ITTO20120878A1 - Sistema e metodo per la misurazione dell'umidita' assorbita in un materiale composito - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: “Sistema e metodo per la misurazione dell’umidità assorbita in un materiale compositoâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale alle tecniche per la misurazione dell’umidità assorbita nei materiali compositi aventi una matrice polimerica.

Come à ̈ noto, i materiali polimerici hanno una struttura macromolecolare, cioà ̈ caratterizzata da lunghe catene polimeriche, con capacità di mobilità relativa variabile in funzione della struttura stessa, ma in tutti i casi tale da consentire l’accesso di molecole di sostanze a più basso peso molecolare, che si inseriscono fra le macromolecole formando una vera e propria soluzione.

Ovviamente la quantità di tali sostanze dipende dalla natura molecolare del polimero e del materiale a basso peso molecolare. Anche l’interazione può essere di tipo chimico e/o fisico.

L’interazione chimica, per alcune sostanze chimicamente più aggressive, come acidi e/o alcuni solventi organici, può portare ad una modifica del polimero stesso, ed in alcuni casi ad una vera e propria dissoluzione. L’interazione fisica à ̈ invece legata ad una miscelazione di tipo sostanzialmente reversibile; si crea una soluzione fra polimero e sostanza a basso peso molecolare, con caratteristiche fisiche modificate rispetto al polimero puro. Trattandosi di sostanze a basso peso molecolare, hanno generalmente un effetto di favorire i movimenti relativi fra le macromolecole, producendo generalmente un abbassamento della temperatura di transizione vetrosa (Tg); da un punto di vista meccanico si abbassano generalmente i valori di sforzo di scorrimento plastico σy(a trazione) e Ï„y(a taglio), e si abbassano generalmente i moduli elastici E (modulo elastico a trazione, o di Young), ed il modulo elastico di taglio (G). L’insieme di tutti questi effetti à ̈ detto generalmente “plasticizzazione†.

La plasticizzazione dipende dalla natura del polimero e della sostanza a basso peso molecolare disciolta, nonché dalla quantità di tale sostanza.

Fra le sostanze plasticizzanti ci sono i solventi organici (per esempio: MEK, metanolo, etanolo, esano, acetone), e c’à ̈ anche l’acqua. Se il polimero à ̈ immerso nel liquido plasticizzante, tende ad assorbirlo, e ne assorbe una certa quantità, in un tempo che dipende dalla velocità di diffusione di tale sostanza nel polimero. Quando si raggiunge una situazione di equilibrio, cioà ̈ tale da non avere ulteriore ingresso del plasticizzante nel polimero (in realtà, a livello molecolare, si equivale il numero di molecole entranti con quelle uscenti), si dice che si à ̈ raggiunto il contenuto di “saturazione†di plasticizzante, che dipende dalla natura chimica del polimero e del plasticizzante, e può dipendere dalla temperatura.

Quando il polimero à ̈ immerso in un ambiente in cui à ̈ presente parzialmente il plasticizzante, la quantità di saturazione à ̈ funzione della percentuale di plasticizzante presente nell’ambiente; più precisamente in termini termodinamici si parla di attività del plasticizzante. Nel caso di miscele gassose l’attività à ̈ legata alla pressione parziale; detta x la frazione volumetrica del plasticizzante, la pressione parziale à ̈ pari a x·Ï€, dove Ï€ à ̈ la pressione della miscela. Nel caso di acqua dispersa in aria in forma gassosa, quando c’à ̈ equilibrio fra l’acqua gassosa e l’acqua liquida l’attività dell’acqua gassosa à ̈ pari a quella dell’acqua liquida. In questo caso si dice che l’ambiente à ̈ saturo di acqua e l’umidità relativa à ̈ pari al 100%, e la pressione parziale dell’acqua in fase gassosa à ̈ pari alla tensione di vapore dell’acqua liquida alla stessa temperatura.

Per polimeri esposti ad ambienti con presenza di acqua c’à ̈, con buona approssimazione, un rapporto di linearità fra l’umidità relativa e la quantità di acqua percentuale assorbita dal polimero a saturazione.

Per quanto riguarda invece la variabilità di acqua assorbita in funzione della temperatura, generalmente la dipendenza rispetto alla temperatura non à ̈ molto elevata; per le resine epossidiche utilizzate come matrici per compositi strutturali in aeronautica, la percentuale di acqua assorbita a saturazione dalla resina immersa in acqua (o equivalentemente in aria umida al 100% di umidità) varia secondo il tipo di resine. Espressa come ∆peso/peso varia tipicamente dall’1 al 3%, ed à ̈ quasi costante, a parità di resina, nel range di temperature da 25° a 80°C [1, 2].

La velocità con cui nei diversi ambienti si raggiunge la saturazione à ̈ invece controllata dalla diffusione dell’acqua all’interno del polimero, e quindi funzione del coefficiente di diffusione, che ha una dipendenza di tipo esponenziale dalla temperatura. L’integrazione della legge diffusiva porta ad individuare una dipendenza di tipo quadratico del tempo di saturazione dallo spessore.

Tutto quanto affermato porta alla considerazione che i materiali polimerici, così come per esempio la matrice dei compositi a matrice polimerica, sono esposti ad assorbire nel tempo acqua atmosferica, in misura dipendente dalle condizioni atmosferiche di esercizio. Data la variabilità delle condizioni, bisogna considerare conservativamente le condizioni più sfavorevoli, che per le applicazioni aeronautiche sono state concordate essere di 28°C e 85% di umidità relativa per l’intera vita del velivolo (tipicamente 30 anni). Ciò comporta per la maggior parte delle strutture in composito l’ipotesi di assumere una saturazione nella misura almeno dell’85% ai fini certificativi [3].

Per quanto riguarda le temperature, generalmente la temperatura minima (in quota) Ã ̈ di -55°C, quella massima (al suolo, esposizione solare inten sa) Ã ̈ di 80°C.

Per quanto detto sulla plasticizzazione, l’effetto dell’alta temperatura agisce nella stessa direzione dell’assorbimento di umidità; pertanto la certificazione dei materiali e delle strutture viene fatta valutando il materiale ad alta temperatura e dopo assorbimento di umidità (condizione “hot wet†), ed a bassa temperatura generalmente senza assorbimento di umidità (condizione “cold dry†).

La necessità di aggiungere queste condizioni ai piani di certificazione aeronautica, già molto onerosi per le prove meccaniche a temperatura ambiente (che comunque riguardano provini, dettagli, elementi, subcomponenti e componenti completi), à ̈ molto costosa in termini di attività sperimentale addizionale (anche per l’esposizione dei campioni di prova) e di tempo. Infatti, per quanto si à ̈ detto, l’assorbimento à ̈ molto lento, e simulare un assorbimento di trenta anni a temperatura ambiente richiede diversi mesi anche ricorrendo ad invecchiamento accelerato (ad alta temperatura).

Per quanto si à ̈ detto precedentemente, la quantità di umidità che à ̈ contenuta tipicamente nelle strutture aeronautiche in composito à ̈ molto variabile, ed à ̈ anche abbastanza raro che raggiunga i valori di equilibrio con un ambiente ad alta percentuale di umidità. Questo perché tipicamente l’umidità non à ̈ così alta, e perché nelle condizioni di sosta del velivolo sotto il sole si determina un riscaldamento delle parti irradiate che le porta ad una temperatura superiore a quelle dell’ambiente, con effetto di desorbimento accelerato dal riscaldamento. Pertanto, se fosse possibile una misura diretta dell’umidità contenuta nel composito, tipicamente espressa come ∆peso/peso, sarebbe ipotizzabile una certificazione delle strutture in condizioni non wet (per esempio al 50% di saturazione, condizione nota come “ambient†), salvo verifica periodica sulla struttura di aereo in composito monitorata che tale percentuale non sia superata. Allo stato attuale della conoscenza però non c’à ̈ un metodo noto di misurazione diretta della quantità di umidità. In realtà un metodo molto semplice e comunemente utilizzato in laboratorio à ̈ quello di pesare le parti che hanno assorbito umidità e poi ripesarle dopo un desorbimento in ambiente secco ad alta temperatura (per esempio un forno a circa 80°C), ma questo metodo, che dà un valore medio sull’intero spessore del composito, non à ̈ ovviamente applicabile a parti aeronautiche in servizio. Sono anche state sperimentate metodologie basate sulla misura della conducibilità o delle proprietà dielettriche, o anche basate sulla spettrometria infrarossa, ma i risultati quantitativi ottenuti non sono soddisfacenti, soprattutto perché la presenza delle fibre di carbonio rende tutte le proprietà associate alla resina molto più difficili da leggere; per esempio, in un composito la conducibilità termica o elettrica dipende principalmente dalle fibre, e lievi variazioni della conducibilità della resina hanno un effetto molto limitato sulla conducibilità del composito. Per quanto riguarda la spettrometria, à ̈ difficile ottenere valutazioni quantitative sulla presenza di acqua da uno spettro ottenuto su resina polimerizzata, soprattutto in presenza di fibre di rinforzo.

Invece l’umidità si può misurare con una buona precisione in aria, con metodi standardizzati come quello legato alla deformazione di una sostanza igrometrica (per esempio un capello), o alla lettura comparata della temperatura di bulbo umido e di bulbo secco, o (più recentemente) con un sensore di umidità capacitivo, ossia un condensatore che cambia la sua capacità in funzione dell’umidità dell’aria fra le armature (o piastre) affacciate.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di rendere disponibile un sistema per la misurazione dell’umidità interna di materiale composito, che possa dare la possibilità di misurare in servizio l’umidità assorbita. Un tale sistema consentirebbe la certificazione delle strutture in condizioni più vantaggiose di quelle wet, con la sola condizione di una verifica periodica dell’umidità in servizio e, nel caso (improbabile) di superamento del livello di umidità stabilito per la certificazione, di un intervento di deumidificazione in ambiente caldo o con riscaldamento locale.

Ciò comporterebbe a sua volta dei vantaggi di risparmio di peso della struttura, in quanto sarebbero utilizzati valori ammissibili (cioà ̈ le proprietà del materiale utilizzate per la progettazione) in condizioni più vantaggiose di quelle wet, e quindi più alti. Più precisamente, ad un incremento percentuale x% della proprietà dimensionante corrisponde una diminuzione di peso nella stessa misura. La diminuzione di peso comporta anche un equivalente risparmio sul costo del materiale utilizzato (incluso il costo di fabbricazione ricorrente, proporzionale alla quantità di materiale utilizzato). Infine la possibilità di certificazione in condizioni “dry†comporta anche una semplificazione ed un conseguente risparmio sul processo di certificazione delle strutture in composito, con significativa riduzione dei costi non ricorrenti di realizzazione di un nuovo velivolo, in particolare per la possibilità di certificare le strutture senza realizzare prove in condizioni wet né a livello di provini, né di sottocomponenti e componenti.

Secondo la presente invenzione lo scopo suddetto à ̈ raggiunto grazie ad un sistema per la misurazione dell’umidità assorbita in un materiale composito, includente

un articolo di materiale composito comprendente una pluralità di strati di materiale intimamente legati fra loro per mezzo di pressione e calore, in cui ciascuno strato di materiale à ̈ formato da una matrice di resina rinforzata con un materiale in fibre,

un inserto annegato in detto materiale composito, il quale à ̈ disposto in una zona di interfaccia fra un primo ed un secondo di detti strati di materiale, e nel quale à ̈ ricavata almeno una cavità fluidicamente comunicante con detti primo e secondo strato di materiale, ed

un sensore di umidità ambientale disposto all’interno di detta cavità, ed atto a fornire un segnale indicativo del contenuto di umidità nell’atmosfera presente all’interno di detta cavità.

Forma inoltre oggetto dell’invenzione un metodo per la misurazione dell’umidità assorbita in un materiale composito, includente i seguenti passi: predisporre un articolo di materiale composito comprendente una pluralità di strati di materiale intimamente legati fra loro per mezzo di pressione e calore, in cui ciascuno strato di materiale à ̈ formato da una matrice di resina rinforzata con un materiale in fibre, ed un inserto annegato in detto materiale composito, il quale à ̈ disposto in una zona di interfaccia fra un primo ed un secondo di detti strati di materiale, e nel quale à ̈ ricavata almeno una cavità, fluidicamente comunicante con detti primo e secondo strato di materiale, un sensore di umidità ambientale essendo disposto all’interno di detta cavità,

rendere disponibile, mediante detto sensore di umidità ambientale, un segnale indicativo del contenuto di umidità nell’atmosfera presente all’interno di detta cavità, e

determinare il contenuto di umidità assorbita nel materiale composito alla profondità di detta zona di interfaccia in funzione del contenuto di umidità presente all’interno di detta cavità.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Il concetto su cui si basa l’invenzione à ̈ quello di creare all’interno delle parti in composito di cui si vuole misurare l’umidità uno spazio libero dal composito, che sia però a contatto con il composito stesso. Tale spazio libero viene progressivamente riempito da aria per porosità e diffusione, e contenente una quantità di umidità in equilibrio, o che si porta rapidamente in equilibrio, con le superfici degli strati di materiale a contatto con lo spazio suddetto. Pertanto, con una misura di umidità in fase gassosa realizzata con un dispositivo di misurazione dell’umidità à ̈ possibile determinare, mediante calcoli convenzionali, l’umidità assorbita negli strati adiacenti di materiale composito.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento al disegno allegato che mostra schematicamente un esempio di sistema per la misurazione dell’umidità assorbita in un materiale composito secondo l'invenzione.

Nella figura 1 à ̈ rappresentato un articolo 1 di materiale composito, quale ad esempio un pannello, il quale può costituire ad esempio un componente collocato a bordo di un aeromobile, come un pannello di fusoliera. L’articolo 1 comprende, in modo di per sé noto, una pluralità di strati di materiale 11, 12 intimamente legati fra loro per mezzo di pressione e calore (due soli strati essendo per semplicità rappresentati in figura), in cui ciascuno strato di materiale à ̈ formato da una matrice di resina rinforzata con un materiale in fibre. La matrice polimerica può essere termoplastica o termoindurente, ed à ̈ rinforzata con fibre, in particolare fibre lunghe, ad esempio di carbonio o di vetro o di kevlar.

È previsto un inserto 13 annegato nel materiale composito, il quale à ̈ disposto in una zona di interfaccia 15 fra due dei suddetti strati di materiale. All’interno dell’inserto 13 à ̈ ricavata almeno una cavità 17, fluidicamente comunicante con gli strati di materiale 11, 12 fra i quali l’inserto 13 à ̈ interposto.

Preferibilmente, l’inserto 13 presenta una struttura a nido d’ape, ad esempio di materiale metallico o polimerico (aramidico), in cui la cavità 17 suddetta à ̈ formata da una o più celle della struttura a nido d’ape.

Una caratteristica importante della struttura a nido d’ape consiste nel fatto che essa consente la realizzazione di un volume interno non separato dal composito, cosa che non sarebbe possibile se per esempio si utilizzasse un elemento scatolare chiuso; inoltre, se il nido d’ape à ̈ dimensionato in modo corretto, previene lo schiacciamento del volume interno durante la fase di polimerizzazione degli strati di materiale. L’inserto 13 può essere di dimensioni ridotte; ad esempio, può avere uno spessore di 1/4†(circa 6 mm), e dimensioni in pianta 50 x 50 mm. Esso à ̈ inoltre vantaggiosamente rastremato lungo il suo bordo periferico. L’invenzione non à ̈ tuttavia limitata ad una specifica struttura e forma dell’inserto 13, purché quest’ultimo sia in grado di mantenere una cavità a contatto con il materiale composito.

Un sensore di umidità ambientale 20 à ̈ disposto all’interno della cavità 17. Tale sensore à ̈ atto a fornire un segnale indicativo del contenuto di umi dità nell’atmosfera presente all’interno della cavità 17.

Un’unità di elaborazione 30 à ̈ operativamente collegata con il sensore di umidità ambientale 20, ad esempio mediante cavo elettrico, fibra ottica o connessione wireless. L’unità di elaborazione 30 legge il segnale proveniente dal sensore 20 e determina il contenuto di umidità assorbita nel materiale composito in funzione del contenuto di umidità presente all’interno della cavità 17.

Come sopra anticipato, il concetto su cui si basa l’invenzione à ̈ quello di creare all’interno delle parti in composito di cui si vuole misurare l’umidità uno spazio libero dal composito, che sia però a contatto con il composito stesso. L’utilizzo dell’inserto consente la realizzazione di una zona “vuota†, che in realtà viene progressivamente riempita da aria per porosità e diffusione, e che contiene una quantità di umidità in equilibrio, o che si porta rapidamente in equilibrio, con le superfici 11a, 12a degli strati adiacenti 11 e 12. Si osservi che le superfici in oggetto, per come à ̈ realizzata la zona sandwich, sono la prosecuzione delle superfici complessive di interfaccia degli strati 11 e 12 del solido laminato. La quantità di acqua in termini di peso contenuta in fase gassosa nella zona sandwich à ̈ molto bassa, confrontata con quella contenuta nel solido laminato. Facendo un esempio numerico, considerando un composito a 25°C che abbia un contenuto percentuale a saturazione ∆peso/peso = 2%, e considerando uno spessore di una zona vuota inserita di 6 mm, in cui l’aria à ̈ satura di acqua (in quanto in equilibrio con una superficie a sua volta satura), la pressione parziale dell’acqua à ̈ pari alla tensione di vapore a 25°C, cioà ̈ 0,0313 atm. Con semplici calcoli basati sulla legge di Avogadro si arriva alla conclusione che la quantità di acqua contenuta in uno spessore di 6 mm à ̈ equivalente a quella contenuta in 0,004 mm di composito, e quindi la variazione equivalente di spessore dovuta dall’aggiunta del vuoto nell’inserto à ̈ praticamente trascurabile. Per quanto riguarda la quantità d’acqua contenuta nel nido d’ape, che ha tipicamente una densità di circa 0,05 g/cc, in 6 mm di spessore di nido d’ape à ̈ circa equivalente a quella contenuta in 0,2 mm di composito, quindi circa equivalente ad uno strato di composito addizionale. Bisogna anche tener conto del fatto che l’ispessimento dovuto alla presenza dell’inserto non interessa l’intera struttura, ma una superficie molto limitata di essa (purché sufficiente a contenere il sensore). Con tutte queste considerazioni, si può concludere che la percentuale di umidità contenuta sulle superfici 11a e 12a à ̈ praticamente uguale a quella contenuta nella parte restante delle superfici complessive di interfaccia degli strati 11, 12 del laminato [4].

Pertanto, una misura di umidità in fase gassosa realizzata con il sensore di umidità ambientale 20 à ̈ direttamente correlabile all’umidità assorbita alla profondità dell’interfaccia fra gli strati 11 e 12 del pannello (nel seguito, “interfaccia 11-12†) in corrispondenza della quale à ̈ posizionato il sensore 20; più precisamente l’umidità assorbita dal pannello in fase solida alla profondità dell’interfaccia 11-12 à ̈ pari a quella assorbita dal composito a saturazione in ambiente al 100% di umidità relativa, espressa come ∆peso/peso * umidità percentuale, moltiplicata per l’umidità relativa misurata nella zona dell’inserto. Facendo un esempio numerico, se à ̈ 2% il valore ∆peso/peso di acqua di un composito in ambiente saturo di acqua all’equilibrio, se il sensore 20 misura 50% di umidità relativa, vuol dire che l’assorbimento di acqua nel composito alla profondità dell’interfaccia 11-12 ∆peso/peso à ̈ 2% * 50/100 = 1%.

Vantaggiosamente, à ̈ anche pensabile l’uso di cavità con sensori posizionate a diversi punti dello spessore del materiale composito per rilevare un profilo di umidità all’interno del materiale composito. Per situazioni in cui a parità di profondità à ̈ possibile che l’umidità assorbita vari in funzione della posizione sulla superficie, à ̈ pensabile di posizionare cavità con sensori anche in differenti posizioni topologiche delle superfici di interfaccia del materiale composito.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Riferimenti bibliografici

1. G. Mensitieri/M. Iannone, "Modeling accelerate ageing in polymer composites", Chapter 9 of: "Ageing of Composites" Woodhead Publishing Limited, September 2008

2. M. Iannone – Composite Materials for Aeronautical Applications in Encyclopedia of Composites, John Wiley and Sons, second edition (2012)

3. J. Rouchon, “Certification of large airplane composite structures, recent progress and new trends in compliance philosophy†, 17th ICAS Congress, Stockholm, 1990

4. D. Larobina, G. Mensitieri, A. Aldi, E. Calvi, M. Iannone, F. Manzi and L. Nicolais, “An Integrated Approach to Analyze Long-term Moisture Transport in Honeycomb-core Sandwich Panels†, Journal of Composite Materials, Vol. 44, No. 21/2010 2473-2486

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per la misurazione dell’umidità assorbita in un materiale composito, caratterizzato dal fatto di includere: un articolo (1) di materiale composito comprendente una pluralità di strati di materiale intimamente legati fra loro per mezzo di pressione e calore, in cui ciascuno strato di materiale à ̈ formato da una matrice di resina rinforzata con un materiale in fibre, un inserto (13) annegato in detto materiale composito, il quale à ̈ disposto in una zona di interfaccia (15) fra un primo ed un secondo (11, 12) di detti strati di materiale, e nel quale à ̈ ricavata almeno una cavità (17), fluidicamente comunicante con detti primo e secondo strato di materiale, ed un sensore di umidità ambientale (20) disposto all’interno di detta cavità, ed atto a fornire un segnale indicativo del contenuto di umidità nell’atmosfera presente all’interno di detta cavità.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto inserto presenta una struttura a nido d’ape, detta cavità essendo costi tuita da una o più celle della struttura a nido d’ape.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un’unità di elaborazione (30) operativamente collegata con detto sensore di umidità ambientale, ed atta a determinare il contenuto di umidità assorbita nel materiale composito alla profondità di detta zona di interfaccia, in funzione del contenuto di umidità presente all’interno di detta cavità.
4. 4. Metodo per la misurazione dell’umidità assorbita in un materiale composito, caratterizzato dal fatto di includere i seguenti passi: predisporre un articolo (1) di materiale composito comprendente una pluralità di strati di materiale intimamente legati fra loro per mezzo di pressione e calore, in cui ciascuno strato di materiale à ̈ formato da una matrice di resina rinforzata con un materiale in fibre, ed un inserto (13) annegato in detto materiale composito, il quale à ̈ disposto in una zona di interfaccia (15) fra un primo ed un secondo (11, 12) di detti strati di materiale, e nel quale à ̈ ricavata almeno una cavità (17), fluidicamente comunicante con detti primo e secondo strato di materiale, un sensore di umidità ambientale (20) essendo disposto all’interno di detta cavità, rendere disponibile, mediante detto sensore di umidità ambientale, un segnale indicativo del contenuto di umidità nell’atmosfera presente all’interno di detta cavità, e determinare il contenuto di umidità assorbita nel materiale composito alla profondità di detta zona di interfaccia, in funzione del contenuto di umidità presente all’interno di detta cavità.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto inserto presenta una struttura a nido d’ape, detta cavità essendo costituita da una o più celle della struttura a nido d’ape.