 2 esterno;
una seconda fase di sovrapposizione, in cui un secondo strato 3 esterno viene sovrapposto a contatto allo strato interno 4;
una fase di migrazione, in cui parte di una resina migra da almeno uno tra il primo ed il secondo strato 2 e 3 all'interno dello strato interno 4 in modo che lo strato interno 4 sia parzialmente saturato dalla resina e presenti almeno una zona sostanzialmente non impregnata dalla resina;
una fase di solidificazione la quale è successiva alla fase di migrazione, alla prima ed alla seconda fase di sovrapposizione e durante la quale la resina viene indurita.
Vantaggiosamente, il metodo comprende una fase di compressione, la quale è successiva alla prima ed alla seconda fase di sovrapposizione, e durante la quale viene esercitata una pressione su una struttura comprendente lo strato interno 4 interposto a contatto tra il primo ed il secondo strato 2 e 3.
Vantaggiosamente, durante la fase di migrazione e/o di solidificazione, viene fornito calore.
Vantaggiosamente, il metodo comprende una fase di propagazione del vuoto successiva alla prima ed alla seconda fase di sovrapposizione e precedente alla fase di compressione; durante la fase di propagazione del vuoto, gas presente all'interno dello strato interno 4 viene asportato.
Vantaggiosamente, il primo strato 2 comprende una prima matrice resinosa ed il secondo strato 3 comprende una seconda matrice resinosa,· la detta resina migra dalla prima e dalla seconda matrice resinosa. Secondo ulteriori forme di attuazione, la detta resina migra dalla prima o dalla seconda matrice resinosa.
Vantaggiosamente, il primo ed il secondo strato 2 e 3 comprendono un materiale fibroso pre-impregnato con la prima e, rispettivamente, la seconda matrice resinosa.
Vantaggiosamente, lo strato interno 4, il primo ed il secondo strato 2 e 3 sono definiti in accordo con quanto sopra descritto per il manufatto 1.
In accordo con un ulteriore aspetto della presente invenzione, viene fornito un uso di un materiale, il quale è definito come sopra descritto per il manufatto 1, per la produzione di manufatti per l'industria automobilistica e motociclistica.
vantaggiosamente, tale materiale viene fornito per la produzioni di componenti di carrozzerie automobilistiche e motociclistiche.
In accordo con un ulteriore aspetto della presente invenzione, viene fornito un uso di un materiale, il quale è definito come sopra descritto per il manufatto 1, per la produzione di articoli per protezione personale quali ad esempio: caschi (per cantieri e/o per utilizzo sportivo), paraschiena per motociclisti, bardature da hockey, cricket e/0 football americano.
In accordo con ulteriori aspetti della presente invenzione, vengono forniti manufatti per l'industria automobilistica e motociclistica e articoli per protezione personale comprendenti un materiale come sopra definito.
A scopo esemplificativo, viene qui di seguito riportata una metodologia approssimata per valutare la frazione volumetrica dello strato interno 4 sostanzialmente non impregnata. La metodologia è basata sull'assunzione che gli strati 2 e 3 sono privi di porosità e sono costituiti da fibra per il 55% e resina per il 45% in volume, la resina in eccesso è migrata nello strato interno 3
in cui Xnirappresenta la percentuale volumetrica sostanzialmente non impregnata, Ximpr. rappresenta la percentuale volumetrica dello strato interno 4 sostanzialmente impregnata, Trcrappresenta la componente di spessore di resina presente nello strato interno 4, Trifè lo spessore disponibile ad essere impregnato dalla resina nello strato interno 4 ed è calcolato mediante la seguente relazione:
in cui Tcindica lo spessore dello strato interno 4, e Tnindica lo spessore parziale della fibra nello strato interno 4 ed è calcolato mediante la seguente relaz ione:
in cui FAWn indica la grammatura (g/m<2>) del materiale fibroso dello strato interno 4 e Dn(g/cm<3>) è la densità della fibra dello strato interno 4.
Tcè calcolato mediante la seguente relazione:
in cui Ttindica lo spessore totale del materiale (mm), FAW indica la grammatura delle fibre degli strati 2 e 3 (g/m<2>), Dfindica la densità delle fibre degli strati 2 e 3 (g/cm<3>).
Trcè calcolato me diante la relazione:
in cui Trindica lo spessore parziale della resina, Trsindica lo spessore parziale della resina rimasta negli strati 2 e 3 ed è calcolato mediante la seguente relazione:
Trè calcolato mediante la relazione:
in cui Dr indica la densità della resina (g/cm<3>), Wr indica la grammatura per unità di superficie della resina (g/m<2>) e viene calcolato mediante la seguente relazione :
in cui Re è la percentuale in peso di resina sul materiale fibroso pre-impregnato usato per la realizzazione degli strati 2 e 3.
I materiali ed i manufatti 1 realizzati in accordo con la presente invenzioni sono dotati di resistenza alla delaminazione (peeling), assorbimento di energia di impatto, resistenza alla penetrazione, smorzamento di vibrazioni meccaniche e/o acustiche relativamente elevate. Tali materiali presentano, inoltre, un costo ed un peso (a parità di spessore) relativemente basso.
Le caratteristiche meccaniche dei materiali realizzati in accordo con la presente invenzione rendono i materiali stessi estremamente utili per la realizzazioni di componenti automobilistiche e motociclistiche, in particolare componenti di carrozzerie, e per la realizzazione di articoli per protezione personale quali ad esempio: caschi (per cantieri o per utilizzo sportivo), paraschiena per motociclisti, bardature da hockey, cricket o football americano .
Ulteriori caratteristiche della presente invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di particolari esempi meramente illustrativi e non limitativi .
Esempio 1
In questo esempio, viene descritta la realizzazione di un materiale composito in cui lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata di circa 79% rispetto al proprio volume totale .
Un pannello in pianta 30x30 cm, è stato ottenuto interponendo un tessuto non tessuto a base di fibra poliestere da fiocco, intrecciato per mezzo di agugliatura, tipo Tessiltech PET//N SV, da 400 g/m<2>(fabbricato dalla ditta Edilfloor<*>- Vicenza IT) tra due strati esterni costituiti, ciascuno, da uno strato di tessuto di vetro da 380 g/mq, stile Twill 2x2, a base roving di vetro E da 300 tex, impregnato con 36,4% circa in peso (espresso come percentuale sul peso totale comprensivo di resina e fibra) di resina tipo DT806R (fabbricata da Delta-Tech™ Srl). La resina DT806R è una resina epossidica termoindurente presentante le seguenti caratteristiche: temperatura di cura 65-140°C,- tempo di gel 50-60 minuti a 80°C, 15-19 minuti a 100°C, 4-6 minuti a 120°C, 2-3 minuti a 130°C; Tg dopo ciclo di cura 105-110°C dopo 600 minuti a 80°C, 115-125°C dopo 120 minuti a 100°C; curva di viscosità rappresentata nella figura 8.
Il tessuto non tessuto tipo Tessiltech PET//N SV è a base di fibra poliestere e presenta le seguenti caratteristiche: massa areica 400 g/m2 (UNI EN 965); spessore 4,0 iraia 2kPa, 2,5 a 20kPa, 1,5 mm a 200kPa (UNI EN 964-1); resistenza a trazione longitudinale 8,0 kN/m (UNI EN ISO 10319); allungamento a trazione longitudinale 110% (UNI EN ISO 10319); resistenza a trazione trasversale 11 kN/M (UNI EN ISO 10319); allungamento a trazione trasversale 110% (UNI EN ISO 10319 ) .
Lo stampaggio è avvenuto su una superficie piana metallica, con contropiastra anch'essa metallica piana, avente la stessa dimensione in pianta del pannello da stampare. Sia la piastra che la contropiastra erano state trattate con distaccante, secondo la normale buona pratica comune per questo tipo di stampaggio. Il primo strato esterno di tessuto impregnato è stato depositato sulla piastra di stampaggio, quindi sopra di esso in sequenza: uno strato del tessuto non tessuto poliestere, il secondo strato di tessuto impregnato, la contropiastra metallica. A questo punto, il pannello e la contropiastra sono stati ricoperti con uno strato di non tessuto simile a quello sopradescritto, in questo caso con la sola funzione di propagatore del vuoto sulla superficie della contropiastra e lungo i bordi, quindi tutto è stato sigillato con un sacco da vuoto munito di valvola per collegamento per il vuoto, secondo la buona pratica comune utilizzata per la fabbricazione di componenti in materiale composito per mezzo di autoclave. Nella preparazione del sacco da vuoto, si è avuto cura che lo strato di non tessuto facente funzione di propagatore di vuoto si trovasse in contatto in alcuni punti con il tessuto non tessuto costituente la parte centrale del pannello, in modo da consentire la propagazione del vuoto al suo interno.
Dopo aver creato il vuoto all'interno del sacco, l'intero assemblaggio cosi costituito è stato introdotto all'interno di una autoclave e la pressione all'esterno del sacco da vuoto è stata portata a 4 bar. Una volta raggiunta questa pressione, il vuoto all'interno del sacco è stato ridotto, fino a portare la pressione di alimentazione all'interno del sacco alla pressione atmosferica esterna all'autoclave. La temperatura è stata quindi elevata a 100°C alla velocità di 2÷3°C/min e mantenuta a quella temperatura per 90 minuti. La temperatura è stata quindi ridotta a 60°C alla velocità di circa 5°C/min e la pressione dell'autoclave è stata scaricata all'esterno. Infine, il pannello è stato estratto dal sacco e separato da piastra e contropiastra, a temperatura ambiente.
Una sezione trasversale del pannello così ottenuto è mostrata nella figura 9.
Esempio 2
In questo esempio, viene descritta la realizzazione di un materiale composito in cui lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata di circa 60% rispetto al proprio volume totale .
Il materiale viene realizzato seguendo la procedura dell'esempio 1 utilizzando un tessuto di vetro impregnato con 40,9% (invece che il 36,4%) circa in peso (espresso come percentuale sul peso totale comprensivo di resina e fibra) di resina tipo DT806R (fabbricata da Delta-Tech™ Srl).
Una sezione trasversale di un pannello così ottenuto è mostrata nella figura 10.
Esempio 3
In questo esempio, viene descritta la realizzazione di un materiale composito in cui lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata di circa 20% rispetto al proprio volume totale .
Il materiale viene realizzato seguendo la procedura dell'esempio 1 utilizzando un tessuto di vetro impregnato con 49,4% (invece che il 36,4%) circa in peso (espresso come percentuale sul peso totale comprensivo di resina e fibra) di resina tipo DT806R (fabbricata da Delta-Tech™ Srl).
Una sezione trasversale di un pannello così ottenuto è mostrata nella figura 11.
Esempio 4
In questo esempio, viene descritta la realizzazione di un materiale composito in cui lo strato interno presenta una frazione volumetrica sostanzialmente saturata.
il materiale viene realizzato seguendo la procedura dell'esempio 1 utilizzando un tessuto di vetro impregnato con il 36,4% circa in peso (espresso come percentuale sul peso totale comprensivo di resina e fibra) di resina tipo DT806R (fabbricata da Delta-Tech™ Srl) ed un tessuto non tessuto a base di fibra poliestere da fiocco (tipo Tessiltech PET//N SV) completamente impregnata di resina (60% in peso).
Esempio 5
In questo esempio vengono descritte prove di trazione effettuate sui materiali ottenuti mediante le procedure descritte degli esempi 1 (materiale A), 2 (materiale B), 3 (materiale C) e 4 (materiale D).
I test di trazione sono stati eseguiti secondo la normativa ASTM D3039 (ASTM è un acronimo per "American Society for Testing and Materials"). Tale normativa prevede di testare campioni delle dimensioni di 25 mm di larghezza per 250 mm di lunghezza. La velocità di trazione è fissata a 5 mm/min, il provino deve essere portato a rottura. Durante il test vengono registrati i valori di sforzo e deformazione. I test sono stati eseguiti con configurazione ± 45 (vale a dire non nella direzione dell'ordito né della trama ma obliquamente a circa 45° rispetto all'ordito ed alla trama).
I parametri che si ricavano da questo test sono: Modulo di Young [MPa], Resistenza a trazione [MPa], Deformazione a rottura [%].
Nella seguente tabella 1 si riportano i valori dei suddetti parametri relativi ai materiali testati.
Per ogni tipologia di materiale sono stati testati almeno cinque campioni, pertanto in tabella si riporta il valore medio e la deviazione standard di ogni parametro.
Tabella 1
Nella figura 1 si riporta un confronto delle curve sforzo-deformazione tipiche dei tre materiali; in ascissa è riportata la deformazione percentuale in ordinata è riportato lo sforzo.
In queste curve si può vedere come la tenacità mostrata da questi materiali sia in generale eccezionalmente e sorprendentemente elevata soprattutto se confrontata con il comportamento tipico dei compositi a matrice termoindurente.
Il tratto iniziale ad elevato modulo elastico è seguito da un tratto in cui si nota un continuo incremento dello stress ma con una rigidezza inferiore. Questa caratteristica è essenzialmente dovuta alla parziale impregnazione del tessuto non tessuto, che determina un meccanismo di trasferimento di carico del tutto particolare. Il TNT (tessuto non tessuto) , infatti, può deformarsi di molto senza cedimenti grazie alla presenza di zone non impregnate da resina e che quindi non sono soggette a fratture a bassi livelli di deformazione.
Al crescere della frazione impregnata diminuisce la deformazione massima ma aumenta la rigidezza nel secondo tratto della curva.
Molto rilevante è la differenza di comportamente tra il materiale C ed il materiale D.
Esempio 6
In questo esempio vengono descritte prove di flessione effettuate sui materiali ottenuti mediante le procedure descritte degli esempi 1-3.
Per i test di flessione è stata utilizzata la normativa ASTM D790. La scelta della normativa è stata dettata da considerazioni specifiche sul materiale. Infatti, la struttura sandwich avrebbe potuto suggerire l'utilizzo di normative della categoria C, tuttavia lo spessore al quanto ridotto (rispetto ai sandwich di tipo tradizionale) di questi provini rende inadatta questa normativa.
Secondo la normativa deve sussistere uno specifico rapporto tra lo span e spessore del provino. Più in dettaglio la normativa considera accettabili rapporti che vanno da 16 a 40, tuttavia nel caso di compositi a fibre continue si consiglia l'utilizzo di un rapporto pari a 32 o 40. In questo test, quindi, è stato utilizzato un rapporto di 40.
Al fine di rendere più significativo il test, è stato scelto di utilizzare sezioni con una larghezza maggiore di quella indicata nella normativa. Infatti a causa di una distribuzione essenzialmente casuale delle isole di impregnazione, è importante scegliere una superficie sufficientemente estesa altrimenti si rischia di testare un provino con una impregnazione parziale diversa da quella nominale. Questa considerazione è vera anche nel precedente test di trazione, tuttavia la dimensione degli afferraggi dello strumento non consente di fissare campioni di dimensioni maggiori. Il test di flessione è stato quindi eseguito su campioni delle dimensioni di 50 mm x 80 mm, mentre la distanza tra gli appoggi è stata fissata a 50 mm (essendo lo spessore 1,27 mm).
Nel test di flessione sono stati analizzati i seguenti parametri: Modulo elastico a flessione [MPa]; Resistenza a flessione [MPa]; Freccia massima a rottura [%].
La velocità di test è fissata a 1,7 mm/min, almeno 5 provini sono stati testati per ogni materiale analizzato, di conseguenza i risultati riportati nella seguente tabella 2 rappresentano i valori medi e la deviazione standard calcolati sulla base dei risultati di ogni singolo provino.
Nella figura 2 sono riportate le curve di confronto carico corsa più rappresentative dei materiali testati; in ascissa è riportata la corsa in ordinata il carico.
Tutti i campioni testati hanno mostrato una rottura a flessione graduale, con un primo cedimento delle fibre più esterne che caratterizza il massimo delle curve (i valori di resistenza e freccia max riportati nelle precedente tabella sono presi in corrispondenza di questo max), seguito da un progressivo cedimento delle restanti parti del campione.
È importante notare come le curve con i livelli di impregnazione parziale più bassi continuano a mostrare una certa resistenza anche dopo la rottura. Nel caso di campioni C la discesa della curva subito dopo la rottura principale (quella cioè in corrispondenza del carico massimo) è molto più repentina della discesa che mostrano le curve dei campioni con i livelli più bassi di impregnazione. Anche in questo caso questo comportamento, del tutto sorprendente per materiali compositi, si può attribuire alla presenza di una o più zone sostanzialmente non impregnate del TNT che possono deformarsi conferendo al materiale una capacità di piegatura di gran lunga superiore rispetto ad un normale composito di dimensioni analoghe.
Esempio 7
In questo esempio vengono descritte prove di impatto effettuate sui materiali ottenuti mediante le procedure descritte degli esempi 1-4.
L'apparecchiatura utilizzata per eseguire i test di impatto è il ball-drop impact tester. L'impatto è prodotto da un dardo di massa 15,5 Kg che cade da un'altezza nota, fissata dall'operatore, che può arrivare fino a 8 metri.
Per l'esecuzione dei test si è fatto riferimento alle normative ASTM D 5628-95 e ASTM F 736-81 che prevedono come miglior soluzione l'utilizzo di supporti strumentati smontabili, disposti su una piastra imbullonata con tirafondi affogati in un basamento di cemento armato.
Le dimensioni dei provini utilizzati per il test sono 20 cm x 40 cm. Per ogni tipologia di lamina sono stati effettuati quattro test.
I risultati dei test di impatto e i relativi grafici sono rispettivamente riportati in tabella 3 e nelle figure 4 (materiale A), 5 (materiale B) e 6 (materiale C) (in ascissa è riportato il tempo, in ordinata è riportata la forza).
In questo test si misura il carico massimo registrato, l'energia di impatto necessaria a provocare la rottura del campione e l'altezza a cui è stato posizionato il dardo per poter registrare la rottura del campione.
La determinazione dell'altezza di rottura si esegue sfruttando dei test preliminari eseguiti su ritagli non a norma del materiale, la conferma dell'altezza scelta si ha a seguito del test sul primo dei campioni ritagliati secondo le misure standard del test .
Tabella 3
Nel valutare il dato riportato per il materiale A, occorre fare una precisazione. Infatti, questo campione mostra una frattura non completa ma un elevato grado di rifollamento dei fori di afferraggio, anche utilizzando il max numero di fori disponibili sullo strumento. Questo non ha consentito l'esecuzione di test da altezza superiore, pertanto il dato a 3,3 metri va inteso come un limite inferiore per quel materiale.
In figura 7 è mostrato il tipico esempio della frattura ottenuta con questa tipologia di materiali. Si può osservare come si ha una frattura piuttosto netta senza eccessivi segni di de-laminazione.
I risultati dei test di impatto hanno mostrato che i materiali A, B e C riescono sorprendentemente a resistere ad impatti di entità relativamente elevata dissipando relativamente molta energia. Particolarmente sorprendentemente si è dimostrato il comportamento del materiale A per il quale l'altezza di rottura è superiore all'altezza di rottura per i materiali B e C. Si noti anche che il materiale A ha mostrato una maggiore dissipazione di energia come dimostrato dal più basso valore di carico massimo e che il dardo rimbalza contro il materiale C come mostrato dal doppio picco illustrato nella figura 6 L'altezza di rottura per il materiale D è da considerarsi come un limite superiore; infatti, l'attuale configurazione dello strumento non permette di registrare dati con cadute inferiori ai 2 metri di altezza. Pertanto questa altezza è sicuramente maggiore del limite di rottura del materiale; di conseguenza anche l'energia d'impatto è sicuramente maggiore della massima assorbibile dal materiale.
Confrontando i dati ottenuti si nota per i materiali A, B e C sorprendentemente una resistenza all'impatto notevolmente superiore ed una forza massima dell'impatto marcatamente inferiore (meno della metà) rispetto al materiale D.
Esempio 8
In questo esempio vengono descritte prove di peeling (pelatura) effettuate sui materiali ottenuti mediante le procedure descritte degli esempi 1-3.
I test di peeling sono stati eseguiti con una configurazione a 90° utilizzando un dispositivo di fissaggio del tipo indicato nella normativa ASTM D 6862 .
I test di peeling sono stati eseguiti sia su campioni con fibre orientate a 0/90 che su campioni con fibre orientate a 45 rispetto all'asse principale del provino e, quindi, rispetto alla direzione di peeling.
I provini sono di dimensioni fissate pari a 25 mm x 220 mm, la velocità di peeling è pari a 127 mm/min. Durante il test si registrano la forza di peeling in funzione del tempo. I parametri importanti sono il picco massimo di forza necessario ad innescare il peeling e la resistenza a peeling misurata, come la forza media durante la fase di peeling diviso la larghezza del provino.
II dato interessante che è stato ricavato in questo test è che la resistenza a peeling è sorprendentemente più alta della resistenza della pelle esterna per tutti i campioni testati. Infatti, durante il test, invece di verificarsi la pelatura della pelle esterne si è verificata la sua rottura. In tabella 4 si riportano comunque i valori di forza massima misurati e le considerazioni appena fatte sulla resistenza a peeling.
Tabella 4
Esempio 9
Il test di penetrazione è stato eseguito tramite gli standard e l'apparato utilizzati per la verifica di articoli antiperforazione nel settore dell'antiinfortunistica .
L'apparato è stato opportunamente modificato per consentire un afferraggio adeguato ai materiali compositi che devono essere testati.
Nella figura 13 è illustrata schematicamente una porzione dell'apparato di misura utilizzato nel test. Nelle figure 13 e 14 il numero di riferimento 1 indica una punta di penetrazione ed il numero di riferimento 2 indica il campione.
La punta di penetrazione 1 presenta una durezza di 60 HRC ed è dotata di una estremità a tronco di cono.
La velocità di penetrazione del chiodo era di 10mm/min il valore di resistenza alla penetrazione è stato ricavato dal valore in Newton della forza in corrispondenza si ha il primo decremento nel grafico Forza-Spostamento.
I dati di resistenza alla penetrazione riportati in tabella 5 sono ottenuti tramite una media di almeno cinque test eseguiti su campioni diversi per ogni tipologia di materiale analizzato.
Tabella 5
Nella figura 15 sono illustrate le curve di penetrazioni dei materiali A, B, C e D. In ordinata è riportato il carico, in ascissa lo spostamento.
Dalle curve della figura 15 si può osservare che tra i campioni dei materiali A, B e C esiste una diretta correlazione tra i valori di resistenza alla penetrazione e spostamento alla perforazione e il livello di impregnazione stesso. In particolare, al crescere di quest'ultimo si nota un aumento della resistenza alla penetrazione e una diminuzione dello spostamento alla perforazione. Nel campione del materiale D non si notano particolari correlazioni; infatti lo spostamento alla perforazione cresce mentre il valore di resistenza resta del tutto paragonabile a quello ottenuto per il materiale C.
È importante sottolineare come le curve relative
ai materiali A, B e C mostrano una sorta di plateau dopo la penetrazione della punta, evidenziando una conservazione di resistenza anche a seguito della perforazione. Nel campione del materiale D, invece, dopo la perforazione si ha un continuo e progressivo calo del carico.
Questo comportamento è coerente con quanto osservato negli altri test meccanici descritti in precedenza. Anche in questo caso la porzione di fibra sostanzialmente secca nello strato interno conferisce una maggiore tenacità che rende piu difficoltosa la penetrazione della porzione conica della punta, anche dopo la formazione di una prima apertura attraverso il pannello. Un certo contributo alla maggiore resistenza alla penetrazione può anche essere attribuito ad un maggiore attrito della superficie della punta a contatto con il la porzione di fibre sostanzialmente non impregnate. Nel campione del materiale D, invece, la perforazione procede più facilmente, una volta che il laminato abbia subito la prima frattura dovuta alla punta.

Claims (1)

  1. R IV E N D I C A Z I O N I 1.- Materiale composito presentante un primo ed un secondo strato (2, 3) esterno ed uno strato interno (4), il quale comprende un primo materiale fibroso non tessuto ed è disposto a contatto tra il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno; il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno sono tra loro collegati per tramite di almeno una resina; il materiale è caratterizzato dal fatto che lo strato interno (4) è parzialmente saturato dalla detta resina e presenta almeno una zona (5) sostanzialmente non impregnata dalla resina. 2.- Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui lo strato interno (4) presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata da 20% a 80% rispetto al proprio volume totale. 3.- Materiale secondo la rivendicazione 2, in cui lo strato interno (4) presenta una frazione volumetrica sostanzialmente non impregnata da 40% a 60% rispetto al proprio volume totale. 4.- Materiale secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la distanza tra il primo strato (2) esterno e la zona (5) sostanzialmente non impregnata è inferiore a tre volte la distanza tra il secondo strato (3) esterno e la zona (5) sostanzialmente non impregnata; la distanza tra il secondo strato (3) esterno e la zona (5) sostanzialmente non impregnata è inferiore a tre volte la distanza tra il primo strato (2) esterno e la zona (5) sostanzialmente non impregnata. 5.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato interno (4) comprende una zona (6) sostanzialmente saturata dalla resina estendentesi senza sostanzialmente soluzione di continuità dal primo al secondo strato (2, 3) esterno . 6.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo materiale fibroso è sostanzialmente saturato dalla resina in corrispondenza del primo e del secondo strato (2, 3) esterno . 7.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato interno presenta una pluralità di zone (5) sostanzialmente non impregnate. 8.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato interno (4) è costituito da un unico foglio (ply) di materiale fibroso, in particolare tessuto non tessuto. 9.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo materiale fibroso non tessuto è raggruppato in modo da definire un foglio,le fibre sono distribuite e orientate nel foglio in modo che almeno parte delle fibre attraversano trasversalmente il foglio in modo da estendersi senza soluzione di continuità dal primo al secondo strato (2, 3) esterno. 10.- Materiale secondo la rivendicazione 8, in cui il primo materiale fibroso non tessuto è un materiale agugliato. 11.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno comprendono, rispettivamente, almeno un secondo materiale fibroso ed almeno una terzo materiale fibroso. 12.- Materiale secondo la rivendicazione 11, in cui il secondo materiale fibroso è un materiale intrecciato, in particolare tessuto; il terzo materiale fibroso è un materiale intrecciato, in particolare tessuto. 13.- Materiale secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui il primo strato (2) esterno comprende una prima matrice resinosa impregnante il secondo materiale fibroso; il secondo strato (3) esterno comprende una seconda matrice resinosa impregnante il terzo materiale fibroso. 14.- Materiale secondo la rivendicazione 13, in cui la prima e/o la seconda matrice resinosa comprende la detta resina. 15 .- Materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui almeno uno tra il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno è costituito dalla resina. 16.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno sono sostanzialmente uguali. 17.- Materiale secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui, la detta resina comprende una resina epossidica. 18.- Metodo per la realizzazione di un materiale composito secondo una delle rivendicazioni precedenti, e comprendente: una prima fase di sovrapposizione, in cui uno strato interno (4), il quale comprende un primo materiale fibroso non tessuto sostanzialmente non impregnato, viene sovrapposto a contatto ad un primo strato (2) esterno; una seconda fase di sovrapposizione, in cui un secondo strato (3) esterno viene sovrapposto a contatto allo strato interno (4); una fase di migrazione, in cui parte di una resina migra da almeno uno tra il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno all'interno dello strato interno (4) in modo che lo strato interno sia parzialmente saturato dalla resina e presenti almeno una zona (5) sostanzialmente non impregnata dalla resina; una fase di solidificazione la quale è successiva alla fase di migrazione, alla prima ed alla seconda fase di sovrapposizione e durante la quale la resina viene indurita. 19.- Metodo secondo la rivendicazione 18, e comprendente una fase di compressione, la quale è successiva alla prima ed alla seconda fase di sovrapposizione, e durante la quale viene esercitata una pressione su una struttura comprendente lo strato interno (4) interposto a contatto tra il primo ed il secondo strato esterno (2, 3). 20.- Metodo secondo la rivendicazione 18 o 19, in cui, durante la fase di migrazione e/o di solidificazione, viene fornito calore. 21.- Metodo secondo una delle rivendicazioni da 18 a 20, e comprendente una fase di propagazione del vuoto successiva alla prima ed alla seconda fase di sovrapposizione e precedente alla fase di compressione; durante la fase di propagazione del vuoto, gas presente all'interno dello strato interno (4) viene asportato. 22.- Metodo secondo una delle rivendicazioni da 18 a 21, in cui il primo strato (2, 3) esterno comprende una prima matrice resinosa ed il secondo strato esterno comprende una seconda matrice resinosa; la detta resina migra dalla prima e/o dalla seconda matrice resinosa. 23.- Metodo secondo la rivendicazione 22, in cui la resina migra dalla prima e dalla seconda matrice resinosa. 24.- Metodo secondo la rivendicazione 22 o 23, in cui il primo ed il secondo strato (2, 3) esterno comprendono un materiale fibroso pre-impregnato con la prima e, rispettivamente, la seconda matrice resinosa. 25 .- Uso di un materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 17 per la produzione di manufatti (1) per l'industria automobilistica e motociclistica. 26.- Uso secondo la rivendicazione 25 per la produzione di componenti automobilistici e motociclistici . 27.- Manufatto dell'industria automobilistica, comprendente un materiale secondo una delle rivendicazioni da l a 17. 28.- Articolo per protezione personale, comprendente un materiale secondo una delle rivendicazioni da 1 a 17.
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