ITUB20154114A1 - Materiale composito per stampaggio a caldo - Google Patents

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Description

“Materiale composito per stampaggio a caldo”
DESCRIZIONE
L'invenzione si riferisce ad un materiale composito per stampaggio a caldo. In particolare il materiale è conveniente per stampare imbottiture, ad es. di caschi, o in genere cuscinetti per assorbire gli urti.
È noto, ad es. da WO2012140473 o EP0585965, un materiale composito che grazie al fatto di contenere microsfere sintetiche cave può essere usato vantaggiosamente per molti impieghi. EP0585965 lo sfrutta per alleggerire il prodotto finale, mentre WO2012140473 ne sfrutta le caratteristiche espandenti durante lo stampaggio per meglio copiare la cavità dello stampo.
Tuttavia il materiale non è senza inconvenienti.
Un primo problema è che il materiale è altamente idrofilo. La sua porosità intrinseca consente all’acqua di penetrare e ristagnare in tutto il suo volume, spesso con conseguenze sfavorevoli. Si pensi ad es. al materiale quando forma l'imbottitura di un casco, che viene a contatto con sudore, pioggia o acqua di lavaggio. Se sottoposto ad alta temperatura (circa 80 °C) il materiale si gonfia fino a 20% del suo volume iniziale, rendendo il casco inutile. Basterebbe addirittura solo un lungo trasporto in container sotto il sole per creare le stesse condizioni di umidità e temperatura e lo stesso difetto dimensionale, che è evidentemente limitativo.
Una soluzione potrebbe essere rivestire il materiale stampato con uno strato impermeabilizzante. La via più pratica è spruzzare o spalmare il rivestimento, il quale ha però sempre un solvente che entra nel materiale e purtroppo si comporta di fatto come l’acqua che si vuole ostacolare: sostanzialmente il materiale si gonfia sotto la pressione del solvente.
Un secondo problema del materiale è la sua scarsa resistenza al fuoco. Non si tiene conto che le microsfere contengono gas infiammabile, pertanto la velocità complessiva di propagazione di fiamma è sempre sufficientemente alta da non superare gli attuali test di sicurezza. È evidente quanto sia limitativo questo difetto, e comporti immediatamente un divieto per molte applicazioni del materiale altrimenti vantaggiosissime. Per questo materiale, e per tutti gli altri suoi equivalenti come ad es. il polistirolo, l’attuale soluzione anti-incendio è rivestirlo con uno strato ignifugo o levarlo del tutto.
Nonostante la pericolosità al fuoco, le microsfere trovano applicazione in svariati settori, Ad es. US7563485 descrive la produzione di una lenza così leggera da farla galleggiare sull’acqua. Essa ha un rivestimento esterno fatto di PVC Plastisol con dentro disperse delle microsfere non espanse, al solo scopo di farle espandere durante la cottura e diminuire la densità complessiva della lenza. US7563485 non descrive l’uso di particelle espanse.
In somma, manca nella tecnica un materiale del tipo suddetto che sia resistente al fuoco e/o indifferente all’acqua.
Scopo principale dell'invenzione è proporre un materiale del suddetto genere che abbia una o più di queste vantaggiose caratteristiche.
Il materiale base da stampare è preferibilmente composto in peso dal 20-50% di particelle espanse e l’80-50% di particelle non espanse, le particelle essendo in materiale plastico, di forma chiusa, cave e ripiene di gas (infiammabile). Questi valori garantiscono prestazioni e peso vantaggiosi e adatti alle applicazioni, particolare gli ottimi risultati di assorbimento di impatto e leggerezza. Le particelle espanse sono essenziali per l’invenzione, e fungono da legante o filler per le altre particelle non espanse.
Infatti le particelle espanse sono l’elemento riempitivo (filler) e fungono da legante impedendo che le altre particelle espandibili (non ancora espanse), che sono più pesanti, precipitino per gravità sul fondo dello stampo e si addensino. Invece così le particelle espanse mantengono sospese in tutto il materiale e in modo uniforme le particelle espandenti. Ecco perché la presenza di sferette espanse e non espanse garantisce l'omogeneità della densità dell'intero pezzo garantendo l'uniformità delle prestazioni meccaniche.
Le particelle hanno generalmente forma sferica e sono molto piccole (10-40 μπη di diametro). Si noti però che la dimensione non è essenziale.
Come particelle si possono usare delle microsfere plastiche, riempite di gas.
Un vantaggio del materiale è che conferisce al prodotto stampato memoria di forma. Quando il prodotto subisce una deformazione, le sferette espanse e non espanse si comprimono o dilatano nella sua massa. Grazie all'elasticità delle sferette, quando la sollecitazione cessa ogni sferetta torna al suo stato originale, e di conseguenza il materiale riacquista la forma di partenza. Si noti anche che il prodotto stampato reagisce ad una seconda deformazione nello stesso modo come alla prima, con ovvi vantaggi di sicurezza e ripetibilità della risposta ad un urto. Un altro vantaggio del materiale è avere una densità inferiore a quella dell’EPS. Si possono allora realizzare oggetti più leggeri a parità di volume, o elevare le capacità ammortizzatici a parità di volume.
Per risolvere il primo problema, secondo un primo aspetto dell’invenzione al materiale base si può aggiungere prima dello stampaggio un elastomero liquido. I vantaggi dell’elastomero liquido sono di: poter amalgamare tutte le microsfere prima dello stampaggio ottenendo una sorta di pasta in cui esse sono, dopo mescolamento, disperse o disperdibili omogeneamente. Rivestendo ogni particella si ha la garanzia che il materiale sia omogeneo e si crea una pellicola protettiva in tutto il materiale contro l’ingresso dell’umidità, che lo renderebbe fragile. Un elastomero in polvere tallirebbe in questo senso, impedendo lo stampaggio; perchè non andrebbe a rivestire tutte le particelle ma si posizionerebbe tra esse, e tenderebbe a concentrarsi sul fondo dello stampo. L’elastomero liquido dà la garanzia di rivestimento totale, la polvere no. L’elastomero aumenta la resistenza del materiale, che senza è fragile;
conferire impermeabilità e flessibilità al materiale;
poter conferire un colore desiderato al prodotto stampato;
rivestire tutta una particella con quantità minima di elastomero;
isolare dopo lo stampaggio il materiale base dall’acqua, evitando infiltrazioni e risolvendo così il primo problema;
formare una matrice che ingloba il materiale base in essa disperso, così da neutralizzare l’intrinseca fragilità del materiale base stampato da solo;
conferire proprietà anti-fiamma al prodotto stampato, mitigando anche il secondo problema.
L’elastomero può essere atomizzato e nebulizzato sopra le particelle, per poterle bagnare tutte e uniformemente.
Come elastomero liquido si può usare
- preferibilmente PVC liquido (PVC in polvere un plastificante, ad es. plastisol@), che ha il vantaggio di non contenere acqua e di reticolare formando uno stampato solido e compatto). Per plastificante si intende un plastificante per materie plastiche, una sostanza aggiunta al materiale per diminuire la rigidità del polimero in modo da consentirne la lavorazione a temperatura ambiente o a temperature sufficientemente basse tali da non rischiare la degradazione termica del polimero durante la lavorazione. Come plastificante si può usare: fosfati organici, esteri organici dell'acido fosforico, ftalati, adipati, sebacati, esteri degli acidi grassi, esteri dell'acido adipico, dell'acido sebacico e di altri acidi grassi, esteri della glicerina.
- un poliuretano, ad es. tipo Cellasto® o Elastollan@ della ditta BASF. Il criterio di scelta è il rapporto viscoelastico e la durezza dopo stampaggio, facendo attenzione alla sua scarsa stabilità in temperatura (una finestra di circa 20 gradi centigradi);
- caucciù o gomma, facendo però attenzione al loro contenuto d’acqua, essendo emulsioni;
- un silicone, ad es. BLUESIL@ della ditta Bluestar. Il criterio di scelta è il rapporto viscoelastico e la durezza dopo stampaggio, facendo però attenzione alla scarsa tendenza di far espandere le microsfere durante lo stampaggio.
E’ preferibile che l’elastomero consenta alle microsfere del materiale di espandere durante lo stampaggio, ed espanda con esse nello stesso modo (stessa velocità di cottura ed espansione). Il polimero è bene sia allora liquido o semi liquido fino al raffreddamento; questo comportamento è garantito dal PVC e in parte dal poliuretano.
Vantaggiosamente il materiale si può utilizzare come anima espandente nello stampaggio del materiale composito (ad es. carbonio o fibra di vetro, aramidica), perché non è soggetto a ritiro e quindi non permette al composito, a fine stampaggio, di ritirarsi. Quando il PVC si sta consolidando in via definitiva (gelificando) le microsfere in espansione stanno ancora spingendo il composito verso le pareti dello stampo, di fatto compensando la variazione di volume nel carbonio e quindi eliminandone i ritiri.
Una composizione in peso con buone caratteristiche nel materiale finale stampato è:
elastomero liquido, preferibilmente nella forma di plastificante e PVC in polvere: tra 50 e 95%;
microsfere espanse e non espanse: tra 5 e 50% (in cui la % di microsfere espanse e circa il 25% e la % delle non espanse è circa il restante 75%).
Col materiale dell'invenzione non c’è più assorbimento d’acqua, e pertanto non si ha più alcun rigonfiamento.
Per risolvere il secondo problema, secondo un secondo aspetto dell’invenzione al materiale base si può aggiungere prima dello stampaggio un elemento o sostanza anti-fiamma inorganico. L’elemento o sostanza anti-fiamma è selezionato vantaggiosamente inorganico per evitare affinità con le microsfere, in modo da lasciarle espandere liberamente senza rallentarne l’espansione e quindi non comprometterne le prestazioni. Se la sostanza antifiamma interagisse con le microsfere e/o si legasse alle microsfere, potrebbe venir meno la proprietà antifiamma.
Come elemento o sostanza anti-fiamma inorganico si può usare un fosfato e/o preferibilmente allumina tri-idrata, che si comporta bene con le microsfere a cottura ultimata. L’allumina tri-idrata quando si riscalda libera acqua che con una fiamma ne rallenta la propagazione.
Altri elementi utilizzabili sono quelli a base di boro o borati.
In generale per l’elemento o sostanza antifiamma si può usare
- una sostanza a base di alogeni, e/o
- una sostanza comprendente molecole in grado di liberare acqua durante la combustione (come l'allumina tri-idrata e derivati dell'acido borico).
Una composizione in peso risultata efficace è:
plastificante PVC: da 80 a 90 %, preferibilmente 84%,
microsfere espanse e non espanse: da 8 a 16%, preferibilmente 12% (in cui la % di microsfere espanse e circa il 25% e non la % delle espanse è il 75%),
sostanza antifiamma: da 2 a 6%, preferibilmente 4%.
Un tipico ciclo di stampaggio a caldo (cottura) per il materiale dell'invenzione è il seguente:
1. si deposita in uno stampo una quantità di materiale;
2. chiuso lo stampo, si porta il materiale a circa 180 °C per circa 2-5 minuti (la temperatura di cottura nello stampo può andare da 100 °C a 200 °C);
3. il materiale solidifica; in particolare il (plastificante PVC) gelifica;
4. si lascia raffreddare il materiale prima di estrarlo dallo stampo.
La temperatura di cottura va scelta in base alla velocità di espansione desiderata per le particelle (è proporzionale). Ad es. per lo stampaggio del composito si preferisce una temperatura verso il limite inferiore dell'intervallo, perché si attende la vulcanizzazione della resina che avviene più lentamente.
La velocità di fiamma per un materiale secondo l’invenzione è stata misurata sperimentalmente. Si passa da 160 mm/min di un materiale convenzionale a 70 mm/min.
Il materiale può comprendere sia la sostanza anti-fiamma sia l’elastomero liquido, per ottenere un materiale che risolve o mitiga contemporaneamente i due suddetti problemi.
Un terzo aspetto dell’invenzione si riferisce ad un’anima espandente inseribile in uno stampo per stampare un oggetto in materiale composito, ad es. comprendente carbonio, comprendente il, o costituita unicamente dal, materiale secondo una qualsiasi delle varianti precedenti,

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Materiale composito per stampare a caldo un oggetto, comprendente in peso: un materiale di base formato dal 20-50% di particelle espanse e Γ80-50% di particelle non espanse, le particelle essendo in materiale plastico, di forma chiusa, cave e ripiene di gas, e un elastomero liquido.
  2. 2. Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui l’elastomero liquido comprende o consiste in PVC liquido.
  3. 3. Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui l’elastomero liquido comprende o consiste in un poliuretano.
  4. 4. Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui l’elastomero liquido comprende o consiste in caucciù o gomma.
  5. 5. Materiale secondo la rivendicazione 1, in cui l’elastomero liquido comprende o consiste in silicone.
  6. 6. Materiale secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente una sostanza inorganica anti-fiamma.
  7. 7. Materiale secondo la rivendicazione 6, in cui la sostanza anti-fiamma comprende o consiste in un fosfato.
  8. 8. Materiale secondo la rivendicazione 6, in cui la sostanza anti-fiamma comprende o consiste in allumina tri-idrata.
  9. 9. Materiale secondo la rivendicazione 6, in cui la sostanza anti-fiamma comprende o consiste in un fosfato.
  10. 10. Anima espandente inseribile in uno stampo per stampare un oggetto in materiale composito, ad es. comprendente carbonio, comprendente il, o costituita unicamente dal, materiale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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