ITSS20140005U1 - "materiale composito sandwich a base di fibre naturali vegetali e animali e resina". - Google Patents

Description

MATERIALE COMPOSITO SANDWICH A BASE DI FIBRE NATURALI VEGETALI E ANIMALI E RESINA

modello di utilità si riferisce ad un materiale composito sandwich composto da fibre naturali tessute, feltro di lana e resina

DESCRIZIONE

Molte delle attuali applicazioni richiedono l'impiego di materiali che offrano diverse particolari proprietà che non possono essere presenti in un unico materiale tradizionale come le leghe metalliche, i polimeri e i ceramici

La possibilità di combinare diverse proprietà in un unico materiale e di migliorarne l'efficienza è stata ottenuta facendo uso dei materiali compositi Qualsiasi materiale multifase può essere generalmente chiamato un materiale composito In base al principio noto come principio delie azioni combinate.

Molti materiali compositi sono formati da due fasi ; una detta rinforzo, che fornisce la resistenza meccanica, mentre l'altra fase detta matrice, avvolge la fase di rinforzo e assicura la coerenza della struttura e la trasmissione degli sforzi verso il rinforzo stesso.

I compositi si possono dividere in tre gruppi principali : compositi rinforzati con particelle, compositi fibro-rinforzati e compositi strutturali.

Nei compositi fibro-rinforzati, le fibre hanno il compito principale di essere gli elementi resistenti del materiale ed esibiscono resistenze assiali molto elevate quanto sottoposte a trazione. In questi composti, i rinforzi sono in forma di fibre, per la loro buona resistenza alla trazione e bassa resistenza alla compressione Proprio per questa peculiarità, spesso questo genere di composito, viene rinforzato con uno o più strati interni di un materiale che diversamente, possiede buone caratteristiche di resistenza a compressione. Questo genere di compositi sono detti compositi strutturali

I compositi strutturali sono caratterizzati dal'utilizzo di più strati di diversi materiali sovrapposti tra loro per formarne uno unico strutturalmente più resistente.

Gli obbiettivi della progettazione dei compositi fibro-rinforzati sono spesso quelli di ottenere elevate resistenze e/o rigidezze con bassi pesi. Vengono attualmente prodotti compositi fibro-rinforzati, realizzati con fibre e matrici a bassa densità, come le fibre vegetali, le quali offrono valori della resistenza e del modulo specifici molto elevati.

Una tipologia di compositi relativamente recente è quella dei compositi ibridi, nei quali due o più tipi di fibre differenti vengono introdotte nella medesima matrice ; pertanto questi materiali offrono una combinazione di proprietà decisamente più completa rispetto ai materiali compositi rinforzati da un solo tipo di fibre.

Questi sono generalmente costituiti da uno o più strati esterni di rinforzo sottoforma di tessuti, e da un cuore( noto nell'industria dei composti con il nome inglese di 'core'), costituito da un materiale con un alto modulo a compressione, ed un basso peso specifico. Questo, inserito tra gli strati esterni di tessuto di rinforzo, ha la funzione di rendere il materiale più forte sopperendo alle scarse proprietà che i tessuti dimostrano se sottoposti a compressione.

Il crescente interesse per i laminati e i pannelli sandwich riflette le potenzialità dei compositi fibrorinforzati in questa determinata configurazione - un ibrido all'interno di un ibrido. I pannelli sandwich abbinano alla rigidità a flessione ed alla resistenza a trazione, un basso peso specifico. L'anima leggera separa gli strati di tessuto esterni, che massimizzano in questo modo il Momento di Inerzia, senza contribuire direttamente alla resistenza a flessione

Nel mondo dei compositi fibro-rinforzati, le fibre più diffuse ed utilizzate sono il carbonio, le fibre aramidiche (Kevlar) e le fibre di vetro Come materiale per l'anima interna vengono spesso utilizzati feltri a base di poliestere, polipropilene, nylon e fibre aramidiche. Per quanto riguarda le resine matrice, le più diffuse ed utilizzate sono le resine poliesteri, vinil-esteri ed epossidiche, tutti derivati da prodotti petrolchimici

Come è evidente, in un ottica sempre più attuale di una progetazione sostenibile, con i prezzi del greggio in costante aumento, diventa sempre più costoso per le aziende produrre un composito interamente basato su prodotti petrolchimici come quelli sopracitati

Per cercare di far fronte a questa situazione, negli ultimi anni si è affacciata nel mondo dei compositi, un'altra categoria di fibre che stanno trovando sempre più spazio, soprattutto come valida alternativa alla fibra di vetro, nei compositi polimerici fibro-rinforzati : ossia le fibre naturali

La fibra vegetale, è separata meccanicamente usando una varietà di tecniche diverse. Questo genere di fibre naturali sono composte da bandoli di fibre dello spessore di circa 100 micron di diametro. Ogni bandolo di fibre contiene dalle 20 alle 50 fibrille, approssimativamente del diametro di 20 micron ciascuna.

Fibre cellulosiche come il lino, mostrano eccellenti proprietà meccaniche e bassa densità e sono a basso costo. Il prezzo del lino sul mercato è allincirca pari 0,67 dollari/kg, contro gli 1,80 dollari/kg della fibra di vetro, i 20 dollari/Kg delle fibre aramidiche ed i 55dollari /kg della fibra di carbonio.

Queste fibre, oltre ad avere il vantaggio di offrire buone proprietà meccaniche sono anche naturali e biodegradabili, cosa che le rende molto attuali nel panorama della neo-nata progettazione sostenibile Queste fibre hanno spesso caratteristiche meccaniche simili e a volte superiori, a quelle della fibra di vetro, ma con una densità pari a quella del kevlar.

Nonostante la disponibilità sul mercato di tessuti naturali cosi deti "non-woven" ossia feltri non-tessuti, i tessuti cosidetti "woven", ossia tessuti a trama e ordito con differenti tipi di armature, dimostrano di avere migliori proprietà meccaniche rispetto alla loro controparte non-tessuta.

L’armatura di un tessuto è il sistema di incrocio dei fili di ordito durante la tessitura Un'armatura dipende allo stesso tempo dall’ordine di rimettaggio dei fili nelle maglie e dal movimento dei licci, cioè dall’ordine in cui i licci vengono abbassati o alzati. Tutti i modelli di tessitura derivano da tre armature fondamentali: tela, saia e raso

Il vantaggio di questo tipo di tessuti è che le fibre inizialmente discrete, possono essere trasformate in un filato continuo che possa successivamente dare vita a tessuti su misura. In aggiunta a questo, il processo di filatura dovrebbe, in misura, randomizzare i difeti delle fibre i qual hanno dimostrato di essere deleteri per le proprietà delle fibre e che danno origine a imperfezioni microstrutturali nel composito riducendone la durezza

Nel contesto del presente modello di utilità, le fibre usate in tessuti-tessuti sono naturali o derivanti esclusivamente da biomassa e selezionate tra:

fibre vegetali come canapa, lino, agave sisalana, kenaf(Hibiscus cannabinus), juta, ramié, fibre di bamboo o derivanti dal bamboo, le fibre cellulosiche da biomassa, come fibre di viscosa e miscele di tali fibre

Come armatura dei tessuti sono utilizzabili quelle a tela, saia e raso in tutte le loro varianti, tessuti ripstop e tessuti 3D

Le fibre non-tessute, sottoforma di feltro, utilizzate nell' anima internafconosciuta nell' ambito dei compositi con il nome di 'core')sono fibre naturali di pelo animale. Questo viene preparato mediante metodi convenzionale noti alle persone qualificate del settore. Questi metodi comprendono sempre due fasi, una fase di otenimento delle tela e una fase di consolidamento delle fibre per ottenere il feltro

Gli strati di entrambe le fibre vegetali ed animali possono essere interfacciate tramite incollaggio o resinatura. Non c'è limite al numero di strati che si possono sovrapporre fino ad otenere anche degli spessori molto elevati.

Matrici generalmente utilizzate per questo tipo di compositi sono resine poliestere ( le più comuni ) , vinil-estere , epossidiche , fenoliche e resine termoplastiche come polipropilene o poliammide

Vi è anche il bisogno di fornire alle industrie, compositi costituiti da fibre naturali o biomassa come rinforzo. li vantaggio di questi nuovi bio composti è triplice: trasmettono un'immagine di sostenibilità ambientale, riducono i costi con i prezzi del petrolio sempre più elevati e forniscono equivalente o superiori proprietà a quelle dei compositi convenzionali

Di conseguenza, il presente modello di utilità riguarda un tipo di composito sandwich secondo la rivendicazione 1.

Secondo il modello di utilità, tutte le resine naturali o con un contenuto naturale o derivato da prodotti recidati purché presenti in una percentuale superiore al 20% possono essere usati, tra cui polilactide, policapronalato, celluloide

La produzione di fibre sintetiche come quella di vetro, carbonio o aramidiche, richiedono 5-10 volte più energia non rinnovabile rispetto alla produzione di fibre naturali come lino, juta e feltro di lana.

Quest'ultimo, non avendo una struttura interna definita, ma essendo costituito da tante fibre casualmente orientate è nonostante ciò, da considerarsi a pieno titolo un materiale isotropo. Tutte queste caratteristiche lo rendono adatto ad essere utilizzato come materiale riempitivo e strutturale (detto anche 'core') in sostituzione di tappetim a fibre corte sintetiche solitamente usate nei compositi. Inoltre, è necessaria meno energia per la produzione di prodotti di lana rispetto ai prodotti di fibre chimiche, e questo assicura minori emissioni di CO2. Come risultato, le emissioni inquinanti derivanti dalla produzione di fibre sintetiche sono significativamente superiori dalla produzione di fibre naturali La produzione di fibra di vetro costa alle industrie, tra materia grezza, misturai mescola dei vari minerali necassari), trasporto, spinning, fusione e realizzazione del tessuto vero e proprio , circa 55 Mj/Kg di energia. Il lino invece ne consuma solo 9Mj/Kg.

La produzione della lana richiede circa 63 Mj/Kg di energia rispetto ai corrispettivi core sintetici in polipropilene e poliestere la quale produzione richiede rispettivamente 115 Mj/Kg e 125 Mj/Kg di energia. Vi è quindi un risparmio in termini di energia che va dal 45% al 51% .

Ne consegue che utilizzati insieme, lino e feltro di lana consumano circa 72Mj/Kg contro i 170-180Mj/kg della fibra di vetro usata in combinazione dei core sintetici normalmente usati. Il tutto rappresenta un risparmio del 60% in termini di consumi energetici in Mj/kg.

Nonostante la grande varietà di tessuti tecnici sintetici disponibili sul mercato, la maggior parte dei compositi a matrice polimerica utilizza come rinforzo tappetini a fibre corte disposte casualmente, che sono poi impregnate di resina Con questo genere di tessuti non-tessuti c’è poco spazio per l'ottimizzazione della direzione delle fibre e del loro allineamento e impacchettamento, cosa che porta alla produzione di un composito poco resistente e soggetto a delaminazione e microfratture. Nel presente modello di utilità, per ovviare ai suddetti problemi, si utilizza come rinforzo dei tessuti-tessuti in fibre naturali. Il vantaggio di questo metodo, è che le fibre possono essere trasformate in un filato continuo che possa successivamente dare vita a tessuti su misura

Il presente modello di utilità, comparato con il presente stato dell'arte, ha una struttura, un assemblaggio ed una fabbricazione semplici dovute alle poche componenti necessarie alla sua realizzazione.

Il composito secondo l'invenzione può essere prodotto con qualsiasi metodo noto agli esperti nella tecnica per ottenere strutture monostrato o multistrato e tridimensionali.

L’invenzione riguarda anche un metodo per preparare un composto secondo la rivendicazione 3. Il composito secondo l'invenzione può essere utilizzata per la produzione di materiali industriali, compresi i pannelli.

Come processo di produzione, è possibile utilizzare qualsiasi tecnica nota alla persona esperta nel campo dei compositi, compreso lo stampo a pressione, o tramite processi specifici del campo dei compositi come il metodo di infusione o RTM acronimo di Resin Transfer Molding.

Questo metodo di produzione comprende uno stampo, un sacco da vuoto ed una pompa per il vuoto. Quest’ultima è fondamentale in quanto, con il differenziale di pressione che essa produce all'interno dello stampo, permette la distribuzione della resina attraverso gli strati di tessuto

Quest'ultimo metodo di produzione può essere utilizzato per produrre parti tri-dimensionali,

I pannelli ottenibili tramite il presente modello di utilità sono anche essi parte dell'invenzione. Possono essere sia di bassa densità e spessore (3 mm o più), o molto spessi e ad alta densità

Il presente modello di utilità riguarda anche l'uso di questo bio-composito, per la produzione di materiali industriali o oggetti che potrebbero essere utilizzati nell'industria, in particolare nell'industria del mobile, nell’industria automobilistica, nel settore navale ed aerospaziale, nell' industria dello sport, e nella costruzione e di parti per apparecchiature di fabbricazione

La Figura 1 illustra un modo di realizzazione del presente modello di utilità tramite la tecnica nota agli esperti del settore con l'acronimo di RTM o Resin Transfer Molding

DESCRIZIONE DI UN MODO DI REALIZZAZIONE DEL MODELLO DI UTILITÀ':

1.1 Preparazione dello slampo:

Si posa un liquido distaccante incolore sullo stampo[Fig.1- a)) di forgiatura. Usando un panno di cotone pulito si applica sulla superficie dello stampo un sottile strato di rilasciarne Una volta che questo comincia ad evaporare, ossia tra i 5 ed i 15 secondi, si usa un secondo panno in cotone, e con un moto circolare, si rimuovono gli eccessi Si ripete questa operazione per quattro volte lasciando un minimo di 15 minuti tra un'applicazione e l'altra. L'ultima applicazione deve essere effettuata almeno un'ora prima di utilizzare lo stampo

1.2 Preparazione dei tessuti:

Una volta che il liquido distaccante è stato applicato come sopra indicato, si passa al taglio e alla disposizione dei tessuti sullo stampo.

I tessuti sono immagazzinati in una stanza con una percentuale di umidità non superiore al 12% per preservare la qualità delle fibre del tessuto.

I tessuti devono essere tagliati avendo cura di seguire i contorni dello stampo ma con una differenza in difetto di 6cm.

1.3 Disposizione dei tessuti:

Prima si dispone un foglio di tessuto di fibra naturale, premendolo con forza per evitare la formazione di pieghe che influirebbero sulle proprietà finale del materiale. In seguito si posa un foglio di feltro di lana e sopra quest'ultimo un'altro foglio di tessuto di lino[Fig,1- b), c)].,

1.4 Taglio e disposizione del tessuto distaccante::

Una volta che i tessuti sono stati disposti secondo l'ordine sopra elencato, si taglia un foglio di tessuto distaccante(detto anche peel-ply)in Nylon(Fig 1- d)], dello spessore di 0.152mm. e del peso di 88g/m<2>. Questo tessuto evita che il sacco da vuoto aderisca ai tessuti una volta impregnati con la resina.

1 5 Taglio e disposizione della rete di drenaggio:.

Il passo successivo è tagliare due strisce di rete di drenaggio in polietilene[Fig 1- e)], dello spessore di 1,1 mm e del peso di 105 g/m2, che avranno una lunghezza di 10cm ed una larghezza pari a 15 cm Le strisce di rete di drenaggio vanno applicate al margine superiore ed inferiore dello stampo al di sopra dei tessuti e del tessuto distaccante. Esse avranno il compito di facilitare la velocità di scorrimento della resina e permettere una buona aerazione.

1.6Taglio e disposizione del tubo di scorrimento a spirale:

Si taglino a questo punto due sezioni da 15cm ciascuna di un tubo in Pvc a spirale[Fig 1- f )] che faciliterà il fluire della resina all'interno dello stampo

Si applichino a questo punto le due sezioni di tubo a spirale al centro di ambedue le sezioni di rete di drenaggio,

1.7 Posizionamento dei connettori in silicone :

Una volta disposti i tubi a spirale vi si posizioni sopra un connettore in silicone[Fig,1- g)] attraverso la scanalatura presente sul fondo questi, e li si assicuri con del nastro adesivo in polietilene.

1.8 Applicazione del nastro in mastice :

La fase seguente è l'applicazione di un nastro in mastice adesivo sigillante[Fig.1- h )] delle dimensioni di 3mmX12mm, lungo i bordi dello stampo

1.9 Taglio e applicazione del sacco da vuoto:

Fatto ciò, si tagli un sacco da vuoto in nylon [Fig.1 - i )]deilo spessore di 0.050mm / 50um e con una Resistenza a Trazione minima di 55 MPa, eccedendo di 20 cm per ogni lato rispetto alle dimensioni dello stampo utilizzato.

Il sacco da vuoto va applicato sopra il nastro di mastice avendo cura di far combaciare i bordi del sacco con il nastro di mastice. Si preme con forza sopra il mastice lungo tutti i bordi per farlo aderire al sacco da vuoto per evitare possibili perdite d’aria .

1- 10 Taglio e applicazione dei tubi per infusione:

Si tagliano a questo punto tre sezioni di minimo 50cm di lunghezza ciascuno, di un tubo trasparente in PVC[Fig.1- I )] del diametro di 6mm.

Ai lati superiore ed inferiore dello stampo, esattamente in corrispondenza dei connettori in silicone, si praticano due fori sul sacco da vuoto facendovi passare l'estremità del tubo per una lunghezza di 1,5cm ed avendo cura di inserire questa estremità negli appositi fori presenti al di sopra di ogni connettore. Una volta inseriti i tubi e connettori si tagliano due strisce da 5cm di nastro di mastice e li si fa girare attorno alla giunzione tra tubi e sacco da vuoto, per evitare fuoriuscite di aria dagli interstizi.

1.11 Collegamento alia camera di raccolta:

La fase successiva è il collegamento del sacco da vuoto alla camera di raccolta[Fig.1- m )], nella quale finirà la resina in eccesso alla fine del processo di infusione. Si prenda l'estremità di una delle due sezioni di tubo in PVC precedentemente collegate ai connettori e al sacco da vuoto, e la si inserisca nell'apposito ugello sulla parte superiore camera di raccolta, riconoscibile dalla presenza di una guarnizione in gomma isolante

1.12 Collegamento alla pompa da vuoto:

Si prenda a questo punto la restante sezione di tubo in Pvc inserendone un’estremità nellugello rimanente sulla sommità della camera di raccolta, e l'altra nel connettore in ottone presente sulla pompa da vuoto[Fig.1- n )]. Questa deve essere una pompa da vuoto bistadio, con una capacità di aspirazione di minimo 42.5l/m capace di erogare una potenza minima di 185Kw ed un voltaggio di 110/220V -50/60hz,

Una volta collegato il tubo alla pompa da vuoto , il tubo all'altra estremità dello stampo va chiusa con un morsetto che deve essere stretto attorno al tubo in pvc.

1.13 Prova del vuoto:

A questo punto si effettua la prova di vuoto : si accende la pompa e si aspetta che essa risucchi tutta l'aria dal sacco. Se la lancetta dei vuotometri[Fig.1- o )] che si trovano sia sulla pompa da vuoto che sulla camera di raccolta scende fino ai 0,003 mbar di pressione, allora il sacco è perfettamente sigillato, in caso contrario si prema lungo i bordi del mastice fino a che il vuotometro non scenda al valore sopraindicato.

1 J4Preparazione della resina

Una volta che tutte le operazioni sopraindicate sono state svolte, si passa alla preparazione della resina che dovrà essere versata in un apposito recipiente[Fig.1- p }] di metallo o PVC. La quantità varia a seconda delle dimensioni dello stampo mantenendo una proporzione di un litro di resina per ogni 0,5mq di stampo. Alla resina viene aggiunto un indurente a cura lenta con un rapporto di miscelazione per peso di 100:48 Resina e indurente devono essere miscelati manualmente per cinque minuti con l'ausilio di uno stecco di legno piatto. La resina cosi miscelata ha le seguenti proprietà, una viscosità ad una temperatura di esercizio di 25‘C di 4000 mPa*s, secondo il Sistema Internazionale; un tempo di gelificazione di 150g ogni 50 minuti, un ciclo di cura di 7 giorni a 25°C; Una volta miscelata, la resina deve essere fatta riposare per un minimo di 10 minuti per permetterne la degassazione favorendo l’eliminazione di bolle d’aria dalla resina miscelata

Fatto ciò, si inserisce il tubo di PVC da 6mm rimasto, all'interno del recipiente in cui è contenuta la resina, assicurandolo tramite del nastro adesivo in polipropilene

1 15Impregnazione dei tessuti:

L'ultima fase è quella dell'impregnazione dei tessuti tramite il differenziale di pressione. Si applica la corrente alla pompa da vuoto e la si accende. Si rimuove il morsetto dal tubo connesso al recipiente della resina e si lascia fluire la resina attraverso i tessuti verificandone di continuo lo stato di avanzamento. Una volta che la resina fluirà attraverso tutto lo stampo impregnando i tessuti, sì applica nuovamente il morsetto al tubo connesso alla resina e si spegne la pompa da vuoto.

Si lascia cosi indurire la resina per 2 giorni Una volta lasciata indurire per il tempo preposto si rimuovono i tubi dallo stampo e si staccano sacco da vuoto, rete di drenaggio e tessuto distaccante lasciando cosi i tessuti impregnati ed asciutti. A questo punto è possibile rimuovere il composito così ottenuto dallo stampo concludendo il processo produttivo.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Materiale composito sandwich caraterizzato da! fatto di essere costituito da uno o più strati di tessuto in fibre naturali e tessuto-non tessuto di fibre di pelo animale alternati, comprendente: a) un rinforzo basato su un tessuto di fibre naturali o derivate da biomassa selezionati tra: -fibre vegetali, come lino, agave sisalana, kenaf, juta, ramiè, fibre di bamboo o derivanti dalla sua lavorazione - le fibre cellulosiche derivanti da biomassa, come fibre di viscosa e miscele di tali fibre, dette fibre usate come monocomponente o miscelate tra loro o mescolati per combinare le proprietà specifiche delle fibre tra loro e b)un rinforzo interno da applicarsi tra gli strati di fibre vegetali a base di feltro di fibre di pelo animale e c) una resina matrice naturale o sintetica che rappresenta tra il 10 e il 70% in peso del peso totale del composito 2. Materiale composito sandwich secondo la rivendicazione 1 comprendente : a) un tessuto-tessuto di rinforzo in fibre vegetali naturali o ricavate da biomassa, con armatura del tessuto selezionate tra : -tela, basket, panama, saia, saia da 4, twill 2/2, twill 3/1, batavia da 4 , raso turco e raso da 8 b) e C ) un tessuto non-tessuto in fibre di pelo animale sottoforma di feltro, come materiale sandwich riempitivo 3. L'utilizzo del composito secondo le rivendicazioni 1 e 2, per la produzione di materiali industriali o oggetti che possono essere utilizzati nell'industria, nell' industria automobilistica, nautica, nell' industria aeronautica, nell'industria dello sport e del tempo libero, in edilizia e per la fabbricazione di apparecchiature e componenti.