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sviluppo di materiali compositi rinforzati con fibre naturali per l

1. 4 4 4 4 La previsione delle propriet meccaniche dei 180 180 181 189 189 193 193 202 206 209 213 216 218 220 220 220 221 231 231 236 239 242 243 251 257 257 261 266 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE laminati i modelli adottati 4 4 4 5 Determinazione della conducibilit termica 4 4 5 Metodi progettazione dei pannelli sandwich con i laminati in COMPO AZZ INIFOGUZIONE ital 4 4 5 2 Maleriali clelia 4 4 5 3 Progetto e verifica strutturale dei pannelli 4 4 5 4 Analisi delle prestazioni termiche dei pannelli sandwich progettati A DRSNI e COMMEN errie ear 4 5 1 Caratterizzazione delle fibre densit e propriet a trazione 4 5 2 Effetto dei trattamenti superficiali applicati alle fibre 4 5 3 Caratterizzazione della resina densit propriet meccaniche a trazione e visco elastiche a flessione 4 5 4 Produzione dei laminati in composito 4 5 5 Caratterizzazione meccanica dei laminati in composito e confronto con i modelli previsionali 4 5 6 Determinazione della conducibilit termica dei laminati in COMposito Prodotta 4 5 Progettazione dei pannelli sandwich 4 6 ConclUsioni xii arnie
2. i 29 b FPrOva ditta zZiONG sesa adi ici 3 5 2 Il comportamento viscoelastico dei polimeri 3 5 2 1 Prove dinamo meccaniche 3 5 3 Prove di conducibilit termica annnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn CAPITOLO 4 PARTE SPERIMENTALE 4 1TINIIOGUZIONE 4 liana 42 ODEV en lied lano 4 3 Svilupppo del attivit di ricerca sperimentale 4 4 Materiali e metodi impiegati 4 4 1 Materiall EOT VE AN RTRT TI 4 4 1 1 Componente di rinforzo AA k AMIC ao 4 4 2 Metodi prove sui materiali base e sui compositi 4 4 2 1 Caratterizzazione delle fibre densit e propriet a ancona 4 4 2 2 Trattamenti superficiali applicati alle fibre 4 4 2 3 Caratterizzazione della resina densit propriet a trazione e visco elastiche a flessione 4 4 3 Metodi produzione dei compositi 4 4 3 1 Resin Transfer Molding 0 4 4 3 2 Bag Molding Hot Press Curing 4 4 4 Caratterizzazione dei compositi 4 4 4 1 Valutazione delle propriet fisiche 4 4 4 2 Valutazione delle propriet meccaniche a trazione 4 4 4 3 Valutazione delle propriet meccaniche viscoelastiche a flessione
3. Fig 4 84 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in Mat prodotti in RTM 312 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 100 90 80 70 60 50 E Vuoti 40 Resina 30 m Fibra 20 10 Fig 4 85 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in B607 prodotti in RTM 100 90 80 70 60 50 E Vuoti E Resina 30 m Fibra 20 10 0 Fig 4 86 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in B6240C prodotti in RTM Dai diagrammi appena esposti si evince che possibile aumentare la frazione volumetrica di fibra all interno del composito impiegando il processo RIM fino ad un limite variabile da circa il 25 per i laminati in Mat a circa il 44 e 46 rispettivamente per i laminati in B607 e B6240C 313 Tale limite sancito dalla limitata pressione di compattazione che pu essere esercitata all interno dello stampo e quindi sui tessuti agendo semplicemente sul serraggio dei bulloni che vincolano lo stampo al controstampo Un altra importante evidenza che con i tessuti non tessuti ad orientazione random nel piano non possibile raggiungere elevate frazioni volumetriche in fibra e comunque notevolmente inferiori a quelle raggiungibili con i tessuti di filati ritorni quali il B607 e il B6240C Il motivo risiede sia nella natura della fibra filato che nell organizzazione spaziale nel tessuto il filat
4. chutozan Fa cr Le Fig 1 8 Matrici polimeriche biodegradabili La precedente figura mostra che esistono molte alternative 20 21 22 Alcune matrici biodegradabili sono ottenute da prodotti petrolchimici standard quindi offrono i vantaggi di biodegradabilita ma si basano su materie prime non rinnovabili Le matrici ottenute da biomasse e microrganismi possono superare questo limite ed offrire una vera alternativa rinnovabile ai tradizionali prodotti di sintesi 23 24 25 Nel campo della matrici verdi 26 27 28 termoplastiche esistono degli esempi interessanti le poli a idrossi acidi le poli acido glicolico PGA o poli acido lattico PLA Si tratta di polimeri cristallini con punti di fusione relativamente alti Recentemente il PLA stata attenzionato per la sua disponibilit da fonti rinnovabili come il mais Il Poli b idrossi alcanoato PHA che viene sintetizzato biochimicamente da fermentazione microbica rappresenta un poliestere naturale Il Poli b idrossi butirrato PHB nome commerciale Biopol un poliestere biotecnologicamente prodotto che costituisce una riserva di carbonio in una vasta gamma di batteri e ha attirato molta attenzione come poliestere termoplastico biodegradabile perch presenta propriet che competono con poliesteri tradizionali Altri esempi interessanti sono le matrici derivato da amido e da cellulosa L amido uno dei meno costosi materiali biodegradabili presenti nel
5. 26 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE mercato mondiale di oggi Si tratta di un polimero versatile con un potenziale immenso per l utilizzo in settori non alimentari La cellulosa derivante da alberi e piante di cotone pu essere un sostituto del petrolio per la produzione di plastica cellulosiche Un elenco di poliesteri biodegradabili disponibili in commercio indicato nella Tabella 1 8 Le propriet fisiche e meccaniche di alcune plastiche biodegradabili sono riassunti nella tabella 1 9 Tab 1 8 Resine poliestere biodegradabili disponibili in commercio Nome commerciale Produttore Agro polyester PLA Natureworks Cargill Dow Lacty Shimadzu Lacea Mitsui Chemicals Heplon Chronopol CPLA Dainippon Ink Chem PLA Galactic PHA PHB PHBV Biopol Monsanto Metabolix PHB PHBV Biocycle Copersucar PHBHx PHBO PHBOd Nodax Procter amp Gamble Petroleum based polyestes PCL CAPA Solvay Tone Union Carbide Celgreen Daicel PEA BAK Bayer Alihaptic polyesters Bionelles Showa Highpolymer Enpol Ire Chemical Itd Skygreen SK Chemicals Lunare SE Nippon Shokubai Aromatic copolyesters Eastar Bio Eastman Chemical Ecoflex BASF Biomax Dupont PHEE Dow Chemical Tab 1 9 Propriet fisiche e meccaniche di alcune resine posliestere biodegradabili PLA PBHV PCL PEA PBSA a Ingeo Biopol CAPA BAK Bionelle Bio 3001D D400G 680 1095 3000 1466 Densit g cm 1 24 125 111 1 07 1 23 1 21 Tem
6. BIBLIOGRAFIA liana 268 269 211 211 212 275 285 289 289 294 308 310 320 354 357 390 391 I MATERIALI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA 1 1 L IMPORTANZA DEI MATERIALI COMPOSITI Molte tecnologie moderne richiedono l impiego di materiali che offrano peculiari combinazioni di diverse propriet che non sono presenti contemporaneamente nei materiali tradizionali Quanto affermato particolarmente vero per i materiali impiegati nelle applicazioni aerospaziali sottomarine e nell industria dei trasporti a cui si richiede soprattutto una bassa densit ma elevata resistenza rigidezza resistenza all abrasione ed all impatto Generalmente i materiali maggiormente resistenti sono anche quelli pi densi Inoltre l aumento di resistenza e della rigidezza di un materiale porta spesso anche a una diminuzione della capacit di resistenza agli impatti Oggi al progettista si presenta in corso di progettazione un campo di possibilit sempre pi ampio e crescente in cui le scelte dei materiali e dei processi di trasformazione possono combinarsi dando luogo a quella che stata definita iperscelta per un dato prodotto non c pi un solo materiale che si impone come scelta quasi obbligata esistono invece diversi materiali in concorrenza tra di loro Solo un analisi approfondita e allargata anche all intero processo produttivo ed alla vita successiva del prodotto pu portare a individuare la soluzione ottimale
7. EEA ee 0 68 0 47 0 48 0 45 Trasm Tor perio 0 30 0 15 0 17 0 15 wK Massa 26 0 44 2 39 9 72 9 51 9 superficiale kg m 381 2008 UNI EN ISO 6946 V Superficie opaca composta 34 32 kJ m K Sp 200 mm Cm sup Pannello in B6240 al 72 9 di fibre di canapa cotone in tes g Pa i 2 aaeoa aa a a a a a SSCCCCCCEBG G55 on SECS OO CR ma AC E Ce i n a maaa C C III III io SSSCCCCCCESCCGG 05 5 6 mene a eee SccCCceCCGC 800 AI Ce n n a n A A DALENENE AL Can ana nane i mR enoe D at seas STRUTTURA VERIFICATA Verifica Interstiziale VERIFICATA Saassazzanza mn N GG SSSCCCC CC 55566 ee a SSSSCCCOCSESCCCC GGG 8 5 Cnn me seueezenzee Cm O ra A on A eo ee III III Gm nm n n n n n nn n III cc rt oi sas La struttura pur essendo soggetta a fenomeni le di condensa i em na Fatal anaanazazazae SSSCCCECT CCC CCE LA SSSCCCCCCESCGG G65 I am ta in PINK isulta ve Fi Zia Er Wid 0 0072 kg m evapora durante la paria stagione i Tl mese quanto la quantit stagionale di condensato Pn oa aaa ana an oa aaa ana ana an aa aaa na an a aa ana na a aa ae Taa Taa Da hn ha a a a a i A eee a mt Sees eee a raggiunge In Cun SI accumulo di condensa Marzo Fm a CC a E Sanazezzazaeazazzane FIA II pm eee 6 a ao a a Seca een etait f
8. __ Fig 4 25 Dimensioni della provetta di resina per la prova DMA 4 4 3 METODI PRODUZIONE DEI COMPOSITI compositi innovativi oggetto della presente tesi sono stati prodotti utilizzando due tecnologie produttive appartenenti alla categoria dei processi a stampo chiuso ossia il Resin Transfer Molding RTM e il Bag Molding seguito da una fase di reticolazione in pressa riscaldata due processi sono simili in quanto prevedono l impiego di uno stampo su cui adagiare il materiale di rinforzo ma differiscono per il controstampo che nel caso del RIM rigido e dello stesso materiale dello stampo mentre per il Bag Molding come suggerisce il termine stesso costituito da una pellicola in materiale plastico di piccolo spessore due processi non stati adottati simultaneamente ma in fasi consecutive dettate dall esigenza di incrementare la frazione volumetrica delle fibre nel composito a parit di qualit del manufatto e di range di frazione volumetrica di vuoti nel materiale Nel corso della prima fase sono stati realizzati dei compositi con la tecnica del RTM nella seconda con il Bag Molding in combinazione con la successiva fase di reticolazione sotto pressa per 20 ore a temperatura controllata 50 C Il motivo per cui il processo di Bag Bagging stato modificato sta nel fatto che sebbene il processo base permette di ottenere compositi di ottima qualit in termini di finitura superficiale su una faccia e bassa pe
9. ie a ae B B 2 Cr a i fe na n ve ie a he A aoe as eee os De ase AY E cy a S TO OTO TO FOTO O O TOO O TO a OO O O O O a a An Aa AA talalalala tata ta tata ta eee eee eee eee Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio ce gm U 0 326 Ms 56 MsT 56 T 3 Fal Cm inf 26 161 kJ m K INFERIORE me Fig 4 143 Verifica igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Mat 370 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Codice Struttura Mat15 Descrizione Struttura DESCRIZIONE STRATO lambda C M S P lt 50 10 2 C S R da superiore a inferiore W mK W m K kg m kg msPa J kgK m K W 1 0 Adduttanza Superiore 0 5 900 0 169 2 lastradi composito in fibre di canapa a 10 0 243 24 300 11 40 0 019 1703 8 0 041 disposizione random MAT Lastre di Balsa 180 0 064 0 356 27 90 26 000 2386 2 813 4 lastra di composito in fibre di canapa a 10 0 243 24 300 11 40 0 019 1703 8 0 041 disposizione random MAT 5 Adduttanza Inferiore 0 25 000 0 0 040 RESISTENZA 3 104 m K W CAPACITA TERMICA AREICA sup 29 237 kJ m K TRASMITTANZA 0 322 W m K SPESSORE 200 mm CAPACITA TERMICA AREICA inf 33 986 kJ m K MASSA SUPERFICIALE 51 kg m TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA 0 14 W m
10. si pu ottenere con una soffiatura ad aria compressa in combinazione con 244 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE l uso di un raschietto per rimuovere i residui di gel coat e o di resina sullo stampo Ovviamente per non danneggiare la superficie perfettamente liscia dello stampo tale raschietto deve essere meno duro del materiale su cui sar applicato quindi nel caso oggetto di studio essendo questo di acciaio il raschietto pu essere di legno duro materiale termoplastico rame od ottone In taluni casi anche se preferibile evitare si possono utilizzare solventi come l acetone o il cloruro di metilene Dopo avere proceduto alla pulizia sullo stampo viene versato un sottile strato di agente distaccante di natura sintetica allo stato liquido pu essere usato anche un distaccante pastoso a base di cera fino al completo ricoprimento delle superfici che entreranno a contatto con la resina dopo qualche minuto la fase liquida del distaccante evapora depositando sulle superfici un sottile film che non lega chimicamente con il materiale dello stampo e che quindi garantir lo stacco tra quest ultimo ed il pezzo finito La scelta del distaccante comunque legata anche al tipo di resina utilizzata dalla temperatura di processo oltre che dalla finitura superficiale che si vuol ottenere L applicazione dei distaccanti pu non essere ripetuta in ogni ciclo ma l effetto
11. 23 Tab 1 5 Strutture di alcuni monomeri commerciali Nome Struttura chimica chimico Diglicidiletere ice Mie A Diglicidiletere del bisfenolo neeme E pO ot F Triglicidil p amminofenolo Tetraglicidil M eo I 7 l 4 4 i j Nu i N diammino ga H a difenilmetano tato Ma Li Esempi commerciali TS EPON 828 e EPON 1000 PY306 MY0510 Hy z MY721 Tab 1 6 Costo delle comuni resine epossidiche Resina Liquida Diglicidiletere del bisfenolo A Solida Diglicidiletere del bisfenolo F Multifunctionale Fenolica novolacca Cresolo novolacca Altre multifunzionali Cicloalifatica Bromurata Epossi vinilestere kg 2 2 2 4 4 4 4 8 8 8 11 44 6 6 3 3 5 5 3 3 Di seguito si riporta una tabella che mette in luce il confronto tra le resine epossidiche e le resine poliestere insature che rappresentano la classe di resine termoindurenti in assoluto piu utilizzata 24 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 1 7 Confronto tra le propriet delle resine epossidiche e le resine poliestere Sito attivo Conservazione Uso di inibitore Uso di solventi diluenti Prodotti volatile dal sistema Temperatura di reticolazione Ritiro di reticolazione Adesione Resistenza all acqua Resistenza alla corrosione Tenacit Rigidezza Resistenza al calore Resistenza a fatica Costo insature Epossidiche A
12. Nell accezione pi generale i processi a stampo chiuso sono quelli mediante i quali si fabbricano compositi a matrice polimerica trasferendo le miscele polimero rinforzo o i semplici polimeri in una cavit avente la forma del pezzo Nel caso di iniezione di solo polimero termoindurente il rinforzo asciutto viene preliminarmente posto nella cavit prima dell iniezione di 127 resina La cavita si realizza quando le due meta di stampo e controstampo vengono chiuse Tali processi sono costosi in gran parte dipendenti dalla complessit degli stampi ma il loro prezzo giustificato in caso di produzione di un grande numero di pezzi in tempi ridotti riducendo in tal modo costi unitari A differenza della pultrusione e dell estrusione i processi a stampo chiuso sono discontinui Particolare cura deve essere posta nella progettazione degli stampi meglio a geometria semplice specie quando si usano alte pressioni Gli stampi di solito plastici o metallici devono inoltre resistere alla abrasione derivata dai ripetuti cicli di lavoro 2 5 1 INJECTION MOLDING L injection molding il pi comune e ampiamente usato processo di realizzazione di parti di grandi dimensioni con polimeri termoplastici La differenza fondamentale col processo di estruzione sta nel fatto che l estruzione permette di realizzare profili continui mentre l injection molding parti di dimensioni finite quindi un processo discontinuo Pellets di resi
13. S Universit degli l Facolt di Architettura R ier Studi di Catania RAI di Siracusa DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE E MECCANICA Dottorato di Ricerca in Materiali e innovazione tecnologica per l ingegneria e l architettura XXIV Ciclo Coorinatore Prof Arch Carlo Truppi SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGENRIA CIVILE Dottorando Ing Giuseppe Cristaldi Tutor Prof Ing Gianluca Cicala 2008 2011 INDICE INDICE CAPITOLO 1 MATERIALI COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA 1 1 L importanza dei materiali compositi 6 l 2 INKFAICIPOIMEFCA Srila 9 1 2 1 TEMMOPIASHCNG irrnnrre 10 1 2 2 Termoindurenti eee eeseeeeeeeeesaeeeeeneeaanes 14 1 2 2 1 Le resine epossidiche 19 1 2 3 polimeri eco compatibili L LL 25 1 3 Le NIDFe GHANIO 204 idaroniot es 29 1 3 1 Le fibre naturali di origine vegetale 31 1 3 1 1 Composizione chimica 34 1 3 1 2 Struttura fisica LL 37 1 3 1 3 Trattamenti superficiali applicati alle fibre vegetali 39 1 3 2 Le fibre di canapa ee eneeeteeeeennaatenaes 44 19 9 L6 fibre Gl COLON Ga citiamo 49 to LO TIDES GL NO on 54 1 3 5 Le tipologie di rinforzo Li 57 1 3 5 1 Ca
14. Si cercato perci soprattutto in Europa di sostituire nei compositi di pi largo consumo a base di resine epossidiche 34 35 36 e poliolefine 37 38 39 le fibre di vetro con rinforzi meno invasivi per l ambiente come le fibre naturali 40 41 Le fibre naturali e rinnovabili vengono distinte in due tipologie principali sulla base della loro origine vegetali ed animali 29 Tra le fibre animali due delle pi famose sono la lana e la seta ampiamente diffuse nel settore tessile Per l applicazione nei materiali compositi le fibre vegetali sono le pi interessanti e diffuse 31 Tab 1 12 Produzione mondiale anno 2008 di alcune fibre vegetali 42 Cotton 25 China USA India Pakistan Kapok 0 03 Indonesia Jute 2 5 India Bangladesh Kenaf 0 45 China India Thailand Flax 0 50 China tene Soon Belarus Hemp 0 10 China Ramie 0 15 China Abaca 0 10 Philippines Equador Sisal 0 30 Brazil Chine Tanzania Kenia Henequen 0 03 Mexico Coir 0 45 India Sri Lanka Wool 2 2 Australia China New Zelond Silk 0 10 China India Manmade cellulosic fibres 3 3 Le fonti principali di fibre vegetali per applicazioni nei compositi sono di due tipi residui agricoli di piante coltivate per altri scopi come la bagassa della canna da zucchero e le paglie cereali e piante coltivate espressamente per la produzione di fibre come le piante tessili In passato le biofibre non sono state prese in considerazione come rinforzi per
15. elettrica Tab 3 2 Conducibilit termica di alcune sostanze Sostanza W m K diamante 1000 2600 rame 390 alluminio 236 platino 10 vetro 1 laterizi 0 8 acqua distillata 0 6 lana 0 05 polistirolo espanso 0 045 aria secca a 300 K 100 kPa 0 026 Il termoflussimetro l unico strumento che permette di misurare in maniera quantitativa chiara e precisa e senza alcun intervento distruttivo l esatto isolamento termico di un elemento divisorio Il flussso di calore che attraversa l elemento di cui si vuole misurare la conducibilit termica viene rilevato da un sistema di sensori posti sul lato dell elemento a contatto con la camera a temperatura inferiore 211 Generalmente il monitoraggio del flusso e effettuato su un arco temporale almeno di 24 ore per valutare con precisione il flusso stazionario e ridurre al minimo l incidenza del flusso transitorio che si verifica inizialmente Data ogger VV HEM tlaboratore integratore Fig 3 55 Schema di funzionamento di un termoflussimetro 212 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Pai Pu L F o j Na Sma PARTE SPERIMENTALE APITI 4 1 INTRODUZIONE La crescente richiesta di materie prime da parte degli Stati che da sempre sono stati il traino dell economia mondiale e oggi pi che mai dalle economie in forte espansione su tutte la Cina ha dato un forte impulso alla ricerca e alla definitiva cr
16. lt r a KO Lo UA NI i a a nia sa i Pal l Ha Zip i i i T i i i i l i i i l i 1 2 2 2 oo Lag Edi Ul sseng Strawn in 3 Fig 4 68 Test di trazione sui filati ritorti del tessuto BO7 mea la ui cc Aa iii AAA 800 x Em i SOS a e m om m om o oe o 5 s LD Edy ul 55345 i N Strain in Fig 4 69 Test di trazione sui filati ritorti del tessuto BO7 trattato con NaOH al 5 e A1100 al 3 298 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 7 Risultati delle prove di trazione sui filati dei tessuti B6240C trattati Resistenz aa Allungament B6240C Elastico trazione o i O MASSI max E i i media media media A110 0 IE 384 0 aia 4310 1400 391 0 5 4160 1210 446 6 1 4840 1190 433 7 9830 491 1 104 8 Tutti trattamenti chimici hanno comportato una riduzione del peso variabile tra 1 4 a seconda del tipo e della concentrazione dei reagenti trattamenti spinti con soda caustica sono stati quellli che hanno portato alla maggiore perdita di peso Anche trattamenti con solo amminosilano hanno comportato una perdita di peso per la dissoluzione a causa della soluzione di prova acida di alcuni componenti soprattutto superficiali dei filati quale appretto impiegato dai produttori per conferire ai tessuti tessili caratteristich
17. ultima equazione si ottiene 204 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE o Og SiN wt cos og cos wt sind 150 La sollecitazione che opera nel provino quindi la somma di due contributi Il contributo 0 cos sinwt in fase con la deformazione mentre il contributo 0 sind coswt in quadratura e in anticipo di 90 rispetto alla deformazione Si ponga E 2 cos 151 E0 E 2 sind 152 E0 Facendo il rapporto E E si ottiene sin PE E gt tan 153 cos Ei 00 Il rapporto detto modulo dinamico assoluto E0 E la componente del modulo dinamico assoluto in fase con la deformazione ed E la componente del modulo dinamico assoluto in quadratura con la deformazione Introducendo le ultime definizioni nell equazione 150 si ottiene o E eosinot Ex _ cos wt 154 Utilizzando la rappresentazione dei moduli E ed E nel piano dei numeri complessi si osserva che essi sono rispettivamente la parte reale e la parte immaginaria del modulo complesso E Operando infatti con la notazione dei numeri complessi la deformazione e lo sforzo sono espressi da 205 E exp iwt 156 O exp i wt 157 Rapportando o e si ha il modulo complesso E 2 exp i 2 cos isin E iE 158 Asse immaginario Fa Asse reale Fig 3 50 Rappresentazione del modulo complesso Le misure mec
18. By 8 By By 8 8 8 8 8 8 Hey ea te fe fe O Ra O Ra O R3 O R3 O R3 Nj Nj Nj Nj Nig dop dop Pop Mop o Go 7 Pa 2 eo 3 Pa g Go mM mM gt ihj s ihj ni ihj s ihj gt ihj 2 Pa Pa Pa 2 1 2 3 4 S Fig 4 113 Modulo elastico a trazione di tutti laminati rinforzati con Biotex prodotti in Bag Molding 8 8 8 By 8 8 Cle Cle Ce Ce Cle E K Ran x ihj gt ihj S hj ihj ihj Pa Pa 2 Pa Pa Fig 4 114 Deformazione a rottura di tutti i laminati rinforzati con Biotex prodotti in Bag Molding Dall analisi dei grafici mostrati sopra si evince che aumentando la pressione di compattazione si aumenta la frazione volumetrica di fibra 339 presente nel laminato e quindi si ottengono proprieta meccaniche migliori Tuttavia i dati mostrano una sorta di livellamento per alte frazioni volumetriche che dovuto alla maggiore incidenza della porosit intrinseca delle fibre Tale porosit dovuta al lumen delle fibre aumenta nei laminati prodotti in RTM all aumentare della percentuale in volume di fibra mentre decresce nei lamnitai prodotti in Bag Molding Hot Press Curing all aumentare della pressione di compattazione in pressa quindi della percentuale in volume di rinforzo Il livellamento delle propriet ad alte frazioni volumetriche determinato anche dalla difficolt che la resina incontra nel bagnare uniformemente tutto il composito quindi viene sempre meno il trasferimento dei
19. Il punto di arrivo della ricerca di prestazioni complesse e sempre pi vicine a un campo di impiego particolare il materiale su misura il materiale appositamente messo a punto per un determinato Impiego non si tratta pi di scegliere un materiale ma di progettare il materiale Sar quindi un materiale che non esiste prima dell oggetto in cui deve integrarsi ma solo a valle della sua produzione come costituente del prodotto finito materiali compositi si inseriscono in questa categoria di materiali da progettare di cui probabilmente rappresentano l archetipo SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Con il termine composito in generale si intende un materiale ottenuto combinando due o pi componenti in modo che il prodotto finale abbia propriet diverse da quelle dei singoli costituenti In particolare un materiale composito pu essere definito come l unione per adesione o coesione di due o pi componenti differenti per forma e composizione chimica insolubili l uno nell altro e separati da un interfaccia 1 Il concetto di materiale composito molto antico basti pensare all usanza di mescolare paglia e fango per ottenere un materiale da costruzione oppure ad uno dei materiali oggi pi utilizzati in ambito civile il cemento armato ossia l unione fra il calcestruzzo di per s gi un composito e l acciaio Materiali compositi complessi sono largamente presenti in na
20. P lt 50 101 Permeabilit al vapore con umidit relativa fino al 50 C S Calore Specifico R Resistenza termica dei singoli strati Resistenza Trasmittanza Valori di resistenza e trasmittanza reali Massa Superficiale Valore calcolato come disposto nell Allegato A del D Lgs 192 05 e s m i STRATIGRAFIA STRUTTURA e mE a Tt ee RC T a a a lt CR RS CSCC E to te DA A iv ri i cms LE i n oe Al n i mlt nl ra ma at a e a at Ce CIC Sp 220 mm ii ee DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI a a SccGG500 005 SccCC5000 05 DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI fe em ee ee ee a aa Mint a mat a es eo se n mes a a a si mat ae URi 59 8 Temperatura inferiore Psi Ts Temperatura superiore Pss Pressione di saturazione superiore Prs Pressione relativa superiore URs Umidita superiore Ti Pressione di saturazione inferiore Pri Pressione relativa inferiore URi Umidita inferiore VERIFICA IGROMETRICA gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic URcf1 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 Tcf1 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 URcf2 81 50 72 70 61 00 55 40 68 40 44 50 46 00 39 90 55 60 68 50 86 50 87 70 Tcf2 4 50 5 10 7 10 10 70 14 90 20 60 23 90 23 20 19 90 14 50 9 80 6 40 Verifica Interstiziale VE
21. R C Talbot Polyester and vinyl ester resins in Handbook of Composites Ed Chapman amp Hall seconda edizione cap 2 7 A Vazquez V Dominguez J M Kenny J Thermoplast Compos 1999 12 477 8 X Chen Q Guo Y Mi J Appl Polym Sci 1998 69 1891 9 H Takagi S Oschi High Performance Structure and Materials Il 2004 Editori C A Brebbia and W P de Wilde WIT Press Southampton Boston 10 V Cyras S lannace J Kenny A Vazquez Polym Compos 2001 22 104 11 J M Mayer D L Kaplan TRIP 1994 7 227 12 H Updegraf in Encyclopedia of Polymer Science and Engineering eds N M Bikales C G Overberger and G Menges Wiley New York 1986 13 V V Vasiliez E V Morozov Mechanics and Analysis of composite materials Ed Elsevier 2001 p 6 17 14 D Gay S V Hoa S W Tsai Composite Materials Design and Applications CRC Press Boca Raton 2003 392 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 15 L A Berglund in S T Peters ed Handbook of composites Chapman amp Hall London 1998 pp 115 130 16 A M M Baker and J Mead in C A Harper Handbook of Plastics Elastomers and Composites McGraw Hill 2004 pp 1 108 17 A B Strong Fundamentals of composites manufacturing materials methods and applications Society of Manufacturing Engineering Dearborn 1989 18 H Q Pham and M J Marks Epoxy Resins Ullma
22. adesivo L instabilita locale considera rottura delle pelli per trazione o compressione Fig 3 34 Rottura delle facce o face yeld instabilit locale rottura a taglio trasversale per un insufficiente resistenza a taglio dell anima Fig 3 35 Instabilita globale dovuta alla scarsa resistenza del core a taglio o a compressione trazione instabilit locale delle pelli intracell buckling o dimpling Causata da facce troppo sottili o in caso di core a nido d ape celle troppo grandi si pu propagare come face wrinkling In questo caso le pareti delle celle fanno da nodi mentre le facce si in stabilizzano verso l interno o l esterno L incollaggio tra faccia e nido d ape non cede almeno che non degeneri in un face wrinkling face wrinkling la faccia si deforma come una piastra su di una fondazione elastica si verifica quando la tensione normale di compressione della trave raggiunge il livello di instabilit Tale 190 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE instabilit causata dalla ondulazione intrinseca presente su strutture con core a nido d ape od ondulati al crescere del carico l ondulazione cresce fino a degenerare nella instabilit Fig 3 36 Corrugamento delle facce Il face wrinkling pu essere un problema ad alte temperature quando le propriet degli adesivi che oggi hanno buona resistenza a compressione si
23. anche di automobili o altre applicazioni quali materiali elettronici compositi strutturali pavimentazioni e adesivi 12 Le resine epossidiche sono anche utilizzate per la preparazione di laminati e come matrice nei compositi rinforzati con fibre Queste resine sono il materiale predominante delle matrici di molti compositi ad alte prestazioni come quelli rinforzati con fibre ad alto modulo ad esempio le fibre di carbonio Il basso peso molecolare delle resine epossidiche 17 18 19 non indurite e allo stato liquido da loro una mobilit molecolare eccezionalmente elevata durante la trasformazione Questa propriet permette alla resina epossidca liquida di bagnare le superfici velocemente e completamente Le propriet di bagnabilit sono importanti quando le resine epossidiche vengono utilizzate in materiali rinforzati e come adesivi L elevata reattivit del gruppo epossidico con agenti di reticolazione come le ammine fornisce un alto grado di reticolazione e quindi elevata durezza resistenza meccanica e chimica Dato che non si formano sottoprodotti durante la reazione di reticolazione ci sono bassi ritiri durante l indurimento Le resine epossidiche sono caratterizzate da una molecola contenente due o pi gruppi epossidici la cui formula chimica la seguente Mezzo legame covalente disponibile a legarsi La maggior parte delle resine epossidiche commerciali hanno la formula generale di struttura dove Be l anello be
24. che la resistenza al taglio del laminato sia offerta solo dalla resina per cui stato stimato un valore inferiore calcolato come media dei minimi valori trovati nelle schede tecniche di diversi prodotti commerciali Tab 4 29 Verifica di instabilit assiale per i pannelli di copertura di cui sono stati calcolati i carici in tab 4 25 Verifica della tensione dovuta alla componente assiale Componente carichi orizz Fd2 sen30 N 47532 6 Area sez trasv pann mq V Eeq 3886 56 e F S E 127 OK 0 01039 __ max 0 01039 i PfPxmn 0 012 Status sae o res La progettazione iterativa tiene conto della possibilita che si possano realizzare laminati compositi con la percentuale in volume di rinforzo e lo spessore voluti 365 Le verifiche termo igrometriche sono state condotte nel rispetto delle normative vigenti utilizzando il software di calcolo Termus G prodotto e distribuito dall azienda ACCA Software S p A Le prestazioni termiche degli elementi di chiusura sono state valutate ipotizzando un possibile Impiego nel comune di Enna situata nella regione Sicilia a circa 1000 m sul livello del mare Di seguito si riportano le caratteristiche climatiche della zona di calcolo COMUNE ENNA Sol Provincia ENNA Sigla EN Modifica dati geografici Dati Invernali Gradi Giorno 7748 Ga Zona Climatica E Ore di funzionamento max 14 Temp Esterna Giorni periodo riscaldamento 183 U R Esterna 59
25. con pelli esterne in materiale composito polimerico si possono dividere in due classi il co curing ed il secondary bonding 111 Nella prima il sandwich viene assemblato a secco frapponendo tra le due preforme in tessuto il materiale d anima dentro uno stampo e poi chiuso da un controstampo rigido o da un sacco per il vuoto In una seconda fase si inietta la resina mediante uno dei processi descritti per i soli compositi Bag Molding RTM VARTM etc In tal caso l adesivo costituito dalla resina dello stesso laminato e ci offre il vantaggio di poter realizzare forme geometricamente complesse riducendo al minimo il numero delle parti e quindi la necessit di giunzioni E anche possibile utilizzare tecniche produttive meno automatizzate ossia fare ricorso alla laminazione manuale o mediante spray laminando in due step successivi le pelli sul core Nella seconda tecnica pelli e anima sono realizzati separatamente e solo in una seconda fase verranno incollati previa sagomatura dei singoli elementi Fig 1 84 Esempi di lavorazione operate du un sandwcih 112 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 1 5 2 APPLICAZIONI INDUSTRIALI Il primo uso intensivo dei pannelli a sandwich fu durante la Il guerra mondiale La struttura degli aerei Mosquito per la carenza di altri materiali in Inghilterra durante la guerra era realizzata con un compensato speciale prodotto trami
26. e della velocit di iniezione che dipende dalla loro permeabilit L operazione di iniezione stata agevolata almeno nella fase iniziale applicando un pressione relativa negativa all interno dello stampo che permette inoltre di eliminare le bolle d aria intrappolate nei pori delle fibre e tra le fibre stesse La depressione ausiliaria viene eserciata grazie ad un canale che si innesta esattamente al centro della superficie del controstampo posto nella parte pi elevata La quantit di resina iniettata stata sempre superiore al volume dello stampo tale eccesso quantificato tra il 5 ed il 20 por essere sicuri della completa impregnazione dei tessuti La fase di iniezione si conclude quando si vede in modo continuo la resina dai due canali posti agli antipodi dei punti di iniezione della resina Ci dovrebbe assicurare che la cavit si sia riempita completamente A riempimento avvenuto prima vengono chiuse le valvole dei condotti di deflusso della resina e poi quelli d ingresso ottenendo un afflusso addizionale detto pumping up che incrementa la pressione e previene dalle contrazioni quindi permette migliori corrispondenza dimensionale e finitura superficiale Terminata la fase di iniezione fondamentale procedere con l espulsione della resina in eccesso e con la pulizia dell omogenizzatore del condotto di iniezione e della valvola di iniezione La pulizia viene effettuata facendo circolare dell acetone all
27. nemmeno alle alte pressioni di compattazione Tutt al pi gi a basse pressioni di compattazione permettono di raggiungere le massime propriet meccaniche per effetto della maggiore facilit di compattazione da notare che la variazione della percentuale in volume di rinforzo subisce un lieve incremento all aumentare della pressione di compattazione campioni prodotti con le tecniche sopra citate sono stati analizzati anche per via microscopica facendo ricorso a diversi strumenti a gradi di risoluzione diverse In particolare si sono utilizzati sia un microscopio ottico che un microscopio a scansione elettronica Le Immagini ottenute al microscopio ottico sono mostrate sotto e mettono in evidenza le superfici di frattura dei campioni testati a trazione e dei dettagli dei vuoti presenti nel campione Le immagini mostrano chiaramente che per i compositi rinforzati con i tessuti la frattura nella resina procede in modo fragile mentre le fibre 341 subiscono uno scorrimento dei filamenti con rottura progressiva Le analisi SEM hanno confermano le osservazioni effettuate con le analisi al microscopio ottico mostrando inoltre che le fibre utilizzate non hanno un adesione ottimale alla matrice A supporto di questa osservazioni nelle seguenti figure anche mostrato uno yarn che ha subito il fenomeno del pull out Fig 4 117 Scansione al microscopio ottico 100x della superficie di frattura di un provino di laminato rinfroz
28. questi e la resina pura Analizzando i risultati ottenuti sia a trazione che a flessione si osserva che indipendentemente del tipo di tessuto l effetto dell introduzione delle fibre di canapa per il tessuto Mat e il B607 e di canapa cotone per il tessuto B6240C comporta rispetto al comportamento meccanico della sola resina come d altronde ci si poteva aspettare un significativo incremento di alcuni parametri soprattutto il modulo elastico E e la resistenza a trazione o 328 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE L unico laminato che presenta valori di resistenza a trazione inferiori a quelli della sola resina quello rinforzato con tessuti mat al 14 01 in volume L effetto da attribuire evidentemente alla disposizione casuale delle fibre nel piano che incrementa la percentuale minima di rinforzo al di sotto del quale il rinforzo in realt si comporta come un riempitivo Ad ogni modo ce da osservare che il modulo elastico presenta comunque un incremento per cui si pu affermare che in tutte le circostanze i tessuti adotatti hanno svolto la funzione di rinforzo Per quanto attiene ai laminati rinforzati con tessuti B607 e B6240C non trattati l incremento della percentuale in volume di rinforzo conseguita permette di ottenere un aumento circa di 5 volte il modulo elastico e quasi 3 volte la resistenza a trazione della sola resina impiegata Inoltre i comp
29. sintetiche quelli sulle fibre naturali comportano non solo un effetto sull interfaccia ma anche una modifica della struttura chimica delle fibre 329 In definitiva si pu affermare che bisogna sempre valutare nel composito finale l effettivo miglioramento generato dai trattamenti superfiali applicati alle fibre e che stante il modesto incremento di propriet meccaniche in relazione al costo dei trattamenti reagenti e tempo necessario per il trattamento rispetto a quelli del tessuto allo stato attuale non conviene adottare i trattamenti studiati ai tessuti in fibra vegetale Per tale ragione non sono stati riproposti i trattamenti con soda caustica e amminosilano ai tessuti di rinforzo dei compositi realizzati in Bag Molding di cui se ne discute immediatamente a seguire Per quanto riguarda i compositi realizzati in Bag Molding seguito da reticolazione in pressa a temperatura costante di 50 C per 20 ore si riportano nella seguente tabella tutti i dati ottenuti dalle prove di trazione nonch le statistiche associate ad esse II modulo elastico stato ottenuto per regressione lineare del primo tratto del diagramma di trazione che evidenzia il comportamento elastico i i E BO Rara A AE k er e i SE ESE ee re E ag eee ji i lt gt sr i l ae Til cacciata Sete SR III ISO ENI INA VELI T i I I do VA r Suppl ce AEE EE T E ca i f a f i i wd j i 20 fi l tf T j I ri i if j J a
30. vuoto dello stampo qualora non fosse perfetta si correrebbe il rischio in fase di iniezione di avere delle fuoriuscite di resina dallo stesso o peggio delle infiltrazioni d aria che influiranno sulla qualit del manufatto Successivamente si passa al collegamento elettrico necessario al funzionamento delle resistenze che riscaldano lo stampo e della termocoppia che ne controlla la temperatura Fig 4 29 Macchina RTM in fase di iniezione Verificato che tutto funziona correttamente si prepara in batch la miscela resina epossidica Prime 20 LV e catalizzatore nel rispetto del rapporto 100 26 in peso A questo punto la resina gi miscelata viene caricata all intermo dell omogenizzatore del sistema RIM fatta degasare per mezzo dell applicazione di una prezzione relativa negati va al suo interno e portata alla temperatura voluta Dopo qualche minuto per essere sicuri dell assenza di bolle d aria intrappolate nella resina si annulla il vuoto nell omogenizzatore e si procede con l iniezione all interno dello stampo per mezzo di due canali posti lungo un lato dello stesso 248 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La pressione di iniezione stata fatta variare all interno dell intervallo 1 1 1 6 bar in dipendenza del grado di compattazione dei tessuti dipende dal numero dei tessuti utilizzati e dalla coppia di serraggio determinante sulla permeabilit dei tessuti
31. weight flexural rigidity 1 1 1 core 12 Fig 1 71 Differenza tra la rigidezza flessionale di una trave piena e una a sandwich Un importante differenza nel confronto tra le due travi nella capacit di sopportare i carichi trasversali Per una trave piena i legami sono sufficientemente rigidi da rispettare le ipotesi di Navier ossia che le sezioni piane rimangono parallele In una trave a sandwich il materiale del core non comunemente resistente al taglio e l ipotesi non rispettata quindi di conseguenza le deformazioni di taglio in molti casi non sono trascurabili 99 Diversamente nelle pelli le deformazioni di taglio possono essere trascurate Da quanto appena affermato si evince come il core svolge varie importanti funzioni separa le due facce cos da aumentare il momento d inerzia e quindi la rigidezza flessionale dell insieme per questo deve essere sufficientemente rigido per mantenere la distanza costante tra le facce deve essere anche sufficientemente resistente al taglio in modo da non fare slittare le facce tra loro cosi che possano sopportare carichi di compressione e di taglio e sopportare come in una trave ad quei carichi di taglio che sono causati dalle tensioni perpendicolari al piano del sandwich Se il core non ha resistenza al taglio le facce non cooperano ed il sandwich perde la sua rigidezza Nella seguente figura si mostra una trave a sandwich ideale e la relativa resistenza al taglio E ev
32. 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O T 0 8 0 9 1 0 Fibre weight fraction W B Wt trans 6 b A di g ae N _ l Ts ihi 0 1 G2 04 Qa 0 5 ne 0 7 DE 09 10 Fibre weight fraction W Composite stiffness GPa Fig 3 11 andamento dei rapporti volumetrici densita e tensione massima al veriare della frazione volumetrica di fibra 3 2 7 LA DENSIT DEI COMPOSITI Il modello di Madsen offre infine la possibilit di prevedere la densit di un composito p che ha un certo grado di porosit a partire da quella dei costituenti de i ee E S i Pc Ve Vf wf 59 vf o in maniera equivalente Vm 60 156 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE sostituendo adesso le espressioni delle frazioni volumetriche viste in precedenza si ottiene per i vari casi Caso A wf lt Wrtrans _ PmP f Pc Caso B wf Wrtrans _ Vfmax Pc pp i WfPm 1 X apf 1 w pf 1 Z apma 61 62 L espressione per la densit del composito pPetrans Nella zona di transizione tra A e B vale 1 Apm i Pc trans COStItuisce inoltre la massima densit ottenibile Composite density g cm 157 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 Fibre weight fraction W Fig 3 12 Densita in funzione della percentuale in peso di fibra VfmaxPf Anm i VfmaxPm 1 X Anf tPm Pc trans T 0 9 3 3 LA MACROMECCANICA Mat
33. 11 63 Lin s 10nan 3 30x20 Width 37 58 18 Sez i Prechounk No Softener SBP 100 Dark Brown 1O tHemp Canvas Haske Weave lns 100 53 300 Width 57 58 18 5oz Senu Bleached Preshronk No Softener SBPE 100 Sand 100 Hemp Canvas Basket Weave On3x DOS 30x20 Wadi 57 38 18 Soe Sems Bleached Preshrunk No Softener SBPE 100 Natural 100 Hemp Herrmgbone Weave fon 2x8 Son Alli Wadth 55367 10507 Soft Fiordi SBPE 100 Fabric Descriptions ancl Specifications SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Altri esempi di prodotti commerciali disponibili sul mercato sono i tessuti di lino prodotti da Biotex http www compositesevolution com che sono disponibili anche come tessuto pre impregnato di PLA polylacticacid e PP polipropilene Altri prodotti disponibili sono i tessuti pre impregnati FLAXPLY prodotti da Lineo prodotti venduti da Lineo hanno fibre pre trattate per aumentare l adesione fibra matrice Il FLAXPLY sono proposti per essere utilizzati come strato interno misto di carbonio lino nella progettazione per l assorbimento delle vibrazioni Fig 1 40 Biotex Flax 3x3 twill 420g m Accanto alle suddette tipologie ne esistono altre quali ad esempio il crowfoot il basket e il leno Sono infine disponibili anche tessuti tridimensionali in cui la presenza di una seconda trama in direzione ortogonale al piano impartisce maggiore res
34. 16 Influenza della perdita di umidit su alcune caratteristiche meccaniche per un composito resina epossidica iuta L acetilazione era originariamente applicata alla cellulosa del legno per stabilizzare le pareti cellulari contro l umidit migliorando la stabilit dimensionale e il degrado ambientale e di introdurre plastificazione alle fibre cellulosiche da esterificazione Tale processo si basa sulla reazione tra gruppi idrossilici di materiali lignocellulosici e anidride acetica a temperatura elevata Il pretrattamento delle fibre con anidride acetica sostituisce i gruppi idrossilici dei polimeri dalla parete cellulare con i gruppi acetile modificando cos le propriet di questi polimeri in modo che diventino idrofobici gruppi ossidrilici che reagiscono con il reagente sono quelli della lignina ed emicellulosa materiale amorfo mentre i gruppi idrossilici della cellulosa materiale cristallino sono strettamente compressi con legami a idrogeno per prevenire la diffusione di reagente con una conseguente estensione molto bassa di reazione 42 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE gt gt 0H ic loss 7 Oo CH CH COOH Fig 1 17 Schema della reazione di acetilazione La sintesi di copolimeri a innesto dalla creazione di un sito attivo un radicale libero o un gruppo chimico che possono essere coinvolti in una polimerizzazione ionica o in un processo di condensazione
35. 2 65 aK da AI i if I Vu Td AK i Ss i fFF itd We Fig 1 39 Esempi di plain woven con yarn di lino A Natural Twill Weave 100 Hemp 120z Width 57 58 B Natural Herringbone Weave 52 Hemp 48 Flax 200z Width 57 58 Fonte EnviroTextile com L esiguo numero di intrecci nei twill permettono di muoversi piu liberamente e quindi sono pi morbidi e piu flessibili da cui si ottiene una migliore adattabilit alle superfici Quando ci sono meno intrecci i filati possono essere confezionati vicini con una elevata densit quindi consentono di ottenere compositi con una elevata percentuale di rinforzo C un numero crescente di produttori di tessuti di fibre naturali in tutto il mondo che stanno perfezionando i loro prodotti tessili per l industria dei compositi La seguente tabella mostra il prezzo per una selezione di tessuti commercializzati negli USA da parte della societ LLC Enviro Textile Tab 1 17 Tabella con alcuni prezzi dei tessuti commercializzati da Enviro Textile Units Yards 30 99 100 499 500 999 1K 2999 3K 4999 Maturi 100 Herp Canvas Plam Were 4 60 00 11 10 1030 l6nTx7n 41x28 Width 57 58 Ioz Semi Bleached Preshrunk Cononic Softener SEPE 100 Natural 100 Hem Canvas Basket Weme 645 13 50 811 35 11 30 16 90 JOn Sx 1003 30520 Wadth 57 38 18502 Semi Bleached Preshrunk Cationic Softener SEPE 100 Black 100 Hemp Canvas Basket Weave 517 60 1445 13 40 12 05
36. 8 la Velocit Vento 3 8 Temperature Medie Mensili C Dati Climatici AIrradiazioni Fig 4 141 Condizioni climatiche di riferimento per le verifiche termo igrometriche L adduttanza interna e quella esterna fissate da normativa sono R 7 7 WIm K Rse 25 W m K Per le verifiche igrometriche si fatto riferimento ai seguenti valori di permeabilit al vapore 366 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 30 Permeabilit al vapore dei materiali impiegati Permeabilit al Materiale vapore Laminato rinforzato con tessuti Mat Laminato rinforzato 10 Kg ms Pa con tessuti B607 Laminato rinforzato con tessuti B6240C valori di trasmittanza da rispettare per zona climatica E in vigore dal 1 gennaio 2010 sono imposti dal D lgs 311 06 Pavimenti verso locali non riscaldati verso l esterno 0 33 W mK Strutture Opache orizzontali o inclinate 0 30 W mK Strutture opache verticali 0 34 W mK Le condizioni climatiche interne per il calcolo dei diagrammi di Glaser e quindi per la verifica di condensa superficiale e interstiziale sono le seguenti Condizioni Climatiche INTERNE D Lgs 192 05 e D Lgs 311 06 a a Interne SC GLASER ge Jeo per der dre Joe fos pas fo ae 65 65 65 65 65 65 65 Fig 4 142 Condizioni climatiche interne di riferimento per le verifiche igrometriche mediante diagrammi di Glaser 367 Nel s
37. 80 6 40 Verifica Interstiziale VERIFICATA La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantita stagionale di condensato pari a 0 0068 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il Massimo accumulo di condensa Marzo Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio La verifica igrometrica stata eseguita secondo UNI EN ISO 13788 cf1 vano interno cf2 Esterno Fig 4 144 Verifica termo igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Mat 371 Tab 4 32 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Mat Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa pe e ee Spessore sandwich mm rae b al 1 0 500 Status verifica CIEI Status verifica instabilit ea ay ae verifica ae Trasmittanza termica U 0 618 0 684 0 331 0 353 0 326 0 300 0 296 W mk 0 30 a a Limite U condensa 0 64 superf W mk Status verifica condensa Eog SEn pp EDT accumulo SI SI SI SI SI SI SI condensa Q t stagionale ee ele eee g m Max accumulo Marzo Trasm Ter period N 0 56 0 61 0 15 0 15 0 14 0 11 0 10 W m K Segre ao am om con ao oar ma TALE superficiale 25 3 23 8 39 3 70 4 5
38. Cox Krenchel e il modello di Madsen Per la formulazione completa dei modelli si rimanda al capitolo 3 Modello di Cox Krenchel E MoeMeEpVf 1 Ve Em 29 Ouc NsOuf Yf 1 Ve Om 35 Modello di Madsen Ec none Ey VnEm 1 Vp 40 Ouc NsVf Ouf UmOm 1 Vp 41 Il fattore 7 di efficienza di lunghezza delle fibre stato posto circa uguale a 1 a causa della lunghezza delle fibre del mat e delle fibre dei filati Il fattore ng di orientazione delle fibre stato posto pari a 3 8 nel caso del mat mentre uguale a 1 2 nel caso dei tessuti ad orientazione bidirezionale Data l impossibilit di testare singole fibre estratte dai filati yarn a causa del diametro troppo piccolo si proceduto nell utilizzo dei modellli di previsione adottando come propriet meccaniche delle fibre quelle ricavate dalla letteratura ad eccezione dei tessuti Mat e B607 Infatti essendo tali tessuti composti integralmente da canapa si proceduto adottanto le propriet meccaniche ottenute per le fibre bundle estratte dal mat di diametro notevolmente superiori a quelle del filato Per le propriet meccaniche del B6240 si operata una media ponderata tra le propriet meccaniche della fibra di canapa estratta dal mat e quelle per il cotone ricavate dalla letteratura Sono state invece integralmente mutuate dalla letteratura scientifica le propriet meccaniche delle fibre di lino del Biotex Poich la matrice ha una defor
39. Ein viScoelastica Zona pommosi Zona vetrosa E e10 Pa Fig 3 48 Modulo elastico in funzione della tenperatura In genere vengono discussi due tipi particolari di materiali ideali il solido elastico ed il liquido viscoso Il solido elastico ha una forma ben definita ed deformato dalle forze esterne a una nuova forma di equilibrio Alla rimozione della forza esso ritorna esattamente alla forma originaria Il solido immagazzina tutta l energia che ottiene dal lavoro fatto dalle forze esterne durante la deformazione Tale energia poi disponibile per riportare il solido alla forma originaria una volta rimosse le forze esterne Un fluido viscoso d altra parte non ha una forma definita e fluisce irreversibilmente sotto l azione di forze esterne Le propriet viscoelastiche dei polimeri possono nella pratica venire opportunamente utilizzate ogni qualvolta si deve assorbire energia ad esempio durante le oscillazioni forzate imposte alle strutture dalle macchine oppure durante gli urti o le prove d urto Durante i terremoti la capacit di smorzamento delle oscillazioni viene ad esempio utilizzata ponendo blocchi di gomma sotto gli appoggi delle travi portanti dei ponti o sotto i pilastri dei grattacieli costruiti in zone sismiche Anche nelle costruzioni navali e in quelle automobilistiche la capacit dei polimeri di smorzare il suono viene ampiamente utilizzata Le propriet meccanico dinamiche 94 96 vengono studiat
40. K FATTORE DI ATTENUAZIONE 0 43 SFASAMENTO 8 97 h s Spessore dello strato lambda Conduttivit termica del materiale C Conduttanza unitaria M S Massa Superficiale P lt 50 107 Permeabilit al vapore con umidit relativa fino al 50 C S Calore Specifico R Resistenza termica dei singoli strati Resistenza Trasmittanza Valori di resistenza e trasmittanza reali Massa Superficiale Valore calcolato come disposto nell Allegato A del D Lgs 192 05 e s m i STRATIGRAFIA STRUTTURA DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI J A F m Le p a mc coos a tale al NH EE E E I Sp 200 mm Pot re Pes tha Prsipa ursi Tire PsifPal PrifPal URI m DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI 20 0 2 337 1168 50 0 3 0 475 284 59 8 Ts Temperatura superiore Pss Pressione di saturazione superiore Prs Pressione relativa superiore URs Umidit superiore Ti Temperatura inferiore Psi Pressione di saturazione inferiore Pri Pressione relativa inferiore URi Umidit inferiore VERIFICA IGROMETRICA gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic URcf1 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 Tcf1 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 URcf2 81 50 72 70 61 00 55 40 68 40 44 50 46 00 39 90 55 60 68 50 86 50 87 70 Tcf2 4 50 5 10 7 10 10 70 14 90 20 60 23 90 23 20 19 90 14 50 9
41. Reinforced with Natural Fibers Modelling and Experimentation of PP Flax Institute for Polymer Materials and Plastic Processing Agricolastrasse 6 38678 Clausthal Zellerfeld Germany 86 A El Sabbagh L Steuernagel G Ziegmann Processing and Modeling of the Mechanical Behavior of Natural Fiber Thermoplastic Composite Flax Polypropylene Polymer Composites 2009 87 Madsen B Thygesen A Lilholt H Plant fibre composites porosity and stiffness Composites Science and Technology 69 1057 1069 2009 88 Bo Madsen Preben Hoffmeyer Anne Belinda Thomsen Hans Lilholt hemp yarn reinforced composites yarn characteristics Composites Science and Technology 67 2007 1584 1600 397 89 Bo Madsen Preben Hoffmeyer Hans Lilholt Hemp yarn reinforced composites Il tensile properties Composites Part A 38 2007 2204 2215 90 Madsen B Lilholt H Physical and mechanical properties of unidirectional plant fibre composites an evaluation of the influence of porosity Composites science and technology 63 1265 1272 2003 91 Madsen B Properties of plant fibre yarn polymer composites an experimental study Ph D Thesis Technical University of Denmark Denmark 2004 Series R No 82 92 K Murali Mohan Rao K Mohana Rao A V Ratna Prasad Fabrication and testing of natural fibre composites Vakka sisal bamboo and banana Materials and Design 93 Cicala G Cristaldi G Recca G Ziegma
42. SV energia specifica riferita all unit di superficie sia maggiore di quella dell adesivo TLV ad esempio le resine epossidiche bagnano molto bene l acciaio circostanza che non si verifica per altri materiali quali ad esempio il polietilene 8 angolo di contatto 0 wetting completo O 180 wetting parziale 180 assenza di wering Fig 1 73 Teoria dell adsorbimento e angolo di contatto Legame chimico covalente coinvolge legami primari legami covalenti tra le molecole del substrato e dell adesivo La frattura implica quindi la rottura dei suddetti legami Ci giustifica ad esempio nel caso delle fibre di vetro l utilizzo di agenti compatibilizzanti essi si legano agli ossidi presenti in superficie per 102 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE poi reagire con l adesivo durante la reticolazione ovvero per dare luogo a fenomeni diffusivi vedere punto successivo Fenomeni diffusivi o interdiffusivi in seguito alla diffusione o interdiffusione degli atomi o delle molecole attraverso l interfaccia si instaura un unione tra le due superfici Il meccanismo descritto peculiare per i compositi a matrice polimerica in cui la mobilit delle catene rende possibile la formazione di allacciamenti entanglements in tal caso il fattore tempo assume una notevole importanza nei confronti della resistenza finale mobilitata dal giunto Aggrappaggio
43. WfPm WrPm 1 pp 1 wp pf 1 apm s 1 w WfPm 1 apf 1 wp pf 1 pm _ _ WfPmapftli wp Pfapm_ a P wfpmlitapf 1 wf pf 1 apm Caso B Wp Wrtrans Vf Vf max 53 1 Wf p Um Vf max 54 1 wp p Vp 1 Vf max 1 ree 55 sostituendo le equazioni appena mostrate nella regola delle miscele corretta otteniamo caso A Wp Wrtrans Ec NomvpE VnEm 1 Uy gt MoMwsPmEs 1 Wp psEm Wepmt 1 wp pp E WePm 1 apf 1 wp pf 1 apm t Caso B Wp Wrtrans E M0M0 E VnEn 1 gt 154 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE WFPm Ec 57 Nei pressi della zona di transizione il modulo del composito vale invece Ec _ nomve max 1 Apm Ef T Em Vf max 1 yp Em VF max apf 7 apm Fgm 58 In figura 3 11 sono riportati gli andamenti tipici delle frazioni volumetriche nei due casi A e B l andamento tipico della densit b andamento del modulo al variare di w a He PET 1 0 TC pe da ee Vn 0 8 Va ae 0 7 Rex E 0 6 gi 0 5 SE 0 4 Volume fraction 0 3 0 2 m Vora 0 0 Sewers Piranha naa sanransectsnccsssssesssecscesssessssecsacccseeseee Vora Vora 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Fibre weight fraction W 0 1 155 ao Pa gi sa ag a E e d ee gt po b a g 7 O an E O T 1 T i r T 1 ai i
44. a a pa m neo me m a nen a en e LELE Sp 220 mm DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI 20 0 2 337 DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI 1168 rer ee rir us ara 3 0 50 0 Psa PAPA ORI 475 284 59 8 Ts Temperatura superiore Pss Pressione di saturazione superiore Prs Pressione relativa superiore URs Umidita superiore Ti Temperatura inferiore Psi Pressione di saturazione inferiore Pri Pressione relativa inferiore URi Umidita inferiore VERIFICA IGROMETRICA gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic URcf1 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 Tcf1 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 URcf2 81 50 72 70 61 00 55 40 68 40 44 50 46 00 39 90 55 60 68 50 86 50 87 70 Tcf2 4 50 5 10 7 10 10 70 14 90 20 60 23 90 23 20 19 90 14 50 9 80 6 40 Verifica Interstiziale VERIFICATA La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantit stagionale di condensato pari a 0 0069 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio La verifica igrometrica stata eseguita secondo UNI EN ISO 13788 cf1 vano interno cf2 Esterno Fig 4 147 Verifica ter
45. arco della giornata la temperatura esterna e quella interna variano secondo determinate leggi che normalmente si possono approssimare a sinusoidi Per valutazioni durante la stagione estiva questa variazione assume una portata molto pi significativa e pertanto per un analisi corretta sono necessarie valutazioni dinamiche Nella valutazione in regime dinamico entrano in gioco diversi parametri che nel regime termico stazionario sono completamente trascurati Pertanto per descrivere il comportamento in regime termico dinamico di un elemento d involucro la trasmittanza termica periodica risulta il parametro pi corretto e rappresentativo La trasmittanza termica periorica YIE W m k una grandezza introdotta nell art 2 del D P R 59 2009 come prodotto del fattore di attenuazione fa riferito a una sollecitazione armonica nell arco di 24 ore per la trasmittanza termica stazionaria U pu essere definita come il parametro che valuta la capacit di un elemento opaco di sfasare ed attenuare il flusso termico che la attraversa nell arco delle 24 ore la norma tecnica di riferimento la UNI EN ISO 13786 2008 descrive come calcolare sulla base delle caratteristiche termo fisiche dei materiali conducibilit termica spessore calore specifico e densit e dalla stratigrafia della struttura la 286 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE trasmittanza termica periodica e gli altri
46. automobilistica come coperture pannelli per portiere e tettucci delle auto 61 78 ma anche nel settore dell industria civile del packaging e di molti altri beni di consumo 71 Fig 1 44 Esempi di applicazioni di fibre naturali in diversi settori commerciali 1 4 1 IL SETTORE AUTOMOTIVE L uso delle fibre naturali diventato relativamente comune nelle automobili europee 61 78 grazie alle buone propriet sopra elencate e in particolare alla possibilit di ottenere veicoli pi leggeri che si traduce in una riduzione del consumo di carburante A partire dal 1994 con la Mercedes Classe E i cui interni sono rinforzati con fibre di juta gli autoveicoli di numerose case automobilistiche sono stati costruiti con interni rinforzati con fibre naturali 72 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Anche dal punto di vista normativo si ha avuto un impulso a tale diffusione infatti a partire dal 2005 la Comunit Europea ha imposto la produzione di autovetture riciclabili almeno per l 85 di cui l 80 recuperabili sotto forma di materiali da riciclo e il resto sotto forma di recupero energetico Natural Fibres Reinforced Composites in the German Automotive Industry 1999 2005 35 000 28 000 29 000 30 000 30 000 sani E hee Bill he he ker 200 001 2002 2003 04 2005 year Mihermontast ONtharmase without Wood and cotton Fig 1 45 utilizzo delle fibre naturali ne
47. che permette di calcolare la rigidezza flessionale D deve essere usata integralmente Inoltre la tensione di taglio 7 e la deformazione di taglio Y non possono pi essere considerati costanti lungo lo spessore del core 178 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Nella figura seguente si riporta un piccolo tratto di una trave a sandwich che sopporta una deformazione di taglio del core La sezione ACB si deforma nella curva A CB Il punto rappresentativo p si muove a distanza u alla destra In p la deformazione Y du dz quindi l espressione della tensione T SNO ci 112 Fig 3 25 Defromazione di taglio in una trave con core rigido L equazione 92 e 112 si possono combinare ed integrare ottenendo l espressione per u vale Q Etdz E c z z u GD 2 2 4 3 113 Per esempio lo spostamento AA e BB si ottiene scrivendo z c 2 E tdc E c pp L E Be GD 4 24 114 Il massimo di sforzo di taglio si ottiene in z 0 nell equazione 92 5 2 A lt fmax D 2 8 115 179 Ora si supponga di sostituire il core reale con uno antiplane 0x 6y Txy 0 con un modulo di taglio G differente da G ma che conserva la rigidezza flessionale D precedente Il valore di G scelto in modo che la sezione ABC si deformi dalla linea dritta in A CB Poich il core antiplane E scompare e lo spostamento
48. con tessuti trattati e non si scelta una percentuale in volume di rinforzo e si fatto in modo da mantenerla costante in tutte i laminati da confrontare quindi si 310 B607 AZ a 1 2 1 SR E SA SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE mantenuto costante il numero di strati di tessuto La percentuale in volume di rinforzo scelta quella minima ottenuta per ciascuna tipologia di rinforzo non trattato Tab 4 9 Parametri di processo e propriet fisiche dei laminati prodotti in RTM Densit JA T P Spessore ae rinforzo vuoti iniezione iniezione mm Vi min sec 3 vel so se cre na Nota Per le lamine con i tessuti trattati Il numero di iniezione assume il seguente significato 1 trattamento con A1100 5 NaOH 1 2 trattamento con A1100 5 NaOH 3 3 trattamento con A1100 5 NaOH 5 L eperienza di laboratorio ha quindi dimostrato che al crescere del numero dei tessuti a parit di coppia di serraggio dello stampo generalmente si osserva una diminuzione della permeabilit all interno dello stampo per effetto della maggiore presenza di fibre quindi di ostacolo al flusso per cui necessario incrementare la pressione di iniezione a parit di tempo impiegato per la completa iniezione monitorata mediante la fuoriuscita di resina dai canali posti agli antipodi di quelli di ingresso iniezione Tale evidenza presenta delle volte alcun
49. decadi i composti sandwich al fine di ottenere imbarcazioni in grado di resistere all esplosione di mine e contemporaneamente raggiungere alte velocit La corvetta Visby di Kockumus la pi grande imbarcazione al mondo costruita utilizzando la tecnologia sandwich e la motovedetta veloce Skjold sono state prodotte entrambe utilizzando i compositi sandwich ed il metodo di infusione Treni Camion Fig 1 88 Esempi di applicazioni nei trasporti terrestri Pale per macchine eoliche Fig 1 89 Esempi di applicazioni nell eolico Spinners 115 Aerei Militari Elicotteri Fig 1 90 Esempi di applicazioni nei mezzi aerei Container militari Cargo Containers Fig 1 91 Esempi di applicazioni in altri settori Nel settore aerospaziale occorre ricordare il vettore Ariane 5 Struttura ACY 5400 che stato progettato mediante software ESA Comp e costruito dalla Contraves Space AG Svizzera avente elevati carichi di compressione elevata rigidezza bassa densit La struttura costituita da 116 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE sandwich con fibre di carbonio unidirezionali nelle pelli e core in honeycomb di alluminio Lo sviluppo cominciato nel 1999 ed il primo volo avvenuto nel 2000 dopo 17 mesi Fig 1 92 Vettore Ariane 5 Negli ultimi anni si assistito a un crescente interesse del settore edile per i materiali compositi rinforzati con fibre
50. della Ashland e la Super Sap della Entropy Resins Componenti sotto il cofano strutturali e pannellature possono essere prodotto con le resine della Entropy Resins L impatto ambientale delle resine della Entropy ridotto utilizzando olio di pino ottenuto come sottoprodotto della lavorazione della polpa di legno e oli vegetali ottenuti dagli scarti della lavorazione dei biocombustibili Come sostituti naturali alle matrici termoplastiche derivate dal petrolio la scelta per lo pi tra il PLA e le matrici derivate dalla cellulosa Diversi produttori offrono questi sistemi ma al momento il loro uso limitato dai costi pi alti rispetto alle matrici tradizionali TT 1 4 1 1 APPLICAZIONE DEI COMPOSITI A BASE DI FIBRE NATURALI Sin dai primi anni 30 Henry Ford studio l applicazione di svariati materiali naturali tra i quail cantalupi carote mais cavoli e cipolle come base per la realizzazione di macchine con corpo organico Il modello T della Ford realizzato tra il 1908 e il 1927 aveva alcune parti realizzate con matrici derivate dalla soia Nel 1941 Ford dimostr la resistenza di questo materiale colpendo con una mazza il prototipo Fig 1 46 Ford reclamava per questo materiale una resistenza all impatto 10 volte superiore al metallo Se aoe Fig 1 46 Henry Ford che dimostra le resistenza di un autovettura realizzata in canapa e resina a base di soia L interesse verso i materiali naturali diminu con l a
51. della retta secante la curva in uno specifico valore di e passante per l origine Sopra un certo valore di o la deformazione aumenta se questa rimane anche in piccola parte quando il carico stato tolto il materiale ha subito una deformazione permanente e si entrati nel campo plastico carichi pi elevati conducono poi alla rottura del materiale In campo plastico si dice che il materiale si incrudito o comunque si realizzano delle deformazioni macroscopiche plastiche che a differenza di quelle elastiche permangon per effetto della riorganizzazione delle strutture microscopiche interne del materiale con vari scorrimenti ed adattamenti che avvengono ben prima che si mostrino ad occhio nudo ma che si manifestano con un incremento di temperatura del materiale durante la prova Il limite di snervamento o yield strength lo stress al quale si passa dal campo elastico a quello plastico che generalmente coincide con il limite di proporzionalit in cui la curva smette di seguire un andamento lineare Spesso per questo limite non determinabile con esattezza e allora si assume come oy quello che comporta una deformazione plastica dello 0 2 offset yield strength o proof strength esso viene determinato portando la parallela al tratto elastico iniziale della curva in corrispondenza del valore 0 002 e vedendo a quale valore dello stress corrisponde l intersezione di tale retta con la curva Il valore del limite di snervam
52. delle fibre completamente compattata in modo tale da occupare il volume minimo e la quantit di matrice appena sufficiente per riempire lo spazio libero tra le fibre Pi precisamente questo punto di transizione definito come la situazione In cul Il punto di transizione delimita quindi due diversi comportamenti tra le interazioni volumetriche e caso A in cui la fibra non completamente compattata e la matrice in grado di riempire lo spazio libero tra le fibre V maggiore di V min ed dato da Vea Ve Vast AVe F Aan m t O 47 e caso B la fibra completamente compattata e la matrice non in grado di riempire lo spazio libero tra le fibre viene di conseguenza a crearsi una porosit strutturale Vps V adesso uguale a V min ed dato da V Vo Ve min Vf Vin L apf Vf LAymVin Vps i Vf max 48 Nel seguito sono riportate le equazioni delle frazioni in volume dei costituenti nei casi A e B in funzione della percentuale in peso di fibra wr presa come variabile indipendente Si ricorda che gli indici maiuscoli indicano la quantit assoluta mentre gli indici in carattere minuscolo si riferiscono alle frazioni percentuali della grandezza stessa La frazione in peso di fibra di transizione wf trans che separa le due regioni viene calcolata in base alla VF maxP f 1 pm Ww i e I ee E r Finans Vf maxPf 1 apm vf maxPm 1 apf Pm 153 Caso A Wp Wrtrans
53. delle fibre senza raggrinzamenti pieghe increspature variazioni di spessore non volute ripiegamenti Lo stampo dovr resistere alla pressione dell operazione d iniezione ed alla polimerizzazione quindi la chiusura del controstampo viene effettuata con morse bulloni od altri sistemi capaci bloccarlo con la forza sufficiente La resina gi miscelata viene iniettata attraverso dei canali e dei fori ricavati nello stampo e nel controstampo Tale operazione si pu agevolare applicando una pompa a vuoto che aspiri l aria dalla cavit attraverso fori d uscita questi sono i casi evoluti del Vacuum Assisted RTM o VARTM La resina da iniettare deve essere sempre superiore al volume dello stampo tanto che si deve vedere uscire da tutti i canali di sfogo tale eccesso quantificato tra il 5 ed il 20 Ci dovrebbe assicurare che la cavit si sia riempita completamente A riempimento avvenuto prima vengono chiuse le valvole dei condotti di deflusso della resina e poi quelli d ingresso ottenendo un afflusso addizionale detto pumping up che incrementa la pressione e previene dalle contrazioni e quindi permette migliori corrispondenza dimensionale e finitura superficiale Per quel che riguarda i tempi di polimerizzazione dipendono dalla miscela resina catalizzatore ma anche dalle caratteristiche reologiche e geometriche della cavit dalla temperatura di iniezione e di quella dello stampo E per tutte queste operazioni il pezzo
54. deve rimanere nello stampo con evidente influenza del ciclo di produzione 133 La facilit dell estrazione dipende dalla complessit geometriche del pezzo e dalle sue dimensioni quindi vanno studiate con cura le direzioni di estrazione che viene normalmente agevolata da un getto d aria attraverso fori dello stampo Nel caso in cui servisse si pu utilizzare un cuneo o altro attrezzo adatto di cui se ne deve considerare la durezza rispetto al materiale dello stampo affinch questo non venga danneggiato Infine il pezzo sar rifinito eliminando le protuberanze dovute ai fori d ingresso e di uscita e le frange lasciate dal punto di contatto tra stampo e controstampo nonch sar verniciato o comunque costituir un semilavorato Preforming Positioning Injection Cure Extraction Fig 2 13 Fasi costitutive del processo di RIM Esistono diverse varianti del processo di RTM le pi importanti sono VARTM Vacuum assisted RTM LRTM Light RTM 2 5 5 VACUUM ASSISTED RTM VARTM L attrezzatura simile a quella del RTM classico Si utilizzano stampo e controstampo in acciaio L iniezione della resina favorita dall applicazione del vuoto a valle dello stampo questo ha il duplice scopo di degasare la preforma ed aumentare la differenza di pressione L iniezione avviene nella parte centrale dello stampo mentre il vuoto viene applicato ai bordi L utilizzo di questa tecnica permette di ottenere manufatti con un
55. di ossigeno con tre coppie di elettroni che non condivide con nessuno Trova quindi un atomo di carbonio su una epicloridrina vicina che pu utilizzare alcuni elettroni Questo atomo l atomo di carbonio proprio vicino al cloro Si suppone che il cloro abbia in 20 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE comune una coppia di elettroni con quell atomo di carbonio ma essendo elettronegativo tende ad accaparrarsi quella coppia L ossigeno cede un paio dei suoi elettroni all atomo di carbonio Il carbonio naturalmente pu spartire solo quattro coppie di elettroni alla volta quindi una coppia se ne deve andare se vuole prendere la coppia dell ossigeno Lascia quindi andare gli elettroni che ha condiviso con il cloro ed espelle dalla molecola l atomo di cloro Na Far O i ii F i N ih Y sai Na 0 YA vo Al fg nei FA TIA o Na 70 PARA Pa O CH CH CH Na s0l In questo modo si ottiene una molecola simile al bisfenolo A con un gruppo epossidico in piu e un sale di scarto NaCl Il grado di polimerizzazione DP dipende dal rapporto tra epicloridrina e bisfenolo A si pu arrivare fino a DP 25 Aumentando il grado di polimerizzazione aumenta per anche la viscosit ci causa delle difficolt nella lavorazione della resina quindi si preferisca tenere il grado di polimerizzazioni a valori molto bassi in modo da avere una miscela di dimeri Utilizzando infatt
56. disponibili calcolati al variare del carico dominante Si seguito si riporta il calcolo effettuato sul pannello di copertura di cui sono stati appena determinati i carichi di progetto Il calcolo sul pannello di calpestio analogo a meno della verifiche dei carichi assiali descritte in tabella 4 27 Tab 4 27 Calcoli preliminari e verifica degli abbassamenti per i pannelli di copertura di cui sono stati calcolati i carici in tab 4 25 lunghezza larghezza Poisson Composito E compr E traz Poisson Balsa V g 1 v 2 E E g Gc G D p da diagr in funz di a b K1 Pxmn max carico assiale da Fd2 P Pxmn coeff corr Buckling verifica Max carico P 4 4 3 8 1 16 0 005 0 090 0 095 0 322 0 90 1985 9 4005 3 0 23 0 95 4329 0 166 0 38 1 324694 2 0 0058 4 886 8 10 8 0 012 1 012 VERIFICA MASSIMO ABBASSAMENTO B1 B2 0 006 0 009 B4 B5 0 055 0 036 carico massimo q abbassamento massimo Wmax NON VERIFICA Wmax b B3 0 038 B6 0 038 4927 0 19 377 0 510 B3 0 045 N mq mm 364 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 28 Verifica delle tensioni per i pannelli di copertura di cui sono stati calcolati I carici in tab 4 25 VERIFICA TENSIONI san _ Resistenza Status verifiche 6 10 0 01 0 01 Nella tabella precedente si considerato a vantaggio della sicurezza in mancanza di indagini specifiche
57. e aromatici i cui legami ancora oggi non sono molto noti Con propriet meccaniche pi basse della cellulosa la sua struttura interna varia al variare della fibra di appartenenza E la sostanza che conferisce rigidit alla struttura La pectina essenzialmente un eteropolisaccaride solubile in acqua dopo una parziale neutralizzazione con idrossido d ammonio Le cere infine fanno parte della composizione delle fibre e possono essere estratte tramite soluzioni di acidi organici 1 3 1 2 STRUTTURA FISICA Le condizioni che determinano la composizione chimica delle fibre influenzano in qualche modo anche la struttura fisica Vi la tendenza a confondere le fibre con le fibre in bundle a fustello In genere si intende con fibra la parete cellulare di una singola cellula sia o no essa ancora in vita quindi la grandezza di una fibra dettata dalla grandezza della cellula Quella dei fustelli invece dipende dall et fustelli che si trovano pi in basso in una pianta sono quelli pi grandi ma anche quelli pi vecchi lignificati e rigidi Le propriet meccaniche dei fustelli di fibre generalmente chiamati fibre dipendono non solo dalla natura chimica e dall origine della pianta ma in parte anche dal tipo di estrazione effettuata e dalla raffinazione del prodotto Come convengono molti autori i due parametri fondamentali che permettono di caratterizzare dal punto di vista meccanico le fibre naturali 37 sono conte
58. essere realizzata mediante l accoppiamento di pi tipi di avvolgimento Di solito le fibre sono deposte sul mandrino ruotante intorno al suo asse con velocit angolare w t da un braccio dotato di occhiello di deposizione che si muove con velocit v t su un asse parallelo all asse del mandrino Il rapporto w v fissa istante per istante l angolo di avvolgimento che pu quindi essere variato agendo su questi parametri Gi da questi brevi cenni si pu comprendere come il progetto del mandrino sia legato ad una serie di fattori il cui attento esame fornisce le indicazioni pi idonee per una particolare applicazione 2 3 ESTRUSIONE L estrusione prevede l utilizzo di pellets a matrice termoplastica rinforzata con fibre del tipo corto Tale composito viene riscaldato fino ad acquisire sufficiente fluidit tale poter scorrere grazie alla spinta esercitata da una o due viti lungo un condotto che conduce ad uno stampo posto all estremit da cui il composito passa ed assume la sezione voluta 125 Dt Aa ee Te ue A 3 al n k e E J ees A Vaia eee ler ee ke a ETETETT Fig 2 6 Schema del processo di Estrusione 2 4 PULTRUSIONE La pultrusione un processo automatico e continuo ed uno dei pi economici per la fabbricazione di materiali plastici rinforzati con fibre Il termine del processo deriva dall inglese pultrusion ovvero pull che significa tirare extrusion che signific
59. estratti dal tessuto B607 BE io lj e x 100 303 Fig 4 75 Effetto del trattamento superficiale combinato con NaOH al 3 e A1100 a diverse percentuali sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B607 WE Ho W ex 100 Fig 4 76 Effetto del trattamento superficiale combinato con NaOH al 5 e A1100 a diverse percentuali sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B607 ME Ho E ex 100 NaOH 0 NaOH 1 NaOH 3 NaOH 5 304 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 77 Effetto del trattamento superficiale con NaOH sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B6240C ME Mo le x 100 Fig 4 78 Effetto del trattamento superficiale con A1100 sulle proprieta meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B6240C 305 Fig 4 79 Effetto del trattamento superficiale combinato con NaOH al 1 e A1100 a diverse percentuali sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B6240C ME E o El x 100 Fig 4 80 Effetto del trattamento superficiale combinato con NaOH al 3 e A1100 a diverse percentuali sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B6240C 306 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 81 Effetto del trattamento superfic
60. evitare in fase di scelta dei costituenti questa evenienza per sfruttare in pieno le propriet delle fibre di rinforzo La rottura del composito avviene quindi alla rottura delle fibre o della matrice in dipendenza della relativa duttilit Considerando il caso di fibre che hanno tutte uguale resistenza a trazione e sono relativamente fragili rispetto alla matrice Se il composito ha pi di un certo valore di percentuale in volume di fibre tale che queste risultino di 140 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE effettivo rinforzo alla matrice il carico ultimo determinato dal carico ultimo delle fibre e i FIBRA MATRICE gf MMAX Sm lana E E E MAX MMAX Fig 3 3 Diagramma sforzo deformazione della fibra e della resina Si pu quindi desumere che se Omii fmax 20 la resistenza del composito quindi data da Conai OT an T Omer vax 1 E vp 21 dove Ofaa Massima sollecitazione della fibra Ome sollecitazione della matrice alla massima deformazione max della fibra Naturalmente l effetto di rinforzo vale se gt Ommax 22 Or rax Risolvendo la 22 insieme alla 21 si pu determinare il v critico che deve essere superato per ottenere un effettivo rinforzo della matrice 141 Ommax Ome max Ur 23 fmax Ome fmax Per valori pi piccoli di ve il comportamento del composito pu non essere quello dettato dalla
61. fibre vegetali conosciute resiste al calore alle muffe agli insetti e non viene danneggiata dalla luce Le fibre della canapa pi interessanti dal punto di vista commerciale sono le fibre liberiane tiglio primarie Le fibre si trovano lungo una circonferenza che circonda i tessuti conduttori nel fusto v a a n Te Fig 1 20 Sezione trasversale di una cellula di canapa con le fibre che circondano il fusto La fibra primaria costituita da cellule allungate riunite in fascetti bundles fortemente saldati tra di loro formati durante il periodo di intenso accrescimento in altezza della pianta La lunghezza delle fibre primarie varia dai 5 ai 55 mm con un valore medio di 20 28 mm II loro diametro molto variabile in media di circa 32 34 um I filamenti sono lunghi da 1 a 3 metri Nella pianta sono presenti anche fibre secondarie molto pi corte circa 2 mm con un diametro di circa 17um deposte durante l accrescimento Oltre ad essere pi corte le fibre secondarie sono pi lignificate ed hanno quindi uno scarso interesse non solo per un utilizzazione tessile ma anche per l industria cartaria per carte pregiate dove comunque deve essere eliminata la lignina In base a queste semplici considerazioni sono stati proposti alcuni indici per determinare la qualit della fibra a livello della pianta percentuale di tiglio rapporto tra fibre primarie e fibre secondarie lunghezza della fibra diametro delle fibre grado di
62. i due processi produttivi descritti in precedenza sono stati caratterizzati dal punto di vista fisico prima di ogni prova meccanica al fine di determinare le percentuali in peso e volume dei componenti base dati cosi ottenuti permettono di valutare la rispondenza delle propriet con il comportamento atteso ottenuto mediante l impiego di modelli previsionali A tal proposito i bordi dei laminati ottenuti sono stati rettificati eliminando eventuali sbavature per ottenere un rettangolo di cui risultano facilmente misurabili i due lati Sebbene i laminati vengono prodotti con processi che prevedono l impiego di uno stampo e un controstampo paralleli si riscontrato il non perfetto parallelismo delle due facce e una certa rugosit superficiale che ha indotto a misurazioni multiple lungo tutti e quattro i lati del pannello Lo spessore c del pannello stato calcolato come media di 36 misurazioni effettuate lungo tutto il perimetro del laminato in altrettanti punti equidistanti AI fine di ricavare i rapporti volumetrici tra i costituenti di ogni lastra di composito sono stati inoltre rilevati il peso W e le dimensioni a b in pianta ey me Fig 4 40 Schematizzazione del laminato e dimensioni geometriche La misurazione volumetrica dei compositi stata effettuata anche mediante l impiego di un picnometro per avere maggiore attendibilit sui 257 dati determinati Il principio sfrutta la conoscenza del volume contenu
63. in forno a 70 C per circa due ore per eliminare la parte di acqua igroscopica dalle fibre 251 _ Fig a ay m Te T e oa La i a ae np RI Ii Fig 4 31 Preforme asciutte di tessuto Biotex Il rinforzo precedentemente preformato e asciugato in forno va pesato prima di essere posizionato all interno dello stampo E importante operare rapidamente in modo da non fare assorbire troppa umidit in questo passaggio Poich lo stampo piano il posizionamento per sovrapposizione dei tessuti non stata una fase laboriosa La chiusura dello stampo stata realizzata mediante la posa di una membrana flessibile di poliestere denominato in gergo sacco da vuoto resistente alle pressioni di esercizio e alle temperature di reticolazione Il sacco viene sigillato contro la lamina di alluminio mediante la preventiva disposizione attorno alla preforma di tessuto di una gomma butilica Durante l applicazione allo stampo si deve fare attenzione nel non far arrivare il distaccante sul sigillante che per ovvie ragioni deve essere applicato su superfici perfettamente pulite ed asciutte Inoltre il sigillante deve aderire in modo da minimizzare la possibilit di creazione di canali verso l esterno che possono determinare la perdita del vuoto creato 252 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 32 Fasi della preparazione dello stampo posizionamento del sistema di distribuzione del
64. incontrollata del mercato dei materiali a base polimerica a dispetto dei pi classici 213 Anche i materiali a base polimerica fin dalla loro origine sono sottostati alla regola dell economicit per cui l aspetto ambientale stato trascurato in quanto i materiali pi competitivi sono quelli sintetici di origine petrolchimica Inoltre tali materiali sono nella stragrande maggioranza dei casi non smaltibili in ambiente in un tempo scala comparabile alla vita umana per cui costituiscono un inquinante importante La crescente produzione globale di materiali a base polimerica il progressivo e crescente esaurimento delle risorse non rinnovabili da cui sono ottenuti hanno indotto il mondo produttivo ad acquisire maggiore sensibilit ambientale In generale un materiale viene erroneamente considerato eco compatibile solo in relazione allo smaltimento finale limitandosi quindi all uguaglianza con la degradazione naturale o biodegradazione In realt la definizione implica tutto il ciclo di vita del materiale from cradle to grave quindi dall ottenimento della materia prima al fine vita attraverso i processi di trasformazione che subisce e le applicazioni in cui viene impiegato Quanto appena esposto l obiettivo del LCA Life Cycle Assessment Trattando di materiali compositi a matrice polimerica l obiettivo virtuoso senza alcun dubbio quello di impiegare materiali provenienti da risorse naturali rinnovab
65. la maciullatura il materiale viene fatto passare tra due serie di rulli per separare le sostanze legnose ed estranee dalla fibra vera e propria chiamata filaccia Successivamente le fibre sono sottoposte alla pettinatura che permette la separazione delle fibre troppo corte e spezzate stoppe dalle fibre lunghe 55 che quindi vengono disposte parallelamente tra loro per pi comporle in matasse ed avviarle alle successive operazioni di filatura e tessitura Il lino pi pregiato quello raccolto non ancora maturo Il colore dipende parte dal tipo di macerazione subita dagli steli e varia dal bianco al giallognolo al grigio il pi pregiato un bianco argenteo lucente serico Le stoppe fibre corte e spezzate costituiscono un sottoprodotto della lavorazione del lino e sono utilizzate come materia prima nell industria cartaria e nella preparazione di cordami Dai semi del lino si ottiene l olio utilizzato nell industria delle vernici e del linoleum ed in farmacia come emolliente e lassativo Le fibre del lino ricavate dal fusto sono lunghe 50 60 cm ci conferisce loro resistenza meccanica superiore a quella del cotone e migliore attitudine ad essere filate Poich le fibre contengono oltre alla cellulosa grassi e cere il lino possiede una brillantezza e un aspetto sericeo molto apprezzati in campo tessite La presenza dei grassi e delle cere invece non gradita nel campo dei materiali compositi L elevata conducibilit
66. la superficie di contatto Altre propriet auspicabili negli adesivi sono una buona tenacit elevata resistenza al peeling buona tolleranza alle temperature elevate alta Ty buona stabilit geometrica preparazione preventiva delle superfici non troppo laboriosa e possibilmente curing a temperatura ambiente Gli adesivi strutturali termoindurenti sono tra i pi diffusi e forniscono una buona resistenza al creep ai solventi ed alle temperature elevate Tra queste le resine epossidiche hanno le migliori propriet meccaniche A scapito della temperatura massima di servizio si possono tenacizzare formando copolimeri con elastomeri Altri composti con prestazioni inferiori ma diffusi sono basati su resine poliuretaniche fenoliche ed acriliche In definitiva esiste una grande variet di adesivi adatti ai casi specifici 104 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Data l elevata potenzialit dell impiego dei sandwich nel corso dei decenni sono state studiate diverse tipologie di strutture d anima per ovviare alle problematiche precedentemente esposte Na gt Fig 1 75 Un core a nido d ape in metallo e uno in materiale polimerico La struttura a nido d ape presenta un area di incollaggio effettiva molto esigua dato il sottile spessore delle pareti delle celle In compenso le resine per effetto della capillarit hanno la tendenza a bagnare una piccola quota della
67. laminato 3 3 1 CRITERI DI ROTTURA Le analisi di rottura per le strutture metalliche sono gi state introdotte da molto tempo mentre per quanto concerne i compositi a matrice polimerica non esistono procedure ben definite ma sono attualmente oggetto di ricerche scientifiche intense Il livello di stress sopportato da un lamina dipende dal suo modulo elastico Questo pu causare grandi gradienti di tensione tra lamine che sono orientate con angoli molto differenti tra di loro es 90 Se il gradiente delle tensioni vicino ad un certo limite pu avvenire una frattura Questi livelli cos alti di gradiente in lamine adiacenti possono svilupparsi come risultato di carichi esterni ma anche dalla temperatura e da gradienti di umidit Per i materiali compositi la rottura inizia generalmente a livello microscopico prima di poter essere osservato a livello macroscopico ed un fenomeno piuttosto complesso data la natura anisotropa del materiale risultato dell interazione di pi tipologie di rottura Il cedimento di un layer risulta in una redistribuzione delle tensioni nel laminato 162 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La frattura di una lamina rinforzata con fibre pu essere il risultato dell interazione di vari meccanismi di rottura che sono stati affrontati in occasione della trattazione della micromeccanica Nel caso dei laminati esiste inoltre la delaminazione e consis
68. lo stress applicato tanto pi favorito un comportamento fragile del polimero Da notare che per i polimeri l aumento della temperatura avvicina il loro comportamento a quello di un elastomero e che negli elastomeri il modulo d elasticit e la resistenza a trazione possono essere notevolmente aumentati con un processo chimico detto vulcanizzazione 200 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE S 20 C 68 F 30 C 86 F un ot ie stress MPa 40 C 104 F Stress psi x 105 tad MOC 122 F To 1 300 60 C 140 F 10 0 0 1 Oe 0 3 Strain Fig 3 46 Curve sforzo deformazione al variare della temperatura Stress MPa Vulcanized Stress psi x 105 Unvulcanized Strain Fig 3 47 Curve sforzo deformazione per una gomma vulcanizzata e non 201 3 5 2 IL COMPORTAMENTO VISCO ELASTICO DEI POLIMERI E difficoltoso classificare i polimeri come materiali solidi o fluidi viscosi 1 4 poich le loro propriet meccaniche dipendono molto dalle condizioni di test Un polimero pu mostrare tutte le caratteristiche di un solido vetroso di una gomma elastica o di un fluido viscoso a seconda della temperatura e del tipo di sollecitazione quindi della scala temporale di misura polimeri sono usualmente descritti come materiali viscoelastici 1 4 un termine generico che enfatizza la loro posizione intermedia
69. localit e tengono conto della variazione nei 12 mesi dell anno La verifica si svolge per ciascuno dei 12 mesi durante i quali si calcola se quando e quanta condensa si accumula nella parete e se questa in grado di evaporare nel periodo pi favorevole La verifica positiva o negativa dipende dai criteri di accettabilit previsti dalla norma la quantit massima accumulata non deve superare un valore limite e deve evaporare completamente durante l estate 288 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La norma prevede anche la verifica del pericolo di condensa superficiale per evitare muffe e fenomeni di corrosione 4 5 RISULTATI E DISCUSSIONE 4 5 1 CARATTERIZZAZIONE DELLE FIBRE DENSIT E PROPRIET A TRAZIONE Per ciascun tessuto di rinforzo stata determinata la densit areale e la densit della fibra o del filato di cui costituito Si riportano di seguito i risultati sperimentali che stanno alla base delle successive valutazioni sulle propriet fisiche e meccaniche dei laminati prodotti Tab 4 2 Densit e densit areale delle fibre e dei filati impiegati Tessuto pP Pareale g cm g m Mat 1 306 780 B607 1 342 243 B6240C 1 282 176 Biotex 1 390 420 Nel seguito invece sono riportati i valori ottenuti dalle prove di trazione sulle fibre o sui filati a seconda della tipologia di tessuto Nella fattispecie si riporta la tensione massima o l allungam
70. matrice e quindi un aumento delle propriet meccaniche Il trattamento con alcali comporta anche l aumento del numero di possibili siti reattivi consente una migliore bagnabilit delle fibre e determina una variazione del grado di polimerizzazione e orientamento molecolare dei cristalliti di cellulosa a causa della cementazione di sostanze come lignina ed emicellulosa che vengono rimosse durante il processo Infatti riconosciuto che tale trattamento idrolizza le parti amorfe della cellulosa presente nelle fibre in modo che dopo il trattamento il materiale contenga in percentuale pi cellulosa cristallina L aumento di cristallinit pu essere interpretato come la causa alla base dell incremento di modulo elastico delle fibre trattate Inoltre trattamenti con soda caustica portano a diminuzioni dell angolo di spirale e aumento dell orientamento molecolare FIBER OH NaOH gt FIBER OWNa H 0 Fig 1 14 a Reazione chimica nel trattamento con alcali Se il trattamento viene fatto ad alta percentuale in volume di NaOH si potrebbe avere una eccessiva estrazione di lignina ed emicellulosa con il risultato finale che si possono danneggiare le pareti delle cellule La rimozione di materiale non cellulosico comporta casualit nell orientamento dei cristallini che influenza il modulo elastico Infatti la rimozione dell emicellulosa comporta che la regione posta fra le fibrille si ritrova ad essere meno densa e meno rigida col risult
71. mentre materiali con interfaccia forte hanno elevata resistenza e rigidezza ma sono piuttosto fragili Per avere una buona adesione tra matrice e rinforzo bisogna che le fibre posseggano una sufficiente bagnabilit In genere per raggiungere tale scopo si ricorre a speciali trattamenti chimici e fisici 50 58 trattamenti fisici come la calandratura lo stiramento il termotrattamento e la produzione di filati ibridi non modificano la composizione chimica ma solo le propriet superficiali e strutturali influenzando allo stesso tempo i legami meccanici Altri tipi di trattamenti fisici comunemente usati nei polimeri di natura petrolchimica sono quelli che utilizzano scariche elettriche come il corona e il plasma freddo Un vecchio metodo utilizzato 39 per le fibre di cotone ma applicabile alle fibre di cellulosa e la mercerizzazione in pratica un trattamento con alcali NaOH Quest ultimo nelle sue condizioni ottimali assicura incrementi della resistenza a trazione e migliori caratteristiche di idrorepellenza molto importanti nella produzioni dei compositi Nella fattispecie la mercerizzazione porta alla fibrillazione rottura delle fibre composite nelle piu piccole fibre e alla riduzione del diametro col conseguente aumento del rapporto di aspetto aspect ratio superficie volume Inoltre la mercerizzazione porta allo sviluppo di una topografia di superficie ruvida che si traduce in una migliore adesione all interfaccia fibra
72. mm per cui solo per laminati realizzati a pressione atmosferica che hanno uno spessore superiore al limite stato necessario limare a mano l eccesso 40 mm Fig 4 52 Dimensione della provetta di composito sottoposta alla prova DMA L analizzatore dinamo meccanico DMA costituito dai seguenti componenti un portacampione a seconda del tipo di prova che si intende eseguire un attuatore che serve a trasferire la sollecitazione al provino un 266 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE forno un sistema di trasduttori per registrare i dati della prova quali sforzi temperature spostamenti A Fig 4 53 Strumento DMA utilizzato in dotazione del D 1 M Fig 4 54 Particolare del portacampione per la prova DMA a flessione su tre punti 267 O l ASHPA M p a BAHN Fig 4 55 Alcuni provini di composito con tessuto Biotex pronti per la prova DMA 4 4 4 4 LA PREVISIONE DELLE PROPRIET MECCANICHE DEI LAMINATI MODELLI ADOTTATI A stretto rigore poich i compositi prodotti sono stati realizzati sovrapponendo due o pi tessuti eccezion fatta per il laminato rinforzato con un solo layer di tessuto Mat l analisi previsionale andrebbe condotta in due step utilizzando prima i modelli della micromeccanica per stimare le propriet meccaniche delle singole lamine rinforzare con un solo layer di tessuto prodotte in modo da avere la stessa percentuale
73. o un puntone sia soggetto a sforzi assiali l analisi standard ha mostrato che le instabilit appaiono quando il carico assiale P raggiunge il valore del carico di Eulero Pe ossia il limite oltre il quale il puntone non ritorna in condizioni rettilinee dopo la cessazione del carico 1 5 Nel caso di un puntone a sandwich le deformazioni di taglio che si verificano riducono la rigidezza del puntone ed il carico d ingobbamento minore del corrispondete carico di Eulero nella sua generale espressione n D P E 81 5 1 07 P P P j B 2 f 7 B 0 699 B 0 5 Fig 3 23 Il carico euleriano al variare dei casi Consideriamo un puntone a sandwich incastrato verticalmente Quando la spinta assiale P raggiunge un valore critico Per lo spostamento consiste in due spostamenti sovrapposti w4 spostamento di flessione e ws spostamento associato alla deformazione di taglio del core Ad una sezione x Il momento flettente M 1 6 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE O A p y fi p i a C mi Om O Fw peer te 4 mani VW M D P OON ea p ta sie un si T W to i a 1 Wo Fig 3 24 Ingobbamento del puntone incernierato alle estremit La figura 3 24 mostra che P ha una componente P w wz che agisce perpendicolarmente all asse del puntone Effettuando le dovute oper
74. orizzontale diventa TA Q E tdc Be 4 116 Poich G stato scelto in modo che le equazioni 112 e 114 diano lo stesso risultato per BB il core antiplane esattamente equivalente ad un core reale ci ci permette l utilizzo dell analisi fatta per le travi a sandwich Questa analisi tratta solo con gli spostamenti core bordo AA BB e non dipende dalla forma della sezione deformata A CB Quindi il core antiplane equivalente ha il modulo di taglio come questo G DIR cl 6E t c t 117 G 1 Per applicare le procedure fin qui analizzate per le travi sandwich in ogni espressione di calcolo di D G deve essere rimpiazzato da G 3 4 2 PANNELLI PIANI 3 4 2 1TPANNELLI CON FACCE UGUALI APPOGGIATI SU DUE LATI Per i pannelli con facce uguali e sottili appoggiati su due lati opposti la teoria e le formule sono le stesse di quelle per le travi aperte a condizione che il carico sia una pressione uniforme Comunque si deve notare che pannelli si considerano come travi larghe con le stesse ipotesi e possibilit di semplificazione Perci nell analisi E si pu rimpiazzare con E 1 v 180 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 3 4 2 2PANNELLI CON FACCE UGUALI APPOGGIATI SU QUATTRO LATI Per ottenere delle formule efficienti si applica il metodo energetico ai pannelli appoggiati su tutti e quattro lati Il metodo permette di trovare u
75. pannelli sandwich sono laminati in composito per le pelli esterne legno di balsa pressato per l anima Dal punto di vista ambientale la scelta delle fibre vegetali e del legno di balsa comportano un impatto molto limitato dovuto al fatto che questi due costituenti sono rinnovabili in quantit notevoli con tempi di coltura brevi se 212 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE paragonati alla crescita alberale o arbustiva comune e facilmente biodegradabili Inoltre la balsa un legno pregiato dovuto al fatto che ha una densit notevolmente pi bassa di molte altre specie vegetali canapa compresa Questo fattore indispensabile nel settore dei pannelli sandwich e in particolare delle costruzioni permette di realizzare dei componenti a bassissimo peso specifico Per quanto riguarda le pelli esterne sono stati presi in considerazione laminati rinforzati con i quattro tipi di tessuto Mat B607 B6240C e Biotex non trattati chimicamente che hanno mostrato le migliori propriet meccaniche soprattutto in termini di modulo elastico Per quanto concerne il materiale d anima stato adottato il legno pressato di balsa commercializzato dalla compagnia internazionale DIAB Group La balsa Ochroma pyramidale un albero della famiglia Bombacaceae diffuso in America centro meridionale Grazie alle caratteristiche climatiche e geofisiche del territorio nel quale cresce il
76. parametri termici dinamici fattore di attenuazione fa e coefficiente di sfasamento temporale o Il fattore di attenuazione definito come il rapporto fra il flusso termico in condizioni reali si ottiene dalla soluzione dell equazione generale della conduzione del calore in regime variabile e il flusso termico in condizioni di assenza di accumulo di colore governato dalla legge q UxAT valori di f sono compresi fra 0 e 1 in cui il valore minimo indica il totale accumulo di calore mentre il valore massimo indica l assenza di accumulo Un valore basso del fattore di attenuazione indica un buon componente per la fase estiva al contrario se il fattore ha un valore elevato Lo sfasamento definito come il tempo ore che serve all onda termica per fluire dall esterno all interno attraverso una stratigrafia orizzontale o verticale Maggiore lo sfasamento pi lungo sar il tempo di passaggio del calore all interno dell edificio e dunque maggiore schermatura nella stagione estiva E quindi in sintesti la differenza di tempo che intercorre tra l ora in cui si ha la massima temperatura all esterno e l ora in cui si ha la massima temperatura all interno Valori di sfasamento consigliato per un buon confort termico si aggirano sulle 8 12 ore La conducibilit termica dei singoli strati che verr impiegata nei calcoli misurata in laboratorio su campioni accuratamente preparati ed essiccati in forno i valori cos ottenuti
77. parete della cella aumentando la superficie di aggancio Il nido d ape in polipropilene viene fornito con le due facce gi ricoperte da un tessuto non tessuto termosaldato Questo serve ad assicurare l aderenza delle pelli al polipropilene che altrimenti sarebbe scarsa Con questo tipo si eseguono in genere pannelli con le pelli prefabbricate in vetroresina che successivamente vengono incollate l adesivo a base di resina impregna il nontessuto che determina l aderenza In genere il nido d ape in polipropilene viene impiegato nella costruzione di pannelli in edilizia In tutti gli altri settori specialmente in quello nautico si utilizzano anime in materiale espanso La costruzione del sandwich risulta pi Si possono infatti stratificare le pelli direttamente sul pannello di espanso se si dispone di un impianto per il vuoto si pu completare la stampata del sandwich in una sola operazione L adesione delle pelli sulla superficie dell espanso ottima grazie agli alveoli che presentano uno sviluppo di superficie effettiva maggiore dell area del pannello materiali espansi utilizzati come anima sono polimeri il pi diffuso il PVC espanso Sono degli espansi rigidi a cellula chiusa forniti in lastre 105 disponibili in diversi spessori e densit Un altro interessante materiale la polimetacrilimmide PMI pi costoso ma con maggior resistenza alla compressione a parit di densit E un materiale molto rigido poco ad
78. particolare si osserva la variazione del modulo elastico E e della tan in funzione della temperatura o Modulus A Tan Delta 1 20E 09 1 00E 09 8 00E 08 Modulus Pa 4 00E 08 2 00E 08 0 00E 00 20 0 Temperature C Fig 4 83 Diagramma relativo all analisi DMA di una provetta di resina PRIME 20 LV reticolata a 50 C per 20 ore Nella seguente tabella sono riassunte le propriet fisiche e meccaniche della resina reticolata a 50 C per 20 ore Tab 4 8 Propriet fisiche e meccaniche della resina PRIME 20LV reticolata a 50 C per 20 ore GRANDEZZA UDM VALORE sam e om e E ea n o o ma sn e e pa a a er ERI Re picco di tgd ta TR Tom 9 309 4 5 4 PRODUZIONE DEI LAMINATI IN COMPOSITO Successivamente alla fase di caratterizzazione dei costituenti sono stati realizzati numerosi laminati in materiale composito utilizzando i due processi produttivi descritti in precedenza Nella fattispecie il primo processo produttivo utilizzato stato il Resin Transfer Molding RTM che ha permesso di raggiungere percentuali in volume di rinforzo limitate in riferimento ai limiti fisici di impaccamento raggiungibili circa il 75 in volume Il secondo processo adottato ossia il Bag Molding seguito dalla reticolazione in pressa a temperatura controllata di 50 C ha consentito di raggiungere il limite massimo teorico di fibra in un materiale comp
79. qL 8V La deformazione totale A al centro data da A A 4 ill F al 384D 8V 103 Allo stesso modo si ottengono le espressioni per la deformazione totale per gli altri casi Per situazioni di carico differenti si possono usare le tabelle notevoli inserendo quinid i valori effettivi di Q nella 98 ed usando le condizioni al contorno per integrare tutte le espressioni La trattazione fin qui svolta valida nel caso di applicazione di carichi simmetrici e che tutti punti della linea mediana si muovano solo in verticale In generale questa rappresenta una limitazione in quanto nelle condizioni reali e per carichi generalmente asimmetrici le facce potrebbero scorrere orizzontalmente tra di loro determinando uno spostamento dei 1 4 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE punti appartenenti ad una sezione trasversale in quiete nel modo illustrato nella seguente figura In tale la faccia superiore si trova spostata alla sinistra cos che punti c d e f ora appaiono nelle nuove posizioni c d e f L angolo cbc viene denotato da Y ed esistono le relazioni seguenti c f c f c c Y Yo c d e w d Fig 3 22 L effetto di Y sulla deformazione di taglio Quindi C W2 Y Yo 7 104 Q C w g VG 105 M C W gt 26 Yoxgt costante 106 Le equazioni 99 e 102 sono semplicemente dei casi particolari delle 105 e 106 Nel caso in cui una trave
80. resina polimerizzata dipendono da una serie di fattori la scelta del ciclo di curing l azione degli agenti induritori la presenza di diluenti o additivi rs Viscosita tempo Fig 1 6 Diagramma viscosit tempo a diverse temperature di una resina termoindurente Una classificazione di tali resine 17 18 19 pu essere fatta in base al campo di temperature nelle quali le matrici dovranno lavorare Per temperature minori di 250 C sono utilizzate le epossidiche che sono le pi Importanti dato che risultano avere propriet meccaniche migliori di altri polimeri ottima adesione alle fibre buona resistenza chimica basso ritiro e quindi bassi valori di sollecitazione residue associate ad una notevole stabilit termica Per temperature intermedie cio tra 150 C e 250 C si trovano le resine epossidiche come la Novolac le epossidiche standard e le ciclo linfatiche Seguono le poliesteri termoindurenti da non confondere con le poliesteri termoplastiche che nel corso del XX secolo hanno trovato un ottima applicazione in combinazione con le fibre di vetro vetroresina Il loro successo trova spiegazione nel basso costo nel breve tempo di polimerizzazione e in buone caratteristiche meccaniche Per temperature oltre i 250 C si utilizzano polimeri poliammidici fenolici e siliconici anche se queste due ultime resine non hanno eccezionali caratteristiche meccaniche Come gi accennato i polimeri termoindurenti 8 9 10
81. ridotto contenuto di vuoti e una maggiore percentuale di fibra rispetto al RTM classico 134 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE ee Injection resin Vacuum 0 1 to 0 6 1 5 to 3 bars Fig 2 14 Schema del processo di Vacuum Assisted Resin Transfer Molding 2 5 6 LIGHT RTM LRTM Il LRTM utilizza tipicamente uno stampo rigido e un controstampo realizzato con un materiale flessibile e leggero che non il sacco da vuoto impiegato nel vacuum bagging Generalmente stampo e controstampo sono realizzati in vetroresina supportati da un telaio in acciaio che permette di mantenere inalterata la forma e fornisce dei facili punti di afferraggio per la movimentazione Le pressioni utilizzate per l iniezione non superano di norma 1 bar una pressione troppo elevata potrebbe causare la deformazione dello stampo Generalmente l iniezione avviene in un canale sul bordo dello stampo mentre il vuoto viene applicato al centro dello stampo Il LRTM ha il vantaggio di ottenere la realizzazione di manufatti con una buona finitura superficiale su entrambe le facce ricorrendo ad attrezzature pi economiche stampo in vetroresina anzich in acciaio e a personale non altamente qualificato Injection or casting vacuum 0 to 0 6 Reinforcement hes MATRIX NN AT LA 7 n NESS E A ZO AMM W_ amp _ W W Fig 2 15 Schema del processo di Light Resin Transfer
82. sai oe mi Nate one ma ha Jemi Ba da na la oe mi sai i 0 3 Mz Cm inf a III Nati Sata tato U ii i mi Cn be e e a i Bi ni ii T ce OOO NO NO OOO KCA RC OR i A A A AA A AAA AAA ha i Cini nn E jusura ch di le tale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B607 h ottima C WI trica del pannello sand fica igrome rl 150 Ve 4 OrIiZzzon g SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER Fi 379 Codice Struttura B607 Descrizione Struttura DESCRIZIONE STRATO lambda P lt 50 1012 C S da superiore a inferiore W mK W m K kg m kg msPa m K W Adduttanza Superiore 5 900 0 169 2 Pannello in B607 al 68 9 di fibre di canapa in 10 0 481 48 100 11 84 0 019 1746 7 0 021 tessuto B6070 Lastre di Balsa 200 0 064 0 320 31 00 26 000 2386 3 125 Pannello in B607 al 68 9 di fibre di canapa in 10 0 481 48 100 11 84 0 019 1746 7 0 021 tessuto B6070 5 Adduttanza Inferiore 0 25 000 0 0 040 RESISTENZA 3 376 m2K W CAPACITA TERMICA AREICA sup 30 040 kJ m K TRASMITTANZA 0 296 W m K SPESSORE 220 mm CAPACITA TERMICA AREICA inf 35 059 kJ m K MASSA SUPERFICIALE 55 kg m TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA 0 11 W m K FATTORE DI ATTENUAZIONE 0 37 SFASAMENTO 9 95 h s Spessore dello strato lambda Conduttivit termica
83. secco diminuisce in quanto l impregnazione del filato pi difficoltosa quindi viene sempre meno la capacit legante e di trasferimento di carico della resina 293 700 er pregati gi eng 600 o_o ae 600 da 3 fa Roving Strength MPa mpregrnated Roving Strength MPa 3 8 7 100 125 150 178 200 228 Twist turna rm Fig 4 67 Effetto del livello di torsione sulla resistenza di un filato 60 4 5 2 EFFETTO DEI TRATTAMENTI APPLICATI ALLE FIBRE L effetto dei trattamenti chimici con soda caustica mercerizzazione e con amminosilano stato studiato prima di riproporlo su scala pi ampia ai tessuti e quindi ai compositi prodotti sulle singole fibre e filati dei tessuti adottati In particolare le fibre e i filati trattati e testati sono Fibre in bundle dal Mat Filati provenienti dal B607 Filati provenienti dal B6240C 294 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE filati del Biotex non sono stati trattati in quanto come sar evidente nel seguito della trattazione l incremento di propriet generato dai trattamenti di seguito descritti non giustifica il loro costo nonch l impatto ambientale creato aspetti assolutamente di primaria importanza quando come nel caso in esame si opera con tessuti eco sostenibili di medio basso costo rispetto al prezzo dei reagenti chimici Per testare preliminarmente l efficacia del t
84. sigillante perimetrale e dell agente distaccante sulla superficie Fig 4 33 Fasi della preparazione dello stampo posizionamento dei tessuti Lungo due lati paralleli del composito sono stati introdotti dei tubi flessibili in nylon di diametro pari a 4 mm terminanti all interno della camera con un raccordo a T a cui sono stati collegati due diffusori Questi tubi sono collegati l uno con la pompa da vuoto l altro col serbatoio di resina catalizzata e sono intervallati da due valvole di regolazione della portata sia per interrompere la creazione del vuoto e quindi dell infusione sia per mantenere a valvola chiusa il vuoto creato 253 Fig 4 34 Fasi della preparazione dello stampo posizionamento del sacco da vuoto e prova della tenuta del vuota prima della fase di iniezione Fig 4 35 Configurazione finale del sistema per il Bag Molding Nella seguente figura si mostra il passaggio della resina e la registrazione dei tempi e delle distribuzioni di avanzamento Grazie ai diffusori installati la resina segue un fronte di avanzamento uniforme e non appena giunge all altra estremit del pannello le valvole vengono chiuse per dare fine al infusione 254 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 36 Una fase del processo di iniezione della resina con l annotazione del fronte di avanzamento nel tempo Una volta terminato il processo di infusione mantenendo il vuot
85. su una preesistente catena polimerica uno dei metodi pi comuni Il cloruro di benzoile il trattamento pi spesso utilizzato gruppi di benzoile reagiscono con il gruppo OH delle fibre cellulosiche decrementando la natura idrofila delle fibre trattate dopo circa 30 minuti di pre macerazione con una soluzione di NaOH per attivare i gruppi idrossilici della cellulosa e lignina nella fibra seguita da filtrazione e lavaggio con acqua Gli agenti accoppianti di solito migliorano il grado di reticolazione nella regione dell interfaccia e offrono un legame perfetto OH O H _ i i E o G 5 E O a ec a a du 5 HW Tel 2 a OH c Re Hi LU ii a m E a EL li Sl Vander Waals interaction Fig 1 18 Rappresentazione schematica dell interazione tra fibra agenti accoppianti e matrice polimerica Tra i vari agenti i silani risultano essere efficaci nel modificare la naturale interfaccia fibra matrice L utilizzo dei silani nei compositi oltre che a minimizzare la sensibilit all umidit ottenuta limitando la presenza di gruppi idrossilici pu contribuire a migliorare le propriet meccaniche L innesto di silani basato sull utilizzo di reagenti che portano gruppi terminali reattivi che da una parte possono reagire con la matrice e dall altra parte possono reagire con i gruppi idrossilici della fibra Gli alcossi o etossi sono i gruppi terminali che possono costituire stabili legami 43 c
86. superf 0 64 W mk Status verifica S S S condensa ore se verifica accumulo SI SI SI SI SI condensa Q t stagionale condensato 6 5 13 9 3 1 g m Max accumulo accumulo Marzo Trasm Ter period 0 29 0 15 0 15 0 14 W m K Massa superficiale 25 3 42 9 39 3 70 4 50 7 kg m 369 Superficie opaca composta Cm sup 26 018 kJ m K lastra di composito in fibre di canapa a disposizione random Lastre di Balsa lastra di composito in fibre di canapa a disposizione random Inferiore n tes DI RR RR O I LETTI RA O OO x Iii RETE STRUTTURA VERIFICATA LEO ts CRCR OR ORA E ra Pee eee e a a a es mena cs n BOO a II ea d rt i a E c m r a yy oe oe a a oa E T I aa rt i T T na Dm i E ro oe i Cr Verifica Interstiziale VERIFICATA La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantit stagionale di condensato pari a 0 0068 kg m evapora durante la stagione estiva Il in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo ee ee a E rt x E T te mi dt N B om III LIT ea i D 2 i Da E di Ii di Ca a Ta 2 rat DA De ie rt T si E x Le eo E Fad 2 Cr i ee e dn e a a ra a x E x wo T rts E rt x si Dan 2 a ra E x cm a all
87. tessuto B607 realizzati in RTM n N N N ON trattate 99H 1 A1100 sy 3 A1100 s 2 A1100 59 Fig 4 100 Andamento della resistenza a trazione al variare del trattamento superficiale combinato con NaOH a diverse percentuali e A1100 al 5 peri compositi rinforzati con tessuto B6240C realizzati in RTM 325 G Y e 9 8 doo B qa Y si ma ee 4 O aE ma SS gt ha ma Fig 4 101 Andamento del modulo elastico a trazione al variare del trattamento superficiale combinato con NaOH a diverse percentuali e A1100 al 5 peri compositi rinforzati con tessuto B607 realizzati in RTM n N N N 0n trattate OH 1 A1100 go 3 A1100 5g 9 A1100 5 o 0 o Fig 4 102 Andamento della deformazione massima al variare del trattamento superficiale combinato con NaOH a diverse percentuali e A1100 al 5 peri compositi rinforzati con tessuto B6240C realizzati in RTM 326 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Di seguito si riportano le propriet a flessione ottenute dalle prove dinamo meccaniche sui laminati prodotti con il processo RIM Per confronto vengono inoltre riportati i valori di modulo elastico ottenuti con la prova di trazione A titolo esplicativo viene di seguito riportato uno dei diagrammi ottenuti nel corso delle prove La temperatura di transizione vetrosa T e stata assunta in corrispondenza del picco della tan E possibile individuare due temperature
88. tra solidi elastici e liquidi viscosi L essere considerati in parte come liquidi viscosi discende dall osservazione che la risposta di un polimero alle sollecitazioni dipende dal tipo di sollecitazione soprattutto in termini di velocit e quindi di frequenza nel caso di sollecitazione armoniche La viscoelasticit dei polimeri senz altro una delle propriet con cui si manifestano palesemente la complessit e peculiarit di tali materiali A basse temperature e sollecitazioni quasi statiche o ad alte frequenze di misura un polimero pu essere vetroso con modulo di Young di 10 10 N m e rompersi o fluire per deformazioni maggiori del 5 Ad elevate temperature e sollecitazioni quasi statiche o basse frequenze lo stesso polimero pu essere gommoso con modulo di 10 10 N m potendo sopportare grosse estensioni 100 senza deformazione permanente A temperature ancora pi elevate si presentano deformazioni permanenti sotto carico ed il polimero si comporta come un liquido molto viscoso In un intervallo di frequenza o di temperature intermedio nel caso di sollecitazioni quasi statiche comunemente chiamato range della transizione vetrosa il polimero non si comporta ne come gomma ne come vetro mostra un modulo intermedio viscoelastico e pu dissipare un considerevole ammontare di energia di deformazione 202 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Transizione Log
89. una sorta di tecnica del beton plaqu evoluta e migliorata sottili e leggeri nastri di fibre di carbonio vengono incollati alle strutture mediante impregnazione in situ di resine Il metodo soppianta l ingombrante ed onerosa tecnica tradizionale che prevedeva la messa in opera di pesanti strutture in acciaio mediante connessioni meccaniche e tassellaggi chimici La tecnica dei rinforzi strutturali FRP Fiber Reinforced Polymer si diffonde rapidamente nel mondo dei recuperi delle infrastrutture e delle opere in cemento armato sia sulla spinta della convenienza economica sia sull effettiva efficacia della tecnologia duramente messa alla prova anche dai potenti sismi Giapponesi e Americani della costa Pacifica alla fine degli anni 90 fonte azienda OLYMPUS FRP L impiego di fibre di carbonio fibre di vetro fibre di basalto fibre di aramide fibre di lino e canapa tessuti in fibra di acciaio ed altre con differente modulo per il recupero ed il restauro strutturale di edifici storici archi volte pilastri strutture in cemento armato ponti e viadotti sta diventando sempre pi di uso generale Oggi tali rinforzi vengono utilizzati non solo in combinazione con una matrice polimerica per gli scopi e le applicazioni appena enunciate ma anche per costituire un tipo di materiale composito completamente differente il calcestruzzo fibrorinforzato FRC Fiber Reinforced Concrete Esso non ha una matrice polimerica come gli FRP Fiber Reinforce
90. vetrificare semplicemente tramite un aumento del peso molecolare e se le reazioni chimiche sono congelate dalla vetrificazione il materiale non gelifica Se la temperatura di immagazzinamento sotto la gel T il fluido si converte in un solido vetrificato di basso peso molecolare stabile ma che pu essere ancora liquefatto tramite calore e quindi vulcanizzato Sopra la gel T il materiale avr invece una vita finita per i susseguenti processi Tao a a Regione vetro gelificate g l Tg Tg da a Rs eo ly gt 7z TEMPERATURA DI POLIMERIZZAZIONE egione vetro non gellicato TEMPO Fig 1 7 Diagramma Tempo Temperatura Trasformazione 16 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE In generale se la Tcuing lt Tg il materiale vetrifica e non possibile una conversione chimica completa Di solito il materiale viene post cured sopra la Tg per sviluppare loptimum delle propriet Per alcuni materiali polimerici la Ty pu essere sopra i limiti di stabilit termica nel quale caso non ottenibile la completa conversione chimica Tab 1 3 Caratteristiche di alcuni polimeri a temperatura ambiente l Termoplastica Propriet Poliestere Epossidica Fenolica Siliconica Peck 450 Densit kg m 1100 148011110 1400 1300 1920 1700 1900 1300 Modulo a trazione E GPa 2 45 dd 3 9 1 3 5 Resist a trazione MPa
91. volume assoluto di matrice e porosit strutturale V che si presenta allorquando la matrice non riesce a riempire gli interstizi tra le fibre compatte Il volume assoluto di porosit pu quindi essere espresso come Vp Vor Vom Vps amp ppVp pm Un Ws 43 dove i coefficienti a sono detti costanti di porosit e sono coefficienti di proporzionalit lineari V f pu essere ulteriormente suddiviso in tre sub componenti a porosit delle fibre V 1 che rappresentata dalle cavit piene d aria nelle fibre es il lumen delle fibre vegetali b porosit di interfaccia V 2 che rappresentata da cavit piene daria poste nella regione di interfaccia tra fibra e matrice Questo tipo di porosit pu avere origine sia durante il processo di creazione del composito a causa della scarsa compatibilit tra fibra e matrice sia durante l utilizzo del composito a causa di stati tensionali che tendono a disaccoppiare fibra e matrice c porosit di impregnazione V 5 3 che rappresentata da cavit tra gli interstizi tra le varie fibre Tale tipo di porosit dovuta ad una scarsa impregnazione delle fibre da parte della matrice La porosit correlata alla matriceV m rappresentata da cavit presenti nella matrice es bolle d aria intrappolate Le quattro sub componenti della porosit fin qui elencate possono ad eccezione della porosit di impregnazione essere valutate osservando una s
92. vuoti e la percentuale di fibre dei laminati prodotti Cox Krenchel Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 vf Fig 4 123 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto Mat 346 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Cox Krenchel a Madsen sperimentali 20 40 60 80 100 Vf Fig 4 124 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto Mat eS Cox Krenchel Madsen sperimentali SIIT pt IA eT eZ lA 7 tT Pt tt tt tT Ses es bee cae et ob 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vf Fig 4 125 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B607 347 ese Cox Krenchel Madsen sperimentali dry filament 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vf Fig 4 126 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B607 o Cox Krenchel Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 vf Fig 4 127 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i l
93. 0 7 42 4 52 2 kg m 3 2 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Superficie opaca composta Sp 220 mm Cm sup 30 165 kJ m kK pee eee diii a aM aM D Ya ah tM E t ah ata A aS B iT NT A Thy LE i La n III EI I I 1 ama aC at aes a e aC ta i nt maga a a a aa a i i ha a a ee Ri Ce amma a ames um em EA 7 2 na ra a LEI Di 2 Da La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in pari a 0 0069 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo ra i Cip ms asa s n gt LI ph ie Re re e enn CARA CRCR RR RI LI ra oem al ra fa a E 2 Le sai am x i a i a en i ie manane a ae a an Cn me E me me a aa a cme eee eee eee or eee I SSF CS CCCCCCCCCSCCCSE SECC C6 fie es a a ee eee Verifica Sl iperficiale VERIFICATA Calata iii iii ee ee et 7 S Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio ol E U 0 296 Ms 54 MsT 54 Cm inf 33 425 kJim K Fig 4 145 Verifica igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Mat Fig 4 146 Un prototipo di pannello sandwich realizzato presso il D I 1 M con pelli esterne in laminato rinforzato con te
94. 1 Da ciascun laminato mediante l ausilio di una sega circolare diamantata sono stati tagliati cinque provini misurando in almeno 10 punti lo spessore del provino per confrontarlo con quello determinato nel corso della determinazione delle propriet fisiche del composito Fig 4 45 Traccia del contorno delle provette per la prova di trazione Fig 4 46 Alcuni provini sottoposti alla prova di trazione Le provette sono state testate con una macchina di prova tipo Zwick Roell presso i laboratori del C N R di Catania quipaggiata con una cella di carico di 50 KN Le prove sono state condotte a spostamento controllato con un precarico di 5N imponendo una velocit di deformazione costante pari a 2 mm min come suggerito dalla norma UNI EN ISO 527 4 La distanza i morsetti stata regolata in modo da avere una lunghezza 262 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE libera di 150 mm In questo modo la parte di provino ammorsata risulta essere pari a 50 mm sia inferirmente che superiormente morsetti sono a ritenzione progressiva quindi auto serranti nella direzione della trazione Lo spostamento della traversa superiore viene gestito da un software dedicato allo strumento che ne rileva mediante la cella di carico la forza necessaria impressa al campione Per avere la restituzione delle grandezze di interesse necessario fornire le misure del provino e la distanza libera tra le pi
95. 11 sono reticolati mediante un processo chiamato curing attraverso cui la resina allo stato 15 fluido subisce una serie di trasformazioni passando per uno strato gelificato o gommoso fino a passare allo stato vetroso La figura 1 7 mostra il diagramma di stato generalizzato TIT Tempo Temperatura Trasformazione ottenuto da esperimenti isotermici di un tipico processo che non coinvolge separazioni di fase Si vedano i quattro distinti stati del materiale liquido elastomero vetro non gelificato e gelificato che si incontrano durante il curing reticolazione Si possono riscontrare le temperature critiche Esse sono T ossia la temperatura massima di trasformazione vetrosa per sistemi completamente vulcanizzati gel T ossia la temperatura isometrica alla quale la gelificazione e la vetrificazione avvengono simultaneamente la T la temperatura di transizione vetrosa dei reagenti Se un materiale vulcanizzato isotermicamente sopra la Tg il liquido gelifica per formare un elastomero ma non gelifica in assenza di degradazione Una cottura isotermica ad una temperatura intermadia tra la T ela Ty causa invece prima la gelificazione e poi la vetrificazione Se le reazioni chimiche sono smorzate dalla vetrificazione ne segue che la resina non sara completamente polimerizzata Alla temperatura di gel T si ha vetrificazione appena il materiale gelifica A temperature al di sotto della gel T ma sopra la T il liquido viscoso pu
96. 20 distillata Dal rapporto tra il peso e il volume di resina si ottiene quindi la densit Fig 4 22 Alcune fasi della prova per determinare la densit della resina Per la caratterizzazione meccanica della resina sono state effettuate una serie di prove di trazione La preparazione dei provini stata fatta partendo da una lastra ottenuta per colata in uno stampo e reticolata a 50 C in forno per un tempo di 20 ore Fig 4 23 Lastra di resina PRIME 20 LV reticolata a 50 C per 20 ore 240 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Per poter operare un confronto diretto di propriet meccaniche con i compositi fibro rinforzati che sono stati realizzati sono state ricavate dalla lastra delle provette identiche per tipo forma e dimensioni a quelle per i laminati fibro rinforzati UNI EN ISO 527 come indicato nella seguente figura 250 mm Fig 4 24 Dimensioni della provetta di resina per la prova di trazione Le provette sono state testate con una macchina di prova tipo Zwick Roell presso i laboratori del C N R di Catania equipaggiata con una cella di carico da 50 kN Le prove sono state condotte con un precarico di 5N imponendo una velocit di deformazione costante pari a 2 mm min La distanza tra i morsetti stata regolata in maniera da avere una lunghezza libera di 150 mm Per la caratterizzazione a flessione e per lo studio del comportamento visco elastico della res
97. 21 perch le fibre sarebbero soggette ad alte deformazioni e quindi il composito si romperebbe Se le fibre cedessero tutte insieme il composito si romperebbe a meno che l intero carico non fosse sopportato dalla matrice ovvero Ocmax L ImmaxUm 24 Per cui il composito si rompe a causa delle frattura delle fibre se Tomax Tmax Ome 1 vr gt Ommax 1 Vr 25 dalla quale si ottiene il valore minimo di vg Ommax ms fis Venn 26 OfmaxtmMmmax Ime finta g Cmax Ummax Omi St nay Yimin Veer Fig 3 4 Resistenza del composito al variare della frazione volumetrica di fibra Quando vy minore di vf la resistenza del composito controllata dalla deformazione della matrice ed minore della resistenza della matrice Se ve pi grande di v _ ma minore di v _ la resistenza del composito f fmin fer 142 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE controllata dalla deformazione della fibra pur rimanendo pi bassa di quella della sola matrice Solo se vr pi grande di vg si ha un effettivo rinforzo della matrice La forma delle curve di figura 3 4 dipende dal v _ tale percentuale in volume di fibre piccola se IR O m Efmax 27 Mmax ed in questo caso le fibre risultano sempre di rinforzo per la matrice dato che Vr lt Via 28 L analisi micromeccanica ha delle limitazioni basti pensare che presupposto per
98. 269 e Campo di misura della conducibilit termica da 0 1 a10W mK e Ambiente aria o atmosfera di azoto Fig 4 56 Termoflussimetro TCA200 in dotazione all Istituto PUK dell Universit di Clausthal In particolare tutte le prove sono state eseguite su campioni di forma circolare di diametro pari a 50 mm e di spessore massimo di circa 5 mm concordemente ai limiti strumentali Tali campioni sono stati ricavati tagliando i laminati prodotti con una sega circolare diamantata Particolare attenzione stata posta nel ricavare provette esenti da inclusioni d aria che avrebbero potuto inficiare i risultati sperimentali La prova ha permesso di ricavare la conducibilit termica del provino a diverse temperature 20 C 30 C 40 C 50 C e 60 C essendo questo l intervallo maggiormente significativo per le applicazioni civili Il tempo necessario per effettuare ciascuna prova stato circa 24 ore per garantire la quasi stazionariet del flusso e quindi valutare le propriet a regime 210 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 4 5 METODI PROGETTAZIONE DEI PANNELLI SANDWICH CON I LAMINATI IN COMPOSITO 4 4 5 1 INTRODUZIONE Le costruzioni temporanee sono prodotti architettonici case unifamiliari microarchitetture installazioni fatti per durare in un intervallo di tempo o per modificarsi nel tempo L aggettivo temporaneo si contrappone alla condizione di permanenz
99. 42 GE 2A 91 41 62 ZO 48 100 Resist a compressione MPa 90 186 100 175 BG 103 62 124 Resist a fleazione MPa 68 117 106 129 T5 117 67 Galore specifico J kg EK Conducib termica W m K 0 21 0 21 Coefficiente di dilatazione termica 10 C4 80 100 50 70 BO 80 300 Temperatura di transizione vetrosa C 100 120 _ 143 Coefficiente di Poisson 0 34 0 20 0 34 Resilienza J prove Izod 0 27 054 02 2 3 0 3 0 6 6 6 Durezza Rockwell M 115 100 112 120 45 Assorbimento HO 9 0 15 0 60 O08 015 03410 O2 0 5 17 Tab 1 4 Compositi a matrice termoindurente proprieta e applicazioni Temp ai na fr Processi Alcuni Propriet utilizzo Costo i 3 C fr trasfromazione produttori Condutture Hand lay up Dow Ashland i piccole RTM VARTM Reichhold Reticolazione a temperature CINTO i DI imbarcazioni filament winding Scott Bader ambiente basse propriet i l 60 150 Basso pultrusione Cray Valley meccaniche buona resistenza D l EE automotive spray lay up DSM chimica specialmente agli acidi industria compression Matrasur civile molding Mapei Hand lay up Migliori propriet meccaniche delle Condutture RTM VARTM i i E Dow Ashland poliesteri temperature di navale filament winding i i Reichhold reticolazione da ambiente a medie 60 150 Basso automotive pultrusione Scott Bader buona resistenza chimica industria spray lay up RI
100. 6 172 180 ABS 92 94 50 60 Li 106 116 1 2 2 TERMOINDURENTI materiali polimerici termoindurenti 1 2 4 hanno una struttura molecolare reticolata formata da legami covalenti Alcune resine termoindurenti sono reticolate per mezzo del calore o attraverso calore e pressione combinati In altri casi la reazione chimica pu avvenire a temperatura ambiente termoindurenti a freddo Bench i manufatti in resina termoindurente 5 6 possano ammorbidirsi per effetto del calore T i legami covalenti del reticolo impediscono loro di ritornare allo stato fluido che esisteva prima della reticolazione anzi se il riscaldamento comporta il superamento della temperatura di degrado questi si decompongono carbonizzandosi materiali termoindurenti perci non possono venire nuovamente riscaldati e quindi fusi come succede con i termoplastici Questo per i termoindurenti uno svantaggio perch gli scarti prodotti durante la lavorazione non possono essere riciclati e riutilizzati In generale i vantaggi delle materie plastiche termoindurenti per applicazioni di progetto tecnologico sono uno o pi fra i seguenti elevata stabilit termica elevata rigidit elevata stabilit dimensionale resistenza al creep e alla deformazione sotto carico basso peso elevate propriet di isolamento elettrico e termico 14 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Le propriet della
101. 8 2 208 os Sor oss sro re 35 08 trattate Mat 14 1 Mat 25 8 Fig 4 94 Andamento della resistenza a trazione al variare della in volume di tessuto Mat per i compositi realizzati in RTM 322 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Mat 14 1 Mat 25 8 Fig 4 95 Andamento della modulo elastico a trazione al variare della in volume di tessuto Mat per i compositi realizzati in RTM Mat 14 1 Mat 25 8 Fig 4 96 Andamento dell allungamento massimo a trazione al variare della in volume di tessuto Mat per i compositi realizzati in RTM 323 O NaOH 5 Non tr NaOH NaOH attate uu Allo o A1100 5 A1100 59 0 5 Fig 4 97 Andamento della resistenza a trazione al variare del trattamento superficiale combinato con NaOH a diverse percentuali e A1100 al 5 peri compositi rinforzati con tessuto B607 realizzati in RTM O e N WwW A U MD N O WO eb O T m SS gt a a Fig 4 98 Andamento del modulo elastico a trazione al variare del trattamento superficiale combinato con NaOH a diverse percentuali e A1100 al 5 peri compositi rinforzati con tessuto B607 realizzati in RTM 324 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 99 Andamento della deformazione massima al variare del trattamento superficiale combinato con NaOH a diverse percentuali e A1100 al 5 peri compositi rinforzati con
102. ATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 4 2 METODI PROVE SUI MATERIALI BASE E SUI COMPOSITI 4 4 2 1 CARATTERIZZAZIONE DELLE FIBRE DENSIT E PROPRIET A TRAZIONE Le propriet fisiche e meccaniche delle fibre o dei filati di cui sono costituiti i rinforzi generalmente non vengono fornite dal produttore come nel caso del Mat dei tessuti EnviroTextiles e CompositesEvolution per cui stato necessario effettuare delle prove densimetriche e di trazione utili per la progettazione prima e la caratterizzazione dopo dei compositi realizzati Con la prova densimetrica in particolare si determina la densit delle fibre in modo da poter calcolare come esplicato nel seguito della trattazione la percentuale in volume di fibra nel composito dato di assoluta importanza per valutare le propriet fisiche e meccaniche di un manufatto La procedura adottata consiste nel prendere qualche grammo di tessuto che dopo essiccazione in forno per almeno 2 ore viene tagliato finemente fino ad ottenere una sorta di polvere di tessuto che viene successivamente posta all interno del cilindro di una pasticcatice La polvere cos ottenuta viene compattata per mezzo di una pressa idraulica ad una forza di 12 t In questo modo si ottiene un cilindretto di diametro pari a 13 mm costituito da fibre compattate riducendo al minimo la presenza di aria tra le fibre che viene espulsa attraverso uno sfiato posto sul fondo della pasticcatice Ovviamente la pression
103. B607 32 1 3 2 2796 619 B6240C 28 9 4 2 249 1 41 5 Biotex 31 5 3 6 272 0 30 2 diagrammi sono calcolati con il modello di Madsen con una frazione in volume di vuoti calcolata secondo le stesse modalit viste nell applicazione precedente dei modelli previsionali Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 vf Fig 4 131 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B607 propriet meccaniche per back calculation 351 Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vf Fig 4 132 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B607 propriet meccaniche per back calculation Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 vf Fig 4 133 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B6240C propriet meccaniche per back calculation 352 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vf Fig 4 134 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B6240C propriet meccaniche per b
104. CIVILE W mk 0 400 0 350 0 300 0 250 0 200 0 150 0 100 0 050 0 000 Fig 4 139 Andamento della conducibilita termica in funzione della percentuale in volume di rinforzo 4 5 7 PROGETTAZIONE DEI PANNELLI SANDWICH Sono stati progettati quattro tipi di pannelli sandwich variando il laminato composito che costituisce le pelli esterne In particolare i laminati selezionati sono quelli realizzati con i quattro tipi di tessuto di rinforzo Mat B607 B6240C e Biotex non trattati chimicamente che hanno mostrato le migliori propriet meccaniche soprattutto in termini di modulo elastico Poich i parametri termici determinati sperimentalmente sono quelli dei laminati prodotti in Resin Transfer Molding e le propriet meccaniche per il B607 e il B6240C per il Mat non si pone il problema perch realizzato solo in RTM migliori si ottengono con il processo del Bag Molding si operato in modo tale da ottenere comunque una stima verosimile della conducibilit termica anche di tali laminati In particolare il valore di conducibilit termica 357 e stato ottenuto applicando la regola delle miscele Da questa si ottiene prima attraverso le formule inverse la conducibilita termica dei tessuti B607 e B6240 nei tre compositi realizzati in RTM poi effettuando la media dei valori ottenuti si ottiene il valore di Atessuto medio da introdurre nella regola per calcolare la conducibilit termica di un laminato a qu
105. CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 59 Lamine di balsa PB Standard incollate 4 4 5 3 PROGETTO E VERIFICA STRUTTURALE DEI PANNELLI Si ipotizzato di voler progettare dei pannelli sandwich che serviranno per realizzare gli elementi di chiusura orizzontale inferiore calpestio e superiore copertura di un unit immobiliare modulare temporanea prefabbricata di pianta quadrata e di superficie calpestabile pari a circa 57 mq Di seguito si riporta la configurazione strutturale analizzata per la casa modulare di cui si vogliono progettare gli elementi di chiusura Nell elaborato si evidenzia la struttura portante e le chiusure orizzontali inferiore marrone e superiore arancione 275 Fig 4 60 Casa modulare prefabbrica presa come caso studio ed elementi di chiusura orizzontale inferiore marrone e superiore arancione Il modulo abitativo stato suddiviso in quattro blocchi quadrati assemblati di lato pari a 3 8 m in modo tale da rendere la forma e le dimensioni della casa sufficientemente flessibili Di conseguenza i pannelli che costituiscono il sistema di chiusura orizzontale hanno le dimensioni del modulo base mentre poich la pendenza delle falde di copertura circa 30 i pannelli che costituiscono il sistema di chiusura superiore sono di dimensioni maggiore rispetto ai primi come riportato nelle figure a seguire Poich per procedere nella fase progettuale necessario fissare un sistema d
106. E Tab 4 3Caratteristiche del tessuto B6240C Propriet B6240 Peso medio per unit di superficie g m Mir ci Fig 4 7 Tessuto B6240C Fig 4 8 Immagine al microscopio ottico 100x delle fibre ritorte del B6240 225 Fig 4 9 Immagine al microscopio ottico 200x delle fibre ritorte del B6240 Biotex E il nome commerciale del tessuto prodotto dalla azienda inglese Composites Evolution a configurazione Twill 3x3 composto al 100 da fibre di lino Fig 4 11 Immagine al microscopio ottico 200x delle fibre del Biotex in cui si nota che le fibre non sono ritorte 226 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Le fibre naturali sono corte e per essere filate devono essere raggruppate e normalmente ritorte per assicurare l aderenza delle une verso le altre cos da dare le loro caratteristiche di resistenza al filo ma ci comporta un orientamento delle fibre che non parallelo alla direzione dei filati determinando una riduzione dell efficienza di rinforzo delle fibre percentuale reale di rinforzo in una direzione inferiore rispetto a quella apparente che pu essere in qualche modo tenuto in considerazione e quantificato nel fattore di orientazione all interno dei modelli previsionali Le fibre Biotex invece hanno la peculiarit di essere 7wistless ossia il filato creato senza ritorsione delle fibre In tal modo il costruttore dichiarano fino al 50
107. EC5 10 x 2 a base di vetro E oppure alla sigla SC5 4 x 2 a base di vetro S Per le fibre di carbonio si soliti classificare i filati in termini di k dove il simbolo k sta per migliaia ad esempio un filato da 1k sar costituito da 1000 filamenti 66 6 Tex uno da 3k 200 Tex ne conterr 3000 ecc Valori tipici sono 0 5k 1k 3k 6k 12k 18k 24k 48k 1 3 5 1 CARATTERISTICHE TECNICHE DEL FILATO In genere i filati non sono commercializzati come materiali per il rinforzo strutturale in quanto costituiscono la materia prima per la fabbricazione dei tessuti Le aziende produttrici possono mettere a disposizione le caratteristiche del filato ed i relativi certificati di conformit allo scopo di tutelare i loro clienti Di seguito viene proposta la struttura di una scheda tecnica tipo del filato Essa risulta esauriente per numero e tipo di informazioni fornite La normativa internazionale di riferimento la ISO 2113 1996 E Per determinare o verificare il titolo di un filato possibile operare secondo la normalSO 1889 1997 E Si preleva cio dal tessuto un 61 campione di filato di lunghezza definita e se ne effettua la pesatura il valore del titolo dato dal rapporto essendo essendo P 1000 x TLT T il titolo del filato espresso in Tex g km P il peso del campione espresso in grammi L la lunghezza del campione espressa in metri L area in mm della sezione trasversale di un filo o di una
108. FORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE L azione statica equivalente del vento nel sito in esame la pressione cinetica di riferimento qp 1 2 Paria V 902 5 N m L azione della neve stata calcolata secondo le indicazioni del paragrafo 3 4 del DM 14 gennaio 2008 adottando i seguenti parametri u 0 8 coefficiente di forma per tetto a due falde e inclinazione 30 Q 2 71 4 kg m valore caratteristico di carico di neve al suolo per la zona III in Cui ricade la Sicilia C 1 00 coefficiente di esposizione C 1 00 coefficiente termico Il carico da neve agente sulla copertura quindi Qs Hi Ask Ce Ct 217 1 Kg m Per quanto concerne invece il sovraccarico variabile questo dipende dalla destinazione d uso dei luoghi in cui sono installati i pannelli e viene fornito dal DM 14 gennaio 2008 Nel caso indagato si assunto QA calpestio 200 kg m chiusura calpestio ambienti ad uso residenziale soggetti a normale affollamento Q1caipestio 50 kg m chiusura copertura coperture accessibili per sola manutenzione Il carico permanente non strutturale stato assunto pari a 20 kg m per gli elementi di chiusura orizzontale di calpestio e 50 kg m per quelli di copertura Le azioni considerate sono state combinate secondo lo schema riportato di seguito estratto dalla normativa 361 Tab 4 24 Tabella estratta dal DM 14 gennaio 2008 contenente tutte le possibili comb
109. FORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Per fibre di lunghezza il fattore di efficienza di lunghezza delle fibre vale ee tanh 1 2 Me 1 E E 31 dove 1 IG p T Fp EfInRIP 32 e Gm modulo di taglio della matrice rp raggio della fibra R siriferisce alla spaziatura tra le fibre Il rapporto R r puo essere espresso come 33 Il fattore numerico K nel caso di impaccamento spaziale piano pari a 1 4 Se la lunghezza delle fibre di rinforzo non e costante bensi variabile con la distribuzione della densit data da h l ca __ tanh 61 2 me 1 7 nal 34 Per la valutazione della resistenza a trazione anche in questo caso dalla regola delle miscele la resistenza a trazione di un composito 0 pu essere espressa dalla relazione Ouc NsOuf Yf Vf Om 35 dove Ouf la resistenza delle fibre Om lo sforzo nella matrice alla massima deformazione delle fibre 145 Quest ultimo nel caso di costituenti lineari elastici pu essere calcolato come E Om EE 36 ns detto invece fattore di efficienza delle fibre esso pu essere decomposto in Ns Nisos 37 dove Nos Il fattore di orientazione delle fibre e pu avere una interpretazione simile a quella utilizzata per il calcolo del modulo elastico N s il fattore di efficienza di lunghezza delle fibre che pu in questo caso essere calcolato come 1 l 2l l l ns cl 38 i 2
110. GEGNERIA CIVILE _ _ _____m _m_ amp 6 5 aio samiera na Woe Spee MERCI Gildo cristal no Temperatura Fig 1 3 Andamento del volume specifico in funzione della temperatura per polimeri amorfi semicristallini e cristallini polimeri semicristallini sotto la temperatura di fusione Tm sono formati da regioni amorfe e cristalline L intervallo utile per la lavorazione limitato a pochi gradi centigradi poich al di sotto del punto di fusione il materiale ancora solido mentre non prudente superare di molto la temperatura di fusione dato che si possono innescare fenomeni di degradazione termica Questi polimeri presentano ritiri molto pi alti di quelli relativi ai materiali amorfi e si aggirano intorno al 1 5 Inoltre rispetto ai termoplastici amorfi sono materiali pi resistenti all attacco chimico sostanze acide basiche solventi ecc Le regioni amorfe si comportano come i polimeri amorfi mentre le regioni cristalline sono aggregati di cristalliti catene piegate usualmente sotto forma di sferuliti Le dimensioni degli sferuliti influenzano le propriet meccaniche e di diffusione dei polimeri La percentuale di cristallinit il numero e le dimensioni degli sferuliti dipendono molto dalla temperatura di cristallizzazione e dalla orientazione macromolecolare durante la cristallizzazione I valori di T e Tm in relazione alla temperatura ambientale permettono la seguente cla
111. Groom M Hughes T G Rials P M Wild J Mater Sci 2001 36 2107 34 J George J lvens Verpoest Die Angew Makrom Chem 1999 272 41 35 D G Hepworth J F V Vincent G Jeronimidis D M Bruce Composites Part A 2000 37 599 36 D G Hepworth R N Hobson D M Bruce J W Farrent Composites Part A 2000 31 1279 37 R Karnani M Krishnan R Narayan Polym Eng Sci 1997 37 476 38 T Peijs S Garkhail R Heijenrath M van den Oever H L Bos Macromol Symp 1998 127 193 39 R M Rowell D F Caulfield G Chen W D Ellis R E Jacobson S E Lange R Schumann A R Sanadi J J Balatinecz M Sain Recent advances in agrofiber thermoplastic composites 1998 p 11 40 T Corbiere Nicollier B Gfeller Laban L Lundquist Y Leterrier J A E Manson O Jolliet Resources Conservation and Recycling 2001 33 267 41 S V Joshi L T Drzal A K Mohanty S Arona Composites Part A Applied Science and Manufacturing 2004 42 Jan E G van Dam Wageningen Environmental benefits of natural fibre production and use Proceedings of the Symposium on Natural Fibres Rome 20 October 2008 43 www me gatech edu jonathan colton me4793 natfiber pdf Georgia Institute of Technology 44 SachsenLeinen Daimler 1999 BAFA NOVA AVB CELC REO 45 ACMC Advanced Composites Manufacturing Centre University of Plymouth 46 Williams et als 2000 Bogoeva Gaceva et als 2007 47 R Umer S Bickertona and A Fernyhough The effect of yarn len
112. IALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 10 Parametri di processo e propriet fisiche dei laminati prodotti in Bag olding seguito da reticolazione per 20 ore in pressa riscaldata a 50 C 7 Densit DARA P iniezione p rinforzo vuoti e pressa medio g cm Vp VW MPa min ies 48308307 tao woj 08 285 12 s os zez EA 1 5 2 ars sar 06 206 ew are esf an tas 6808 276 s tas sie osf zst ase sor 08 238 Dalla tabella si evince come il processo combinato di Bag Molding Hot BIOTEX BIOTEX B6240C B607 sa random Mold Press Curing possa garantire il raggiungimento delle percentuali in volume di rinforzo estreme Operando a parit di numero di tessuti disposti nello stampo le percentuali maggiori si raggiungono per una pressione di compattazione di 25 MPa Per tutti e tre i tessuti di rinforzo la percentuale massima si aggira all interno dell intervallo compreso tra il 68 0 del Biotex secondo una disposizione random dei tessuti e il 72 9 del tessuto B6240C La seguente tabella mostra le differenze di percentuale in volume di rinforzo tra i migliori laminati in RTM e in Bag Molding che si aggira 315 attorno al 25 determinando come evidenziato nel prosieguo della trattazione una sensibile differenza di propriet meccaniche C da dire che la differenza di propriet meccaniche da attribuire anche alla minore percentuale in volume di vuoti che s
113. LASTICHE A FLESSIONE Per la caratterizzazione a flessione e per lo studio del comportamento visco elastico dei compositi sono state effettuate delle prove dinamo meccaniche DMA utilizzando una macchina DMA tipo Tryton tecnolgy modello D6001 in dotazione dei laboratori di chimica del D 1 1 M provini sono stati sollecitati a flessione su tre punti imponendo una deformazione periodica sinusoidale di 0 01 mm di ampiezza a frequenza variabile 1 e 10 Hz alternativamente per osservare l influenza dei rinforzi quindi il comportamento dei compositi sottoposti a sollecitazioni dinamiche in relazione alla velocit di deformazione comportamento viscoso E importante ricordare che con tale strumento non si porta a rottura il provino ma lo si sollecita entro il campo di deformazione elastica La prova ha termine quando si raggiunge la temperatura limite imposta La prova avvenuta in condizioni di temperatura variabile all interno dell intervallo 25 120 C con incrementi di 2 C min per determinare inoltre la temperatura di trasizione vetrosa Tg indispensabile parametro per stabilire di fatto la massima temperatura di esercizio di un materiale composito polimerico provini di forma parallelepipeda sono stati ricavati dai laminati prodotti con i due processi produttivi Le dimensioni dei campioni testati sono quelle indicate in figura come indicato dalla norma ASTM D4065 01 Lo spessore massimo dei provini non deve superare i 7
114. LUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Codice Struttura B607 Descrizione Struttura DESCRIZIONE STRATO lambda C M S P lt 50 10 C S R da superiore a inferiore W mK W m K kg m kg msPa J kgK m K W 1 Adduttanza Superiore 0 5 900 0 0 169 2 Pannello in B607 al 68 9 di fibre di canapa in 10 0 481 48 100 11 84 0 019 1746 7 0 021 tessuto B6070 Lastre di Balsa 180 0 064 0 356 27 90 26 000 2386 2 813 Pannello in B607 al 68 9 di fibre di canapa in 10 0 481 48 100 11 84 0 019 1746 7 0 021 tessuto B6070 5 Adduttanza Inferiore 0 25 000 0 0 040 RESISTENZA 3 064 m K W SPESSORE 200 mm TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA 0 14 W m K TRASMITTANZA 0 326 W m K MASSA SUPERFICIALE 52 kg m SFASAMENTO 8 84 h CAPACITA TERMICA AREICA sup 30 663 kJ m K CAPACITA TERMICA AREICA inf 35 760 kJ m K FATTORE DI ATTENUAZIONE 0 44 s Spessore dello strato lambda Conduttivit termica del materiale C Conduttanza unitaria M S Massa Superficiale P lt 50 1012 Permeabilit al vapore con umidit relativa fino al 50 C S Calore Specifico R Resistenza termica dei singoli strati Resistenza Trasmittanza Valori di resistenza e trasmittanza reali Massa Superficiale Valore calcolato come disposto nell Allegato A del D Lgs 192 05 e s m i STRATIGRAFIA STRUTTURA DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI
115. M Misra G Hinrichsen Macromolecular Materials and Engineering 2000 276 277 1 65 K Oksman M Skrifvars J F Selin Composite Science and Technology 2003 63 1317 66 A K Mohanty A Wibowo L T Drzal Composites Part A Applied Science and Manufacturing 2004 35 363 67 M Karus European Hemp Industry Cultivation Processing and Product Lines in Journal of Industrial Hemp Volume 7 Number 2 2002 95 99 68 M Karus M Kaup Naturfasereinsatz in der europ ischen Automobilindustrie Technische Textilien Jhrg 44 11 2001 258 262 69 M Karus M Kaup Natural Fibres in the European Automotive Industry Journal of Industrial Hemp Volume 7 Number 1 2002 119 131 70 G I Williams R P Wool Appl Compos Mater 2000 7 421 71 G Bogoeva Gaceva M Avella M Malinconico A Buzarovska A Grozdanov G Gentile M E Errico Natural Fiber Eco Composites Polymer Composites 2007 DOI 10 1002 pc 72 K Joseph L H C Mattoso R D Toledo S Thomas L H Carvalho L Pothen S Kala B James Natural Fiber Reinforced Composites in Natural Polymers and Agrofibers Composites Editori E Frallini A L Leao L H C Mattoso San Carlos Brazil Embrapa 2000 159 73 L Y Mwaikambo M P Ansell Hemp fibre reinforced cashew nut shell liquid composites Composites Science and Technology 2003 n 63 74 A K Bledzki J Gassan Composites reinforced with cellulose based fibres Progress in Polymer Science 1999 n 24 221 274 75
116. Molding 135 PROGETTARE CON MATERIALI COMPOSITI 3 1 INTRODUZIONE La progettazione di qualunque tipo di manufatto prevede la conoscenza delle caratteristiche base del materiale da utilizzare Nel caso in cui si utilizzino materiali compositi le variabili in gioco aumentano infatti non solo si pu dimensionare il pezzo in funzione del materiale usato ma si pu anche facendo variare opportunamente le frazioni volumetriche dei costituenti creare un materiale che abbia le propriet desiderate La capacit di valutare e predire le caratteristiche dei compositi assume quindi un ruolo di primaria importanza in fase di progetto 1 4 83 84 3 2 LA MICROMECCANICA Oggetto della micromeccanica 1 4 83 84 la determinazione dei moduli elastici di un materiale composito partendo da quelli dei costituenti oggetto complementare dell analisi micromeccanica la determinazione delle capacit di resistenza in termini di sollecitazione di rottura Le ipotesi di base sono e Perfetta adesione tra fibra e matrice e Fibre continue e disposte tutte perfettamente parallele le une alle altre e le fibre e la matrice sono materiali lineari elastici quindi seguono approssimativamente la legge di Hooke e ciascun modulo elastico costante e Assenza di vuoti 136 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Reinforcing fibers aligned in 1 direction Lu Fig 3 1 Lamina con rinforzo uni
117. Molding RTM un processo a stampo chiuso che permette la realizzazione di compositi in diverse forme dimensioni e prestazioni Il processo si differenzia dagli altri tipi di stampaggio sia per il tipo di polimero impiegabile solo termoindurente e per il fatto che il rinforzo e la resina sono combinati all interno dello stampo vantaggi consistono nella possibilit di realizzare una superficie liscia su ambedue i lati del pezzo produrre pezzi complessi con una elevata accuratezza di dettaglio e realizzare parti che non necessitano di laboriose operazioni di rifinitura Altri punti a favore sono cicli di produzione veloci a seconda delle condizioni di reticolazione della resina ottimo controllo di vuoti ed elevate percentuali di rinforzo mentre lo svantaggio pi grande la spesa iniziale dello stampo e della macchina RTM 130 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Il RTM consiste in un processo in cui due o pi componenti reattivi vengono opportunamente miscelati e iniettati nello stampo rigido chiuso ove precedentemente stata posizionata una preforma in fibra La geometria dello stampo quindi del pezzo finito la scelta dei punti di iniezione la pressione di iniezione la scelta della preforma e della resina rappresentano i punti critici di uno stampaggio RTM Pompa del vuoto fi RCo di isso Trappola 5 os y coros LT Stampo Fig 2 12 Sch
118. P Malnati Composites Technology August 2010 http www compositesworld com articles interior innovation the value proposition 396 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 76 G Cicala G Cristaldi A Latteri e G Recca Compositi rinforzati con fibre di canapa tessuti a base di fili ritorti 1 Convegno Nazionale Assocompositi 25 26 Maggio 2011 Milano 77 Tillman U Gerngross Steven C Slater How Green are Green Plastics Scientific American August 2000 pp 37 41 78 Erwin T H Vink David A Glassner Jeffrey J Kolstad Robert J Wooley Ryan P O Connor The eco profiles for current and near future NatureWorks polylactide PLA production Industrial Biotechnology Spring 2007 pp 58 81 79 http www eurekamagazine co uk 80 http www ilvolo net scat_aer_ing_ mosquito htm 81 http www portalecompositi it 82 Singh B Manorama Gupta Anchal Verma Mechanical behaviour of particulate hybrid composite laminates as potential building materials Construction and Building Materials vol 9 No 1 pp 39 44 1995 83 Mechanics and Analysis of Composite Materials Valery V Vasiliev Evgeny Morozov Elsevier 2001 84 Mechanics of composites structures Laslo P Kollar George S Springer Cambridge University Press 2003 85 A El Sabbagh I Taha L Steuernagel G Ziegmann Stiffness and Strength of Thermoplastic Composites
119. PER L INGEGNERIA CIVILE rispetto dei limiti di trasmittanza termica fissati dalla normativa in materia Verifica dei requisiti termoigrometrici fissati dalla normativa in materia Ovviamente i quattro aspetti appena menzionati non possono essere affrontati separatamente piuttosto si tratta di considerarli contemporaneamente in un ampia fase di scelta multicriteriale sempre nel rispetto dei requisiti strutturali La procedura di progetto adottata sintetizzata nel seguente diagramma a blocchi Requisiti meccanici soddisfatti tensioni e abbassamento Prestazioni termoigrometriche soddisfatte trasmittanza e formazione condensa Fig 4 63 Schema di flusso del progetto di un pannello sandwich 283 Il punto di partenza costituito dall adozione di uno spessore del pannello in composito limitato perch da questo dipende in misura maggiore il peso del sandwich aumentandolo solo se sono richieste ulteriori prestazioni meccaniche laminati presi in considerazione sono quelli rinforzati con tessuti non trattati e che hanno mostrato le migliori propriet meccaniche E ovvio che la progettazione eseguita pu essere modificata a piacimento e in funzione delle esigenze adottanto una qualunque laminato con percentuale in volume di rinforzo differente da quelle ottenute nel presente lavoro di tesi In tale evenienza le caratteristiche fisiche e meccaniche possono essere ricavare sperimentalmente impiegando il modello
120. RAZIONE E VISCO ELASTICHE A FLESSIONE Di seguito si riporta il diagramma sforzo deformazione relativo alla prova di trazione sulla resina condotta su un campione di 5 provini iT I I OL i p i i Se i i a ie P i gi i e a i i T aS een OO a lie Na Di a i 4 4 iL L i i J L D4 0 6 DE 1 0 12 14 Strain in th Fig 4 82 Diagramma sforzo di trazione deformazione per la resina PRIME 20 LV reticolata a 50 C per 20 ore Il comportamento della resina reticolata a 50 C per 20 ore di tipo elasto fragile ossia non mostra alcun comportamento plastico Il modulo elastico a trazione stato quindi valutato come la pendenza della retta tangente al diagramma in corrispondenza deformazione pari allo 0 05 Da notare che la resina possiede resistenza a trazione modulo elastico e allungamento massimo notevolmente inferiori alle fibre e ai filati utilizzati Tale evidenza in accordo con la regola delle miscele per la previsione delle propriet meccaniche dei compositi alla base delle limitate propriet a trazione dei compositi che sono stati prodotti e testati come meglio evidenziato nel prosieguo della trattazione 308 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Nella seguente figura possibile osservare l andamento delle prove DMA eseguite all interno dell intervallo di temperatura 25 140 C sulle provette di resina opportunamente tagliate In
121. RAZZE APERE PR AR el APP DP EE AMET a Ee ET PELLA a a la ao HE ei ah ee a ai lla E vi a SZ ERETTE E SRHARTIATIIOR RIESI Fe Oe ED aa SOP RRR Tne ee Pr AAA AA RRA ee ae a a a ET Cai iaia atta at a a ener ere are LS PP ai all ll 5 re aa oP a atl cal ite iP ee ee E a LPL EL ESTELLE LOL LES sail III Pi ARA Seno LA aa a a aah hae peer ee ee ee ee Ee A EEA A AE EAE LEE PALL EEL EE DEE EE PE ea eat att ma ht LE ht AAA AE ADEA LEE PE ADEA PAS AAA A AL EDL LEE AOE ED EARS le hE EEA EEE EA tk AE al ES ae EE a Ee a a Lila 7 ai wate DS Pizia a a a al a a a sah AAA AAP pa POPS DARA AAA AAA DDRII EL Pa N di RITI ZA AIA al al al SISI SIETE Eg ee a a a a a it i i i aaa a HI A R ai ii lll a oe a a a gata ae af tar Te ata Rl al A a EA C e ae ee ee Pata Prea sta tp oe a i ee un FTA RETI VET VET ee Ci Fig 1 37 Tessuto satin weave con 16 filati di ordito sopra ciscun filato di trama Il Twill un tipo di tessuto con un motivo di nervature diagonali parallele ed spesso designata con una frazione es 2 1 in cui il numeratore indica il numero di filati su cui il filato di trama passa sopra e il denominatore indica il numero di filati da cui passa sotto Il motivo generato dal passaggio di un filo di trama su uno o pi fili di ordito e poi sotto uno o pi fili di ordito e cos via A causa di questa struttura il twill in genere si adagia bene alle superfici Fig 1 38 Struttura dei twill 3 1 e 2
122. RE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Oy Of Om 10 matrice MINIUNI Fig 3 3 Volume di composito sollecitato in direzione trasversale al rinforzo Le deformazioni sono perci Em 11 Em _ 02 Ef E 12 la dimensione trasversale su cui agisce la e approssimativamente V W mentre la m agisce su una porzione V W la deformazione trasversale risulta EW vW Ef VmW Em 13 semplificando E2 VfEf UmEm 14 sostituendo la 8 e la 9 pe E2 Vf p Ym 15 ricordando che 139 0 EzE 16 si ottiene se E fEm 17 VmE f tvfEm Con considerazioni simili si possono ricavare i valori dei coefficienti di Poisson e del modulo tangenziale Vi2 UmVm VpVy 18 GfGm di 19 VmGf HVfGm 3 2 3 RESISTENZA A TRAZIONE NELLA DIREZIONE DELLE FIBRE Nel caso pi generale un composito unidirezionale si deforma all aumentare del carico secondo quattro fasi in funzione delle relative fragilit e duttilit di fibre e matrice 1 4 83 84 1 fibre e matrice si deformano elasticamente 2 le fibre si deformano ancora elasticamente ma la matrice comincia a deformarsi plasticamente 3 fibre e matrice si deformano plasticamente 4 si verifica la rottura delle fibre seguita dal cedimento di tutto il composito Naturalmente nel caso di comportamento fragile delle fibre la fase 3 non si verifica Se la matrice ad essere fragile non avvengono la fase 2 e la 3 E bene
123. RIFICATA La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantita stagionale di condensato pari a 0 0072 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio cf1 vano interno cf2 Esterno La verifica igrometrica stata eseguita secondo UNI EN ISO 13788 Fig 4 155 Verifica igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B6240C Il pannelli sandwich con i laminati rinforzati con tessuti Biotex a differenza di quelli in Mat B607 e B6240C sono stati progettati ottimizzando il peso quindi la massa superficiale nel rispetto dello stato tensionale ammissibile e degli apbassamenti imposti dalla normativa 386 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 37 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Biotex Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa mm Spessore sandwich mm we 0 214 0 208 0 202 0 254 Status verifica verifica ELLA verifica tensioni Massa superficiale kg m7 Tab 4 38 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizz
124. Sp 200 mm tere Pesia Pei uret nre Petre Petra URII 475 284 DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI 20 0 2 337 1168 50 0 3 0 59 8 Ts Temperatura superiore Pss Pressione di saturazione superiore Prs Pressione relativa superiore URs Umidit superiore Ti Temperatura inferiore Psi Pressione di saturazione inferiore Pri Pressione relativa inferiore URi Umidit inferiore VERIFICA IGROMETRICA gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic URcf1 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 Tcf1 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 URcf2 81 50 72 70 61 00 55 40 68 40 44 50 46 00 39 90 55 60 68 50 86 50 87 70 Tcf2 4 50 5 10 7 10 10 70 14 90 20 60 23 90 23 20 19 90 14 50 9 80 6 40 Verifica Interstiziale VERIFICATA La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantit stagionale di condensato pari a 0 0071 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio La verifica igrometrica stata eseguita secondo UNI EN ISO 13788 cf1 vano interno cf2 Esterno Fig 4 149 Verifica termo igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizz
125. T Cray Valley specialmente agli acidi civile compression molding Necessit pressione in fase di reticolazione per evitare memi Compression Dow J D formazione di bolle proprieta 70 170 Basso molding RTM Lincoln Gurit laminati a meccaniche medie eccellente filament winding Seal resistenza al fuoco Eccellenti proprieta meccaniche Gurit Dow ca Hand lay up necessit di un indurente per la Huntsman te condutture pultrusione reticolazione stabilit pg Reichhold I profilati filament winding dimensionale temperatura di 80 215 Medio automotive RTM VARTM Hexion Cray reticolazione da ambiente ad alta Alto i Valley Cytec i uo navale autoclave buona resistenza chimica aerosnazicla RIVER Hexcel ACG specialmente agli alcali adesione p Aa Toray Seal ai metalli molto buona g Sika Mapei Proprieta meccaniche eccellenti interiori temperature di reticolazione da Medio Henkel i 80 250 componenti autoclave RTM medie a alte eccellente resistenza Alto Huntsman aerospaziali al fuoco ai i Maverick Buone propriet meccaniche autoclave ners Componenti Renegade temperature di reticolazione da reticolazione in i i 80 250 Alto aerospaziali Materials medie ad alte eccellente stabilit pressa missili JFC termica riscaldata RTM Technologies E ae ene Medio arredamenti Bayer BASF DA _ 80 200 automotive RTM SRIM Dow Aptek medie ad alte pu essere Basso l ner navale BCC Products
126. VILE sandwich E stata invece considerata la componente assiale dei carichi per la verifica di instabilit dei pannelli Tab 4 25 Analisi dei carichi agli S L U e S L E per la copertura kg mq kg c parz sic Carichi permanenti strutturali 24 6 410 7 1 4 Carichi perm Non strutturali 50 836 1 5 Sovraccarichi variabili 50 836 1 5 Neve 3630 7 1 9 Vento 1509 0 1 5 Carico totale di progetto 1 7708 7 sovraccarichi var dominanti kg mq kg c parz sic Carichi permanenti strutturali 24 6 410 7 1 0 Carichi perm Non strutturali 50 836 1 0 Sovraccarichi variabili 50 836 1 0 Neve 3630 7 1 0 Carico di progetto Rara 4010 3 Tab 4 26 Analisi dei carichi agli S L U e S L E per il solaio di calpestio kg mq kg c parz sic Carichi permanenti strutturali 24 6 354 7 1 4 Carichi perm Non strutturali 20 288 8 1 5 Sovraccarichi variabili 200 2888 1 5 Carico totale di progetto 1 364 4 5261 7 sovraccarichi var dominanti kg mq kg c parz sic Carichi permanenti strutturali 24 6 410 7 1 0 Carichi perm Non strutturali 20 288 8 1 0 Sovraccarichi variabili 200 2888 1 0 Carico di progetto Rara 184 6 2665 1 Dalle tabelle si evince che come ci si aspettava i carichi agli S L U sono maggiori di quelli agli S L E per cui saranno utilizzati nel corso della 363 progettazione solo i primi In particolare nell analisi carichi agli S L U stato di volta in volta selezionato il carico di progetto maggiore tra i tre
127. Vedere scheda tecnica filato Condizioni di stoccaggio Descrizione Precauzioni d uso e sicurezza Descrizione Indicazioni sull utilizzo del prodotto in un sistema di rinforzo Il produttore pu fornire indicazioni relative ad altri prodotti da abbinare al tessuto per la realizza zione del sistema di rinforzo quali ad esempio le resine da impregnazione eventuali rivestimenti protettivi primer putty ecc Tali informazioni devono essere corredate da risultati di prove di compatibilit eseguite sul sistema completo vedere 2 5 La normativa generale di riferimento la UNI 8099 1980 Fig 1 41 Scheda tecnica di accompagnamento di un tessuto secondo le norme CNR 69 Quando un tessuto costituito da fibre lunghe e o da fibre corte chopped cio fibre discontinue di lunghezza tipica compresa tra 25 e 50 mm disposte casualmente nel piano e tenute assieme da un legante chimico si parla di tessuto non tessuto o mat come mostrato nella seguente figura La larghezza dei mat variabile tra 5 cm e 2 m la loro densit di massa dell ordine di 0 5 kg m CHOPPED Fig 1 42 Tessuto non tessuto di fibre di canapa 1 4 GLI ECO COMPOSITI NELL INDUSTRIA MODERNA Negli ultimi anni l industria sta cercando di diminuire la dipendenza dei prodotti dai combustibili a base di petrolio a causa della maggiore consapevolezza ambientale Questo sta portando alla necessit di indagare su materiali sostenibili ecocompati
128. a estrusione A differenza del classico proceso di estrusione in cui il materiale viene spinto nella pultrusione il materiale che costituir il pezzo finito viene tirato per passare attraverso una trafila sagomata Il processo comprende una macchina per trazione dei profilati un forno a tunnel uno stampo riscaldato una vasca preriscaldata di impregnazione della resina al fine di ridurre il picco iniziale di viscosit un essiccatoio per le fibre il cui scopo quello di favorire l adesione tra le fibre e la resina ed eventualmente una camera di post polimerizzazione La seguente figura mostra lo schema di una macchina per la pultrusione in essa sono evidenziati oltre ai gi citati elementi guide per il trasporto e la predisposizione delle fibre le bobine di fibra cantra Con la tecnologia della pultrusione possibile produrre profilati rettilinei in materiale composito che abbiano sezione di forma qualunque Come visto per il filament winding anche per la pultrusione esistono il metodo umido wet method e quello che fa uso di preimpregnati 126 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 2 7 Schema del processo di pultrusione Nella figura precedente si ha 1 cantra 2 impregnazione preformatura formatura per trafila e polimerizzazione 3 puller o tiro 4 unita di taglio e post formatura Fig 2 8 Alcuni profili pultrusi 2 5 PROCESSI A STAMPO CHIUSO
129. a che ha da sempre caratterizzato l oggetto o il manufatto edilizio fatto per durare nel tempo Le costruzioni temporanee si possono definire tali quando per caratteristiche strutturali quali tecnologie leggere e assemblaggio a secco occupano il suolo solo temporaneamente ma anche quando pur essendo stabili risultano adattabili ad usi ed utenze distinte grazie a strutture flessibili che attrezzano lo spazio e lo rendono variabile alle diverse esigenze La leggerezza la caratteristica delle tecniche da cui una costruzione temporanea non pu prescindere Materiali e sistemi costruttivi devono essere leggeri prima di poter diventare espressione di temporaneit pertanto la costruzione temporanea si avvale di materiali che siano ridotti nelle dimensioni e nel peso e ricondotti ad elementi da comporre e assemblare a secco scelti a catalogo nell ambito della produzione industriale La reversibilit il pi alto livello di temporaneit che richiede nell atto del costruire l impiego di tecnologie leggere e tecniche esecutive industriali come l assemblaggio a secco La reversibilit quindi la capacit di un processo costruttivo di tornare al punto di partenza senza lasciare tracce ad esempio nelle fasi di progettazione realizzazione e gestione di un green building Si possono definire reversibili le costruzioni che sono assemblate a secco possiedono un attacco a terra poco invasivo sono costruite
130. a di fibra Giunta a maturazione la capsula si apre e compare il bioccolo bianco e peloso a questo punto si inizia il raccolto La raccolta che si compie entro 7 10 giorni dall apertura delle capsule pu essere fatta a mano o con macchine La raccolta manuale la pi lunga e la pi costosa ma quella che d i migliori risultati per i cotoni di alto pregio ancor oggi la pi adottata perch solo raccogliendo a mano 52 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE possibile operare una selezione del prodotto scartando le fibre immature e le materie estranee Fig 1 23 La raccolta del cotone con mezzi meccanici I semi raccolti passano in apposite macchine sgranatrici al fine di separare la fibra si ottiene cos il cotone greggio o bambagia che con apposite presse viene ridotto in balle per essere avviato agli stabilimenti di lavorazione Le balle cos ottenute sono avviate alla filatura dove il cotone battuto e ulteriormente pulito viene poi cardato ottenendo un cordone o nastro di fibre orientate casualmente Per i tipi pi fini si esegue la pettinatura che parallelizza e seleziona le fibre pi lunghe il nastro viene poi passato alla filatura dalla quale uscir o un filalo cardato peloso e meno regolare o un filato pettinato pi pregiato liscio e compatto Fig 1 24 Fiore e bacca di cotone 53 1 3 4 LE FIBRE DI LINO Il lino la fibra tessile c
131. a di gruppi funzionali reattivi sulle fibre e quindi favorire il legame con i silani In modo esteso le soluzioni adottate in cui sono stati Immersi tessuti sono le seguenti Tab 4 5 Sintesi di tutti i trattamenti chimici superficiali sui filati dei tessuti B607 e B6240C Pretrattamento con NaOH Di seguito si riportano i valori statistici delle serie ossia valori medi lo scarto quadratico medio e l intervallo di confidenza E evidente che per il modulo elastico la resistenza a trazione e la deformazione a rottura lo scarto attorno al valore medio notevole come d altronde ci si aspettava data la natura eterogenea delle fibre vegetali 296 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 6 Risultati delle prove di trazione sui filati dei tessuti B607 trattati Scarto Resistenz Scarto Scarto quadr aa quadr Allungament quadr o massimo max media trazione o ps JUL SII BESE JE 1160 1760 1550 1250 1340 do Be ne ef e MELE Si riportano di seguito a titolo puramente esplicativo due diagrammi 2370 479 2 120 0 sfrozo deformazione per i filati del B607 rispettivamente non trattato etrattato al 5 di NaOH e 3 A1100 297 i i I I i i I I i i j l i i i i li I i i i pa de o i Y i i i y Lp ET T ALA I x Y I pe i i i 7 na ani mine i z 4 i i LI q A a he ae r i
132. ack calculation 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 vf Fig 4 135 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto Biotex propriet meccaniche per back calculation 353 a Madsen 80 sperimentali 60 40 20 O 0 00 20 00 40 00 60 00 80 00 100 00 Vf Fig 4 137 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B6240C propriet meccaniche per back calculation Come dimostrano i diagrammi appena ottenuti il modello previsionale di Madsen applicato a partire dalle propriet dei filati ottenuti per back calculation permettono di ottenere stime accettabili dal punto ingegneristico per le propriet meccaniche dei compositi rinforzati con tessuti di fibre vegetali L evidenza trova conferma nei recenti studi condotti da Madsen 88 91 4 5 6 DETERMINAZIONE DELLA CONDUCIBILITA TERMICA DEI LAMINATI IN COMPOSITO PRODOTTI La resina pura e i laminati prodotti in Resin Transfer Molding utilizzando tessuti Mat B607 e B6240 non trattati chimicamente sono stati sottoposti alla prova specifica descritta all inizio del capitolo al fine di determinarne la conducibilit termica Al momento della stesura del presente lavoro di tesi non sono purtroppo disponibili i dati relativi ai laminati prodotti secondo il processo del Bag Molding pe
133. acquistano malleabilit cio rammolliscono sotto l azione del calore In questa fase possono essere modellate o formate in oggetti finiti e quindi per raffreddamento tornano ad essere rigide 15 16 Questo processo teoricamente pu essere ripetuto pi volte in base alle qualit delle diverse materie plastiche nella pratica possibile ripetere il ciclo per un numero limitato di volte poich troppi riscaldamenti possono degradare i polimeri polimeri termoplastici 17 18 sono a struttura molecolare lineare e durante lo stampaggio a caldo non subiscono alcuna modificazione chimica Il calore provoca solamente la fusione e la solidificazione avviene durante il raffreddamento Esistono due classi di polimeri quelli totalmente amorfi ed i semicristallini polimeri amorfi sono composti da catene disposte casualmente e si caratterizzano per una transizione temperatura di transizione vetrosa T durante la quale passano dallo stato fragile tipico dei vetri a quello simile alle gomme In tali polimeri la fusione del materiale non avviene ad una determinata temperatura Tm pertanto non esiste un preciso punto di fusione ma invece il materiale passa gradualmente dallo stato solido attraverso quello viscoso allo stato fluido E durante questo intervallo che i materiali vengono lavorati e trasformati il ritiro di stampaggio contenuto tra lo 0 3 e lo 0 9 10 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L IN
134. aggiungono 1 mm su 100 metri per ogni grado 118 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Celsius Con un composito in fibra di vetro o con l alluminio si otterrebbero deformazioni due volte e mezzo pi elevate I Pannelli sono stati prodotti con le fibre Teijin dalla Holland Composites utilizzando resina poliestere ed un riempitivo in schiuma PIR In tutto la facciata composto di 271 elementi contenenti 4850 kg di Twaron e 4050 kg di Tenax pannelli sono montati in loco e incollati tra loro con un laminato di collegamento in modo da dare continuit di forma ed estetica alla facciata 81 Fig 1 94 La costruenda facciata del museo Stedelijk Museum ad Amsterdam 119 I PROCESSI DI PRODUZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI processi di produzione che interessano materiali compositi sono numerosi e sebbene molti ricadono all interno della stessa categoria presentano varianti anche significative al principio di base che d il nome al processo 1 2 3 4 2 1 PROCESSI A STAMPO APERTO 2 1 1 HAND LAY UP L hand lay up o laminazione manuale un metodo artigianale il pi vecchio e semplice per costruire pezzi in materiale plastico rinforzato ed ancora largamente usato poich fa uso di dispositivi semplici ed economici e di manodopera anche non qualificata Il grande vantaggio di questa tecnica la possibilit di realizzare pezzi di grandi dimensioni infatti si u
135. agli spostamenti du po aie ea v 0 w yY Ox Bay La deformazione di taglio nel piano xy vale Age u _ 0 1 0 w ea ay oo con e u parametri indipendenti da x ed y 122 123 124 Dall equazione dell energia totale mediante alcune posizioni e operazioni si giunge alle espressioni che permettono di determinare tensioni deformazioni e abbassamenti in un pannello sandwich 182 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Nel caso di carico distribuito uniforme su tutto il pannello si ottengono le seguenti formule pratiche di immediato utilizzo e di interesse ingegneristico in fase di progettazione 1 Abbassamento massimo qb con m 1 n 1 B DD 1 2 1 2 f T nmQ m n dispari m 1 n 1 B 1 2 1 2 P2 TO nmQ m n dispari Per un pi immediato utilizzo i valori possono essere ricavati dal seguente diagramma Da 0 8 0 2 do Li ssi Al Fig 3 27 Coefficienti B e B2 Per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato 183 2 Tensioni Si pu dimostrare che la tensione normale sulle facce ha un massimo al centro del pannello x a 2 y b 2 Lo sforzo di taglio sulle facce pi elevato all angolo x 0 y 0 lo sforzo di taglio nel core T pi alto in mezzeria dei lati di lunghezza b x 0 y b 2 e lo sforzo di taglio nel core T pi alto nel mezz
136. ali da uno con fibre sintetiche ad orientazione preferenziale Nel seguito vengono riportati due modelli 143 previsionali che costituiscono in sequenza l evoluzione nella predizione delle propriet dei compositi il modello di Cox Krenchel e quello di Madsen Entrambi traggono spunto dalla regola delle miscele e ne propongono una versione modificata con lo scopo di ridurre la sovrastima generata dal calcolo tradizionale 3 2 4 IL MODELLO DI COX KRENCHEL Tale modello 85 86 permette di calcolare rigidezza e resistenza di compositi rinforzati con fibre di diverse lunghezze e con una disposizione spaziale qualunque Il modulo del composito E correlato al modulo delle fibre E e delle matrice Em e alla percentuale in volume di fibra vp da una regola delle miscele del tipo E NoeMeEpvp 1 Ve Em 29 In cul Nor il fattore di orientazione delle fibre Nig il fattore di efficienza di lunghezza delle fibre per il calcolo di tali fattori Cox propone la seguente espressione Noe Za Anc0s dn 30 dove a rappresenta la frazione di fibra ad ogni specifica orientazione l angolo di orientazione dell n esima fibra Nella tabella 3 1 sono riportati alcuni valori di nog per i pi comuni impaccamenti delle fibre Tab 3 1 Fattore di orientazione pe alcuni tipi di impaccamento impaccamento Random 2d tessuti Mat Random 3D Hz Bidirezionale 0 90 1 a 144 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RIN
137. alunque percentuale in volume di rinforzo comp AtessutoVi A resinaVm Di seguito si riportano i calcoli effettuati considerando che la resina possiede una conducibilit termica pari a 0 081 W mK Tab 4 22 Conducibilit termica dei tessuti B607 e B6240C eon DI o bia tessuto Vo 20 C ees medio rinforzo Vo Di W m K W m K 320 0 0 281 281 0 706 706 31 0 0 910 Nella tabella seguente vengono riportati i dati riepilogativi anche per la balsa di tipo standard che costituisce l anima dei sandwich dei parametri meccanici e termici dei componenti presi in considerazione 358 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 23 Tabella riepilogativa dei parametri meccanici e termici degli elementi costituenti le strutture sandwich Condu D i 7 Modul ensit o Resistenz Modulo i Termic A i Resist Elastic aa Elastico Compres rinforzo O trazione Compres T trazion Or s E ae MPa e E GPa 0 155 0 064 mt 410 188 4 10 12 7 T e pe ans a wr ae aw ow a E heal e pe ae pow e ee fona Osservando la tabella si nota che per il Biotex non fornito alcun valore di conducibilit termica in quanto non stato ancora determinato sperimentalmente La progettazione dei pannelli sandwich con tessuto Biotex si quindi esaurita con l analisi delle prestazioni meccaniche Per potere procedere con il progetto strutturale
138. aminati rinforzati con tessuto B6240C 348 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE zzz COX Krenchel Madsen sperimentali 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vf Fig 4 128 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto B6240C eee COXx Krenchel Madsen sperimentali IA N ANNA ATAN 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 vf Fig 4 129 Diagramma del modulo elastico in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto Biotex 349 Cox Krenchel a Madsen sperimentali 20 40 60 80 100 Vf Fig 4 130 Diagramma della resistenza a trazione in funzione della percentuale in volume di rinforzo per i laminati rinforzati con tessuto Biotex Dai diagrammi esposti si evince che i modelli previsionali presi in esame sono in grado di predire le caratteristiche di un materiale composito a partire dalle caratteristiche dei suoi componenti con una discreta approssimazione Nessuno dei due tuttavia ha dimostrato essere migliore dell altro Inoltre il modello di Cox Krenchel generalmente tende a sovrastimare eccessivamente le propriet meccaniche La stima ancora pi imprecisa e nettamente sottostimata nel caso di utilizzo dei parametri meccanici dei filati allo stato asciutto In definitiva si pu afferma
139. ampione paraffina come se fosse il nuovo campione in esame Alla fine tramite una banale differenza si ottenuto il volume del solo campione di composito Per determinare il volume di un particolare composito stata fatta la media su 3 misurazioni eseguite su altrettanti campioni di dimensioni pari a circa 25x25 mm estratti in modo casuale dal pannello come in figura 4 42 Fig 4 42 Campioni pronti per la prova densimetrica mediante picnometro A questo punto conoscendo il peso ed il volume del composito unitamente alla conoscenza della densit e del peso dei componenti in esso impiegati si pu facilmente risalire alle rispettive frazioni volumetriche utilizzando lo schema di calcolo presentato nel seguito Il peso del composito dato da W We Wy Il peso della fibra W un parametro noto in quanto corrisponde al peso del rinforzo che stato inserito nello stampo 259 Dalla percedente eugazione si pu ricavare quindi il peso della matrice Wm Wm We We Ricordando che la densit p definita come Ww PT grazie alla conoscenza delle densit dei costituienti determinata propedeuticamente si pu facilmente risalire al volume assoluto dei singoli costituenti We Ve Pf W Vm Pm Nel caso ideale di assenza di porosit la somma di v e di v dovrebbe essere 1 nel caso in esame invece una certa frazione del volume del composito occupata dai vuoti nel sen
140. ano contribuito al risultato finale garantendo una ottima impregnazione delle fibre e nello stesso tempo un basso contenuto di aria intrappolata Fonte AOC Resins L applicazione dei materiali compositi come rinforzo per il ripristino strutturale di strutture gi esistenti rappresenta forse nell ambito delle applicazioni civili il campo dove ormai gli FRP rappresentano a pieno titolo una realt Il rinforzo delle infrastrutture deteriorate o danneggiate vanta infatti la maggiore numerosit di applicazioni La domanda di materiali ad alte prestazioni anche in termini di durabilit e l esigenza di una riduzione dei costi di esecuzione delle riparazioni possono essere validamente coniugate nell impiego dei materiali FRP Napoli 95 Si tratta di una tecnica molto sofisticata nonostante l apparente estrema semplicit e deve essere appoggiata da un attento e scrupoloso studio di progettazione in Italia sono disponibili le norme CNR Infatti l aggiunta di FRP modifica anche sostanzialmente lo stato tensionale della struttura su cui applicato questa modifica deve essere perfettamente recepita e controllata dal progettista Nelle zone sismiche il miglioramento del comportamento strutturale delle strutture esistenti si consegue spesso con sorprendente efficacia Si deve considerare l alto rapporto resistenza peso che per le strutture sottoposte ad azioni sismiche risulta determinante In quest ambito la tecnologia del wrapping fa
141. arametri meccanici ottenuti per laminati prodotti con la tecnica del resin transfer molding RTM escludendo quelli per i compositi con i tessuti trattati Immediatamente dopo la tabella si riportano gli istogrammi ricavati mettendo a confronto per tipologia di tessuto i risultati inerenti il modulo elastico la resistenza a trazione e l allungamento massimo di tutte le prove eseguite sui laminati di composito fibro rinforzato realizzati con il processo del Bag Molding e per confronto quelli con il RTM ad eccezione dei laminati con tessuti trattati 333 Tab 4 16 Proprieta fisiche e meccaniche a trazione e flessione dei laminati prodotti in RTM e Bag Molding con tessuti B607 Modulo Modulo 7 Elasticoa Elastico a da tan rinforzo vuoti trazione flessione V 1 Hz E E C GPa GPa go tal ss ames o 2 1 4 oe oe srj a os est saj 60 os so ss se Fig 4 106 Resistenza a trazione di tutti i laminati rinforzati con B607 non trattato prodotti in RTM e Bag Molding 334 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 107 Modulo elastico a trazione di tutti i laminati rinforzati con B607 non trattato prodotti in RTM e Bag Molding Fig 4 108 Deformazione a rottura di tutti i laminati rinforzati con B607 non trattato prodotti in RTM e Bag Molding 335 Tab 4 17 Proprieta fisiche e meccaniche a trazione e flessione dei laminati pro
142. ase alla lunghezza i cotoni posso essere classificati in fibra corta da 10 a 18 mm circa fibra media da 18 a 28 mm circa fibra lunga maggiore di 28 mm Misurando le fibre che compongono un fiocchetto di cotone si pu constatare che la maggior parte di esse sono all incirca della medesima lunghezza Questa corrisponde alla cosiddetta lunghezza media del cotone o tiglio Finezza un carattere molto importante perch da essa dipende il numero di fibre contenute nella sezione di un filato e conseguentemente la resistenza del filato stesso La finezza varia tra i 15 edi 35 micron e pertanto i cotoni si suddividono in fini lt 20 micron medi da 20 ai 25 micron grossi gt 25 micron Tenacit dipende in massima parte dalla finezza e dal grado di maturazione delle fibre Essa varia da 3 a 5 g dtex ed massima per i cotoni grossi e minima per i fini Ad umido cresce moltissimo arrivando a 120 130 g dtex Elasticit dipende soprattutto dal grado di maturazione dalla fertilit del terreno e dall umidit che essa contiene allungamento a rottura piuttosto basso 3 7 50 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE colore non va inteso solo come maggiore o minore bianchezza della fibra ma anche come brillantezza lucente od opaco e come uniformit di colore diffuso chiazzato macchiato La fibra di cotone ha una struttura monocellulare ogni fibra costituita c
143. ateriale da costruzione rappresenta un potenziale enorme ed fondamentale per raggiungere la sostenibilit A causa della loro bassa densit e la loro struttura cellulare la fibra naturale possiede delle buone propriet di isolamento acustico e delle ottime propriet di isolamento termico eliminando uno dei problemi 88 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE connessi con l impiego delle fibre antagoniste come quelle di vetro o di lana di roccia ad esempio la manipolazione e lo smaltimento materiali compositi possono essere pi resistenti e specialmente nel caso dei compositi a fibra di carbonio pi rigidi dei materiali da costruzione tradizionali Conseguentemente quando per uno specifico progetto il peso della struttura diventa rilevante i compositi possono risultare molto attrattivi grazie alla loro minore densit La resistenza specifica resistenza densit dei compositi pu assumere valori fino a quattro volte superiori rispetto a quelli esibiti dai materiali tradizionali il loro modulo di elasticit normale specifico modulo densit fino al doppio Ci significa che a parit di rigidezza una struttura di materiale composito pu arrivare a pesare circa la met di un altra realizzata con un materiale da costruzione tradizionale Le primissime applicazioni degli FRP in campo civile si sono registrate in Cina agli inizi degli anni 80 Oggi in questo Paese s
144. ati forniscono una stima approssimata dei parametri meccanici delle lamine in composito Infatti il comportamento meccanico dei filati allo stato secco notevolmente differente dallo stato reticolato ossia la circostanza in cui i filati sono inseriti nella struttura del composito Per tale ragione per potere applicare i modelli previsionali ed avere una stima significativa dal punto di vista progettuale necessario condurre una campagna sperimentale di produzione di laminati con la tipologia di tessuto prescelto determinare le caratteristiche meccaniche e ottenere attraverso la formulazione inversa dei modelli Back Calculation i parametri meccanici dei filati all interno del composito Utilizzando tali parametri si ottengono stime significative e credibili delle propriet meccaniche di un qualunque laminato al variare della percentuale in volume dei componenti 390 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Entrambi i processi produttivi adottati RTM e Bag Molding Hot Press Curing si sono rivelati adeguati alla realizzazione di laminati in composito con elevate caratteristiche meccaniche e di finitura superficiale Tuttavia il Bag Molding seguito da una fase di reticolazione in pressa ha permesso di raggiungere percentuali in volume di rinforzo prossime al limite teorico raggiungibile e nettamente superiori circa il 25 rispetto al RTM Ulteriore differenza sta nella perce
145. ati dalle fibre vegetali grazie anche all interesse da parte dei consumatori per i materiali naturali ritenuti a buon ragione non pericolosi per la salute Le fibre naturali offrono all industria nuove opportunit e nuove scelte Il loro carattere innovativo e la loro immagine positiva hanno risvegliato l interesse di un gran numero di aziende nei pi svariati settori dell economia In campo ingegneristico nelle applicazioni non strutturali le fibre naturali possono attualmente competere con le fibre di vetro ma non certamente con le fibre di carbonio e le aramidiche impiegate in applicazioni strutturali In passato le fibre naturali di origine vegetale non sono state prese in considerazione come rinforzi per materiali compositi a causa di alcuni 215 problemi connessi con il loro utilizzo legati soprattutto alla bassa stabilit termica alla natura idrofila che li rende incompatibili con le principali matrici polimeriche e causa rigonfiamento dei manufatti all incostanza e imprevedibilit delle propriet degli stockings Negli ultimi anni tali problemi sono stati notevolmente ridotti grazie agli enormi passi avanti compiuti dalla ricerca per cui sebbene le fibre vegetali possiedono modeste propriet meccaniche assolute rispetto alle fibre di vetro la differenza si attenua se si confrontano le propriet specifiche ossia in rapporto alla densit del materiale hanno anche un basso peso specifico e prezzi contenuti per cui ha
146. ato chiamata semplicemente schiuma PVC formula che fu creata in Germania dal dott Lindermann tra gli anni 30 e 40 e ceduta dalla Germania come indennizzo ai danni di guerra La tecnologia del sandwich oggi ampliamente utilizzata nella nautica nel settore trasporti nel settore dell energia eolica e nelle applicazioni industriali aerospaziale da aziende che vogliono ottenere soluzioni tecniche e produttive con elevate resistenze strutturali e pesi estremamente limitati Barche per uso militare n Battelli da diporto Imbarcazioni di soccorso Fig 1 87 Alcune applicazioni nel settore nautico 114 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La costruzione di sandwich per scafi ponti e sovrastrutture il metodo pi diffuso nell industria nautica sia per le imbarcazioni da diporto che per quelle commerciali o militari Tutte le imbarcazioni presenti all ultima edizione della regata Volvo Ocean Race probabilmente la pi dura impegnativa nel suo genere sono caratterizzate da scafi interamente costruiti utilizzando materiali d anima per sandwich Le navi da salvataggio progettate per la navigazione in condizioni estreme sono anch esse caratterizzate da scafi con fondo in materiali sandwich specifici per resistere allo slittamento del carico situazione che costituisce la norma Il leader mondiale nella produzione di navi da combattimento utilizza ormai da
147. ato che pu meglio adattarsi alla direzione della deformazione Quanto detto prima si traduce in una suddivisione meglio ripartita del carico ed in una pi alta resistenza allo 40 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE sforzo di trazione Al contrario un ammorbidimento della matrice fra le fibrille comporta effetti negativi sul trasferimento dello sforzo fra le fibrille stesse Rimuovendo lentamente la lignina si ottiene maggiore plasticit grazie all eliminazione dei microvuoti nelle lamelle che uniscono le cellule fondamentali Il trattamento con soluzione alcalina stato riconosciuto avere l effetto di rimuovere la cera e i contaminati dalla superficie Fig 1 15 Immagini SEM di fibre di canapa non trattate a sinistra e trattate con NaOH a destra Le fibre di cellulosa fortemente idrofile sono incompatibili con i polimeri essendo questi ultimi idrofobi impedendo quindi un forte legame Per ovviare a tale inconveniente si utilizzano i metodi chimici ossia si impiegano agenti di accoppiamento coupling agents che reagiscono o si depositano sulla fibra e in alcuni casi all interno del polimero fungendo da ponte mediante legami chimici tra fibre e matrice Tra i metodi che rientrano in questa specifica categoria vi la copolimerizzazione ad innesto mediante reazione radicalica tra le macromolecole di cellulosa e opportuni copolimeri come il polipropilene anidride male
148. ato con l espressione 125 Wena Py P62 Nel caso dei pannelli di copertura considerando che i carichi verticali hanno una componente assiale necessario verificare che non si raggiunga il carico critico sul bordo per unit di lunghezza calcolato per mezzo dell espressione 136 t D Pemn peli in cui D la rigidezza flessionale del pannello gi calcolata K il coefficiente d ingobbamento in funzione del rapporto tra la larghezza e la lunghezza a b e del valore di p che una costante che rappresenta il rapporto tra la rigidezza flessionale Etd 2g e la forza di taglio Gd cio espressione 138 _n Etd P 2gG bi Il valore di K stato determinato grazie ai diagrammi sviluppati nel manuale DIAB riportati nel capitolo 3 281 Nel caso in cui il carico distribuito agisce in concomitanza con il carico assiale si pu dimostrare che le relazioni valide per il solo carico distribuito sono valide a condizione che ogni termine delle serie per il calcolo delle funzioni B venga moltiplicato per un fattore 1 P Pxmn 1 E questo il caso dei pannelli di copertura per cui necessario tenerne conto Infine per la copertura stata verificata la resistenza assiale attraverso il modulo equivalente del pannello Epc Ent ct Conoscendo la componente assiale del carico F e l area trasversale del pannello si pu calcolare la deformazione di compressione uguale nelle facce e nel core per il princ
149. ato con tessuto Biotex iniezione n 2 testato a trazione che ha subito una rottura netta Fig 4 118 Rottura non netta di un provino di composito rinforzato con tessuto Biotex testato a trazione 342 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 119 Ingrandimendo della zona di frattura del provino di fig 4 117 particolare del fenomeno di pull out dello yarn di fibra Biotex Fig 4 120 Scansione al SEM della superficie di frattura di un provino di composito rinforzato con tessuto B607 testato a trazione particolare del fenomeno di pull out dello yarn 343 Fig 4 121 Scansione al microscopio ottico 200x della superficie di frattura di un provino di laminato rinfrozato con tessuto B6240C iniezione n 2 testato a trazione che ha subito una rottura netta Fig 4 122 Scansione al microscopio ottico 200x della superficie di frattura di un provino di laminato rinfrozato con tessuto B607 iniezione n 3 testato a trazione che ha subito una rottura netta Le propriet fisiche soprattutto in termini di percentuale in volume dei costituenti e dei vuoti dei laminati rinforzati con i tessuti non trattati superficialmente e prodotti con i due processi produttivi sono state impiegate per validare la funzionalit dei due modelli di previsione 344 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE micromeccanici selezionati il modello di
150. ato di gelificazione da parte di tale resina prima che possa continuare il ciclo Il problema potrebbe essere by passato velocizzando il processo di deposizione attraverso un riscaldamento dello stampo oppure utilizzando pi stampi contemporaneamente soluzione pi costosa A volte si pu passare uno strato ulteriore prima del gel coat in modo da renderlo 132 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE impermeabile sigillandone i pori e le micro irregolarit cosi da renderlo lucido e liscio permettendo al prodotto finito di conservarsi pi a lungo e permettendo una pulitura pi facile La deposizione dei tessuto mediante sovrapposizione pu essere laboriosa visto che si deve adattare allo stampo un sistema soffice che deve essere adattato e rifilato strato per strato tenendo debitamente conto dell orientazione che devono assumere le fibre A volte quindi i tessuti si trovano gi conformati come preforme cio per rendere pi semplice il posizionamento nello stampo i tessuti vengono pressati e con l utilizzo di un legante opportuno li si adatta in un elemento sufficientemente rigido di forma analoga allo stampo potendo ricorre poi anche ad aggiustamenti locali per i punti critici quali spigoli e bordi II posizionamento riguarda non solo il rinforzo ma anche eventuali inserti o il core dei sandwich Ci che principalmente importante l uniformit della distribuzione
151. attabile alle superfici curve Questi materiali resistono bene ai solventi quindi possono essere stratificati anche con le resine poliesteri e le vinilesteri produttori principali di schiuma PVC sono la DIAB e l Airex Herex detentori della formula che fu sviluppata dal dott Lindermann Fig 1 76 Core in schiuma poliestere Si definiscono schiume quei materiali cellulari ottenuti mediante la dispersione di un gas in un materiale plastico solido La schiuma pu essere e a celle aperte se la fase gassosa continua e a celle chiuse se la fase gassosa non interconnessa e flessibile semi rigida o rigida e di materiale termoplastico o termoindurente La schiuma pu essere creata direttamente nello stampo se viene immessa a pressione allo stato liquido unitamente al gas oppure gia in blocchi solidi semilavorati che vengono opportunamente tagliati e lavorati Le schiume sono facilmente lavorabili e hanno basso costo e per questo sono solitamente usate per costruire pannelli sandwich nonostante le loro caratteristiche meccaniche siano inferiori a quelle del nido d ape Presentano ottime caratteristiche di isolamento termico e acustico ottima capacit di smorzamento delle vibrazioni e resistenza agli urti Altri tipi di core sono i corrugati o Structural core sandwich dove dei laminati spesso dello stesso tipo delle pelli sono usati per distanziare e collegare le pelli come nella seguente figura od anche per rinforzare
152. azione degli stampi che dipendono in questo caso dall economicit e dalle caratteristiche del pezzo da realizzare i distaccanti sono di materiali quali cere resine fogli di materiale plastico PTFE che vengono impiegati per consentire l estrazione dagli stampi Le cere si utilizzano quando la temperatura del processo non supera i 60 C si passano manualmente ogni volta che si opera Un metodo invece che e semi permanente quello delle resine che si fondono con lo stampo durante la reticolazione data la loro tensione superficiale bassa e possono essere anche spruzzati fogli di materiale plastico non alterano le superfici del prodotto finito e si depositano allo stesso modo delle fibre Aumentando il costo ulteriormente si usa il PTFE per applicazioni ad alta temperatura 200 C In questa tecnica si va per strati infatti dopo il primo di distaccante si stende il gel coat una particolare miscela di resina ed altri componenti atta a dare la colorazione e la finitura superficiale voluta e perci molto importante l attenzione con cui si esegue questa operazione per evitare bolle screpolature e difetti superficiali Poi si dispone un primo strato di fibra che pu essere mat tessuto o stuoia gi tagliata alle dimensioni opportune e si applica la resina sulle fibre con l aiuto di pennelli dopo averla mescolata attentamente con il catalizzatore poi si esegue la rimozione di bolle d aria tramite la rullatura pezzi vengono
153. azioni e posizioni si ottiene che _ 1D Pe 109 e il carico critico Py del puntone a sandwich 1 1 1 Pr Pe V 110 con V AG Si possono presentare tre casi e Quando G finito Pe minore del carico di Eulero e Quando G infinito P uguale al carico di Eulero e Quando G piccolo Pe approssima il valore di AG Questa formula pu essere utilizzata in ogni caso con l inserimento dei carichi di Eulero relativi Una trave si considera stretta quando la larghezza b minore dello spessore del core c E questa l ipotesi che stata adottata alla base della trattazione fin qui svolta In tale circostanza la contrazione o l espansione laterale delle facce nella direzione y associata alla tensione della membrana in direzione x pu avvenire liberamente senza causare grandi deformazioni di taglio nel core lungo il piano yz Le tensioni sulle facce sono quindi principalmente in una direzione ed il rapporto tensione deformazione uguale ad E 177 Non si applica la stessa conclusione alle tensioni di flessione nelle facce Ogni faccia una lastra sottile ed il rapporto tra tensione e deformazione rigorosamente E 1 v Comunque queste deformazioni e tensioni sono di importanza secondaria e sembra ragionevole considerare solo E tutto al fine di evitare complicazioni Una trave si considera larga quando la larghezza b molto maggiore dello spessore del core c In questo caso a differenza del p
154. bili in sostituzione di quelli convenzionali esistenti 61 78 L enorme aumento della produzione e l uso di materie plastiche in ogni settore della nostra vita conducono a enormi sprechi di plastica quindi di risorse preziose Gli attuali e crescenti problemi di smaltimento come pure i forti regolamenti e criteri per il rispetto dell ambiente emanati dagli organi competenti hanno indirizzato gran parte della ricerca scientifica verso l introduzione degli eco materiali compositi Tra i diversi tipi di eco compositi quelli che contengono fibre naturali NF e polimeri da fonti naturali rinnovabili meglio se riciclabili e o biodegradabili hanno un ruolo chiave 61 78 Da qualche anno sono apparse in commercio molte matrici polimeriche eco compatibili e recentemente alcuni ricercatori hanno cominciato ad 70 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE analizzare la possibilit di introdurvi le fibre naturali 61 78 in modo da ottenere materiali completamente environmentally friendly eco compositi che a fine vita possano essere degradati nell ambiente o smaltiti mediante compostaggio Dall altro lato grazie all introduzione di rinforzi gli eco polimeri possono raggiungere prestazioni pi elevate ed essere utilizzati in campi pi ampi con conseguente incremento nella produzione In questo modo sar possibile ridurre il prezzo di tali materiali che tuttora sono impiegati solo in app
155. bra e della tipologia di tessuto ha portato alla selezione e impiego di quattro differenti per struttura e o composizione tessuti di rinforzo Questi tessuti sono stati singolarmente combinati con una matrice termoindurente di natura epossidica Le resine epossidiche sono infatti annoverate tra le migliori sotto tutti gli aspetti fisico chimico meccanici Per tale ragione sono in genere impiegate in applicazioni che richiedono elevate prestazioni La resina adottata non rientra nella categoria delle eco compatibiili ma la scelta da attribuire alla volont di produrre uno studio concretamente e immediatamente spendibile in campo applicativo e non costituire quindi una mera indagine conoscitiva dalle scarse possibilit di impiego L impiego di una matrice eco compatibile purtroppo allo stato attuale renderebbe insostenibile la produzione in serie di un manufatto in composito dato l elevato costo dei polimeri eco compatibili In attesa della sostenibilit economica degli eco polimeri la via percorribile che pu avere un impatto positivo sul sistema produttivo industriale quindi rappresentata dall impiego di tessuti di fibre vegetali in matrici convenzionali 4 4 1 1 COMPONENTE DI RINFORZO rinforzi utilizzati sono e Mat Tessuto non tessuto di fibre di canapa ad orientazione random nel piano e b607 Tessuto biassiale 0 90 di fibre di canapa e b6240C Tessuto biassiale 0 90 di fibre di canapa e cotone e Biotex Te
156. bre di 10 0 571 57 100 11 59 0 019 1645 5 0 018 canapa cotone in tessuto B6240 5 Adduttanza Inferiore 0 25 000 0 0 040 RESISTENZA 3 057 m K W SPESSORE 200 mm TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA 0 15 W m K TRASMITTANZA 0 327 W m K MASSA SUPERFICIALE 51 kg m SFASAMENTO 8 72 h CAPACITA TERMICA AREICA sup 29 732 kJ m K CAPACITA TERMICA AREICA inf 34 504 kJ m K FATTORE DI ATTENUAZIONE 0 45 s Spessore dello strato lambda Conduttivit termica del materiale C Conduttanza unitaria M S Massa Superficiale P lt 50 1012 Permeabilit al vapore con umidit relativa fino al 50 C S Calore Specifico R Resistenza termica dei singoli strati Resistenza Trasmittanza Valori di resistenza e trasmittanza reali Massa Superficiale Valore calcolato come disposto nell Allegato A del D Lgs 192 05 e s m i STRATIGRAFIA STRUTTURA DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI a a a a a a T Pal aa on Ty T De De mi ee n sss ali sii 3 n L T T i Fa Fi Fa rs Fi pa eas S88 I LI EE su ana palin den Fn Ri E E E Sp 200 mm po trey Ps thal Prs Pa URs Tic PsitPal PritPa URI DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI 20 0 2 337 1 168 50 0 3 0 475 284 59 8 Ts Temperatura superiore Pss Pressione di saturazione superiore Prs Pressione relativa superiore URs Umidita superiore Ti T
157. canico dinamiche 97 sono un prezioso strumento di valutazione del comportamento meccanico dei polimeri in relazione alla loro struttura Le misure di E1 a diverse frequenze angolari e a diverse temperature si fanno usando strumenti specifici come ad es il DIMA che applicano deformazioni assiali sinusoidali 3 5 2 1 PROVE DINAMO MECCANICHE Il campione generalmente in forma di barretta viene sottoposto ad una oscillazione sinusoidale frequenza da 1 a 100Hz imposta mediante un sistema elettromagnetico Uno strumento impiegato in questo tipo di analisi l analizzatore dinamico meccanico DMA Esso composto da e Un portacampione che ha una geometria specifica in base al tipo di test da effettuare e Un attuatore che trasferisce la sollecitazione al campione e Una fornace e Un sistemi di sensori che registrano i dati spostamenti tensioni temperatura ecc 206 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La fornace impiegata costituisce l ambiente che ospita il campione durante l analisi La sua massa relativamente piccola allo scopo di assicurare una risposta veloce alle variazioni di temperatura richieste L ambiente che circonda il campione depurato con azoto gassoso per migliorare il risultato dell analisi portacampione Fig 3 51 Portacampione e fornace DMA II DMA pu essere usato per la misura di numerosi parametri meccanici e Nel temperature scan mod
158. carichi dalla matrice alle fibre con il conseguente scorrimento reciproco delle fibre del filato Tutto ci porta ovviamente ad un abbassamento delle propriet ottenibili a impregnation porosity Imp a Fig 4 115 Scansione al SEM della superficie di rottura di un composito a matrice termoplastica rinforzata con fibre vegetali in cul si nota la presenza della porosita legata al lumen delle fibre e la difficolt per la resina di impregnare le fibre 340 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 116 Scansione al microscopio ottico di due sezioni di laminati rinforzati rispettivamente con Biotex e B6240C in cui si vede la presenza di macrovuoti Per quanto concerne i laminati rinforzati con i tessuti Biotex confrontando i dati al variare della orientazione dei tessuti sovrapposti si nota come non ci siano una grossa differenza di propriet meccaniche per cui si pu ritenere che sebbene il tessuto presenta in direzione warp due multifilamento in pi rispetto alla direzione weft non esiste una reale direzione preferenziale di rinforzo In generale operando un confronto tra i laminati prodotti si pu affermare che le fibre non ritorte twistless Biotex sebbene commercializzate come un prodotto in grado di migliorare fino al 50 lle propriet meccaniche dei laminati rinforzati con altre fibre ritorte in realt non determinano tale sensibile miglioramento
159. ccumulo di condensa Marzo I fe T SE oH vii E at e et e E binaria Crm NS po lesene sean Sansa E III II Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio U 0 3 Mz 54 MsT 54 Cm inf 33 928 kJim K INFERIORE Fig 4 154 Verifica igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B6240C 385 Codice Struttura B6240C Descrizione Struttura DESCRIZIONE STRATO lambda P lt 50 101 C S R rrmaaston mm pma nn no E Adduttanza Superiore 5 900 0 169 2 Pannello in B6240 al 72 9 di fibre di 10 0 571 57 100 11 59 0 019 1645 5 0 018 canapa cotone in tessuto B6240 Lastre di Balsa 200 0 064 0 320 31 00 26 000 2386 3 125 Pannello in B6240 al 72 9 di fibre di 10 0 571 57 100 11 59 0 019 1645 5 0 018 canapa cotone in tessuto B6240 5 Adduttanza Inferiore 0 25 000 0 0 040 RESISTENZA 3 370 m K W CAPACITA TERMICA AREICA sup 29 115 kJ m K TRASMITTANZA 0 297 W m K SPESSORE 220 mm CAPACITA TERMICA AREICA inf 33 805 kJ m K MASSA SUPERFICIALE 54 kg m TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA 0 11 W m K FATTORE DI ATTENUAZIONE 0 37 SFASAMENTO 9 84 h s Spessore dello strato lambda Conduttivit termica del materiale C Conduttanza unitaria M S Massa Superficiale
160. ccupato dall aria che a 300 K ha una conducibilit termica pari a 0 026 W mK Tab 4 21 Conducibilita termica dei laminati prodotti in RTM Conducibilita Termica Densit W m K rinforzo vuoti p V KARD 1 093 0 081 0 083 0 085 0 091 0 099 1 07 1117 0 241 0 244 0 244 0 246 0 247 Tutti laminati realizzati hanno mostrato una conducibilita crescente al crescere della temperatura e comunque sempre superiore alla conducibilit termica della resina che ha mostrato un buon potere termoisolante In figura 4 139 si riporta il diagramma in forma aggregata del comportamento di tutti i laminati che permette di comprendere la dipendenza della conducibilit termica dalla percentuale in volume di fibre e quindi dalla densit Per comodit espositiva si scelto di rappresentare il comportamento a 20 C ma le osservazioni si possono estendere anche alle altre temperature di prova I laminati rinforzati con i tessuti di fibre B6240C hanno conducibilit minore di quelli con B607 grazie all influenza positiva della presenza delle fibre di cotone nei tessuti che determina un decremento globale della conducibilit termica W mk Resina a Mat 1 r Mat 2 B607 1 B607 2 B607 3 B6240C 1 B6240C 2 B6240C 3 Fig 4 138 Dipendenza della conducibilita termica dalla temperatura 356 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA
161. cid and neopenthylglycol POLYLITE 230 413 has excellent hydrolytic stability and very good chemical resistance The resin is non accelerated and highly thixotropic and is especially designed for relining CIPP applications POLYLITE 31516 00 POLYLITE 31516 00 resin was designed for use in applications where excellent gloss characteristics fast cycle times and line speeds are desirable POLYLITE 31516 has been uniquely designed to yield both high crosslink density and excellent toughness This resin system produces profiles with excellent surface gloss very good toughness good corrosion resistance and excellent mechanical properties POLYLITE 31660 02 POLYLITE 31660 02 is a high reactive medium viscose unsaturated polyester resin designed for SMC BMC and Pultrusion The resin can be thickened with Magnesium oxide and is used together with NORPOLI low shrink or low profile additives in Low Shrinkage LS or Low Profile LP SMC BMC applications POLYLITE 32366 20 OLYLITE 32366 20 is a low reactivity low viscosity flexible polyester resin formulated for use in automotive body patch compounds POLYLITE 32366 20 is formulated specifically to provide good adhesion to steel substrates and imparts outstanding toughness and ease of sanding to putty manufactured with it It is also designed to cure with minimal exotherm which reduces overall shrinkage Altre resine commericializzata come bio sono il sistema Envirex
162. con materiali e sistemi ecocompatibili o riciclabili 271 nota la procedura di montaggio e di smontaggio La flessibilit nel costruire contemporaneo la capacit di produrre ambienti in grado di evolversi e di adattarsi ai cambiamenti di vita degli utenti o all uso che essi ne fanno nel tempo Si pu definire flessibile una costruzione che presenta una pianta libera con concentrazione di impianti e servizi presenta un unica copertura che unifica spazi diversi aperti o chiusi possiede pareti mobili che garantiscono configurazioni diverse dello spazio possiede sistemi di chiusura esterna variabili nella conformazione e funzionalmente possiede una tipologia strutturale che permette un ampliabilita futura Come anticipato ad inizio dell attuale capitolo nella terza ed ultima fase del lavoro sperimentale stato progettato un sistema di tipo sandwich utilizzando gli eco compositi studiati come pannelli esterni pelli Tale sistema stato adeguato allo svolgimento delle funzioni UNI 8290 di chiusura orizzontale inferiore solaio a terra e superiore copertura in un modulo temporaneo abitativo prefabbricato Non costituisce oggetto del presente studio invece la progettazione della struttura portante potenzialmente in alluminio materiale resistente leggero e riciclabile n degli impianti ad esso connessi 4 4 5 2 MATERIALI materiali presi in considerazione nello studio di progettazione dei
163. considerare sul trasporto e manegevolezza del componente stesso 284 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 4 5 4 ANALISI DELLE PRESTAZIONI TERMICHE DEI PANNELLI SANDWICH PROGETTATI Soddisfatti i requisiti meccanici si passa alla verifica dei requisiti prestazionali termoigrometrici dei sandwich La prestazioni termiche saranno valutate in relazione a non superamento del limite superiore di trasmittanza termica U per la localit prescelta fissato da normativa la quantit massima di condensa interstiziale accumulata durante l anno non deve superare un valore limite e deve evaporare completamente durante l estate perch potrebbe causare il degrado delle propriet di isolamento termico dei pannelli acqua distillata possiede una trasmittanza di 0 6 W mK a temperatura ambiente Inoltre deve essere garantita la non formazione di condensa superficiale nelle pareti a contatto con gli ambienti interni Il calcolo della trasmittanza termica globale degli elementi di chiusura essendo una struttura sandwich composta stato eseguito in accordo con la norma UNI EN ISO 6946 2008 norma da seguire per la valutazione delle trasmittanze ai sensi del D Lgs 311 06 La trasmittanza U si definisce come il flusso di calore che attraversa una superficie unitaria sottoposta a differenza di temperatura pari ad 1 C ed legata alle caratteristiche del materiale che costituisce la struttu
164. d Polymer ma un calcestruzzo cementizio additivato con fibre corte di acciaio di materiale polimerico di materiale inorganico quale carbonio o vetro o di materiali naturali cui possono aggiungersi in opera usuali barre di armatura lente o pretese L aggiunta delle fibre conferisce al calcestruzzo dopo la fessurazione una significativa resistenza residua a trazione tenacit Quest ultima dipende da molteplici fattori tra i quali ad esempio il rapporto di aspetto ovvero il rapporto lunghezza diametro equivalente delle fibre la percentuale volumetrica delle fibre le caratteristiche fisico meccaniche di queste ultime 97 Le costruzioni realizzate con FRC si sono progressivamente diffuse negli ultimi anni in tutto il mondo rendendo indispensabile la redazione di Linee Guida o Istruzioni tecniche in grado di orientare e disciplinare l impiego strutturale di tali materiali 1 5 IMPIEGO DEI MATERIALI COMPOSITI NELLE STRUTTURE SANDWICH materiali compositi sono degli eccellenti materiali in quanto hanno il peculiare vantaggio che possono essere progettati per avere laddove serve le propriet volute soprattutto in termini meccanici Quando una struttura quindi il materiale di cui costituita soggetta a considerevoli sforzi derivanti da una sollecitazione a flessione e si ha un limite massimo al peso strutturale al progettista si apre davanti l importante opzione di impiego di strutture allegerite e resistenti che p
165. d alto volume nelle quali la velocit di produzione un requisito i poliesteri termoplastici sono preferiti al PP se richiesta resistenza a temperature superiori poliesteri insaturi sono utilizzati per applicazioni a piccolo e medio volume poliuretani per applicazioni a medio alto volume le resine epossidiche in quelle applicazioni che necessitano di elevate prestazioni meccaniche Tutte queste matrici sono utilizzate con fibre di vetro e possono essere applicate alle fibre vegetali Borealis ha sviluppato un ampia gama di PP denominati Daplen per pannellature automobilistiche Altre serie di prodotti ie GB disponibili sono quelli modificati con fibre di vetro Le propriet di questi prodotti sono riportate in tabella 1 18 Sabic Dow e LyondellBasell sono altri produttori leader nella vendita di PP per il settore automobilistico Per le pannellature del corpo macchina LyondellBasell ha sviluppato un intera gamma di prodotti denominati Hifax Per le applicazioni sotto il cofano e le applicazioni strutturali LyondellBasell propone una serie denominata Hostacom che rinforzata con fibre di vetro Una classe speciale di materiali realizzata con fibre di vetro E miscelati con filati in PP o PET commercializzata dalla Owens Corning con il nome Twintex Il materiale Twintex offre vantaggi considerevoli in quanto lavorabile per stampaggio sotto vuoto e con diaframma garantendo al contempo propriet simili o superioni ai mat
166. de lei CAPITOLO 3 PROGETTARE CON MATERIALI COMPOSITI osl INTOAGUZIONE lella ea Za MICKOMECCANICA traina 3 2 1 La determinazione di Esa 3 2 2 La determinazione di E gt caiewicisawswslensudaeawes dheiwin a 3 2 3 Resistenza a trazione nella direzione delle fibre 3 2 4 Il modello di Cox Krenchel 3 2 5 Il modello di Madsen iii 3 2 6 La porosit Lease ita 3 2 7 La densit dei compositi L0 0 320 La Macremeccanicazs iii elia lipari Sd Jeriteri GETOMUTAiss criteria a EaR 3 3 1 1 Il criterio della massima tensione 3 3 1 2 Il criterio della massima deformazione 99 13 I criterio di Tsakhlill call aaa 3 4 Il progetto di una struttura sandwich SA Letraviaperleizarailaleeeaaa 120 120 122 123 125 126 127 128 129 129 130 134 135 136 136 137 138 140 144 146 148 156 158 162 163 164 165 166 166 5 42 L PARNEelpalkcsre sosia 3 4 2 1 Pannelli con facce uguali appoggiati su due lati 3 4 2 2 Pannelli con facce uguali appoggiati su quattro lati 3 4 2 3 Alcune peculiarit nella progettazione 3 4 2 4 Modalit di collasSso aeeeaees 3 5 Indagini preliminari per la caratterizzazione delle propriet di base dei materiali Composili
167. degradano indentazione cio lo sfondamento locale dell anima pu essere dovuto all applicazione di carichi elevati su aree troppo ristrette del pannello delaminazione all interfaccia pelle anima o in corrispondenza di inserti Fig 3 37 Distacco delle facce delaminazione schiacciamento locale del core dovuto alla bassa resistenza dello stesso a compressione Per ognuna delle modalit di cedimento citate sono disponibili adeguati criteri di resistenza con formulazioni pi o meno complesse in grado di fornire una previsione delle condizioni tensionali critiche per l attivazione del modo di cedimento considerato Questi valori critici andranno in seguito confrontati con le condizioni tensionali presenti nella struttura per effetto dei carichi esterni applicati 191 Per poter descrivere in maniera esatta la deformabilita e lo stato di tensione di una struttura complessa quale un pannello sandwich e soprattutto per poter considerare gli effetti locali carichi concentrati inserti interfacce anima pelli necessario utilizzare modelli analitici sofisticati oppure analisi numeriche ad elementi finiti E inoltre importante ricordare che in condizioni di esercizio le strutture sono normalmente soggette a carichi variabili nel tempo e quindi a sollecitazioni di fatica In fase di analisi delle diverse modalit di cedimento risulta quindi necessario considerare opportunamente la ciclicit dei carichi applicati
168. dei pannelli sandwich necessario determinare le azioni sollecitanti in accordo con la Normativa Tecnica sulle Costruzioni contenuta nel DM 14 gennaio 2008 che sono carichi permanenti strutturali peso proprio G1 Carichi permanenti non strutturali peso portato G2 Sovraccarichi variabili Q1 Carico variabile da neve Q2 Carico variabile da vento Q3 Il carico variabile da neve Q2 e da vento Q3 sono stati presi in considerazione solo per il progetto e la verifica degli elementi di chiusura orizzontale di copertura Questi carichi sono stati calcolati considerando un ipotetica localit di montagna posta a 1000 m sul livello del mare in Sicilia 359 fk if E RO SO I fi L Se d SOL ge Ly x A j Capo Teulada Fig 4 140 Mappa delle zone in cui suddiviso il territorio italiano ai fine del calcolo del azione del vento Per quanto concerne lazione del vento considerando che si sta progettando in zona 4 sono stati considerati i seguenti parametri paragrafo 3 3 del DM 14 gennaio 2008 as 1000 m altitudine del sito in esame ao 500 m altitudine del sito di riferimento K 0 020 1 s Vbo 28 m s velocita di riferimento per la zona in esame V VbotKa as a0 38 m s velocit caratteristica del vento a 10 m dal suolo su un terreno di categoria di esposizione II mediata su 10 minuti e riferita ad un periodo di ritorno di 50 anni Paria 1 25 Kg m 360 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RIN
169. del laminato per la distanza risultanti in ciascuna direzione e piano principale sono in forma compatta N X due N Q lt Il js a Q N N 65 dove h lo spessore del laminato Integrando su tutto lo spessore del laminato utilizzando la sommatoria delle forze e dei momenti in particolare sommando le tensioni in ciascuno degli strati si ha N his Ca N D 40 pa 66 N xy oe xy M hs Ci M Y o z dz 67 M xy da xy Ricordando che la tensione il prodotto della rigidezza per la deformazione si pu legare le forze risultanti N alle deformazioni e utilizzando la matrice di rigidezza O costante in ciascuno strato funzione dell orientazione della frazione in volume delle fibre e dei materiali di cui sono costituiti le fibre e la matrice Scindendo il vettore delle deformazioni come somma di quello della linea centrale e delle curvature k integrando in z si ottiene in forma compatta una pseudo equazione costitutiva del laminato E eee ee M B Dik LSD hea h YO 202 3 161 che in modo esteso e N A A Ay Bi Bi Big E N A A Are Bi By Be E 1 Ar Ay Age Bis Bas Bee Es 69 l Bi Bi Big Di D Die k M B By Be D D Da k M Big Be Boo Di Da Dee k dove 4 _ n Ou x k B 2 0 x k I 9 70 _l k k 3 k 1 la xo x k y 3 35 La rigidezza del laminato C semplicemente A h dove h lo spessore totale del
170. del materiale C Conduttanza unitaria M S Massa Superficiale P lt 50 1012 Permeabilit al vapore con umidit relativa fino al 50 C S Calore Specifico R Resistenza termica dei singoli strati Resistenza Trasmittanza Valori di resistenza e trasmittanza reali Massa Superficiale Valore calcolato come disposto nell Allegato A del D Lgs 192 05 e s m i STRATIGRAFIA STRUTTURA DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI eg n rt a nee a ao PETALI ee LL I A wecescceccess I E a a E a R a E a s E a SCSSCCCCTSC CS ae U o MD N o U o E e O o E o E o E E gt SOC CCCCCS LI Loo BONO op 220 mm TEE eee DIAGRAMMI DELLE PRESSIONI 20 0 2 337 1 168 50 0 3 0 59 8 Ts Temperatura superiore Pss Pressione di saturazione superiore Prs Pressione relativa superiore URs Umidit superiore Ti Temperatura inferiore Psi Pressione di saturazione inferiore Pri Pressione relativa inferiore URi Umidit inferiore VERIFICA IGROMETRICA gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic URcf1 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 Tcf1 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 URcf2 81 50 72 70 61 00 55 40 68 40 44 50 46 00 39 90 55 60 68 50 86 50 87 70 Tcf2 4 50 5 10 7 10 10 70 14 90 20 60 23 90 23 20 19 90 14 50 9 80 6 40 Verifica Interstiziale VERIFICATA La struttu
171. dello stampo verso l esterno riducendo quindi la capacit del sistema di creare il vuoto ausiliario utile a ridurre la presenza dei vuoti all interno del pezzo finito Il posizionamento riguarda non solo il rinforzo ma anche eventuali inserti o il core dei sandwich Ci che comunque indispensabile l uniformit della distribuzione delle fibre senza raggrinzamenti pieghe increspature variazioni di spessore non volute ripiegamenti Posizionati i tessuti ed eventualmente la sequenza tessuti core material tessuti per la produzione d un pezzo dei materiali sandwich si pu posizionare il controstampo sullo stampo e quindi procedere al serraggio dei bulloni che terranno unite le due parti Lo stampo dovr resistere alla 246 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE pressione dell operazione d iniezione ed alla polimerizzazione quindi la chiusura del controstampo viene effettuata con morse bulloni od altri sistemi capaci bloccarlo con la forza sufficiente Fig 4 27 Posizionamento dei tessuti all interno della cavit dello stampo metallico Fig 4 28 Zona di iniezione e punti di fuoriuscita della resina all interno della cavit dello stampo 247 Una volta chiuso lo stampo e raccordati i vari canali con la trappola si innesta la valvola di iniezione nel relativo alloggiamento posto nello stampo A questo punto necessario effettuare una verifica della tenuta del
172. di Madsen 87 91 compositi rinforzati con fibre vegetali contengono in genere una relativamente grande quantit di vuoti che influenzano notevolmente le propriet e le prestazioni dei compositi La porosit che rappresentata da cavit riempite d aria all interno di un materiale altrimenti continuo spesso parte inevitabile in tutti i compositi e si sviluppa durante la miscelazione e il consolidamento delle due diverse parti del materiale Con i compositi in fibra sintetica stata ormai acquisita una notevole conoscenza per tenere bassa la porosit percentuali in volume al di sotto dell 1 Al contrario la percentuale in volume di porosit nei materiali compositi rinforzati con fibre vegetali costituisce una parte consistente del volume globale del composito RIZZA o ERRE ea Fig 3 6 Illustrazione schematica della separazione di volume assoluto di un materiale composito VC in tre volumi costituenti assoluto di fibre v matrice Vm e porosit Vp volumi dei materiali sono rappresentati come lastre con spessori in proporzione alle loro dimensioni volumetriche 148 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La maggior parte della porosit nei compositi in fibra vegetale causata da una serie di fattori I l esistenza della cavit interna alla fibra detta umen II la diversa natura chimica tra fibra e matrice che complica la compatibilizzaz
173. di miglioramento rispetto alle altre fibre ritorte nei compositi fibrorinforzati cos da rendere gli ecompositi adatti per l impiego in applicazioni strutturali o semistrutturali Tab 4 4 Caratteristiche del tessuto Biotex Propriet feltro Peso medio per unita di superficie eli g m 420 4 4 1 2 MATRICE La resina impiegata una termoindurente di natura epossidica basata sul diglicidil etere del bisfenolo A BADGE Il nome commerciale Prime 20LV ed prodotta dall azienda multinazionale Gurit Ltd Viene condotta a reticolazione mediante un catalizzatore amminico denominato Prime 20 LV slow hardner fornito dalla stessa azienda La resina adatta per tutti i processi di infusione in quanto possiede una viscosit molto bassa e un tempo di lavorazione lungo che la rende ideale per l impregnazione in una sola operazione di manufatti molto grandi e complessi Il picco esotermico particolarmente basso ci permette di realizzare anche sezioni molto spesse senza il rischio di gelificazione 221 prematura a causa del calore sprigionato dalla reazione esotermica Tale caratteristica permette pure di prolungare la vita degli stampi Il processo di curing avviene a circa 50 C e permette di raggiungere una completa reticolazione Il sistema PRIME 20LV disponibile con tre catalizzatori offrendo una gamma di tempi di lavoro e velocit di reticolazione consoni alle pi svariate esigenze Possiede inoltre buone p
174. di transizione vetrosa una per frequenza di sollecitazione pari a 1 Hz curva con primo picco e 10 Hz curva con secondo picco Nella tabella viene riportata la temperatura di transizione inferiore che quindi ricavata dalla curva a frequenza pari a 1 Hz 7 0E 09 0 35 we z 6 0E 09 0 30 E 5 0E 09 0 25 4 0E 09 0 20 B o Modulus 3 0E 09 0 19 a Tan Delta xe S 2 0E 09 0 10 1 0E 09 0 05 0 0E 00 0 00 20 0 40 0 60 0 80 0 100 0 1200 Temperature C Fig 4 103 Diagramma relativo all analisi DMA di una provetta di composito in tessuto B6240C iniezione n 2 prodotta in RTM 327 Tab 4 13 Proprieta fisiche e meccaniche a trazione e flessione dei laminati prodotti in RTM Modulo Modulo 2 8 Elasticoa Elastico a da tano rinforzo vuoti trazione flessione V 1 Hz p E E C GPa GPa 7 7 1 9 i 1 l 9 1 9 B607 mne i sm ss ma Dalla tabella 4 15 si evince come il comportamento a flessione segue in V 0 0 2 2 0 0 Mii i EE E Mica lA EEN iS LA Mi LOSS Mi qualche modo il comportamento a trazione dei laminato ad eccezione del laminato rinforzato con tessuto Mat al 14 1 Inoltre come ci si aspettava il modulo elastico a flessione inferiore di quello a trazione Per quanto concerne la temperatura di transizione vetrosa Ty non si notano apprezzabili variazioni tra le temperature dei singoli laminati ne tra
175. di varie composizioni in filamenti continui Il filamento una fibra individuale ed ha lunghezza indefinita si producono anche fibre pi corte con una lunghezza di poche centinaia di millimetri Per lungo tempo le fibre pi usate in applicazione di compositi strutturali sono state quelle di vetro Sebbene abbiano buone caratteristiche di esistenza e bassa densit presentano un modulo di elasticit relativamente basso Per questo motivo circa 25 anni fa si inizi a sperimentare e convertire compositi organici in fibre e tessuti di carbonio e grafite Le elevate propriet meccaniche delle fibre di carbonio derivano dalla particolare struttura cristallina della grafite Quanto pi si riesce ad 29 ottenere una valida struttura cristallina tanto piu si ottiene un materiale dalle caratteristiche notevoli Per la produzione sia delle fibre di carbonio che di grafite si parte da precursori e la scelta dell uno o del altro dipende dal costo di produzione dalla complessit del processo dalla rapidit di lavorazione e cos via La tecnica di base la pirolisi di materiali organici attualmente dopo poliacrilonitide PAN rayon e bitume sono le materie prime pi impiegate Le fibre vengono realizzate con un procedimento di trafilatura da una soluzione di polimero contenente un opportuno solvente Dopo la fase di coagulazione le fibre vengono lavate stirate ed asciugate Lo stiramento necessario in quanto per causare il successiv
176. direzionale Si possono quindi definire due direzioni principali indicate con i pedici 1 e 2 rispettivamente per la direzione parallela e ortogonale alle fibre 3 2 1 DETERMINAZIONE DI E Si prenda in esame un volume elementare di composito come in figura 3 2 sca QUER matrice Fig 3 2 Volume di composito sollecitato in direzione del rinforzo la deformazione _ AL oe 1 sotto l ipotesi di perfetta aderenza sar uguale sia per la fibra che per la matrice Gna 2 137 Le sollecitazioni nei singoli materiali risultano essere Of Frey 3 Om Em 1 4 Definiamo con o la sollecitazione media agente sulla sezione A con gp la sollecitazione media della fibra e con om la sollecitazione della matrice sulla sezione Am della matrice Per l equilibrio nel senso della fibra P GA ofAf 0mAm 5 sostituendo la 2 la 3 e ricordando che 0 EE 6 si ottiene A Am E E Em 7 essendo le frazioni in volume della fibra e della matrice A A Vp T Vis Pa 8 risulta E Epve EmUm 9 Questa espressione del modulo di Young apparente in direzione delle fibre conosciuta come regola delle miscele 3 2 2 DETERMINAZIONE DI E Per la determinazione del modulo di Young 1 4 83 84 apparente in direzione trasversale alla fibra si assume la sollecitazione trasversale o applicata sia alla fibra che alla matrice 138 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIB
177. distinguersi in gomme che sono materiali elastomerici o in plastiche che sono materiali pi rigidi Quando una gomma viene sottoposta a trazione le catene di molecole cominciano ad allungarsi e a districarsi in direzione dello sforzo e il 197 materiale si fa piu rigido a causa delle aumentate forze attrattive tra le molecole quando lo sforzo cessa le catene ritornano al loro stato originario Storrs MP al be ee Fig 3 42 Curva sforzo deformazione per una gomma In fig 3 42 rappresentata la curva sforzo deformazioni per una gomma da cui si deduce che questa non obbedisce alla legge Hooke ha un modulo di Young basso e la resistenza a trazione pu andare da 7 MPa a circa 20 MPa poco prima di rompersi Si possono tracciare anche curve sforzo deformazioni per una prova a compressione nel caso della gomma fig 3 43 una compressione causa all inizio un pi efficiente riempimento dello spazio del materiale al diminuire dello spazio disponibile aumenta la resistenza ad un ulteriore compressione finch cominciano a reagire alla tensione applicata dei legami primari nelle catene Aumenta cos la pendenza della curva all aumentare della deformazione stessa in compressione 198 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tenia di Trazione Dieta riore poste plastico compressione Tensione Fig 3 43 Curva sforzo deformazione a compressione material
178. dotti in RTM e Bag Molding con tessuti B6240C Modulo Modulo P Elasticoa Elastico a da tan rinforzo vuoti trazione flessione V 1 Hz p E E C GPa GPa sro o om oa ss me re sso ser 788 sa ar are see Br a e nin Eu V 1 2 n 8 6 T 2 1 5 H De O S O O lt m Fig 4 109 Resistenza a trazione di tutti i laminati rinforzati con B6240C non trattato prodotti in RTM e Bag Molding 336 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 110 Modulo elastico a trazione di tutti i laminati rinforzati con B6240C non trattato prodotti in RTM e Bag Molding Fig 4 111 Deformazione a rottura di tutti i laminati rinforzati con B6240C non trattato prodotti in RTM e Bag Molding 337 Tab 4 18 Proprieta fisiche e meccaniche a trazione e flessione dei laminati prodotti in RTM e Bag Molding con tessuti Biotex Modulo Modulo P Elasticoa Elastico a da tano rinforzo vuoti trazione flessione V 1 Hz E E C GPa GPa 1 0 4 en 861 of ee ser 775 EL e 7 at ms to se ss mz est oe ss sm sai sj es 808 mu 3 N O SAI N 5 nN x N O PST TTT FENNEN Fig 4 112 Resistenza a trazione di tutti i laminati rinforzati con Biotex prodotti in Bag Molding 338 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE
179. due dischi paralleli di uguale diametro come mostrato in figura campione Fig 3 53 Rappresentazione dei parallel plates e modulo elastico e temperatura di transizione vetrosa e transizioni di fase e loss modulus e storage modulus 208 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tan Dela Flex Storage Modulus MPa e FP ee ee ee Mr simo te ee fi N ee sii RL j Pu j i is i ry an 4 hd Temperature C Ler i VIII Fig 3 54 Tipico diagramma per una prova DMA Le condizioni di prova sono studiati e definiti da associazioni tecniche e American Society for Testing and Materials ASTM e Society of the Plastic Industry SPI e Society of Plastic Engineers SPE 3 9 3 PROVE DI CONDUCIBILITA TERMICA La calorimetria e l insieme delle tecniche di misurazione delle quantita di calore cedute o assorbite durante reazioni chimiche passaggi di stato e altri processi chimici e fisici ai fini di determinare i calori specifici le capacit termiche calori latenti relativi alle sostanze ai corpi e ai processi in esame 98 99 L analisi termica invece studia le trasformazioni che avvengono nei materiali per effetto della temperatura Tra le varie quantit e grandezze termiche di notevole importanza soprattutto nel campo dell edilizia e materiali da costruzione il coefficiente di conducibilit termica La conoscenza di tale grandezza permette di dimensionare gl
180. e la temperatura viene programmata mentre la frequenza e lo stress sono tenuti fissati Il comportamento reologico viene studiato in funzione della temperatura o del tempo se vale il principio di sovrapposizione tempo temperatura registrando i cambiamenti dello strain e di tan e Nel frequency scan mode la frequenza di oscillazione variata in un intervallo che si estende da 7 Hz a 100 Hz Le curve isoterme cos ottenute consentono la eventuale ricostruzione della master curve e Nello stress scan mode vengono fatti variare linearmente nel tempo stress statico e dinamico Temperatura e frequenza sono invece mantenute ad un valore fissato Le due configurazioni piu usate sono quelle denominate three point bending flessione vincolata in tre punti e parallel plates piatti paralleli 207 Il three point bending viene utilizzato tipicamente per materiali ad alto modulo come resine e polimeri nello stato vetroso Questa geometria produce una flessione su di un campione sorretto da due coltelli posti simmetricamente rispetto al punto di contatto dell asta come mostrato nella figura Fig 3 52 Provino nella configurazione di test a flessione su tre punti La geometria parallel plates usata invece per lo studio di materiali di basso modulo a partire da sistemi come polimeri a temperature superiori a quella di transizione vetrosa fino a campioni a bassa consistenza Produce una compressione statica o dinamica del materiale tra
181. e quantitativamente imponendo a un campione una sollecitazione oscillatoria sinusoidale di frequenza angolare w e misurando la conseguente deformazione del provino Se il materiale perfettamente elastico si ha 203 o Og S N wt 145 la deformazione espressa da E Eo SIN wt 146 Sollecitazione e deformazione hanno lo stesso periodo e sono in fase In un materiale viscoelastico esiste invece un angolo di ritardo tra sforzo e deformazione Nei materiali viscoelastici la deformazione e in generale in ritardo rispetto alla sollecitazione Nel caso meccanico dinamico una volta applicata una sollecitazione sinusoidale la deformazione varia anch essa in modo sinusoidale con la stessa frequenza ma in ritardo di un angolo di sfasamento 5 pi conveniente dire in modo del tutto equivalente che la sollecitazione in anticipo rispetto alla deformazione Si ha cos E Eo SIN wt 147 o 0 sin wt 148 7 a SIN wt E E E e SIN wt Fig 3 49 Andamento di e o in funzione del tempo La fig 3 49 mostra l andamento di e di o in funzione del tempo e la corrispondente rappresentazione vettoriale al tempo generico t di due vettori aventi modulo e go inclinati sull asse di riferimento orizzontale rispettivamente dell angolo wt e wt La loro proiezione sull asse verticale rappresenta i valori e o delle equazioni 147 e 148 che si hanno al tempo t Sviluppando l
182. e 7 1253 1272 2009 55 M J John B Francis K T Varughese S Thomas Effect of chemical modification on properties of hybrid fiber biocomposites Composites Part A Applied Science and Manufacturing 39 352 363 2008 56 Soo Jin Park Joong Seong Jin Effect of Silane Coupling Agent on Interphase and Performance of Glass Fibers unsaturated Polyester Composites Journal of Colloid and Interface Science Vol 242 Issue 1 174 179 2001 57 Li Hu Yizao Wana Fang He H L Luo Hui Liang Xiaolei Li and Jiehua Wang Effect of coupling treatment on mechanical properties of bacterial cellulose nanofibre reinforced UPR ecocomposites Materials Letters 63 1952 195 2009 58 Rodriguez E S Stefani P M Vazquez A Effects of Fibers Alkali Treatment on the Resin Transfer Moulding Processing and Mechanical Properties of Jute Vinylester Composites Journal of Composite Materials Vol 41 No 14 2007 59 Norma CNR DT200 2004 60 S Goutianos T Peijs B Nystrom and M Skrifvars Appl Compos Mater 13 2006 199 215 395 61 MAFF The Use of Naturals Fibers in Nonwoven Structures for Applications as Automotive Component Substrates NF0309 2003 62 R M Rowell Opportunities for composites from agro based resources Capitolo 7 Ed Rowell R M Young R A and Rowell J K CRC press Lewis Publishers Boca Raton 1996 p 249 63 M Wollerdorfer H Bader Industrial Crops and Products 1998 8 105 64 A K Mohanty
183. e che ne migliorino l aspetto il tatto o particolari propriet di 299 cui per non si conosce la natura e la composizione per ovvie ragioni industriali L effetto dei trattamenti ben visibile nelle propriet dei filati in cui si osserva un netto aumento della rigidezza e un contemporaneo decremento della resistenza a trazione e dell allungamento massimo Ovviamente valori di modulo elastico e di resistenza massima sono nettamente inferiori a quellli attesi come facilmente intuibile dai valori di letteratura inseriti nel capitolo 1 per cui le prove sui singoli filati sono state considerate come un valido indice dell efficacia del trattamento rimandando pero il giudizio definitivo alle propriet meccaniche dei compositi in cui tali tessuti trattati vengono utilizzati In definitiva le prove meccaniche sui filati servono a motivare la scelta di un particolare trattamento senza per fornire garanzie sull incremento contestuale e proporzionale di propriet meccaniche del composito Questo vuol dire che ovviamente un icremento di modulo elastico del filato pari ad esempio a tre volte quello base non si traduce in un incremento automatico di tre volte del modulo del composito perch il filato una componente percentuale del composito quindi influisce per la sua presenza in volume regola delle miscele ed inoltre occorre verificare che i trattamenti influsicono anche sulla compatibilizzazione della fibra con la resina no
184. e della singola lamina di cui costituito raddoppiando quindi il numero di indagini sperimentali La previsione delle propriet meccaniche dei compositi prodotti stata effettuata utilizzando i modelli previsionali per singole lamine di Cox Krenchel e di Madsen ampiamente trattati nel capitolo 3 a cui si rimanda per tutte le equazioni per il calcolo del modulo elastico e della resistenza a trazione 4 4 4 5 DETERMINAZIONE DELLA CONDUCIBILIT TERMICA laminati realizzati sono stati caratterizzati dal punto di vista termico in termini di conducibilit termica Questo parametro fisico in unione alle propriet meccaniche determinate costituiscono la base attraverso cui possibile dimensionare i manufatti strutturali e semi strutturali a cui richiesto un limite prestazionale in termini di isolamento termico e quindi di conservazione delle condizioni termiche es pannelli impiegati nelle case prefabbricate pannelli che costituiscono l involucro degli aeromobili etc La determinazione della conducibilit termica stata effettuata utilizzando il termoflussimetro in dotazione all Istituto PUK della Technische Universitat di Clausthal Germania Il modello in dotazione il TCA 200 prodotto dall azienda tedesca Erich NETZSCH GmbH amp Co Holding KG parametri di operativit dello strumento sono e Campo di temperatura da 40 C a 180 C Campi di misura della resistenza termica 0 001 0 05 m2K W
185. e eccezioni poich per quanto omogenei possano essere i tessuti in realt sono presenti delle zone a maggiore densit che determinano un abbassamento di permeabilit All aumentare della pressione quindi in generale della 311 Vuoto ausiliario velocita di iniezione si corre pero il rischio di realizzare dei pezzi che in alcuni punti non risultano completamente impreregnati Tale risultato e dovuto al fatto che la resina all interno dello stampo non avanza con fronte uniforme dovuto alla creazione di percorsi preferenziali lungo i bordi a minore resistenza La realizzazione di un laminato in composito quindi il giusto equilibrio tra pressione di iniezione vuoto ausiliario per eliminare l aria intrappolata quindi facilitare il flusso di resina e tempo di iniezione In conclusione si pu affermare che non esiste una relazione diretta tra pressione tempi di iniezione perch comunque i tessuti di fibre vegetali per quanto prodotti con tecniche di controllo sofisticate offrono sempre una significativa variazione di densit areale che influiscono sulla permeabilit dei tessuti L evidenza sperimentale ha pero portato a concludere che meglio operare a pressioni ridotte prossime a 1 5 bar per realizzare un flusso uniforme e quindi garantire la completa impregnazione su tutta la superficie dello stampo anche a costo di un incremento significativo del tempo di iniezione E Vuoti Resina E Fibra
186. e esercitata non riesce ad eliminare completamente i vuoti a causa della frazione costituita dal lumen interno alle fibre Il cilindretto viene quindi pesato su una bilancia di precisione alla quarta cifra decimali e successivamente misurato con un micrometro dalle informazioni cos ottenute si ricava la densit della fibra utilizzando la seguente formula 4W P TDA in cui weil peso del cilindro D il diametro del cilindro h l altezza del cilindro 231 Fig 4 17 Pressa utilizzata per compattare la fibra e particolare del manometro 232 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 18 Cilindro ottenuto dalla compattazione delle fibre Per quanto riguarda invece la misurazione della densit aerale questa stata calcolata come semplice rapporto tra il peso di un tessuto ed il volume da esso occupato Considerando che la composizione chimica delle fibre variabile opportuno calcolare la densit aerale come quella delle singole fibre su un campione significato e mediare i valori La caratterizzazione meccanica a trazione delle fibre e dei filati dei tessuti utilizzati come rinforzo consistita nel determinare il modulo E la tensione massima o e la deformazione a rottura delle fibre A tale scopo sono state condotte una serie di prove a trazione utilizzando una macchina di prova tipo Zwick Roell con una cella di carico da 1 KN Per ottenere una caratteriz
187. e fibre naturali Automotive manufacturer Audi BMW Daimler Chrysler Fiat Ford Opel Peugeout Reanault Rover Saab SEAT Volkswagen Volvo Mitsubishi Model and application A2 A3 A4 A4 Avant A6 A8 Roadstar Coupe Seat back side and back door panel boot lining hat rack space tire lining 3 5 and 7 series and others door panels headliner panel boot lining Seat back A C E S class Door panels windshield dashboard business table piller cover panel A class Travego bus exterior under body protection trim M class instrumental panel Now in S class 27 parts manufactured from bio fibres weight 43kg Punto Brava Marea Alfa Romeo 146 156 Mondeo CD 162 Focus Door panels B piller boot liner Astra Vectra Zafira Headliner panel door panels pillar cover panel instrumental panel New model 406 Clio Rover 2000 and others Insulation rear storage shelf panel Door panels Door panels seat back Golf A4 Passat Variant Bora Door panel seat back boot lid finish panel boot liner C70 V70 Space star Door panels colt Instrumental panels 80 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Johnson Controls uno dei principali fornitori di panneli di sportelli di FIAT e tra i maggiori fornitori mondiali presenta una vasta gamma di materiali compositi a base di fibre naturali sviluppati internamente Fibrowood ad esempio un composito con mat
188. e minimo che si ha per z c 2 dello 2 1 E 15 93 Ef4td Il secondo termine vale meno del 1 dell espressione a condizione che sforzo di taglio nel core vale E td 4 gt 100 Spec 94 Se viene soddisfatta tale condizione lo sforzo di taglio pu essere considerato costante lungo lo spessore del core Se lo strato centrale ha valori di modulo elastico molto bassi o comunque notevolmente inferiori a quello delle pelli esterne si pu porre E 0 e quindi il valore costante dello sforzo di taglio dato da p 95 Se in pi sono rispettate le condizioni per cui si ottiene la 84 si ha 171 Sor btd I 2 96 In questo caso l equazione 92 per lo sforzo di taglio nel core in questa forma t db 97 Per quanto concerne le deformazioni in una trave sandwich considerando il caso semplice di una trave semplicemente appoggiata con un carico W nel punto centrale si ha che i punti a b c d ed e posti sulla mezzeria delle facce e le sezioni trasversali aa bb cc etc sono ruotate ma rimangono comunque perpendicolari all asse longitudinale della trave deformata ovvio che la faccia superiore sia compressa mentre la faccia inferiore caricata a trazione Fig 3 20 Comportamento a flessione di una trave sandwich Lo sforzo di taglio nel core ad una certa sezione T Q db Questa si associa con la deformazione di taglio Y Q Gbd che come T si considera costante attravers
189. e non solamente i loro effetti statici La resistenza meccanica di un componente strutturale in generale influenzata dalla presenza di difetti la quale determina una riduzione pi o meno evidente delle propriet strutturali del componente tra cui il limite di fatica Nelle strutture sandwich difetti tipici come la mancanza di adesione all interfaccia lamina nucleo o danneggiamenti del nucleo stesso possono essere causati dal processo di fabbricazione da impatti o da altri eventi accidentali Stabilire la riduzione di durata a fatica dovuta alla presenza di un difetto un problema molto complesso In generale per assicurare il pi possibile il mantenimento delle condizioni iniziali si possono evidenziare alcune cause di deterioramento che possono portare alla nascita di difetti Uno dei problemi pi gravi ed anche pi difficili da debellare per i sandwich l accumulo di fluidi nel core L accumulo di acqua pu causare danni gravi al pannello sia in caso di congelamento sia nel caso di aerei supersonici ad alta quota di ebollizione che pu provocare la distruzione della struttura la corrosione dovuta all acqua pu intaccare e sciogliere l adesivo che unisce le facce al core II fluido nel core inoltre fa aumentare il peso della struttura e pu provocare problemi di sbilanciamento dinamico nelle superfici di controllo e nelle pale dei rotori di elicottero Negli aeromobili l umidit entra nelle strutture durante il serviz
190. e oe Fe SUCCES EEC CSS S ESS 58 De ia Mir Seca eee Bi ie T ch oe EEA Cm n n E E SSCCCCCCCGRCR GG 86 i ii tt tts i es ss 7 A Coi cece ce ce Mo i SSCCCCSCCCCC CGC 6 6 Lem mo eni FEE E C0 00 8 ee a La na cs me EE A ant sai a oes n sn sh sn a a IE n a oe n sn as a ms SSS CCCCCC 8 8 Ka sai sn Da sn sai ni a oe nas sn ri Ca sa a a i La ioe sii sa it i sn a ma sat rit rit PSCC OCC CC III Verifica Superficiale VERIFICATA bile di U 0 6398 SSI a ie Valore ma mese critico Gennaio INFERIORE 51 MsT 51 24 6435 kJim K 0 334 Ms Cm inf uU le di chiusura ca del pannello sandwich ottima tri igrome Fig 4 152 Verifica inforzati con tessuti B6240C ti ina tale inferiore utilizzando lam Orizzon 382 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Codice Struttura Descrizione Struttura B6240C DESCRIZIONE STRATO lambda Cc M S P lt 50 101 C S R L __ceconor emer m men mn ner LA 1 Adduttanza Superiore 0 5 900 0 0 169 2 Pannello in B6240 al 72 9 di fibre di 10 0 571 57 100 11 59 0 019 1645 5 0 018 canapa cotone in tessuto B6240 Lastre di Balsa 180 0 064 0 356 27 90 26 000 2386 2 813 Pannello in B6240 al 72 9 di fi
191. e ragioni dell affermarsi delle fibre naturali soprattutto nelle applicazioni non strutturali legato oltre al lato economico anche a quello ambientale tali materiali sono rinnovabili in quantit illimitate biodegradabili se smaltite termicamente possono essere utilizzati in tutti quei processi di produzione di energia termica il processo produttivo a basso impatto ambientale soprattutto se tali rinforzi sono impiegati sotto forma di tessuti non prettamente tecnici es tessuto non tessuto ad orientazione random Di contro spesso necessario migliorare l affinit con la matrice in cui sono immersi per cui si utilizzano trattamenti chimico fisici che potrebbero ridurre gli aspetti positivi lagati all economicit e al contenuto impatto ambientale Attualmente i materiali compositi sono rinforzati nella stragrande maggioranza dei casi circa il 90 dei casi con fibre di vetro che la fibra sintetica per eccellenza prodotta ovviamente da risorse non rinnovabili confinando l utilizzo di fibre di carbonio le aramidiche o altro ad applicazioni specifiche dato l elevato costo La relativa semplicit produttiva il costo basso se riferito alle elevate prestazioni di resistenza termica chimica e meccanica fanno del vetro la fibra pi diffusa anche se penalizzata da una densit alta rispetto alle fibre di carbonio e aramidiche che rende meno leggeri i manufatti Negli ultimi anni sta aumentando la richiesta di prodotti deriv
192. e sotto forma di fibra discontinua filo o filato spun yarn filo formato da fibre tenute insieme da torsione filo assemblato roving fascio costituito da filati assemblati parallelamente e senza torsione intenzionale 57 FILAMENTO TOW YARN ROVING Fig 1 28 Tipologie commerciali di fibra Combinando insieme alcune centinaia di tows o yarns si ottiene il tape in cui i tows o gli yarns possono essere semplicemente affiancati oppure cuciti tra loro o fissati su un supporto Fig 1 29 Roving di fibre di canapa e lino La classificazione delle fibre mutuata direttamente da quella tradizionalmente utilizzata per le fibre tessili 58 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 1 30 Yarn di canapa e microscopia a scansione elettronica SEM di un yarn di canapa filamenti costituenti i filati sono caratterizzati essenzialmente dalla composizione chimica e dalla massa per unit di lunghezza L unit di misura della massa lineare o titolo massa per unit di lunghezza secondo la norma ISO 2974 2000 E il Tex equivalente a 1 g per km di fibra Un altra unit di misura di massa lineare ormai obsoleta il denaro denier che equivale a 0 111 Tex Per alcune fibre la classificazione pi articolata ad esempio la designazione tecnica delle fibre di vetro viene effettuata secondo le norme ISO 1139 1973 E e ISO 2078 1993 E e consta dei segu
193. eclude come dimostra il lavoro sperimentale condotto che possa essere impiegato anche nel settore industriale dei compositi polimerici Si presenta di colore bianco giallo relativamente ruvido al tatto Il tessuto prodotto in U S A e fornito dall azienda Enviro Textiles LLC Tab 4 2 Caratteristiche del tessuto B607 ee 2 g m Fig 4 4 Tessuto B607 223 Fig 4 5 Immagine al microscopio ottico 100x delle fibre ritorte del B607 Fig 4 6 Immagine al microscopio ottico 200x delle fibre ritorte del B607 B6240C Il nome commerciale del tessuto B6240C Natural Muslin Plain Weave ed un plain weave composto per il 45 di canapa e per il 55 di cotone Il tessuto nasce come il B607 per scopi tessili quindi non si tratta per materiali compositi di un tessuto tecnico Anche il B6240C ha subito un processo di semi sbiancamento con sanforizzazione Inoltre stato trattato con un ammorbidente cationico Questo non preclude come dimostra il lavoro sperimentale condotto che possa essere impiegato anche nel settore industriale dei compositi polimerici Si presenta di colore bianco brillante e liscio al tatto filati di cui composto il tessuto sono di diametro inferiore rispetto a quelli del B607 quindi rendono il tessuto pi liscio e fitto Il tessuto prodotto in U S A e fornito dall azienda Enviro Textiles LLC 224 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVIL
194. econdo cui l apbassamento massimo al centro del pannello non deve superare un valore limite riportato nella seguente tabella estratta dal DM 14 gennaio 2008 Tab 4 1 Estratto dalla tabella 4 2 X del DM 14 gennaio 2008 Limiti di deformabilit per gli elementi di impalcato delle costruzioni ordinarie Elementi strutturali Limiti superiori per gli spostamenti verticali i EEE L I Coperture in generale 100 250 00 Solai in generale Sola o coperture che ressono intonato o altro materiale di finstura fragile o tramezz bon flessibili Solzi che supportano colenne Nei casi in cui lo spostamento pu compromettere l aspetto dell edificio In caso di specifi che esigenze eiche ep fumzionali fall mmi devono essere opportunamente ridoni Nella tabella sono evidenziati i limiti di deformabilit che sono stati rispettati in fase di progettazione 2 8 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Utilizzando lo schema di piastra in appoggio su tutti e quattro i lati le caratteristiche di sollecitazione quindi le tensioni agenti sui pannelli sono state calcolate facendo ricorso alle formulazioni esposte nel paragrafo 3 4 e contenute nel manuale tecnico della DIAB Group sviluppate sulla scorta delle teorie classiche delle piastre delle indagini sperimentali condotte in proprio e alle esperienze di progettazione maturate nel corso degli anni di attivit nel setto
195. egneria dell Universit di Catania e quelli dell Istituto di Chimica e Tecnologia dei Polimeri ICTP del Consiglio Nazionale delle Ricerche CNR della sezione di Catania 4 4 3 1 RESIN TRANSFER MOLDING La macchina di iniezione impiegata una Hypaject Ill che permette l iniezione di resina gi miscelata col catalizzatore a temperatura e pressione controllata L omogenizzatore infatti un serbatoio metallico che pu essere portato alla temperatura e pressione voluta entro certi intervalli per ottenere le migliori propriet della resina 243 Fig 4 26 Macchina per il RTM Hypaject III in dotazione al D I M Il ciclo di produzione stato articolato nelle fasi seguenti pulitura dello stampo applicazione dell agente distaccante posizionamento dei tessuti di rinforzo Chiusura e bloccaggio dello stampo iniezione o trasferimento della resina polimerizzazione della stessa apertura dello stampo ed estrazione del pezzo Operazioni di finitura Le fasi di pulitura dello stampo e applicazione dell agente distaccante rientrano nella macrocategoria della Preparazione dello stampo E una fase cruciale da cui dipende la qualit del pezzo finito e la possibilit di estrazione del pezzo soprattutto se di geometria complessa Lo stampo deve essere perfettamente pulito il canale di adduzione e di sfiato devono essere liberi da eventuali occlusioni La pulitura dello stampo
196. eguito si riportano le tabelle contenenti i risultati ottenuti nella progettazione dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore pannelli dell solaio di calpestio e superiore pannelli di copertura distinti per tipologia di laminato La soluzione ottimale adottata quella che non solo garantisce sufficiente resistenza alle sollecitazioni agenti e abbassamento al centro del pannello inferiore al limite imposto da normativa possibilmente il minimo ma anche le migliori performance termiche in termini di trasmittanza termica trasmittanza termica periodica sfasamento orario l assenza di formazione di condensa superficiale sulle pareti e la completa evaporazione della quantit di condensato accumulatosi nei mesi pi rigidi A parit di prestazioni stato selezionato il pannello che possiede una densit areale minore fattore a vantaggio della maneggevolezza e del trasporto 368 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 31 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Mat Spessore pelle esterna laminati 5 10 5 20 10 mm Spessore balsa 130 180 160 180 mm Spessore sandwich 100 150 190 200 200 mm n 0 257 0 219 0 271 0 158 0 225 Limite E 0 400 tensioni Trasmittanza termica U 0 618 0 438 0 331 0 353 0 326 W mk Limite W mk 0 33 Limite U condensa
197. ellulare e cava incrementano l isolamento acustico e termico dei compositi Tab 1 13 Confronto tra il costo di alcune fibre vegetali e di alcune fibre sintetiche 43 Tuttavia se si considerano le propriet meccaniche delle fibre convenzionali e si confrontano alle fibre vegetali si pu trarre la seguente conclusione la resistenza e il modulo a trazione delle fibre vegetali sono minori rispetto alle fibre convenzionali La differenza tra le propriet meccaniche viene smorzata se si prendono in considerazione le propriet relative rapportate alla densit Sebbene sono stati evidenziati molti vantaggi a favore dell impiego delle fibre vegetali rispetto a quelle convenzionali oggi il vantaggio principale delle fibre vegetali legato alla bassa energia richiesta per la loro coltivazione fig 1 9 Un parametro che descrive meglio l impatto ambientale il cosiddetto embodied Energy calcolato tenendo conto delle operazioni di coltivazione estrazione e trasformazione delle fibre nonch dei materiali utilizzati in queste fasi La figura 1 10 relativa al lino in mat e in tessuto con fili ritorti mostra come non sempre le fibre vegetali richiedono un energia inferiore Questo vero solo per i tessuti mat mentre i filati ritorti in lino richiedono per la produzione una quantit di energia 33 superiore 80GJ ton vs 54GJ ton dovuta alle operazioni di finitura necessari per ottenere filati ritorti di qualit Questo ri
198. ema del processo di Resin Transfer Molding Per realizzare cicli brevi gli stampi devono essere uniformemente riscaldabili alla corretta temperatura di reticolazione La possibilit di riscaldare lo stampo permette di aumentare la produttivit grazie a una iniezione di resina a pi bassa viscosit e una maggiore velocit di reticolazione una volta riempito lo stampo A causa della natura abrasiva del rinforzo le superfici degli stampi devono essere cromati Tutti questi requisiti limitano la scelta dei materiali Per stampi da produzione l acciaio rimane il materiale pi adatto grazie alla durabilit e alla possibilit di essere facilmente modificato Per volumi ridotti di produzione o per prototipi stampi in composito sono una alternativa accettabile Dato che RTM usa pressioni pi basse dello stampaggio a compressione o della iniezione di termoplastici la forza di chiusura richiesta considerevolmente pi bassa Il ciclo di fabbricazione si articola nelle fasi seguenti 131 pulitura dello stampo applicazione della agente distaccante applicazione del gel coat posizionamento dei tessuti di rinforzo chiusura e bloccaggio dello stampo iniezione o trasferimento della resina polimerizzazione della stessa apertura dello stampo ed estrazione del pezzo Operazioni di finitura Per quanto riguarda la pulitura dello stampo si puo ottenere o con una soffiatura ad aria compressa oppure pu richiedere l uso d
199. emperatura inferiore Psi Pressione di saturazione inferiore Pri Pressione relativa inferiore URi Umidita inferiore VERIFICA IGROMETRICA gen feb mar apr mag giu lug ago set ott nov dic URcf1 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 65 00 Tcf1 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 20 00 URcf2 81 50 72 70 61 00 55 40 68 40 44 50 46 00 39 90 55 60 68 50 86 50 87 70 Tcf2 4 50 5 10 7 10 10 70 14 90 20 60 23 90 23 20 19 90 14 50 9 80 6 40 Verifica Interstiziale VERIFICATA La struttura pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantita stagionale di condensato pari a 0 0072 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio La verifica igrometrica stata eseguita secondo UNI EN ISO 13788 cf1 vano interno cf2 Esterno Fig 4 153 Verifica termo igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B6240C 383 Tab 4 36 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B6240C Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa cme Spessore sandwich mm
200. enti elementi una lettera che identifica il tipo di vetro utilizzato una seconda lettera che indica il tipo di fibra utilizzato C iniziale di Continuo per i filamenti D iniziale di Discontinuo per le fibre discontinue un numero che indica il diametro nominale in um del filamento un numero separato da uno spazio che indica la massa lineare della fibra in Tex il senso e il valore di torsione espresso in giri m opzionale il numero di fili costituenti i ritorti opzionale 59 un codice del produttore contenente tutte quelle informazioni non odificate ritenute indispensabili per caratterizzare il prodotto opzionale N j Torsione negativa 5 Torsione positiva 4 Fig 1 31 Versi di torsione per uno yarn Un importante parametro per quanto concerne i filati in fibre naturali sicuramente il grado di torsione stato infatti dimostrato che filati con un basso grado di torsione possiedono basse o quando vengono testate isolatamente inoltre non possono essere utilizzate in processi quali la pultrusione o intrecciate con la tecnica del weaving in quanto le forze in gioco portano alla rottura dei filati nella fase di processo Di contro un altro grado di twist rende difficoltosa l impregnazione da parte della matrice quando questi materiali sono usati come rinforzo nei compositi Bisogna quindi trovare un buon compromesso tra la necessit di ottenere un filato resistente e
201. ento 195 cos ottenuto un limite convenzionale perch spesso si gia nel campo plastico Per quei materiali che non hanno un tratto elastico della curva o e il calcolo di questo limite fittizio non possibile e in genere si assume come limite di snervamento lo stress necessario a produrre un certo strain ad esempio 0 005 La curva sforzi deformazioni 1 4 per certi acciai a basso contenuto di carbonio pu presentare un doppio limite di snervamento ci accade poich il materiale dovrebbe iniziare a deformarsi plasticamente allo stress 0 ma in realt piccoli atomi interstiziali raggruppati attorno alle dislocazioni interferiscono con il loro movimento che fa segnare l inizio della deformazione plastica il quale comincia solo ad un valore oO detto limite di snervamento superiore upper yield point Solo dopo che si raggiunto tale limite le dislocazioni si muovono e l allungamento del campione pu avvenire sotto uno stress che pu anche diminuire fino al valore 0 detto limite di snervamento inferiore lower yield point Da notare che nel tratto tra Z e il comportamento elastico ma non pi proporzionale vale a dire non segue la legge di Hooke Upper vield point 7 Lower yield point Strain Fig 3 40 Diagramma Sforzi deformazione per un materiale duttile Dopo oy si ha l inizio di una deformazione plastica tuttavia inizialmente questa deformazione uniforme ossia l allunga
202. ento massimo e il modulo elastico E estrapolati dalle serie di dati ottenuti nonch le statistiche associate ad esse Il modulo elastico stato valutato come la pendenza della retta tangente al diagramma in corrispondenza alla deformazione dello 0 05 289 Tab 4 3 Risultati delle prove di trazione sulle fibre e sui filati Modulo Scarto Resistenza Scarto Scarto Allungamento Elastico quadr a trazione massimo quadr Tipologia o max max medio tessuto media media S m e o a o E E ta eee I moj oe j LI A titolo puramente esplicativo si riportano due dei diagrammi relativi alla prova di trazione sulle fibre del mat e i filati twisted del B6240C Nell asse delle ascisse riportato l allungamento percentuale mentre nell asse delle ordinate la tensione agente sul provino re TI E e o m e e pe Stress in MPa 000 Sirain in 4 Fig 4 64 Test di trazione sulle fibre del tessuto non tessuto Mat 290 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 500 i y Tete PPE EET SS a a a r SES See PS en at CD ee ee en i ey Fa i Pu Nd i I i i fr Ml a I 300 Loca T cr atte cha oh die pancia niateazala fai T I J a ws ral a E LA e mo ri d I J Z g a J A og ARHI T HL CS ie ay ae i T ha Furi ds e a 2 4 i 10 lz Siran in Fig 4 65 Te
203. equisiti sicurezza nei confronti di stati limite ultimi SLU capacit di evitare crolli perdite di equilibrio e dissesti gravi totali o parziali che possano compromettere l incolumit delle persone ovvero comportare la perdita di beni ovvero provocare gravi danni ambientali e sociali ovvero mettere fuori servizio l opera sicurezza nei confronti di stati limite di esercizio SLE capacit di garantire le prestazioni previste per le condizioni di esercizio 211 robustezza nei confronti di azioni eccezionali capacit di evitare danni sproporzionati rispetto all entit delle cause innescanti quali incendio esplosioni urti Il superamento di uno stato limite ultimo ha carattere irreversibile e si definisce collasso Il superamento di uno stato limite di esercizio pu avere carattere reversibile o irreversibile Come si evince dalla figura precedente le dimensioni dei pannelli di copertura sono superiori rispetto a quelli di chiusura orizzontale inferiore in quanto la falda di copertura inclinata di 30 rispetto all orizzontale Questo comporta che nel calcolo dile sollecitazioni i carichi verticali agenti hanno due componenti una ortogonale al piano del pannello l altra in direzione parallela La componente parallela comporta quindi uno sforzo assiale di compressione Oltre ad una sufficiente resistenza meccanica agli sfrozi i pannelli di chiusura orizzontale devono possedere l ulteriore requisito s
204. erciali di formulazioni epossidiche verdi sono Ecopoxy e Bioresins Quando il contenuto vegetale viene aumentato quello che si osserva una diminuzione della resistenza a trazione e del modulo ma d altra parte la formulazione pi flessibile e resistente agli urti Tabella 1 10 Tab 1 10 Propriet meccaniche delle resine epossidiche da olii vegetali Resistenza Modulo Allungam Resistenza Modulo Energia Olio i l i i wt trazione elastico A rottura flessione flessione impatto MPa MPa MPa MPa kJ m 55 7 2549 0 4 5 81 5 2207 0 9 4 7 68 45 1 1935 9 5 6 60 6 1769 0 13 9 22 95 37 7 1370 9 5 9 55 6 1487 2 15 3 37 02 23 4 1113 8 14 2 28 9 875 1 15 6 54 19 4 9 198 7 49 1 4 1 154 1 21 5 Tra le diverse fonti rinnovabili l olio di semi di anacardi che un sottoprodotto agricolo abbondantemente disponibile nei paesi tropicali una delle principali risorse di fenoli presenti in natura La natura fenolica del risultante cardanolo permette di reagire con la formaldeide sotto una variet di condizioni per dare origine alle resine Novolac e Resole Rispetto alle convenzionali resine fenoliche le resine cardanolo formaldeide hanno una maggiore flessibilit per effetto della plasticizzazione interna delle 28 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE catene lunghe portando ad una migliore processabilit La catena laterale conferisce una natura idrofobica al
205. eriali con desiderate propriet meccaniche possono essere costruiti formando strati ognuno costituito da fibre parallele tra loro e sovrapponendo gli strati stessi con le relative fibre disposte secondo orientazioni diverse In tal caso i singoli strati si definiscono amine e l insieme delle lamine detto aminato La diversa orientazione delle fibre come mostrato nel paragrafo dedicato ai materiali di rinforzo pu essere ottenuta nella stessa lamina facendo ricorso a tessuti di fibre disposte in due o pi direzioni La struttura pi efficiente per i compositi naturalmente quella dove la maggior parte delle fibre si orienta secondo la direzione dei carichi primari mentre solo il numero necessario di fibre orientato nel verso dei carichi secondari con lo scopo principale di mantenere integra la struttura La possibilit quasi infinita di intervenire sulle variabili rende le strutture in materiali compositi estremamente versatili Ig 2 N Fig 3 13 Laminato ottenuto da pi lamine rinforzate con fibre continue unidirezionali Laminato unidirezionale Hg Laminato angle ply 0 Bi Al Bi Ar E 158 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Lam inato simmetrico 0 45 590 90 145 J0 Laminato antisim metrico 05 45 1 901790 145 10 Fig 3 14 Tipologie di laminato a seconda della disposizione delle lamine AI livel
206. eriali lavorati con stampaggio a compressione 74 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 1 18 Propriet di alcuni prodotti commerciali in PP rinforzato in vetro per applicazioni automobilistiche fonte TDS Borealis Test Xmod Neopol Method seca Rot GD302HP GB402HP Injection Moulding Injection Moulding Injection Moulding InjectionMoulding Extrusion Technical components exposed to high heat and loads Washing machine parts Under the bonnet Dashboard carriers Door module carriers Structural seat parts Front end carriers Dashboard Carriers Door module Carriers Structural parts Technical components Processing method N exposed to high Technical components exposed to high heat and loads Application Washing machine parts Under the bonnet heat and loads components Glass FiberContent ISO 1183 20 30 30 40 long fiber ISO 1183 components Density Kg m Melt Flow Rate g 10min ISO527 2 2 2 2 0 3 3 2 0 Tensile Modulus MPa 190927 2 4800 6800 5600 9000 Tensile Strength MPa IS0527 2 19 Tensile Strain ISO75 2 4 Heat Deflection ISO Mi 179 1ea temperature ISO 179 1ea ca 1040 1120 1160 1240 Ce N O Ql D 0 gt W Bas N 5 32 62 1 8MPa C Charpy Impact Strength notched 23 C kJ m x NO D N 00 Charpy Impact ISO Strength
207. escita di impiego di risorse poco conosciute e o sottostimate ma dalle concrete potenzialit applicative Indubbiamente molte delle risorse disponibili sebbene siano state oggetto di ricerca nel corso dei decenni dello secolo scorso non hanno mai avuto alcuno spiraglio applicativo legato alla sostenibilit economica che nelle scelte industriali ha rappresentato sempre il parametro principale di selezione Le economie pi sviluppate e sensibili alle problematiche ambientali sotto l effetto della crescente apprensione verso i cambiamenti climatici ma in generale verso il degrado ambientale in termine di risorse e qualit disponibile per le generazioni viventi e future e delle direttive a livello internazionale hanno finalmente inserito la sostenibilt ambientale tra i parametri di scelta multicriteriale attribuendogli un notevole peso Nel settore dei materiali i polimeri costituiscono fin dalla seconda met del 1900 una concreta alternativa ai materiali considerati convenzionali e in pochi decenni hanno cambiato radicalmente il modo di costruire Attualmente costituiscono la base per le pi svariate applicazioni dalle pi semplici a quelle tecnologicamente avanzate e complesse materiali compositi a matrice polimerica hanno poi sancito la definitiva consacrazione dei polimeri come materiali e itari grazie alla libert di progettazione del materiale Tanti altri aspetti si sono rivelati altres determinanti nella crescita
208. esine a sviluppare e lanciare sistemi che contengono determinati quantitativi di monomero da fonte rinnovabile Per esempio Reichold propone un sistema denominato ENVIROLITE 31325 00 Questa resina una sistema mediamente reattivo con bassa viscosit basata sulla chimica poliestere insatura Nello specifico questo prodotto basato su olio di soia e ha un contenuto di monomero green di circa il 25 DSM ha introdotto due resine bio per l industria automobilistica una resina termoindurente per produrre pannelli per il corpo macchina e un termoplastico adatto all utilizzo nel vano motore La resina termoindurente Palapreg ECO P55 01 progettata per essere usata nei processi SMC e BMC in applicazioni che vanno dai pannelli non a vista a pannelli esterni in classe A Questo sistema contiene un 55 di monomeri da fonte rinnovabile La seconda resina bio denominata EcoPaXX basata su una poliammide PA410 ad alte presazioni basso assorbimento di umidit e eccellente resistenza a sostanze chimiche Circa il 70 del materiali derivato da olio di ricino Le applicazioni in campo automobilistico includono componenti nel vano motore in cui la resistenza chimica e idrolitica essenziale 76 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 1 19 Propriet di alcuni gradi di Polylite fonte Reichold POLYLITE 230 413 Medium reactive polyester resin based on orthophthalic a
209. estratti dopo polimerizzazione in genere a temperatura ambiente ma in alcuni casi si fa uso di un moderato flusso di calore per accelerare il processo di produzione scollandoli dallo stampo con sforzi successivi esercitati lungo il bordo o mediante l insufflaggio di aria compressa Altra operazione di finitura consiste nel tagliare lo stratificato che deborda dallo stampo una volta che il pezzo gelificato 121 Fig 2 1 Schematizzazione della tecnica della laminazione manuale 2 1 2 SPRAY LAY UP E una evoluzione del Hand Lay Up in cui il rinforzo viene deposto necessariamente in forma di fibre corte mediante un sistema a lama rotante azionato ad aria compressa detto pistola con cui vengono tagliati filamenti continui di fibre tratti direttamente da bobine Questa tecnica consente di diminuire i tempi di applicazione e di impregnazione del rinforzo di eliminare gli sfridi di fibra e resina irmis all reteset hose ad ma Surges Fig 2 2 Schematizzazione del processo di spray lay up Per compattare le fibre nella resina ed eliminare l aria intrappolata nel composito si usano dei rulli compattatori Come nel caso del lay up manuale una delle operazioni critiche consiste nell applicazione corretta del distaccante e del gel coat sullo stampo Per potere adottare tale processo necessario impiegare resine a bassa viscosit per garantire un corretto spruzzo e la bagnabilita delle fibre Come per l hand lay u
210. estremit dei prepolimeri H sH N H Noy N H ra i Ho H i eof ee alti ae H e el ate i H dl H H H H H H OH H j BALE i i i N ag H H H i N H H Ogni gruppo amminico ha due atomi di idrogeno e pu quindi legarsi a due gruppi epossidici OH H A OH i rah N _ rr H H H H Ho H 22 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Anche il gruppo amminico sull altra parte terminale della diammina pu reagire anche con due gruppi epossidici Alla fine si ottengono quattro prepolimeri epossidici legati ad una molecola di diammina OH H H OH So eS HH LH OH H H H H poai OHH H OH Vista la presenza dell altro gruppo epossidico nel prepolimero si ottiene infine un reticolo tridimensionale simile al seguente Una caratteristica importante di questa reazione quella che non si forma alcun sottoprodotto OH OH l Sla CH CH yz CH CHy CH CH OH OH Fi abi Ei he OH OH OH OH a CH CH gs CHy CH CH CHe 7 _CH s CH o i R R oH Ha CHCH RE PRI CH CHy CH CH JH A 0 Fi c l dna Sh CH a CH CH va R CH CHx CH CH OH OH ji Ha Li OH OH w CH CHa N ti CH Cys se CH CH o E gf ESCHE CE fC chy CCH OH OH OH oH Fig 1 7 Schematizzazione della struttura chimica di una resina epossidica reticolata
211. ezione trasversale del composito attraverso il microscopio La porosit di impregnazione pu invece essere valutata dalla formula seguente 150 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Vo Qpr apf Cora CymVin 44 La distribuzione delle fibre vegetali pu essere compattata fino al raggiungimento di un volume minimo dipendente dalle condizioni di processo che determina il volume del composito minimo ottenibile V min Di conseguenza si pu definire la frazione in volume massima di fibra ottenibile Vf max COME UE Vf max 7 45 Ve min F Fibre porosity I Interface porosity Su pregnation porosity Matrix porosity f Total matrix area n Fibre porosity area Matrix porosity area Total fibre area Fig 3 8 Schematica illustrazione a dei quattro sub componenti della porosita B e c rappresentano un ingrandimento di a e mostrano in dettaglio le sub componenti misurabili da una sezione trasversale 151 Fig 3 9 immagine al microscopio elettronico di una sezione trasversale di un composito canapa PE a Impregnation porosity Interface porosity Fig 3 10 Immagine di una sezione trasversale di un composito canapa PE ottenute al microscopio elettronico 152 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Esiste dunque un punto di transizione in cui la disposizione spaziale
212. ffermarsi di materiali pi durevoli come i metalli e sino agli anni 40 le fibre naturali non tornarono in auge Nel 1950 il corpo della macchina della Germania dell Est la Trabant fu uno dei primi veicoli a essere costruito in fibra naturale Il cotone fu utilizzato impregnandolo con resina poliestere Negli anni 90 la Daimler Chrysler inizi a utilizzare fibre di lino e agave per i rivestimenti interni dei suoi veicoli L interesse per questi materiali continu sino alla realizzazione dei pannelli degli sportelli della Mercedes Benz E Class nel 1996 Fig 1 47 78 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 1 47 Mercedes Benz E componenti in fibra naturale Nel 2000 la direttiva Europea 2000 53 EC ha promosso l uso di prodotti compatibili con l ambiente e che riducano il conferimento in discarica La direttiva stabiliva che la frazione conferita per veicolo fosse pari al 15 nel 2005 e si riducesse gradualmente al 5 nel 2015 Questa direttiva e altre simili pubblicate in USA hanno spinto diverse OEM a proseguire e sviluppare l utilizzo di materiali compositi con fibre naturali Oggigiorno esistono svariati modelli di automobili che utilizzano diversi componenti basati su fibre naturali produttori Tedeschi Mercedes Daimler Chrysler BMW e Audi Volkswagen sono i pi attivi nel definire e qualificare materiali a base di fibre naturali rispetto a produttori di massa Tu
213. gi un stelo alto circa 1 metro con foglie sparse e strette Il fiore pu essere bianco o azzurro a seconda della qualit Alla fine del quarto mese gli steli verranno raccolti con una macchina che li sradica da terra senza tagliarli Cos facendo la fibra non viene accorciata e conserva la lunghezza della pianta Inoltre la pianta viene raccolta prima della maturazione dei semi per evitare la lignificazione ossia un irrigidimento delle cellule che si impregnano di lignina che danneggerebbe la finezza della fibra stessa 54 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 1 26 Steli e fibre grezze di lino Dai i T Dopo il raccolto le piante vengono raccolte in fasci e le cime vengono battute per recuperare il seme Le fibre del lino sono contenute nella parte interna della corteccia chiamata comunemente tiglio Per ricavarla occorre quindi separare le fibre della pianta saldate tra loro dalla pectina che costituisce quindi un collante naturale Ci si ottiene con la macerazione dei fusti in acqua stagnante o pi modernamente e rapidamente in cisterne piene d acqua riscaldata a circa 30 per 4 14 giorni allo scopo di sciogliere la pectina per separare grazie all azione dei batteri la fibra dalla foglia Dopo l essiccazione al sole dei fasci macerati altri trattamenti meccanici stigliatura separano la parte fibrosa dalla parte legnosa e da altre impurit con
214. gi nell impiego della struttura a sandwich consiste nel fatto che la riduzione di peso strutturale dovuto all impiego di un materiale d anima a bassa densit comporta anche un miglior isolamento termo acustico propriet non trascurabile quando gli elementi progettati avranno la funzione di creare un idoneo isolamento da condizioni esterne non accettabili elementi di tamponamento esterno in edifici prefabbricati cabina passeggerri degli aeromobili civili imbarcazioni nautiche etc La riduzione del peso nel settore dei trasporti oltre ad essere necessaria in alcune applicazioni aeronautica e nautica comporta minori consumi energetici con conseguente miglioramento dell impatto ambientale ma anche maggiore velocit aumento delle distanze percorribili riduzione dei consumi maggiori capacit di carico In ultima analisi i materiali sandwich hanno inoltre un ottimo comportamento agli urti grazie al materiale d anima che agisce assorbendo gran parte dell energia d impatto preservando le pelli e limitando quindi i danni alla struttura Alcune evidenze sperimentali dimostrano chiaramente come le navi costruite con tecnologia sandwich abbiano registrato danni minimi a seguito di impatti con moli o banchine In condizioni analoghe un imbarcazione costruita con laminati a pelle singola avrebbe subito danni tali da dover ricorrere a significative opere di riparazione 1 5 1 PRODUZIONE I metodi di produzione delle strutture sandwich
215. gth and diameter on permeability and compaction response of flax fibre mats 48 Natural fibre properties in Natural fibre 09 Proceedings University of Bath London UK 49 E Sparnins Mechanical Properties of Flax Fibers and Their Properties Ph D Thesis Lulea University of Technology 2006 394 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 50 Le Troedec M Sedan D Peyratout C Bonnet J P Smith A Guinebretiere R Gloaguen V Krausz P Influence of various chemical treatments on the composition and structure of hemp fibres Composits Part A applied science and manufacturing 39 514 522 2008 51 Sgriccia N Hawley M C Misra M Characterization of natural fiber surfaces and natural fiber composites Composits Part A applied science and manufacturing 39 1632 1637 2008 52 Aziz S H Ansell M P The effect of alkanization and fibre alignment on the mechanical and thermal properties of kenaf and hemp bast fibre composites Part 1 polyester resin matrix Composites Science and Technology 64 1219 1230 2004 53 Andersons J Sparnins E Joffe R Stiffness and Stregth of Flax Fiber Polymer Matrix Composites Polymer Composites vol 27 issue 2 221 229 2006 54 Kalia S Kaith B S Kaura l Pretreatments of Natural Fibers and their Application as Reinforcing Material in Polymer Composites A Review Polymer Engineering and Science vol 49 issu
216. he si ricava dal fusto dell omonima pianta erbacea appartenente alla famiglia delle linacee Le fibre sono i vasi conduttori che trasportano l acqua dalle radici alle foglie sottili come capelli e lunghi dai 60 ai 120 cm circa come lo stelo Il lino una fibra composita ricavata dal libro del Linum usitatissimum lino composta per circa il 70 da cellulosa Come tutte le fibre liberiane il limo ha una lunghezza media delle fibre elementari che varia dai 20 ai 30 mm la sua finezza si aggira dai 20 ai 30 micron la fibra presenta una sezione poligonale Il numero di fibre presenti nella corteccia di una singola pianta pu variare da 20 a 50 Originaria dell Asia Minore Babilonesi e gli Egiziani usavano corde di lino per innalzare i blocchi di pietra per le loro costruzioni e di lino erano anche le bende in cui erano avvolte le mummie dei Faraoni Il lino si coltiva oggi in regioni a clima temperato umido soprattutto in Europa Francia Olanda e Romania e nelle repubbliche europee dell ex URSS Il lino una pianta annuale con un ciclo vegetativo di circa quattro mesi Su un terreno arato e pareggiato si effettua la semina dei semi mediante una macchina seminatrice Le piante sono seminate molto fitte cos durante la successiva crescita non avranno possibilit di prendere vigore e resteranno quindi esili In questo modo anche i vasi conduttori resteranno sottili e le fibre saranno fini e morbide Dopo circa tre mesi le piante hanno
217. i 163 Se i carichi sono noti nella direzione x che forma un angolo con la direzione 1 si ha 61 Ox cos 0 O2 Ox sen 0 72 T12 Ox sen 0 cos e quindi la formulazione della teoria di rottura diventa R O gt R gt R 2 O gt gt gt ro gt 9 9 cos 0 sen 0 V sen cos 3 3 1 2 IL CRITERIO DELLA MASSIMA DEFORMAZIONE La teoria della massima deformazione piuttosto simile alla precedente infatti al posto degli stress si parla di deformazioni La lamine giunge a rottura quando almeno una delle componenti della deformazione lungo gli assi principali del materiale eccede la deformazione ultima del materiale in quella direzione 1 2 Aq 2 2 A 74 ly12 2 A12 Per un composito unidirezionale soggetto a carico monoassiale in una direzione x formante un angolo 6 con la direzione 1 possibile valutare le deformazioni ammissibili considerando che in generale si ha l E 0 V0 I n fio l SO 0 V 9 75 2 Ti Fia Gi 164 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE dove sostituendo le relazioni 72 si ha CE cos 0 v sen Oo 1 E sen 0 V COS Oo 76 2 Vio sen0 cos o 12 Supponendo che il materiale abbia un comportamento lineare fino al raggiungimento della rottura si pu supporre che le deformazioni a rottura sono 77 Da quanto detto si pu co
218. i i i Pi i i i i a i i i i i 0 1 2 J 2 Stram in 56 Fig 4 104 Diagramma sforzo di trazione deformazione per il composito rinforzato con tessuto Biotex iniezione n 4 prodotto in Bag Molding 330 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 14 Propriet meccaniche a trazione dei laminati prodotti in Bag Molding e reticolati in pressa Modulo Scarto Resistenza Allungam Elastico quadr a trazione massimo E max rinforzo vuoti eK media Vy media media GPa MPa 2 os oo or wz 180 23 07 4 seo os om im ora s 22 02 s o os toa 108 sar o 26 02 EARLIER ee os os 10 ors 2s 3 oa o an o o 0 20 0 98 886 tor sive 280 20 02 os 827 o meos 29 20 or 08 848 ore rest ze 23 or Di seguito si riportano le propriet a flessione ottenute dalle prove dinamo meccaniche sui laminati prodotti con il processo Bag Molding seguito da reticolazione in pressa a temperatura controllata Per confronto vengono inoltre riportati i valori di modulo elastico ottenuti con la prova di trazione La temperatura di transizione vetrosa T stata assunta in corrispondenza del picco della tan Nella tabella viene riportata la temperatura di transizione inferiore che ricavata dalla curva a frequenza paria 1 Hz 331 Tab 4 15 Proprieta fisiche e meccaniche a trazione e flessione dei laminati prodotti i
219. i risultati aderenti al comportamento In conclusione ci si posto l obiettivo di individuare un possibile campo di impiego e le eventuali limitazioni ai materiali studiati con l intento di analizzare gli aspetti positivi e negativi di natura ingegneristica 4 3 SVILUPPO DELL ATTIVIT DI RICERCA SPERIMENTALE Il lavoro di ricerca sperimentale stato svolto interamente presso laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale e Meccanica D 1 1 M dell Universit degli Studi di Catania ed in modo complementare presso l Istituto di Chimica e Tecnologia dei Polimeri ICTP del CNR sezione di Catania per quanto riguarda la caratterizzazione meccanica dei materiali La fase conclusiva che concerne con la caratterizzazione delle propriet termiche dei materiali stata sviluppata presso Institut fur Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik della Technische Universitat di Clausthal Germania L attivit di ricerca ha riguardato lo studio di una serie di materiali compositi a matrice termoindurente di natura epossidica rinforzati rispettivamente con quattro diversi tessuti composti rispettivamente di canapa un tessuto non tessuto ad orientazione random e un biassiale 0 90 ibrido canapa cotone biassiale 0 90 e lino biassiale 0 90 La prima fase dello studio ha avuto come obiettivo il raggiungimento delle estreme propriet meccaniche dei compositi a partire dalle propriet base dei materiali costituenti L obietti
220. i Inoltre le possibili concentrazioni di stress quando si uniscono elementi con viti passanti o mordenti pu determinare la necessit di inserire dei rinforzi localizzati altrimenti l anima potrebbe schiacciarsi per la pressione concentrata nel serraggio del bullone o non offrire una buona presa alle viti mordenti Occorre infine non dimenticare che quando si usano materiali differenti vi sono carichi termici anche residui e quindi vanno studiate le curve stress strain dei diversi materiali 3 4 2 4 MODALIT DI COLLASSO Data la particolare natura multistrato e multimateriale della struttura sandwich le possibili cause di cedimento sono diverse e molteplici e possono interessare le pelli l anima oppure la struttura completa In funzione della geometria delle propriet dei materiali utilizzati e delle condizioni di carico alcuni modi di cedimento saranno pi critici di altri limitando le prestazioni e la capacit portante della struttura 189 Tra le principali e pi frequenti modalit di cedimento opportuno ricordare almeno le seguenti suddivise in due tipi e Instabilit generale ovvero cedimenti che riguardano tutto il sandwich e Instabilit locale in cui a cedere solo uno dei componenti L instabilita generale riguarda l insufficiente spessore del pannello o la rigidezza del core e lo shear crimpling dovuta ad un modulo a taglio del core troppo basso o una bassa resistenza sempre a taglio dell
221. i relativamente sottili con il sistema sottovuoto Altri tipi di lavorazione disponibili presso i distributori includono la perforazione e l incisione Entrambi vengono utilizzati nei processi di infusione di resina o come vie di fuga per l aria 109 Fig 1 82 Esempio di lastra scanalata Recentemente sono stati condotti importanti studi sulle strutture a nido d ape sono stati introdotti i materiali auxetici la cui peculiarit sta nel possedere coefficiente di Poisson positivo Tra questi si presenta come soluzione innovativa una particolare struttura denominata Chismatech studiata dal gruppo di ricerca in cui il candidato ha condotto le attivit di ricerca Fig 1 83 Pannello d anima auxetico Chismatech 110 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La possibilit di utilizzare materiali sandwich comporta vantaggi dal punto di vista meccanico e della leggerezza strutturale ma determina anche una notevole libert nel design consentendo a disegnatori ed ingegneri estrema libert in termini di forma e funzionalit Se inoltre le pelli esterne del sandwich sono costituite da materiali compositi a matrice polimerica i vantaggi sono incrementati in quanto rinforzi che costituiscono le pelli possono essere orientati in modo da essere allineati con la distribuzione del carico In questo modo le prestazioni strutturali sono sviluppabili al massimo Ulteriori vantag
222. i a diversa composizione in cui le fibrille di cellulosa altamente cristalline e a diversa orientazione sono incapsulate in una matrice amorfa di emicellulosa e lignina Line a bee Angolo a Fibniare ju ae gi best o pa fe a a 7 pa A i CCI l ee ri a ant gli pere i T Bapragin ia PRI i lj j l lj T f rere J p Firn Seconda p l CPI I li i f j Perera ry iii fj j j i J VIT dtd gd Id F ALE Gt iii t gf tits b a rer d tj Lea Pomel tps Ltt i ae ie A e e i le Pu ei i Se a al heal Se o rh i Se aa et dd rea ASTA ii ka a i a a E IL a Vx af ch er gt Parete Primaria oe AL DU Ng Oe a ge a at o oo Fig 1 27 Struttura di una fibra di lino PCW parete cellulare primaria SCW pareti cellulari secondarie Lumen 1 3 5 LE TIPOLOGIE DI RINFORZO AI di l della loro origine e delle oro propiret le fibre disponibili in commercio poich sono costituite da filamenti continui molto sottili e quindi difficili da manipolare singolarmente vengono commercializzate in varie forme di cui le pi comuni sono 59 filamento monofilament elemento base con dimensioni di circa 10 um di diametro cavo di filatura fow il prodotto della macchina di filatura ed costituito da un fascio formato da un gran numero di filamenti dell ordine delle migliaia praticamente senza torsione destinato ad essere filato ritorto o strappato per l utilizzazion
223. i alcuni tipi di fibre sintetiche a Fibra di Fibra di Fibra di Fibra di Fibra di toylar Kevlar Propriet Tipo carbonio carbonio boro a9 a alta resis alto mod su W sul Densit kgm 2547 2491 1720 1860 2480 2240 1440 1450 Mod a traz E GPa 72 4 85 5 230 390 400 360 Ga 120 Allungam a rott 7 4 6 5 7 1 1 0 6 1 0 1 0 3 7 1 9 Pea espera 550 650 36 a6 a6 316 204 204 esercizio C Resis a traz MPa 2410 4500 2758 2344 2700 3200 3450 3450 Carico di rottura l a MPa 3448 4585 2800 2400 3300 a792 a792 Coeffic di Poisson 0 22 0 22 0 34 0 39 0 21 0 30 0 30 Coeff di espan term 04011 0 6010 lineare x 104 C T TL TL DE del SR lei Cal aspec J kg K T95 7112 72 712 1419 Conducibilit termica ie 24 ive iba Wim E p l Diam filam um 9 9 65 7 ee 12 Modulo specifico cai das 4 jasal sa a MN m kg i L 134 209 1 1 3 F 4 wa a a ER mpeni osi ds as 11 15 ge 2a MIN perla F 1 6 a 1 LI F 1 3 1 LE FIBRE NATURALI DI ORIGINE VEGETALE Negli ultimi decenni la crescente attenzione verso l ambiente e le specifiche richieste legislative riguardo alla salvaguardia ambientale e il riciclo dei materiali hanno fatto in modo che i ricercatori rivolgessero i loro studi verso lo sviluppo di materiali provenienti da fonti rinnovabili e facilmente recuperabili o degradabili a fine uso 29 30 31 32 33
224. i canapa in tessuto B60 Verifica UNI EN ISO 13788 hi lb i S cam oa ana anman a ann aa aa a aama a aeaa SISI NI LIT INI a PR 3 Me RM a a MOMO a eS a aa a N SISI II NI N NI TN pl RM eal a a al al a al a al al a Se SSS SSCS ESSERE SSE III ce al es al al al ek al a a es ala al ek al al a al a Pal la i SISI II I a a a aan 1 MA PRIN 3 RO IO SNO N N N N N N FANNO I LI LI N ION I I I I LI DA o_o RPM e I T PMO a aa a T a a a NR O SINO SO N N aa aa a a a aa a aa a II INI LI N ION EI SEES E A I I I I I I I III II LI N I N II I I LI e i ai I eS e e SISI INI N IN eS T ee eee aa aaa EEC RY a a a Cem a a aa a eaa a aaa a SS SSS SETS SSCS SSeS i SSS SS II LI N SSS eS ririrerrinrriiitirihieriririt ma n aaa aaa Le mn n nn mC aah Ei La as at tao T aN am INFERIORE e E tata i LA I eta tata tata III de ai a a a va An LL ie a nii T he SA on n ae S a SSeS 82 8 E ia a a sai sa a LE ni Pe dti a sa sai sai a sai sa al ni sai din a va a ta LE E i E ri T m i 34 702 kJ m K 55 MsT 35 186 kJim K A Ri rl a a al n 5 al lah MII DA Tat ec SI eee wi SSCCCCCESCCCCE5 8000 m La i n B i a sai sai i Sp 220 mm Cm sup III sai sai sn ha Hiii B i sul i dal w n sai
225. i carichi agenti sugli elementi si fatto riferimento ai carichi indicati dalla Normativa Tecnica sulle Costruzioni del 14 gennaio 2008 Nella fattispecie non avendo i pannelli una funzione strutturale si ipotizzato che la struttura portante non trasmetta ad essi alcun carico e che gli unici carichi agenti siano solo quelli statici permanenti e variabili in particolare carichi permanenti strutturali carichi permanenti non strutturali 2 6 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE sovraccarichi variabili carico da neve considerando una localit montana a 1000 m sul livello del mare situata in Sicilia carico da vento considerando una localit montana a 1000 m sul livello del mare situata in Sicilia Inoltre per massimizzare le sollecitazioni agenti sui pannelli di chiusura orizzontale si adottato lo schema di pannello semplicemente appoggiato su tutti e quattro i lati con carico uniformemente distribuito su tutta la superficie 3 6 m 3 60 m P chiusura inferiore chiusura superiore 3 8 m solaio copertura 44m Fig 4 61 Dimensione dei pannelli di chiusura orizzontale inferiore marrone e superiore arancione Nel corso della progettazione stata garantita la sicurezza nei confronti degli stati limite previsti dalla Norma Secondo quanto stabilito nei capitoli specifici le opere e le varie tipologie strutturali devono possedere i seguenti r
226. i due molecole di epicloridrina per ogni molecola di bisfenolo A Si ottiene un gruppo epossidico anche sull altro lato La reazione a questo punto si ferma in quanto non ci sono pi gruppi salini di bisfenolo A in grado di reagire sa So O O Naso Ye o CH CH CH lCH CH CH CH _ O hs O pmo Y e N o cm cii cm Wii CH Vai Na cr 21 Per ottenere un materiale solido termoindurente le resine epossidiche devono indurire con l aiuto di agenti di reticolazione e o catalizzatori gruppi epossidici e idrossilici sono funzioni reattive di reticolazione Gli agenti di reticolazione includono le ammine anidridi e prodotti di condensazione delle aldeidi Ammine come la dietile triammina e la trietile tetra ammina vengono utilizzate come agenti di reticolazione per l indurimento a temperatura ambiente quando i requisiti termici per le sostanze epossidiche solide sono bassi al di sotto di circa 100 C Alcune resine epossidiche vengono reticolate con l aiuto di agenti indurenti mentre altre possono reagire con le loro stesse funzioni reattive in presenza di un approprioato catalizzatore In una reazione epossidica l anello epossidico si apre e l atomo di ossigeno proveniente dal gruppo epossidco si lega con un atomo di idrogeno proveniente da un donatore come ad esempio una ammina o un gruppo idrossilico Nel primo step di reticolazione la diammina reagisce con i gruppi epossidici alle
227. i ottiene nei laminati prodotti in Bag Molding e successivamente reticolati in pressa Tab 4 11 confronto delle percentuali in volume di rinforzo tra i laminati in RTM e quelli in Bag Molding rinforzo hei v Tessuto di rinforzo i Bag RTM Molding B6240C 26 6 moran 680 f La tabella 4 10 permette anche di comprendere la sensibile differenza tra tempi di iniezione in RTM e in Bag Molding Tale differenza e da attribuire alle pressioni di iniezione Infatti nel RTM si opera con una pressione relativa positiva quindi la resina viene spinta a passare attraverso la cavita dello stampo con l ausilio di una pressione relativa negativa che in teoria serve solo ad eliminare l aria dalle cavit del tessuto ma di fatto si somma alla pressione positiva Nel Bag Molding invece il flusso innescato dal vuoto creato all interno dello stampo ossia dalla pressione relativa negativa generata da una pompa da vuoto In definitiva nel Bag Molding la pressione che innesca il flusso fino a 7 volte inferiore a quella complessiva agente nel RTM Nei grafici seguenti sono riportati i dati relativi agli spessori misurati in funzione della pressione di compattazione utili per poter calcolare le frazioni volumetriche di fibra e matrice in ciascun composito L incremento della percentuale in volume di rinforzo generalmente inversamente proporzionale allo spessore del composito a meno che alcuni tessuti hanno una densit lievemente
228. i polimerici possono dividersi in tre gruppi in base alla loro curva stress strain Fig 3 44 e polimeri fragili curva A i quali si rompono mentre si deformano elasticamente e polimeri plastici curva B in cui la deformazione iniziale elastica seguita da snervamento e deformazione plastica e polimeri elastici curva C i quali sono degli elastomeri Stress MPa Stress psi x 103 Strain Fig 3 44 Curve sforzo deformazione per polimeri fragili plastici ed elastici 199 Considerando la curva o per un polimero plastico Fig 3 45 la deformazione elastica concessa dai legami covalenti tra i monomeri che permettono di allungare le catene e recuperare poi la deformazione quando lo stress termina 60 a Vield srength i pe _ CLIN sal ni j Ca i e Lari a i p Mondlinear elastie Plastic delormation SO delormation ur rei Le ingar ciast delormation 0 100 200 Strain Fig 3 45 Curve sforzo deformazione per un polimero plastico EE wo Il tratto iniziale della curva pu essere lineare tuttavia alcune zone delle catene possono richiedere ore o mesi per ritornare alle dimensioni originarie e ci pu indurre un comportamento elastico non lineare Superato lo snervamento si ha un comportamento plastico quindi una deformazione permanente causato dallo scivolamento delle catene una sopra l altra ovviamente quanto pi velocemente
229. i possono contare numerosi ponti realizzati con materiali compositi fibrorinforzati fra i quali i pi importanti sono il Miyun Bridge nei pressi di Beijing e lo Xiangyong Bridge recentemente costruito a Chengdu Dal 1985 ad oggi le cose sono profondamente cambiate e anche nelle costruzioni l impiego degli FRP sta progressivamente diffondendosi divenendo la nuova frontiera dell attuale tecnologia delle costruzioni Il Giappone fu il primo paese a credere decisamente negli FRP e destin una grande quantit di risorse economiche ed intellettuali in questo settore L aver intuito per primi la possibilit di aprire nuovi orizzonti nel campo delle costruzioni ha fatto si che il Giappone possa vantare oggi una posizione di leadership in questo settore Negli Stati Uniti la ricerca si sviluppata leggermente in ritardo ma grazie alle consistenti esperienze compiute nell industria spaziale militare ed aeronautica ha velocemente recuperato il tempo perduto Negli USA la maggior parte delle applicazioni consistita nell assemblaggio di pannelli di GFRP Glass Fiber Reinforced Polymer o CFRP Carbon Fiber Reinforced Polymer in genere di tipo cellulare sovrapposti ed incollati per realizzare sezioni scatolari Il dipartimento dei trasporti della California determin reazioni di critica quando nel 1995 decise di investire milioni di dollari nel rinforzo delle pile delle autostrade dello stato con fasciature in composito fibroso al f
230. i pre curing ad una temperatura leggermente superiore a quella ambiente 35 45 C la successiva sformatura ed una fase di post reticolazione alle temperature prima indicate In tabella 4 7 sono indicate le propriet di lavorabilit tratte dalla scheda tecnica del produttore inetial Mined Wiecoslty dePl Galime Tacam 150g in weiter i fc a Tra 17 hes ming Pot ille 500g im ait ihr os d rea SAL Hag 1 15 06 ores PAS oo 4 08 rank ae Emi 20 sci TANI Earlinst vanum off lime jihecretical thin 10 gi EDO Sa En 19 130 HASO 650 fab Filimip dat evi 2500F Ar 15 40 Ta HEET Bar SCO SAX Porto Siege a0 di 00 aig Nel seguito sono riportate alcune delle propriet di lavorabilit in funzione della temperatura 229 Minutes Minutes P20 LV Extra Slow Hardener P20 LV Fast P20 LV Slow Hardener Temperature C Fig 4 12 Viscosita iniziale della miscela resina catalizzatore 1 POLV Fast P20 LY Slow Hardener P20 LV Extra Slow Hardener 400 300 200 100 Temperature C Fig 4 13 Tempo di lavorabilit per iniezione sotto vuoto 1 POLV Fast P20 LV Slow Hardener POO LY Extra Slow Hardener 700 600 500 400 200 100 16 20 25 30 Temperature C Fig 4 14 Tempo minimo teorico per la sformatura del manufatto 230 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE N
231. i spessori dei materiali di scegliere il tipo di materiale e l accoppiamento degli stessi 209 Flex Loss Modulus MPa La conducibilit termica o conduttivit termica indicata con A o k il rapporto in condizioni stazionarie fra il flusso di calore e il gradiente di temperatura che provoca il passaggio del calore cio la quantit di calore trasferita nell unit di tempo attraverso l unit di superficie in direzione perpendicolare al gradiente di temperatura trascurando i contributi al trasferimento di calore per convezione e per irraggiamento termico In altri termini la conducibilit termica una misura dell attitudine di una sostanza a trasmettere il calore vale a dire maggiore il valore di A meno isolante il materiale Essa dipende solo dalla natura del materiale non dalla sua forma La conducibilit termica non va confusa con la diffusivit termica o conducibilit termometrica che il rapporto fra la conducibilit termica e il prodotto fra densit e calore specifico della data sostanza espressa nel Sistema internazionale in m s analogamente a tutte le diffusivit e misura l attitudine di una sostanza a trasmettere non il calore bens una variazione di temperatura La conducibilit termica definita come la costante di proporzionalit fra il flusso di calore osservato e il gradiente di temperatura che lo provoca rat e d he Mel S I2 11 159 dove e Qrate il tasso di tra
232. i un raschietto per rimuovere da residui di gel coat a residui di resina ovviamente per non rovinare lo stampo tale raschietto deve essere meno duro quindi di legno duro materiale termoplastico rame od ottone se lo stampo di acciaio Solo in casi estremi si possono utilizzare solventi come l acetone o il cloruro di metilene La scelta del distaccante legata al tipo di resina utilizzata dal materiale di cui costituito lo stampo in termini di caratteristiche superficiali dalla temperatura di processo oltre alla finitura superficiale che si vuol ottenere Si trovano sotto forma di pasta o di liquido in genere di natura sintetica L applicazione dei distaccanti pu non essere ripetuta in ogni ciclo ma l effetto pu durare fino alla produzione di numerosi pezzi consecutivi Quando si vuole garantire un elevato grado di finitura al pezzo finito o si vuole una particolare finitura si pu aggiungere al distaccante un film di gel coat che costituir lo strato superficiale del prodotto finito In genere il gel coat costituito da una resina termoindurente piuttosto dura poliestere epossidica o vinilestere in modo da fornire un efficace rivestimento protettivo per il componente composito L adozione di questo strato d alcuni vantaggi come una maggiore resistenza all idrolisi alla corrosione e in generale all invecchiamento ma aumenta considerevolmente i tempi di produzione che dipendono dal raggiungimento dello st
233. iale combinato con NaOH al 5 e A1100 a diverse percentuali sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B6240C Dai risultati ottenuti si evince che per i filati del tessuto B607 come d altronde ci si aspettava valutando l effetto migliorativo dei trattamenti sulle fibre estratte dal Mat il modulo elastico rispetto al tessuto non trattato sempre maggiore in tutti i trattamenti applicati raggiungendo un massimo nel trattamento combinato con NaOH 1 A1100 5 per la resistenza a trazione invece si sono registrati valori sempre inferiori con punte del 15 rispetto alla fibra non trattata Quanto alla massima deformazione si nota che per tutti i trattamenti si hanno valori pi bassi in termini percentuali rispetto alla fibra non trattata proprio perch la fibra si irrigidisce e al tempo stesso la tensione di rottura decresce Per quanto concerne i filati B6240C anche in questo caso il modulo elastico per tutti trattamenti risulta notevolmente superiore a quello delle fibre non trattate raggiungendo il valore massimo nel trattamento combinato con NaOH 5 A1100 5 La resistenza a trazione a differenza di quanto avviene per il B607 registra un aumento per tutti i trattamenti La massima deformazione risulta invece sempre 307 inferiore per tutti i trattamenti applicati rispetto al valore del filato non trattato 4 5 3 CARATTERIZZAZIONE DELLA RESINA DENSIT PROPRIET MECCANICHE A T
234. ica MAH PP col risultato di una pi alta energia superficiale delle fibre con incrementi di bagnabilit e adesione d interfaccia il trattamento con composti che contengono gruppi metanolo CH 0H in modo da diminuire l umidit trattenuta aumentandone la rigidezza il trattamento con isocianati come il polietilene polifenil isocianato PMPPIC organosilani o agenti a base di triazina Anche le fibre vegetali come tutte le fibre hanno sia aspetti positivi che negativi Il lato negativo in particolar modo rappresentato dalla 41 sensibilit delle fibre all umidit dovuta alla loro natura idrofila causata dalla spiccata tendenza dei gruppi idrossilici della cellulosa a formare legami con le molecole di idrogeno Di conseguenza la sensibilit all umidit in un certo qual modo si ripercuote anche sul composito Il giudizio negativo scaturisce dalla constatazione che agendo l acqua da sostanza separante nell interfaccia fibra matrice si ha una scarsa adesione nonch Una trattamento per ovviare allinconveniente l acetilazione ossia l introduzione di gruppi acetile CH3C O in quelli che contengono gruppi OH Test sperimentali dimostrano che l umidit a saturazione diminuisce con l aumentare del contenuto di acetile of voids vol 6 Content af voids Ad Conten 0 7 o o 2 4 6 9 10 Young s modulus dry Young s modulus Tensile strength dry tensile strength Loss in moisture w eight a Fig 1
235. icentro della sezione trasversale QS Tb 89 Q lo sforzo di taglio sulla sezione considerata il momento d inerzia dell intera sezione rispetto il baricentro b il larghezza alla distanza di z e S il momento statico del area della parte di sezione con z gt Z4 Nella seguente figura rappresentata la distribuzione comune dello sforzo di taglio per una trave ad L equazione 88 per essere applicata ad una trave a sandwich deve essere adattata tenendo conto dei moduli di elasticit dei vari componenti della sezione _ T 55D 90 n C ____ _ _ _ _ _ _ _ ___ a EEA aan Fig 3 19 Distribuzione delle tensioni di taglio in una trave a doppia T 1 0 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE D rappresenta la rigidezza flessionale dell intera sezione e 2 SE indica la somma dei prodotti di S ed E dei singoli componenti della sezione con z lt Z Se si applica l equazione 90 alla trave sandwich considerata in precedenza per determinare la tensione a taglio all altezza z del core si ha SE E E 2 5 2 z 91 Perci nel core la sollecitazione di taglio vale Q A td ef De e e Te 92 Il valore massimo di sforzo di taglio nella zona core si ottiene inserendo il valore z 0 nella 92 Un espressione analoga si pu ottenere per le tensioni di taglio nelle facce Il rapporto tra i valori massimo
236. idente come le facce cooperino senza scorrere l una rispetto all altra Nella parte inferiore della figura si vede in confronto come in una trave sandwich reale la rigidezza al taglio scarsa In questo caso le facce non cooperano lavorando come piani indipendenti luno dall altro ia _ Pal n wl nin o gi pil Le a i a ia a ge rim a amp m a 3 a Fig 1 71 Comportamento di una trave sandwich ideale e di una reale Occorre considerare che i pannelli sandwich nel corso della loro vita non sono generalmente sottoposti a carichi costanti nel tempo bensi sono soggetti a sollecitazioni dinamiche variabili pannelli sandwich risultano pertanto sottoposti a carichi dinamici durante i quali estremamente importante conoscere la risposta meccanica e soprattutto la resistenza alla fatica che solo una frazione della resistenza statica Diversi ricercatori hanno condotto studi sul comportamento dinamico dei materiali utilizzati come core e sulla loro resistenza a fatica conducendo 100 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE test a fatica su pannelli sandwich Dalle ricerche si evince che una maggiore resistenza a fatica correlabile ad una maggiore tenacit del materiale d anima La condizione 59 essenziale in una struttura a sandwich la perfetta aderenza delle pelli all anima sufficiente una piccola zona con scarsa aderenza che si pro
237. iente grado di finitura superficiale superfici piane lisce e prive di cavit non applicando alcun gel coat ma semplicemente l agente distaccante citato in precedenza Il posizionamento dei tessuti di rinforzo nella cavit dello stampo prevede ovviamente il taglio degli stessi in dimensioni e forme adeguate Nella fattispecie i tessuti sono stati tagliati in quadrati da 400 x 400 mm e asciugati in forno a 70 C per circa due ore Questo elimina parte dell acqua contenuta nelle fibre l acqua un plasticizzante per le fibre vegetali ed inoltre poco si compatibilizza con la natura idrofoba della matrice Il rinforzo precedentemente preformato e asciugato in forno va pesato prima di essere posizionato all interno dello stampo Il posizionamento per sovrapposizione pu costituire una fase laboriosa se lo stampo ha geometria complessa e il tessuto non sufficientemente soffice per natura delle fibre o disposizione delle fibre Nel presente studio poich si utilizza uno stampo piano non stata riscontrata alcuna problematica relativa alla disposizione dei tessuti nella cavit dello stampo L unico accorgimento da adottare riguarda la rifilatura dei tessuti al contorno per evitare che in seguito all applicazione di una pressione da parte del controstampo la dilatazione dei tessuti in direzione trasversale alla pressione possa fare in modo che parte del rinforzo vada a finire nella zona perimetrale annullando la tenuta della cavit
238. ili a basso impatto ambientale durante il ciclo produttivo riciclabili e o facilmente smaltibili in ambiente a fine vita data la biodegradabilit della matrice e del rinforzo Quanto esposto consentirebbe non solo di ridurre la richiesta di materie prime quindi ridurrebbe il depauperamento delle risorse terrestri ma al tempo stesso ridurrebbe al minimo le volumetrie di abbanco in discarica restituendo alla terra i prodotti della degradazione Attualmente il mercato non agevola la diffusione degli eco compositi a causa dei prezzi assolutamente non competitivi degli eco polimeri rispetto a quelli convenzionali di origine petrolchimica Inoltre le scarse caratteristiche meccaniche notevolmente inferiori ai polimeri tipicamente impiegati limitano il loro possibile impiego ad applicazioni di bassa rilevanza ingegneristica Coscienti che il percorso degli eco compositi sia un obiettivo a lungo termine l orizzonte immediato rappresentato sicuramente dall impiego di rinforzi da risorse naturali rinnovabili in un tempo scala di pochi anni In 214 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE particolar modo l interesse maggiore rivolto alle fibre naturali di origine vegetale A differenza degli eco polimeri le fibre naturali di qualunque origine mostrano una forte competitivit nel mercato dovuto al costo notevolmente inferiore rispetto alle fibre convenzionali vetro carbonio etc L
239. impregnazione del tessuto si comportano come se fossero delle fibre lunghe e continue Questo comportamento verr meglio evidenziato nel seguito E altres importante notare come la scarto quadratico medio associato a ciascun valore medio delle grandezze valutate sia ampio L evidenza trova giustificazione nel fatto che le fibre vegetali possono avere come nel caso in esame una grande variabilit di composizione chimica e di struttura fisica legato alle condizioni di crescita al suolo al processo estrattivo che anche per lo stesso stocking possono essere diverse 292 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE i im pe Fig 4 66 Scansione al SEM di un filato ritorto di B607 L evidenza sperimentale trova conferma in diversi studi presenti in letteratura Come si evince da quello condotto da Goutianos et al l effetto risultante di una sollecitazione di trazione su un filato costituito da fibre corte e ritorte a spirale consiste in una prima fase di resistenza all azione seguita da uno scorrimento reciproco delle fibre oltre i valori tipici di una singola fibra soggetta alla medesima sollecitazione Inoltre come dimostra sempre lo stesso studio la resistenza di un filato secco o impregnato fortemente influenzata dal numero di torsioni applicate Se il numero di torsioni supera una certa soglia la differenza tra la resistenza a trazione del filato impregnato e quello
240. in produzione Ad esempio gli scarti del processo di punzonatura dei mat naturali quali il Fibrowood sono lavorati e legati con PP per produttore dei granuli di PP rinforzato granuli prodotti sono lavorati per stampaggio ad iniezione per produrre fermi ganci e braccioli Questo materiale in produzione dal 2006 ed utilizzato per lo pi da Mercedes Benz Fig 1 51 Prodotto realizzato con fibre naturali riciclate e PP Visteon ha lanciato un prodotto denominato R flax che consiste di PP rinforzato con paglia di lino e fibre corte 82 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 1 52 Prodotto realizzatocon R flax Fornitori come Johnson Control focalizzano la loro attenzione anche su prodotti interamente realizzati con materiali naturali Ad esempio Fasertec una linea di prodotto basata su fibre da noce di cocco e latex naturali Questo composito al 100 naturale Le propriet del Fasertec permetteno ottime performance per sedili e poggiatesta Questo prodotto in commercio dal 2002 ed utilizzato da Maybach Mercedes Benz Volkswagen Fig 1 53 Sedile realizzato in FaserTec WOOD STOCK un altro prodotto diffuso nel mercato automobilistico Questo prodotto un foglio estruso in termoplastico costituito da una matrice poliolefinica e un mat in fibra naturale Nella fase di trasformazione il mat pre riscaldato in un forno all infrarosso e poi stampato
241. in uno stampo a bassa temperatura Questo prodotto sul mercato dal 1982 ed utilizzato da FIAT Lancia e Alfa Romeo 83 Fig 1 54 Pannello realizzato in WOOD STOCK Un altro prodotto disponibile per i produttori di automobile il preimpregnato Acrodur della Basf basato su un copolimero acrilico che permette di ottenere contenuti di fibra dal 70 al 90 La chiave del prodotto e la realizzazione di un preimpregnato con struttura porosa che ha permesso al produttore Draxlmaier Group di eliminare le fasi di punzonatura laser necessari con i termoplastici convenzionali necessari per l applicazione del vuoto durante la laminazione Con questo prodotto si realizzano gli sportelli della serie 7 della BMW Fig 2 Pannelli per sportelli della BMW realizzati in Acrodur 84 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Faurecia un altro fornitore mondiale ha sviluppato una linea denominata Lignoflex che utilizza il 70 di fibra derivata dal legno un 20 di PET e un 10 di legante basato su resina fenolformaldeide Questo prodotto presenta pesi e costi ridotti rispetto ai compositi termoplastici rinforzati in vetro e migliori caratteristiche di assorbimento acustico pannelli Fig 1 57 sono pi leggeri di quelli convenzionali in composito termoplastico e con aspetto simile alla radica Fig 3 Prodotto in Lignoflex compositi in fibra naturale sono utilizzati anche per altri comp
242. in volume di fibre dela n esima lamina del composito prodotto poi i modelli della macromeccanica a partire dai dati micromeccanici L utilizzo dei modelli della macromeccanica presuppone inoltre la conoscenza del comportamento interlaminare ossia dei meccanismi di collasso per delaminazione Generalmente per la macromecacnica interviene quando si ha un laminato costituito da pi lamine di natura diversa per matrice e o rinforzo Nel caso in esame avendo a che fare con laminati prodotti utilizzando un unica resina e layer dello stesso tessuto si operare come se si avesse un unico layer di tessuto e quindi utilizzare direttamente i modelli 268 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE micromeccanici L ipotesi adottata comunque verosimile in quanto i layer sebbene sovrapposti quindi soggetti ad una potenziale delaminazione riescono ad avere un intimo legame fisico di interloking a seguito dalle pressioni di compattazione esercitate In questo modo non solo si svolto la stima in un solo step ma si anche ottimizzato la campagna sperimentale di produzione dei compositi e di determinazione delle loro propriet meccaniche eliminando il problema della caratterizzazione delle singole lamine di ciascun laminato prodotto alle diverse percentuali in volume di rinforzo In altri termini la determinazione macromeccanica avrebbe comportato la caratterizzazione meccanica del laminato
243. ina sono state condotte delle prove dinamo meccaniche DMA presso i laboratori di chimica del D I I M della Facolt di Ingegneria dell Universit di Catania utilizzando una macchina DMA tipo Tryton tecnolgy modello D6001 In particolare i provini sono stati sollecitati a flessione su tre punti imponendo una deformazione periodica sinusoidale di ampiezza pari a 0 05 mm a frequenza variabile 1 e 10 Hz alternativamente per osservare il comportamento del polimero sottoposto a sollecitazioni dinamiche e al variare della velocit di deformazione comportamento viscoso E importante sottolineare che con tale strumento non si porta a rottura il provino ma si sollecita entro il campo di deformazione elastica La prova ha termine quando si raggiunge la temperatura limite imposta La prova avvenuta in condizioni di temperatura variabile all interno dell intervallo 25 140 C con incrementi di 2 C min per determinare inoltre la temperatura di trasizione vetrosa Tg indispensabile parametro per 241 25 mm Stabilire di fatto la massima temperatura di esercizio di un materiale composito polimerico provini di forma parallelepipeda sono stati ricavati da una lastra di resina ottenuta per colata in uno stampo di PVC e reticolata per 20 ore a 50 C Le dimensioni dei campioni testati sono quelle indicate in figura come indicato dalla norma ASTM D4065 01 Lo spessore massimo dei provini non deve superare i 7 mm 40 mm
244. inazioni delle azioni a 3 2 E p z 5 n Pi a E S 4 A E lt Sa Hp a i mj Combinazione Ei ia A On Qu Commento Stati limite ultimi ni Va Fh ved Te Was 2 combinazioni prendendo a tumo una ar h iy vela yrl delle 2 azioni variabili come dominante Stati limite di esercizio Rara i i iy Bins unica combinazione Frequente ref 7 i Wy gt Waa 2 combinazioni prendendo a tumo una no f Way WI delle 2 azioni variabili come dominante Quasi permanente mi j i TER Wa unica combinazione I valori dei coefficienti parziali di sicurezza per le combinazioni agli S L U sono Vor 1 4 Ye2 1 9 Vq 1 5 valori dei coefficienti combinazione sono Wo 0 7 Wo 0 6 per neve e vento W 0 5 Wo 0 3 per neve e vento W2 0 3 Wo 0 1 per neve e vento A titolo esplicativo si riporta l analisi dei carichi effettuata per un pannello di calpestio e di copertura con pelli esterne in Mat 2 spessore singola pelle s 4 60 mm spessore totale sandwich pari a 10 cm Nel calcolo delle combinazioni agli S L E non si considera l azione del vento perch darebbe un carico sicuramente inferiore al caso in cui la neve ad avere un effetto dominante Nel caso dei pannelli di copertura non si considera a vantaggio della sicurezza la componente dei carichi agenti perpendicolare al piano del 362 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CI
245. ince che le fibre del Biotex non sono state testate a trazione perch essendo questo tessuto stato adottato nell ultima fase dello studio sperimentale si giunti alla conslusione come sar pi chiaro 291 nel prosieguo che la caratterizzazione dei filati allo stato secco ossia senza resina non ha alcuna utilit ingegneristica in quanto sottostima di molto le propriet meccaniche del rinforzo come mostra evidentemente la tabella 4 3 Piuttosto per poter impiegare le propriet meccaniche dei filati nei modelli previsionali delle propriet delle lamine necessario determinare il loro comportamento quando sono immersi in un mezzo che consente il trasferimento di carico tra le fibre corte di cui costituito il filato back calculation delle propriet del filato nel composito Come si evince dalle propriet meccaniche riportate in tabella 4 3 le propriet dei filati sono nettamente inferiori rispetto a quelle delle singole fibre in bundle estratte dal mat Ci da attribuire al fatto che nel mat il bundle viene tagliato ad una lunghezza di circa 50 mm e compattato nel tessuto tramite pressatura senza subire ulteriori trattamenti Il filato invece formato da una serie di fibre di diametro notevolmente inferiore ottenute dalla disgregazione del bundle e molto pi corte strettamente intrecciate e avvolte a spirale Quando questi filati vengono utilizzati come rinforzo per materiali compositi nel caso di perfetta
246. ine di migliorarne il comportamento sismico Oggi tanti stati 89 stanno finanziando progetti di ogni tipo dal recupero di ponti ad edifici interventi di adeguamento delle strutture sanitarie ed altre applicazioni In Canada lo studio in questo settore ha portato allo definizione poi all applicazione ed infine al monitoraggio di ponti steel deck free dove cio l impalcato assolutamente privo di strutture in acciaio ed in cui quindi gli FRP vengono usati come profili strutturali Non mancano esempi soprattutto ponti costituiti da profili pultrusi bullonati o incollati tra loro ponti pi significativi finora realizzati sono il Tom s Creek Bridge 1996 il Clear Creek Bridge 1996 il Laurel lick Bridge 1997 il Wickwire Run Bridge 1997 il Bentley Creek Bridge 2000 e l Over Deer Creek 2001 In Europa le prime strutture di materiale composito sono state realizzate mediante un innovativo sistema costruttivo messo a punto all inizio degli anni 90 nel Regno Unito e denominato ACCS Tra di esse le pi importanti sono alcuni ponti in Scozia nel Galles del Nord ed in Inghilterra e precisamente l Aberfeldy Bridge 1992 il Bonds Mill Lift Bridge 1992 il Bromley South Bridge 1992 e il Parson s Bridge 1995 In particolare l Aberfeldy Bridge rappresenta il primo ponte sospeso realizzato completamente con materiale composito l impalcato e le colonne sono state messe in opera con il suddetto sistema costruttivo mentre tiran
247. inferiore a quella media come nel caso del B607 4 e del Biotex 3 per cui si verifica uno spessore del laminato inferiore a quelli che possiedono una percentuale di rinforzo superiore come mostrato dal grafico di figura 4 87 316 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE B6240C Fig 4 87 Andamento degli spessori medi in funzione della pressione di compattazione in fase di reticolazione in pressa Nei grafici che seguono si mostra come al variare della pressione di compattazione aumenti la frazione volumetrica della fibra a scapito della resina ma anche dei vuoti Dai calcoli e dalle misure si evince inoltre un aumento della densit del composito m Vuoti Resina m Fibra ZO oi n n e a N Ul Fig 4 88 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in BO7 317 prodotti in Bag Molding Hot Press Curing E Vuoti Resina m Fibra Fig 4 88 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in B6240C prodotti in Bag Molding Hot Press Curing E Vuoti Resina E Fibra Fig 4 89 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in Biotex orientati prodotti in Bag Molding Hot Press Curing 318 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE E Vuoti Resina m Fibra A e I _ a Fig 4 90 Composizione per frazione volumetrica dei laminati in Bio
248. inito Si distinguono due tipi di processo a seconda di come vengono impregnate le fibre ovvero avvolgimento per via umida ed avvolgimento di preimpregnati 123 L avvolgimento per via umida il tipo pi diffuso e consiste nell impregnare delle fibre di tipo roving per poi avvolgerle sul mandrino L impregnazione avviene trascinando le fibre in un bagno di resina per poi farle passare per un percorso tortuoso tra dei rulli e poi per un pettine per eliminare la resina in eccesso e per evitare che le fibre si sovrappongano Se le dimensioni sono piccole o comunque il numero delle bobine piccolo allora la vasca il pettine ed i rulli si muovono in un sol pezzo con carrello porta fibre altrimenti le fibre roving vengono tirate da una cantra fissa con una leggera trazione Per questo tipo di impregnazione per prevenire la formazione di bolle durante l avvolgimento si usano dei termoindurenti con basso contenuto di sostanze volatili e per garantire una buona impregnazione la viscosit della resina alla temperatura di processo deve essere bassa a 7 b Fig 2 4 Diverse tecniche di avvolgimento a Wet Winding avvolgimento per via umida b Dry Winding avvolgimento con preimpregnati Uno dei parametri principali di processo la velocit di passaggio delle fibre dalla vasca che deve essere tale da non portare con se dentro la resina aria creando unemulsione con piccole bolle che verrebbero trascinate a lor
249. interno del circuito di iniezione Per quel che riguarda i tempi di polimerizzazione sono stati rispettati i tempi indicati sulla scheda tecnica del produttore di resina ossia tutti pezzi sono stati fatti reticolare all interno dello stampo alla temperatura di 50 C per 20 ore La reticolazione all interno dello stampo ha anche evitato la formazione di ritiri indesiderati Dopo 20 h si spengono le resistenze che riscaldano lo stampo e si pu procedere alla sformatura del manufatto Una volta rimosso il controstampo il pezzo pu essere facilmente staccato dallo stampo facendo leva con delle palette di plastica 249 Poich la forma del pezzo semplice l estrazione avvenuta facendo leva con un cuneo di materiale polimerico per evitare di danneggiare la planarit dello stampo Infine il pezzo stato rifinito con una smerigliatrice orbitale a disco diamantato eliminando le protuberanze dovute ai fori d ingresso e di uscita e le frange lasciate dal punto di contatto tra stampo e controstampo Seguendo questa procedura sono state ottenute laminati di forma quadrata di lato pari a 400 mm come mostrato nella seguente figura a sinistra una lastra rinforzata con il Mat a destra con il tessuto B6240C Fig 4 30 Laminati in composito rinforzato con tessuto Mat alto e B6240C basso 250 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 4 3 2 BAG MOLDING HOT PRESS CURING I
250. io da una sola cellula che vista in sezione trasversale appare formata da quattro parti fondamentali e Cuticola E lo strato pi esterno composto essenzialmente da cere e contenente anche sostanze pectiche e proteiche Serve da involucro idrorepellente e protettivo per il resto della fibra e Parete primaria Formata da un sottile strato di cellulosa impregnato con le stesse sostanze contenute nella cuticola e Parete secondaria Rappresenta la porzione pi cospicua della fibra di cotone circa il 90 ed costituita da strati concentrici di cellulosa e Lumen un canale vuoto situato al centro della fibra Esso pu contenere materiale solido proveniente dal residuo secco dei protoplasma cellulare Come si pu notare nella figura 1 22 esiste anche uno strato intermedio tra la parete primaria e quella secondaria che serve come strato di transizione tra il reticolo della parete primaria e le fibrille orientate della parete secondaria struttura del filamento di cotone AET SEATO PARETE da i om op i gy di ici Se a Fig 1 22 Sezione longitudinale di una fibra di cotone Longitudinalmente nella fibra matura possono essere individuate tre parti 51 e Base Si trova alla radice ha forma conica e fragile e viene staccata dal resto della fibra durante la sgranatura del cotone e Corpo Rappresenta oltre i 3 4 della lunghezza della fibra ha un diametro costante per quasi tutta la sua lunghezza 12 50 micr
251. io in fase di discesa quando la differenza di pressione tra interno ed esterno favorevole anche se pu essere gi presente perch intrappolata al momento della fabbricazione 192 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 3 5 INDAGINI PRELIMINARI PER LA CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIET DI BASE DEI MATERIALI COMPOSITI 3 5 1 PROVA DI TRAZIONE La prova di trazione tensile test 94 96 consiste nel sottoporre un provino ad una deformazione a velocit costante mediante l azione di un carico di trazione unidirezionale F load applicato ortogonalmente alla sezione del provino Le prove di trazione si basano quindi su delle ipotesi Spostamento quasi statico costanza della sezione durante la prova distribuzione assiale dei carichi Durante la prova si misura il valore del carico e la lunghezza del provino rispettivamente tramite una cella di carico e un estensimetro Fig 3 38 Schema di una macchina di trazione 193 risultati potrebbero essere riportati in un diagramma carico lunghezza ma in tal modo sarebbero influenzati ad esempio dal diametro del provino E pi logico far si che i valori di un test siano indipendenti dalla geometria del provino ma validi per qualsiasi forma o dimensione per questo si preferiscono misurare durante la prova lo sforzo o o stress o engineering stress e la deformazione o engineering strain o strain definibili rispet
252. ionale del sandwich _Etd Eptd 2g 2 1 v 139 Le seguenti figure mostrano i valore che K pu assumere in funzione di a b per quattro differenti modi m 1 4 e quattro valori differenti di p O 0 1 0 2 e 0 4 Poich di ineteresse solo il valore minomo di Ky vengono usati solo gli inviluppi minori di K per m 1 4 Cosi la figura mostra solo quattro curve m 1 4 in cui si deve notare che quando a b gt gt 1 l inviluppo minore delle curva divienetende ad essere una linea orizzontale diagrammi sono validi per 0 lt a b lt 3 5 e per valori pi alti si possono usare i valori pi bassi In sostanza per determinare il carico critico si pu ricavare K dal diagramma appropriato ed inserirne il valore nell equazione per determinare il carico d ingobbamento 186 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 3 30 Coefficiente di ingobbamento K1 tracciato rispetto a a b per m 1 4 e p 0 per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato Fig 3 31 Coefficiente di ingobbamento K1 tracciato rispetto a a b per m 1 4 e p 0 1 per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato 187 D p a 4 AiG Fig 3 32 Coefficiente di ingobbamento K1 tracciato rispetto a a b per m 1 4 e p 0 2 per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato Fig 3 33 Coefficiente di i
253. ione Ill eterogenea forma e dimensione delle fibre vegetali che limita l impregnazione da parte della matrice IV la scarsa tendenza delle fibre ad essere compattate che limita la massima frazione volumetrica di fibre ottenibile Emerge quindi che le frazioni volumetriche di fibra matrice e porosit sono interdipendenti Per potere ottenere un modello previsionale affidabile quindi fondamentale la conoscenza di tali grandezze Transition oo CD 6 05 oi BS Fibres iT O 0 4 i 0 3 O I o 3 02 D i 9 Porosity dii 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 Fibre welght fractlon Fig 3 7 Tipici dati sperimentali per le frazioni in volume delle fibre e di porosit in funzione della frazione in peso di fibre polietilene tereftalato fibre di canapa In genere le frazioni in peso di matrice e fibra sono convertite in frazioni volumetriche attraverso la conoscenza delle rispettive densit ci presuppone per un contenuto di porosit pari a zero Se ci non avviene bisogna integrare i calcoli con il contenuto di porosit Il volume di un composito pu essere calcolato come dove V Vf Vin e sono rispettivamente i volumi assoluti di composito fibra matrice e porosit 149 V pu essere suddiviso in e porosit correlata alla fibra V che si presume linearmente correlato con il volume di fibra assoluto e porosit correlata alla matrice V m che si presume linearmente correlato con il
254. ione possono essere estremamente rapidi anche inferiori al minuto tali materiali risultano eco compatibili poich possono essere riciclati e recuperati possono essere impiegate tecniche convenzionali di saldatura per alta frequenza o frizione sono molto resilienti quindi capaci di assorbire gli urti ma anche le vibrazioni ed rumori Tab 1 1 Polimeri termoplastici propriet a confronto Tompera me Resistenza Moglie Resistenza Costante inflessione i elastico Densita i Materiale a trazione impatto 3 dielettrica 1 82MPa MPa trazione J m g cm 60Hz C GPa ABS 99 41 2 3 347 1 18 3 0 LDPE 43 11 6 0 17 NB 0 92 2 3 HDPE 74 38 2 373 0 95 2 3 PP 102 35 8 1 6 43 0 90 2 2 PS 93 45 1 3 1 59 1 05 2 5 PVC 68 44 4 2 75 181 1 4 3 4 rigido PVC 9 6 293 1 4 5 5 flessibile PMMA 92 72 4 3 21 1 19 3 7 LCP 311 110 11 101 1 70 4 6 Nylon6 65 81 4 2 76 59 1 13 3 8 Nylon6 6 90 82 7 2 83 53 1 14 4 0 PBT 54 52 2 3 53 1 31 3 3 PC 129 69 2 3 694 1 20 3 2 PEEK 160 93 8 3 5 59 1 32 PEI 210 105 3 53 1 27 3 2 PES 203 84 1 2 6 75 1 37 3 5 PET 224 159 9 96 101 1 56 3 6 PPS 260 138 11 7 69 1 67 3 1 PSU 174 73 8 2 5 64 1 24 3 5 13 Tab 1 2 Polimeri termoplastici prezzi espressi in a confronto per produzioni oltre i 9 milioni di kg Fonte Plastic News 2006 Polimero vergine Polimero riciclato HPDE 83 85 55 58 LDPE 37 39 31 36 PP 81 84 40 44 ABS 92 94 50 60 PVC 63 67 28 34 Nylon 6 165 175 Nylon 6
255. ipio di uguaglianza delle deformazioni in un corpo soggetto a una sollecitazione assiale e F SEGg dalla deformazione moltiplicando per il modulo elastico di ciascun componente si determina la tensione agente che sar confrontata con la resistenza delle pelli e del core material balsa Una ipotesi importante che sta alla base del calcolo la totale solidariet degli strati che compongono il sandwich Infatti se avvenisse la delaminazione delle pelli dal core il comportamento reale sarebbe differente da quello ipotizzato Tale scelta equivale all adozione di un collante che possiede una resistenza al taglio sufficientemente elevata e tale da sopportare la differenza di sforzo tra gli strati del pannello che dipende dalle sollecitazioni e dalla rigidezza dei componenti Inoltre si considera che il pannello giunga al collasso solo quando una delle tensioni agenti sui componenti supera la resistenza del materiale Il progetto stato suddiviso in due parti la prima relativa alla copertura la seconda ai pannelli del solaio di calpestio La fase progettuale stata affrontata nel rispetto dei requisiti strutturali di sufficiente resistenza meccanica e limitato abbassamento al centro del pannello ma tenendo conto anche dei seguenti aspetti progettuali riduzione al limite inferiore dello spessore dei pannelli riduzione al limite inferiore del peso dei pannelli 282 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI
256. istenti Lo studio di architettura stato GS amp C Group e l ingegneria strutturale stata gestita dalla Structure Haynes Whaley entrambe con sede a Austin TX Per realizzare le preforme la MFG CP ha creato dai disegni tecnici dei modelli delle scale finite in legno e masonite Questi simulacri sono serviti da modelli 3D per la realizzazione delle preforme in composito le quali hanno poi dato la forma finale alla struttura in cemento modelli vengono ricoperti da una speciale 94 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE cera per permettere l estrazione delle preforme ad inizio laminazione viene usato un gel coat carteggiabile per creare la superficie di interfaccia del composito con il cemento Poi si passa alla laminazione con mat e roving in fibra di vetro impregnati con resina La struttura in composito deve ovviamente essere abbastanza rigida e resistente per il trasposto e per le successive fasi di colata e cura del cemento Per ottenere la rigidezza necessaria alcune zone del laminato sono rinforzate internamente con un anima in balsa ed esternamente con strati di legno Questi rinforzi vengono co curati con il laminato per avere un unico blocco monolitico La resina utilizzata da MFG CP per le preforme la Altek H864 una resina poliestere a basso restringimento della AOC Il Sales Manager della MFG CP Jim Williams ha sottolineato come le caratteristiche della resina abbi
257. istenza e conferisce al prodotto propriet particolari ad esempio la capacit di rigonfiarsi quando vengono impregnati con la resina Per tessuti multiassiali oltre alle indicazioni generali riguardanti il tipo di filato e le altre caratteristiche del tessuto deve essere riportata anche l orientazione di ciascuno strato di fibre Nel seguito sono illustrati esempi relativi alla determinazione di alcune quantit caratteristiche dei tessuti utilizzati per il rinforzo strutturale Nel caso in cui siano forniti solo il titolo del filato e la geometria la determinazione della massa per unit di superficie delle fibre in una determinata direzione pu essere eseguita attraverso la seguente relazione TN 10 Px 67 nella quale p la massa del tessuto o della componente del tessuto nella direzione interessata espressa in g m T il titolo del filato riferito alla direzione in esame espresso in Tex g km N il numero di fili per unit di larghezza riferiti alla direzione in esame n cm Ad esempio dato un tessuto unidirezionale caratterizzato da 3 8 fili cm e da un titolo del filato di 800 Tex la massa per unit di superficie risulta essere 800 Tex 3 eli cm 2 304 g m Nel caso in cui sia necessario determinare il numero di fili disposti in un assegnata direzione per unit di lunghezza nella direzione ortogonale si pu operare secondo la norma ISO 4602 1997 E si contano cio fili dispo
258. l analisi l ipotesi per cui fibra e matrice abbiano perfetta adesione cosa non completamente realizzabile nei compositi Una unione imperfetta porta ad un materiale le cui propriet sono inferiori rispetto a quelle dell analisi micromeccanica Il divario tra i valori calcolati in base all analisi micromeccanica e i dati sperimentali ottenuti diventa pi ampio se trattiamo compositi rinforzati con fibre naturali di origine vegetali Esse infatti rispetto alle fibre sintetiche presentano una minore aderenza tra fibra e matrice dovuta alla natura idrofila delle fibre e alla natura idrofoba delle matrici inoltre le fibre sintetiche sono lunghe e hanno un diametro controllato mentre le fibre naturali sono generalmente corte hanno un diametro variabile e non hanno un comportamento isotropo infine l utilizzo di un rinforzo di origine vegetale determina inevitabilmente la presenza di un certo quantitativo di vuoti non eliminabili perch intrinseci nel materiale lumen delle fibre Ulteriore limite dell analisi micromeccanica che si in grado di prevedere solo il comportamento di materiali rinforzati con fibre unidirezionali e parallele Per ovviare a questi ed altri inconvenienti sono stati introdotti diversi altri metodi previsionali sicuramente di maggiore complessit della semplice regola delle miscele in quanto cercano di tenere in conto i parametri che fanno deviare il comportamento di un composito rinforzato con fibre veget
259. l fit sirain in Ys Fig 4 93 Diagramma sforzo di trazione deformazione per il composito rinforzato con tessuto B6240C v 31 0 prodotto in RTM Nella seguente tabella si riportano invece tutti i dati ottenuti dalle prove di trazione nonch le statistiche associate ad esse eseguite sui compositi realizzati con il processo produttivo del resin transfer molding RTM e rinforzati con tessuti trattati e non di B607 e B6240C Per confronto si riportano anche i risultati della prova a tarzione sui laminati rinforzati con tessuti di mat anch essi realizzati mediante il processo del RTM Il modulo elastico stato ottenuto per mezzo di una regressione lineare del primo tratto del diagramma che evidenzia un comportamento elastico A seguire si riportano gli istogrammi ricavati mettendo a confronto per tipologia di tessuto e tipologia di trattamento i risultati inerenti il modulo elastico la resistenza a trazione e l allungamento massimo di tutte le prove eseguite sui laminati di composito fibro rinforzato realizzati con il processo del RTM 321 Tab 4 12 Proprieta meccaniche a trazione dei laminati prodotti in RTM Modulo Scarto Resistenza Scarto Scarto Allungam Elastico quadr a trazione massimo quadr rinforzo vuoti ole hee medio V V media p v media media S GPa MPa o e op oa i suo o ss 025 seas 260 37 02 3 63 26 706 oer ses sm 38 08 i gra ot 787 o mar ro ss 0
260. l fenomeno della corrosione elettrochimica negli FRP infatti ne incoraggia l utilizzo in tali applicazioni innovative L uso di barre d armatura o di tiranti con questi materiali rappresenta una tecnica tra le pi promettenti dell ingegneria strutturale Tra le realizzazioni pi rilevanti vi sono il ponte di Laurel Lick Bridge installato nel maggio 1997 in West Virginia 91 eee Fig 1 63 Laurel Lick Bridge 1997 West Virginia Usando barre e tiranti in FRP i quali a differenza di quelli in acciaio non sono affetti dalla corrosione elettrochimica molti si aspettano di allungare e migliorare drasticamente la vita delle opere in calcestruzzo Gli FRP si candidano quindi quale alternativa all acciaio come materiale d armatura anche se tale candidatura deve essere ancora suffragata da ricerche che mettano in luce tutti i riflessi strutturali che in tal modo si originano Ma gli FRP possono essere impiegati direttamente in strutture interamente in composito come descritto nella parte iniziale del paragrafo In questa categoria sono dominanti i profili pultrusi per essi leggeri resistenti e sufficientemente rigidi si prospettano funzioni tipiche della struttura portante intelaiata profilati pultrusi disponibili in un sagomario del tutto simile a quello per i profili in acciaio possono essere impiegati in assemblaggi tradizionali o in telai come travi o colonne Gli studi tecnico sperimentali rivolti all analisi del compor
261. l ciclo di produzione stato articolato nelle fasi seguenti pulitura dello stampo applicazione dell agente distaccante posizionamento dei tessuti di rinforzo posizionamento della pellicola plastica e sigillazione dello stampo trasferimento della resina posizionamento dello stampo sotto pressa a temperatura e applicazione della pressione di compattazione polimerizzazione della resina apertura dei piatti della pressa ed estrazione dello stampo rimozione del composito dallo stampo Operazioni di finitura Le fasi di pulitura dello stampo e applicazione dell agente distaccante che rientrano nella macrocategoria della Preparazione dello stampo sono identiche a quelle descritte per il Resin Transfer Molding per cui valgono le stesse considerazioni gi enunciate Anche nella circostanza attuale tale fase rappresenta il punto critico da cui dipende la qualit del pezzo finito e la possibilit di estrazione del pezzo soprattutto se di geometria complessa Il processo di Bag Molding stato condotto adottando come stampo una lamina di alluminio piana di sufficiente spessore 2 mm tale da garantire l indeformabilit sia in fase di iniezione che in quella di reticolazione della resina Il posizionamento dei tessuti di rinforzo sullo stampo prevede il taglio degli stessi in dimensioni e forme adeguate Nella fattispecie i tessuti sono stati tagliati in quadrati da 200 x 180 mm e asciugati
262. l l lt L4 La lunghezza critica delle fibre l pu essere calcolata dalla seguente espressione a 39 T in cui 7 lo sforzo di taglio all interfaccia Fibre troppo corte non costituiscono un effettivo rinforzo ma al contrario tendono a peggiorare le qualit del composito rispetto alla matrice 3 2 5 IL MODELLO DI MADSEN Il modello di Madsen 87 91 propone anch esso una versione modificata della regola delle miscele espressa da Ec none Ey VinEm 1 Vp 40 Ouc Ns Vp Ouf UmOm 1 Vy 41 146 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE AI fattore di orientazione delle fibre n al fattore di efficienza di lunghezza delle fibre 7 e al fattore di efficienza delle fibre 7 pu essere datala stessa interpretazione data nel modello di Cox Krenchel Tuttavia n tende rapidamente ad 1 al crescere del rapporto L D ci mostrato graficamente in figura 3 5 Fibre length efficiency factor Tli 0 10 20 30 40 50 60 FQ 80 90 100 Fibre aspect ratio L D Fig 3 5 Fattore di efficienza di lunghezza delle fibre al variare del rapporto 147 L D n cresce rapidamente fino a circa 0 8 quando L D circa 20 e successivamente cresce asintoticamente avvicinandosi ad 1 per L D tendente ad infinito Per valori di L D pari a 50 n pari a 0 93 Di conseguenza si pu dedurre che per fibre che presentano un rapporto tra lunghezza e diametro supe
263. l settore automotive in Germania fonte Nova Institute Germania L ostacolo principale alla riciclabilit delle automobili rappresentato sopratutto dai pannelli di rivestimento interni fabbricati per lo pi con materiali polimerici e fibre di vetro che non sono degradabili n combustibili quindi non si pu attuare alcun recupero energetico La tendenza attuale dell industria automobilistica perci quella di utilizzare compositi preparati attraverso stampaggio a compressione di poliolefine PP e PE con fibre naturali medio lunghe 80 90 mm in forma di feltri o di tessuto non tessuto come componenti per gli interni pannelli di porte anteriori che contengono in media 1 2 1 8 Kg di fibre naturali di porte posteriori 0 8 1 5 Kg di portabagagli 1 5 2 5 Kg cappelliere oltre 2 Kg ecc 61 78 La scelta di un certo tipo di fibra vegetale da utilizzare come rinforzo dipende dal prezzo e dalla possibilit di coltivare la pianta da cui si ricava la 73 fibra nel paese produttore dell automobile Per esempio diverse parti dei veicoli commerciali della Mercedes prodotti in Brasile utilizzano fibre di cocco sisal e lino mentre in Italia nel 1999 la Fiat e stata coinvolta in un progetto che sperimentava l introduzione di fibre di ginestra Progetto Spartium in matrici termoplastiche Le matrici utilizzate per i compositi in ambito automobilistico sono varie il polipropilene PP largamente utilizzato per applicazioni a
264. la possibilit di questo di venire impregnato Tee eng fiat sings g A i N LU hi a ah hh fa i Roving Strength MPa P a Pra tly a 930 yn E ho As ff a 200 i 4 100 I no g twist twat 36 7S 100 125 150 175 200 2235 Twist turns mi Fig 1 32 Effetto del livello di qwist sulle caratteristiche meccaniche 60 60 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Alcuni esempi di designazione con la relativa interpretazione sono elencati di seguito EC10 40 filamento continuo di vetro E di 10 um di diametro e di massa lineare pari a 40 Tex EC9 34 Z 40 filamento continuo in vetro E avente 9 um di diametro e di massa lineare pari a 34 Tex ritorto a 40 giri m La lettera Z indica una torsione definita come positiva secondo la norma ISO 1139 1973 E la torsione negativa viene indicata con la lettera S EC9 34 Z 160 x 4 S 150 la lettera x indica che si tratta di un filo costituito da pi filamenti identici La sigla che precede la x identifica le caratteristiche dei filamenti come visto in precedenza il numero successivo 4 indica il numero dei filamenti e la lettera S una torsione negativa effettuata a 150 giri m e EC9 x 4 S 150 designazione semplificata del precedente filamento Alcuni filati yarn comunemente usati per i compositi strutturali corrispondono alla sigla
265. la prima detta trama weft tessuti multiassiali nei quali le fibre sono orientate in pi di due direzioni del piano possono essere costituiti da fili intessuti o semplicemente cuciti tra di loro Warp yarn Weft yarn gina ba pe Ca an Da E to eet DE ESE Lai FA i at P 2 Pa ten fa poni ica ree ca fr sa i rer a ie ee ee T mrt da Nad fe A Po od xed cd hood hod af ea Lana De na ja je am E tri ee Sw pal aie ae ia a bs L ra PRA Pani Mica fe oe da i ur li AIA Fig 1 33 Trama Weft e Ordito Warp in un plain weaving tre stili di base della tessitura sono Armatura a tela plain weave Raso satin weave Batavia o Saia twill weave In figura 1 34 sono riportate le geometrie dei tessuti che pi frequentemente ricorrono nelle applicazioni correnti La rappresentazione conforme alla seguente convenzione casella nera o tratteggiata filo di trama sopra il filo di ordito casella bianca filo di trama sotto il filo di ordito Tela o tessuto semplice Twill Satin batavia raso da 5 Fig 1 34 Schema geometrico dei piu comuni tessuti 63 L armatura a tela il tipo pi semplice di tessile L ordito e la trama sono allineate in modo da formare un semplice schema incrociato Ciascun filo di trama attraversa i fili dell ordito come mostrato nello schema seguente Stesso discorso vale per i fili di ordito Nei tessuti bilanciati l ordito e la trama sono fatti di fili dello stesso peso di
266. lavoro di tesi si colloca all interno del settore di ricerca sui materiali compositi polimerici innovativi rinforzati con fibre naturali di origine vegetale Lo studio ha dimostrato come l utilizzo di fibre naturali di origine vegetale per il rinforzo di compositi a matrice epossidica rappresenti una possibilit vantaggiosa e percorribile per le applicazioni semi strutturali tessuti di fibre vegetali ad orientazione preferenziale tessuti bidirezionali quali il B607 B6240C e Biotex possono incrementare notevolmente le propriet meccaniche dei laminati rispetto all utilizzo dei tessuti non tessuti di fibre disposte ad orientazione random Mat determinando a parit di caratteristiche meccaniche del laminato una notevole riduzione dello spessore e quindi della densit del composito trattamenti superficiali con soda caustica NaOH e amminosilano A1100 della Sigma Aldrich applicati alle fibre vegetali del tessuto Mat B607 e B6240C hanno determinato un apporto significativo all incremento delle propriet meccaniche dei compositi grazie alle modifiche strutturali e alla migliore compatibilit con la matrice epossidica delle fibre Occorre tuttavia selezionare e adottare con cautela tali trattamenti in relazione al rapporto benefici costi e alla sostenibilit ambientale I modelli previsionali di Cox Krenchel e Madsen applicati a partire sia dai dati di letteratura sulle singole fibre che da quelli sperimentalmente ottenuti sui fil
267. le schiume dell anima Quando la corrugazione in una direzione particolare 106 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE hanno comportamento ortotropo Un esempio sono i cartoni per l imballaggio che vengono utilizzati come elementi ad elevato assorbimento di energia d urto ma per questo uso per prevenire la delaminazione i laminati interni devono vincolare le facce attivando i modi di rottura fragile a b c Fig 1 78 core a nido d ape in polimero termoindurente Anche il legno di balsa viene impiegato come anima Il core di legno di balsa ha una densit compresa tra i 90 e i 160 kg m pi elevata rispetto alla media degli espansi per consente di ottenere manufatti estremamente resistenti grazie all ottimo connubio con le resine che riescono a penetrare nella capillarit del legno creando un eccellente legame tra le pelli e la struttura dell anima 107 Fig 1 79 core realizzato in legno di balsa Shear Strength Compressive Strength 30 40 50 60 70 80 90 100 30 40 50 60 70 gp 90 100 Density kg m Density kg m Fig 1 80 confronto tra le propriet meccaniche di alcuni materiali d anima Il PVC espanso come anche la balsa vengono forniti in pannelli rigidi o se lo consentono con curvature ad ampio raggio Per le forme pi complesse o curvature di piccolo raggio disponibile il tipo quadrettato screen colth Si tratta dello stesso materia
268. le Molte ricerche ad esempio sono focalizzate sullo sviluppo di tessutti ottimizzati come ad esempio i tessuti basati su fili ritorti Fig 1 62 Questi tessuti innovativi ie Biotex e Envirotextile mirano a superare le limitazioni dei mat attraverso la tessitura di fill continui ben orientati miglioramenti in prestazioni meccaniche sono evidenti Ulteriori miglioramenti sono attesi dagli studi sulla interfaccia tra fibra e matrice e dalla standardizzazione della qualit delle fibre Tutto questi sviluppi lasciano sperare in un brillante futuro verde e naturale Fig 8 Immagini di tessuti in fibra naturale Envirotextile B607 sinistra Biotex destra 8 1 4 2 IL SETTORE CIVILE Negli ultimi trent anni i materiali compositi fibrorinforzati Fiber Reinforced Polymers FRP sono stati impiegati con grande successo nei campi dell Ingegneria aeronautica meccanica e navale Recentemente le loro notevoli propriet meccaniche gli elevati rapporti rigidezza peso e resistenza peso da essi presentati nonch la considerevole resistenza alla corrosione ne hanno valorizzato l impiego anche nel settore dell Ingegneria Civile in sostituzione e o integrazione dei materiali tradizionali 74 76 82 Da alcuni anni infatti si assiste ad un crescente uso di tali materiali soprattutto per il ripristino e l adeguamento strutturale di membrature di conglomerato cementizio armato o di muratura Pi limitato invece il numero di nuove cos
269. le rigido per tagliato in piccoli quadrati di 3 cm di lato incollati su una garza in tessuto di vetro che ha lo scopo di tenerli uniti In questo modo il pannello risulta perfettamente adattabile a qualsiasi superficie In alternativa al tipo quadrettato esistono degli espansi cosiddetti duttili che possono essere curvati o addirittura piegati ad angolo retto senza rompersi questi sono anche termoformabili si possono preformare con un fohn industriale e mantengono la forma acquisita Fino a spessori di 10 mm questi possono essere arrotolati senza problemi quindi molto comodi per le 108 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 1 81 Intagli per realizzare una superficie curva Un altro tipo di profilo noto semplicemente come tagliato cut doppio taglio triplo taglio etc La schiuma ancora tagliata in quadrati da 3 cm ma solo per due terzi dello spessore Questo consente alla lastra di avere una certa flessibilit ma lintaglio utilizzato principalmente come via di scorrimento della resina nei processi di infusione o come via di fuga per l aria quando si utilizza la laminazione manuale Fig 1 81 Tipi di intaglio su materiale d anima preformato Alcuni produttori realizzano anche lastre scanalate Queste scanalature misurano normalmente 3 mm sia in spessore che in profondit e sono utilizzate come canali di scorrimento nella realizzazione di pell
270. legno pi leggero conosciuto al mondo Il legno di Balsa nonostante il basso peso specifico ha una resistenza alla compressione di oltre 100 Kg cm ottenibile grazie alla struttura alveolare del legno stesso Infatti il legno di balsa ha dei canali linfatici molto grandi che permettono all albero una velocissima crescita in 5 anni una pianta matura per l abbattimento Per lo studio affrontato stata adottata la balsa PB standard che offre il giusto compromesso tra propriet meccaniche e leggerezza Di seguito si riporta la scheda tecnica del prodotto 213 Mechanical Properties LD H i PB W Property Unit Light Weight Standard Heavy Weight 155 Joa 6 040 3 6 i Let 1 042 io 100 p m Compressive Strength Compressive Modulus 20 LO 59 1 Se MP 185 Tensile Strength l pase 2 987 3 da 53 RTI 2 4 0 shear Strength sa i 2 Shear Modulus I Therma Conductivity Based on 10 K factor 1 All valves measured at 422 C 72 Fh e Thermal conductrity ai 10 C F Fig 4 57 Scheda tecnica della balsa considerata Le caratteristiche prestazionali termiche della balsa considerata sono state tratte dalla scheda tecnica del prodotto THERMAL CONDUCTIVITY W m C DENSITY kg m Fig 4 58 Conducibilit termica della balsa a 23 C ASTM C177 ASTM C271 in funzione della densit 214 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI
271. licazioni di nicchia e renderli competitivi economicamente sul mercato 61 78 Gli eco compositi biodegradabili possono essere impiegati come materiali resistenti con un tempo di vita programmato alla fine del quale vengono degradati nell ambiente senza richiedere interventi di rimozione costosi in termini di tempo e denaro Tuttora la principale applicazione dei biocompositi nel terreno come geotessili prodotti biodegradabili che non causano problemi alla fine del loro impiego o se ingeriti da animali tessuti di protezione da grandine sole gelo animali di nuove piantine nei rimboschimenti e nei raccolti anelli di sostegno dei vitigni in agricoltura ecc Considerando il prezzo elevato delle matrici eco compatibili che rappresenta la principale limitazione all uso diffuso attualmente il primo passo verso il raggiungimento di compositi eco friendly l uso di fibre naturali come rinforzo anche in matrici sintetiche anche non eco friendly Le fibre naturali rappresentano una classe convenzionale di materiali rinnovabili che al giorno d oggi stanno vivendo un grande risveglio Negli ultimi anni ci sono state molte ricerche sviluppate nel campo delle plastiche rinforzate con fibre naturali 61 78 La maggior parte di esse sono basate sullo studio delle propriet meccaniche dei materiali compositi rinforzati con fibre corte materiali cos ottenuti vengono impiegati principalmente per la produzione di parti non strutturali per l industria
272. lignificazione omogeneit dei suddetti parametri qualitativi La maturit delle fibre un altro parametro importante che ne influenza resistenza e flessibilit poich il progressivo ispessimento della parete a completa maturit va praticamente ad occludere il lumen cellulare Fra gli altri parametri che influenzano le caratteristiche della fibra 48 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE si possono ricordare gli effetti di alcuni fattori agronomici quali l epoca di raccolta la densit di investimento e la scelta varietale ma anche metodologie di raccolta che permettano di separare frazioni di stelo differenziate per valori qualitativi Conoscere come le diverse caratteristiche della fibra vengano modificate dalle tecniche agronomiche risulta quindi fondamentale per studiare e sviluppare un itinerario tecnico che permetta di controllare la qualit della materia prima Si deve comunque sottolineare come gli indici qualitativi sopra menzionati siano utili soprattutto a livello di ricerca 1 3 3 LE FIBRE DI COTONE Il cotone sempre stata la fibra pi importante per l umanit basti pensare che prima dell avvento delle fibre artificiali copriva pi dell 80 dei consumi Il cotone si ricava da varie specie di piante erbacee dicotiledoni del tipo gossypium che crescono nelle regioni tropicali e subtropicali Hanno foglie lobate fiori giallo pallido e frutto a capsula con
273. lla soluzione con soda caustica fino ad ottenere pH 7 e al lavaggio dei campioni con acqua demineralizzata Dopo la successiva asciugatura i campioni vengono pesati per monitorare la perdita incremento di peso 4 4 2 3 CARATTERIZZAZIONE DELLA RESINA DENSIT PROPRIET MECCANICHE A TRAZIONE E VISCO ELASTICHE A FLESSIONE Prima di procedere con la realizzazione dei laminati compositi sono state determinate le propriet di interesse della resina utilizzata PRIME 20 LV In particolare sono state eseguite delle prove di densit di caratterizzazione meccanica a trazione e flessione su tre punti Le prove densimetriche e di trazione si sono rivelate utili per la progettazione prima e la caratterizzazione dopo dei compositi realizzati La determinazione della densit stata condotta mediante il metodo della pesata idrostatica ossia un campione di resina significativo reticolata a 50 C per 20 ore viene ridotto in scaglie di dimensioni sufficientemente piccole da poter entrare in una colonna graduata riempita con acqua distillata fino ad un livello noto Annotato il peso prima e dopo l immersione si riporta il volume di acqua distallata della colonna a quello originario Conoscendo la densit dell acqua distillata alla temperatura di prova T 25 C PH20 distillata 1 001176 g cm per differenza di peso e sfruttando il principio di Archimede si ottiene il volume di resina come rapporto 239 Wacqua spostata Vresina m PH
274. lle deformazioni 3 4 IL PROGETTO DI UNA STRUTTURA SANDWICH Nella progettazione delle strutture di tipo sandwich le usuali formule di scienza delle costruzioni modello di Eulero Bernoulli e modello di Timoshenko pi recente e complesso in quanto tiene conto della deformabilit al taglio degli elementi per cui le sezioni rimangono sempre piane ma non necessariamente ortogonali all asse della deformata generlamente sotto l ipotesi di materiale omogeneo ed isotropo risultano spesso inadeguate a prevederne sia il comportamento elastico che i carichi di rottura a causa del ruolo fondamentale svolto dall anima e dei particolari meccanismi di interazione fra essa e le facce In questo paragrafo si fa una trattazione sintetica sulla progettazione delle travi e dei pannelli basata su quella svilupptata e contenuta nel manuale DIAB Group reperibile gratuitamente sul portale internet della compagnia 3 4 1 LE TRAVI APERTE La trattazione della teoria delle travi sandwich comporta delle ipotesi base travi sottili facce sottili e dello stesso spessore le deformazioni di taglio e flessione nelle pelli esterne sono piccole quindi vengono ignorate 166 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE in tutto lo spessore del core lo sforzo di taglio sia costante Le convenzioni sui segni prevedono che i carichi e le deformazioni w si considerano positive se verso il basso i
275. lmente utilizzare i dati ai fini progettuali Per ciascun tipo di laminato sono stati testati a trazione cinque provini in accordo con la norma UNI EN ISO 527 alla velocit di deformazione costante pari a 2 mm min partendo da un precarico di 5 N A titolo esemplificativo si riportano di seguito i diagrammi sforzo deformazione ottenuti dalla prova meccanica a trazione sui compositi realizzati con il processo produttivo del resin transfer molding RTM rinforzati con i tessuti mat B607 e B6240C non trattati chimicamente gilt in er wena enced e Se i i Ji i ti ga a 20 I A i l i e i w L i i T de Un 10 Awe i Ji Le l Lae O ai 4 i i i i i 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Strain in Fig 4 91 Diagramma sforzo di trazione deformazione per il composito rinforzato con tessuto Mat v 14 1 prodotto in RTM 320 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE i I i a I I i a a0 2 T i i E i 1 i i i i A go Ob SA ee te ee he dt a a ts Pali r i i I Pd Fi 0 Z rt rt t t 4 4 4 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 airain im Ye Fig 4 92 Diagramma sforzo di trazione deformazione per il composito rinforzato con tessuto B607 v 32 0 prodotto in RTM nre gt en Cer 1 ee b b Co cn Stress in MPa Ee i I i I i I I I I i j I I I i I I LI I i Fd de
276. lo corrispondente alla prima parte del diagramma in cui la fibra mostra un comportamento elastico In particolare Il modulo E stato calcolato come la pendenza della retta tangente al diagramma sforzo deformazione in corrispondenza del punto di deformazione s pari allo 0 05 Il software registra inoltre la tensione massima e a rottura della fibra calcolate a partire dalla forza rilevata dalla cella di carico e dal diametro delle fibre considerate di sezione circolare di volta in volta misurate grazie ad un micrometro di precisione 235 300 Tensione MPa 100 0 0 l 1 0 allungamento o Fig 4 21 Acquisizione del modulo elastico e della tensione massima e a rottura 4 4 2 2 TRATTAMENTI SUPERFICIALI APPLICATI ALLE FIBRE Il tentativo di raggiungere l optimus delle propriet fisico meccaniche dei compositi non ha coinvolto solo la ricerca di un processo produttivo a basso costo e in grado di estremizzare la presenza del rinforzo nel materiale composito ma anche di trattamenti chimici in grado di eliminare problemi di interfaccia tra fibra e matrice di cui si ampiamente discusso nel capitolo 1 In tale capitolo si accennato circa il successo riscontrato dai trattamenti con soda caustica NaOH mercerizzazione e con agenti di accoppiamento come gli amminosilani che sono i trattamenti adottati nel presente studio Questi ultimi sono indicati nel caso in cui come nel presente si ha a che fare c
277. lo macromeccanico assumendo note a priori le propriet dei singoli layer caratteristiche delle lamine come i moduli elastici lo spessore l orientazione delle fibre la sequenza di laminazione pu essere predetta abbastanza realisticamente la risposta meccanica globale del laminato La macromeccanica 1 4 basata sulla meccanica dei continui che modella ciascuna lamina come omogenea e ortotropa ignorando l interfaccia tra fibre e matrice La Teoria Classica della Laminazione CLT il modello matematico per predire il comportamento macromeccanico di un laminato basato su un assemblaggio arbitrario di lamine omogenee ortotropiche o trasversalmente isotropiche come caso particolare del precedente La modellazione 2 D la pi comune mentre quella 3 D molto complessa e limitata alla trattazione di alcuni problemi La teoria classica della laminazione permette di calcolare le tensioni e le deformazioni con alta precisione per laminati sottili eccetto che in una piccola regione in prossimit dei ponti liberi free edges 159 Se il rapporto tra larghezza e spessore del composito meno di 20 risultati ottenuti dalla teoria classica mostra differenze significative con la risposta reale del materiale e il modello deve essere necessariamente migliorato La teoria classica della laminazione si basa sulle seguenti assunzioni ce un legame monolitico di tutte le lamine cio non ci sono scorrimenti tra le lamine lungo la
278. loro interfaccia ciascun layer quasi omogeneo e ortotropico le deformazioni sono continue attraverso il laminato utilizzo di un modello di equazioni del primo ordine tutti i layer sono in uno stato di stress piano ossia 03 O4 05 0 la deformazione 3 pu essere trascurata rispetto alle altre due 4 Ep le deformazioni di taglio trasversali 4 e 5 sono trascurabili Quando una forza applicata all estremit di un laminato tutti gli strati si allungano della stessa quantit Comunque le propriet elastiche di ciascuno strato del laminato dipendono da Materiali di cui sono costituiti le fibre e la matrice La frazione in volume delle fibre L orientazione delle fibre In altri termini la rigidezza di ciascuno strato nella direzione in cui e applicata la forza differente e poich la tensione in un dato strato il prodotto della rigidezza per la deformazione la tensione in ciascun strato sar diversa Poich la forza il prodotto della tensione per la sezione trasversale dello strato allora la forza agente su ciascuno strato pu essere determinata La somma delle forze deve essere naturalmente pari a quella applicata al laminato multistrato Fig 3 15 Distribuzione delle forze in un laminato 160 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Le forze per unit di larghezza e i momenti prodotto della forza per unit di larghezza
279. lta densit B laminato Inferiore Fig 1 93 Pennelli sandwich Alubel Uno delle applicazioni pi interessanti che riguarda l impiego di pannelli sandwich in edilizia costituiti da pelli in materiale composito lo Stedelijk Museum ad Amsterdam in Olanda Una gran parte dei pannelli sono gi stati montati su quella che sar poi conosciuta come La Vasca La costruzione bianca e dalla forma galleggiante con la sua linea snella elegante e sobria sar la controparte dell adiacente edificio storico in mattoni nel 1895 Il produttore giapponese Teijin ha prodotta e donato le fibre Twaron fibra aramidica e Tenax fibra di carbonio per creare la facciata diventando uno dei principali fondatori del nuovo Museo Stedelijk La facciata progettata dagli architetti Benthem Crouwel costituito da una singola superficie liscia e brillante che si estende per circa 3000 metri quadrati Con questa scelta fondamentale ridurre al minimo l espansione termica del materiale la soluzione stata trovata nelle fibre Twaron e Tenax L analisi effettuata dalla societ di ingegneria Solico ha dimostrato che la soluzione una struttura di tipo sandwich con skin interni ed esterni rinforzati con fibre Twaron e Tenax Infatti nel laminato la dilatazione termica della resina contrastata dai coefficienti di dilatazione termica negativi delle fibre Il risultato un pannello composito con elevata stabilit dimensionale le dilatazioni r
280. m i tml A O A eee I eee eee ee eee nat SP SSeS SECS SSeS ee mae Jens pa nt e a E ea Da on T z ra ie 2 ea on See T 2 fe fe n et sa a ra et at ee ei e 2 ra ie e cme e cn x i te ee e E E come es rat a di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantit stagionale di condensato paria 0 0071 kg m2 evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo Cc lc s ansans n a as S aS a a a E LI A O m mm a g came m CCC CC C e Se See OO fut a m s ee ee ne ie ee mn tape e e et e aC i a et a a a E E it SFC CC CCC CS o XII VETO E O O OOO O O O O RO O O O O O OO m mme m mee m m e I MED DO ui E DE DE oe DO a DA i E I I zal athe eat hat all a NI i n a ii rt rt Cait Da a oi T 15 rt rt cat I B Ta sa A oe n ee ie ee e ee le ee Di ee a a IN NE ae eee le Sie Shee Ee tata tata tata tati iii iaia Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 SEET mese critico Gennaio U 0 359 Ms 52 MeT 52 Cm inf 35 907 kJ m K INFERIORE Fig 4 148 Verifica igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B607 3 6 SVI
281. matassa yarn tow o roving A determinabile a partire dal titolo e dalla densit del filato mediante la seguente relazione a Ty p 1000 p la densit del filato espressa in g cm3 T il titolo espresso in Tex La valutazione delle suddette quantita puo essere utile per un controllo di qualita del prodotto fornito 1 3 5 2 TIPOLOGIE DI TESSUTO tessuti per il rinforzo strutturale sono comunemente distribuiti allo stato secco ed in rotoli da utilizzare per l impregnazione in cantiere con apposite resine Possono essere unidirezionali con le fibre tutte orientate nella direzione della lunghezza e tenute insieme da un trama leggera di tipo non strutturale bidirezionali costituiti da una tessitura trama ordito ortogonale di solito bilanciata stessa percentuale di fibre nelle due direzioni multiassiali con fibre orientate in diverse direzioni del piano Oltre che in forma di yarn o di roving le fibre sono quindi anche disponibili commercialmente in composizioni opportunamente arrangiate in modo da formare una grande variet di tessuti fabric In tal caso la 62 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE disposizione delle fibre pu essere tale da conferire ai corrispondenti compositi delle caratteristiche di quasi isotropia nel piano Nei tessuti si distingue una direzione principale detta ordito warp ed una trasversale ortogonale al
282. materiali polimerici a causa di alcuni problemi connessi con il loro utilizzo La bassa stabilit termica quindi la possibilit di degradazione della fibra e di emissione di prodotti volatili durante la lavorazione coi polimeri ad alta temperatura La natura idrofila che da un lato causa instabilit dimensionale rigonfiamento e suscettivit a macerare e dall altro abbassa la compatibilit con le matrici polimeriche con cui sono mescolate nei compositi La variabilita di proprieta e quantita a seconda della qualita del raccolto dell et e dell organo della pianta da cui sono estratte delle tecniche di estrazione delle condizioni ambientali della localit ecc D altra parte rispetto ai rinforzi tradizionali fibre di vetro di carbonio le biofibre presentano numerosi vantaggi sono meno costose 32 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE sono facilmente reperibili ed abbondanti causano meno problemi respiratori e dermatologici per gli addetti alla lavorazione sono biodegradabili e biocompatibili combustibili e riciclabili con varie matrici il bilancio tra CO catturata in fase di crescita ed emessa in fase di combustione nullo sono meno abrasive per le apparecchiature di lavorazione hanno una densit minore rispetto alle fibre di vetro e alle aramidiche o uguali rispetto al carbonio delle fibre convenzionali grazie alla loro natura c
283. mazione a rottura inferiore rispetto a quella della resina in questo caso non va calcolata la tensione di rottura della resina in corrispondenza della deformazione massima delle fibra ma al contrario la tensione massima delle fibre in corrispondenza della deformazione di rottura della matrice Si riportano in tabella i valori usati nei modelli previsionali 345 Tab 4 19 Tabelle delle propriet meccaniche adottate nei modelli previsionali tessuto E Of Of adottata Fonte GPa MPa MPa Mat 28 0 1161 80 552 60 Sperimentale B607 28 0 1161 81 552 60 Sperimentale B6240C 16 8 987 50 332 00 Sperimetale letteratura Biotex 34 0 900 00 300 00 letteratura Di seguito si riportano tutti diagrammi previsionali ricavati imponendo una percentuale in volume di vuoti V 0 distinti per tipologia di tessuto utilizzato Ad eccezione dei laminati rinforzati con il mat si riporta anche l andamento delle propriet meccaniche linea trattegiata che si ottiene utilizzando al posto dei valori riportati in tabella 4 19 i valori delle propriet meccaniche dei filati ottenuti in precedenza escluso il Biotex per cui non stata condotta una campagna di test specifici a trazione sui singoli filamenti Il garfico del dry filament stato ottenuto con il modello di Madsen ipotizzando che i vuoti siano proporzionali alla percentuale in volume di rinforzo secondo un fattore di proporzionalit pari alla media dei rapporti tra la percentuale di
284. meccanico mechanical interlock theory il legame sfrutta la resistenza allo scorrimento reciproco tra superfici localmente compenetrate da qui l importanza di avere superfici moltoirregolari su scala microscopica rugosit sulle quali l adesivo possa spandersi riempire i pori e le fessure presenti e quindi solidificare Ye 1 pe e t PoF AAA A AO A e ee OO Ee ca es BB B DEB Reazione chimica Attrazione elettrostatica legame covalente Di It n Interdittusione e Apggrappaggio meccanico formazione di allacciamenti mechanical interlocking Fig 1 74 Meccanismi di adesione Qualsiasi tipo di trattamento superficiale ha come obiettivo primario la pulizia della superficie di applicazione ossia la rimozione di tutte le eventuali contaminazioni superficiali quali ossidi particelle estranee oli grassi polveri umidit ecc Quasi sempre inoltre il trattamento posto in essere modifica chimicamente la superficie dell aderendo favorendo la formazione di legami pi forti con l adesivo tali da resistere ad agenti ambientali aggressivi tendenti nel tempo a degradare la resistenza dell incollaggio Contestualmente il trattamento deve inoltre garantire un adeguata rugosit superficiale 103 trattamenti piu semplici che vengono usualmente utilizzati nei placcaggi con compositi fibrorinforzati consistono nella decontaminazione con opportuni solventi e nell abrasione della superficie mediante sabbiatura Q
285. mensione e lo stesso numero di terminazioni per unit di lunghezza xe_Nnx ax HEEE 2u nr _ px E E E E mu ix ME a E E TH E a a E E A j Ee BE 2 EEE ENE _ 2E Oni z a rn _ H a E E E T i E a E e use E i a Ha SE NE ENE u E x x B x Bai IE EE SX EE EE LARE ee EF P air eee et AE MIA T ii ali j img ge see F F T re ET a a 4 me a ati i i lea s L RAEE AMMALA IE ARIA LIA rene y derrite II pope peer rea La rv ues e fed ih e a i up w Aa RA Li ja aj hi fa w patate RETE LAZIALE ret cente 1 turco CO ot a a MI i RM ni Li PILAR X fi rey a sail SS So ok mi a i a Fig 1 36 Esempio di plain woven con yarn di lino H 181 100 Hemp Canvas weave 180z sq yd Wide 59 5N 2 x 8N 2 x23x21 Fonte dongpinghemp com den a a ei rrr Fr FEE n gt Tri Pl err reer Il tessuto satin caratterizzato da quattro o piu fili di trama che passano sopra un filato ordito o viceversa quattro fili di ordito passanti su un singolo filo di trama 64 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE i Se A A RA EAT AA dn aan arnt eka i pazza da era AA rae ROR eek al ai d Fi CARPIRE pra eee CIA PAR ZON PS INCA Comet Ae PA PO ee ARI ELI E R E ATA E E TR DAD ALDLALLAESALBIALISLPPALAAI PALA AAP EP LLL D LIA EPD EDEL EL LL PP PEEL CLEP EPEEA LDL P DPD EEE APRE RR REER ER EREEREER ERRER RRR al SELE SAL VA
286. mento interessa tutta la lunghezza del provino e contemporaneamente si ha un uniforme 196 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE diminuzione della sezione incrudimento Il materiale diventa pi resistente lo stress necessario per deformarlo cresce fino ad un valore massimo 0 tensile strength preso come misura della resistenza a trazione Nello stesso punto in cui si raggiunge 0 avviene simultaneamente la strizione necking cio allungamento successivo sar localizzato in una zona precisa del provino neck che porter ad una riduzione locale dell area della sezione MELI pe i i ks r j i d E i Strain Fig 3 41 Strizione di un provino duttile Dopo il fenomeno di strizione si produrr una cricca che propagandosi velocemente porter il provino alla rottura in corrispondenza al raggiungimento dello stress di rottura 0 Ovviamente materiali diversi risponderanno con comportamento differente ad una prova di trazione sicch si otterranno curve stress strain diverse polimeri sono costituiti da lunghe catene aggrovigliate d unit base dette monomeri che sono molecole pi o meno semplici ripetute all infinito Un elastomero un materiale che pu essere allungato fino ad almeno due volte la sua lunghezza originaria anche con bassi stress e una volta rilasciato torna alle dimensioni iniziali In base a questa definizione i polimeri possono
287. mo igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Mat 374 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 33 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B607 Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa 140 190 mm 0 218 Spessore sandwich 0 mm dh 0 400 o SI so S Status verifica verifica Statusverifica SI ee tensioni Trasmittanza termica U 0 626 0 420 0 417 0 331 0 317 W mk Limite W mk 0 33 Limite U condensa superf W mk Status verifica condensa SI SI SI SI SI superf 0 157 1 46 Mese critico Gennaio ome aaa a a accumulo SI SI SI SI SI condensa Q t stagionale E eee g m Max accumulo accumulo Marzo Coni a 0 63 0 44 0 42 Trasm Tor perio 0 27 0 26 0 14 0 13 a Massa superficiale 26 4 35 7 46 6 52 8 41 91 kg m 375 Superficie opaca composta UNI EN ISO 6946 2008 Sp 200 mm Cm sup 32 36 kJ H m K Componente Adduttanza Superiore 10 Pannello in 8607 al 68 9 di fibre di canapa in tessuto B60 180 SP 10 Pannello in B607 al 68 9 di fibre di canapa in tessuto B60 Adduttanza Inferiore atea Ea ha LE renne TOTI E TOI TOTO O OTO TO O O OO LELE E I FI a_n CI LA LL LI LI LIL III LI I I p
288. n Bag Molding Modulo Modulo 8 Elastico a Elastico a da tan rinforzo j trazione flessione 1 Hz C Ei GPa ay es 08 oe on IL se oz 50 are oS or os se aT 39 ast se se os es sa ne oe sor se 08 os se ser ms Dalla tabella 4 15 si evince come il comportamento a flessione segue in qualche modo il comportamento a trazione dei laminato Inoltre come ci si aspettava il modulo elastico a flessione inferiore di quello a trazione Per quanto concerne la temperatura di transizione vetrosa Ty non si notano apprezzabili variazioni tra le temperature dei singoli laminati ne tra questi e la resina pura 332 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 5E 09 4 0E 09 3 5E 09 3 0E 09 2 5E 09 2 0E 09 1 5E 09 Modulus Pa 1 0E 09 5 0E 08 0 0E 00 20 0 40 0 60 0 80 0 100 0 Temperature C 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 120 0 Tan 6 o Modulus 4 Tan Delta Fig 4 105 Diagramma relativo all analisi DMA di una provetta di composito rinforzato con Biotex iniezione n 1 prodotto in Bag Molding Di seguito si riportano le tabelle riepilogative per tipologia di tessuto impiegato nella produzione dei laminati in composito mediante il processo del Bag Molding Nel caso dei tessuti B607 e B6240C si riportano anche i valori dei p
289. n direzione dell asse zZ Fig 3 16 Convenzione dei segni adottata per le deformazioni l inclinazione la curvatura la flessione il momento e le forze di taglio Le relazioni che seguono fanno riferimento alla figura 3 16 Deformazione o freccia w Angolo di deformazione inclinazione dw dx w Curvatura w Momento flettente M Dw 79 Taglio Q Dw Carichi distribuiti q Dw 4 La teoria delle travi dell ingegneria si pu adattare facilmente con alcune modifiche alle travi a sandwich Nel calcolo della rigidezza flessionale dovranno essere sommati gli effetti causati dalle deformazioni di taglio del core ed alcuni termini potranno essere trascurati La trattazione teorica parte proprio dalla teoria delle travi ed in particolar modo dal calcolo della rigidezza flessionale indicata con D In una trave ordinaria D dato dal prodotto del modulo di elasticit E con il momento d inerzia dell area Nelle travi a sandwich D la somma delle rigidezze flessionali di ogni sua parte misurate rispetto all asse baricentrico dell intera sezione D E FE DE HE me 6 f2 Er 80 dove E ed E sono i moduli di elasticit delle facce pedice f e del core pedice c 167 Il primo termine dell equazione 80 la rigidezza flessionale locale delle facce rispetto al proprio asse baricentrico Il secondo termine rappresenta lo spostamento del primo termine rispetto l asse baricentrico dell i
290. n eccessiva estrazione di sostanze cementanti per non danneggiare le pareti cellulari Prima di procedere con il trattamento i tessuti vengono pesati in condizioni di umidit naturale e successivamente messi ad essiccare in forno ad una temperatura costante di 70 C per eliminare l umidit trattenuta dalle fibre Periodicamente il tessuto viene pesato annotando il peso e valutando lo scarto con la pesata precedente Quando lo scarto tra la due pesate consecutive inferiore allo 0 1 del peso iniziale i tessuti sono pronti per essere trattati Il trattamento consiste nell immergere i tessuti in una soluzione acquosa di NaOH alla concentrazione voluta prestando attenzione che il rapporto volumetrico tra fibra e soluzione fosse di 1 50 per il calcolo volumetrico della fibra si rimanda al paragrafo immediatamente precedente trattamenti non sono stati eseguiti su singole fibre ma immergendo in soluzione il tessuto indiviso in modo da sviluppare un metodo di trattamento industriale veloce Il trattamento dura circa un ora durante il quale la soluzione mantenuta in agitazione mediante l utilizzo di un agitatore magnetico Trascorso tale periodo si passa alla neutralizzazione con una soluzione di acido acetico CH3COOH misurando il pH con una cartina al tornasole fino ad ottenere il pH 7 neutro Ci porta alla rimozione degli alcali che non hanno reagito Una volta tirato fuori ogni campione viene lavato in 237 abbondante ac
291. n espressione per l energia potenziale totale del materiale come funzione dello spostamento assunto L energia consiste di due parti principali l energia di deformazione U dovuta alla deformazione dei materiali delle facce e del core e l energia potenziale H dovuta allo spostamento del carico che si ha quando si deforma il pannello Il metodo si basa inoltre sul fatto che l energia totale U H ha un minimo quando il pannello spostato in equilibrio Di conseguenza l energia totale U H deve essere minimizzata rispetto alla deformazione di flessione e taglio per trovare il carico critico tensioni e deformazioni La linea centrale AG e quella normale AE sono ruotate entrambe di un angolo w 6x Poich nella deformazione di taglio la linea AF viene ruotata di un angolo piccolo A w 6x dove A pu assumere ogni valore tra 1 e 0 Da ci si ottiene la deformazione di taglio nella sezione l angolo EAF 0 non ha alcuna Per A 1 il pannello ha rigidezza al taglio per resistenza al taglio 118 Ow 1 1 dx Vxz Fig 3 26 Sezione di un pannello sandwich in flessione nel piano zx 181 Poiche le deformazioni si considerano piccole direzione x sono al u zZ Sx Allo stesso modo OW Vyz 1 i u oy OW v Zu By gli spostamenti nella 119 120 121 dove il termine u il corrispondente di A e v lo spostamento nella direzione y Le deformazioni nelle direzioni x ed y sono date d
292. n solo in termini di legami chimici motivo per cui sono stati impiegati gli amminosilani ma anche di natura fisica agendo sui meccanismi di adesione che dipendono dal grado di scabrezza superficiale delle fibre Per facilitare la lettura e la comprensione delle prove di trazione sui filati sono stati riportati i dati su dei diagrammi suddivisi per classe di trattamento con soda caustica 300 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE NaOH 0 NaOH 1 NaOH 3 Fig 4 70 Effetto del trattamento superficiale con NaOH sul modulo elastico delle fibre estratte dal Mat Lhe NaOH 0 NaOH 1 NaOH 3 Fig 4 71 Effetto del trattamento superficiale con NaOH sulla massima tensione e allungamento a rottura delle fibre estratte dal Mat 301 ME Ho E ex 100 NaOH 0 NaOH 1 NaOH 3 NaOH 5 Fig 4 72 Effetto del trattamento superficiale con NaOH sulle proprieta meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B607 ME Ho il ex 100 Fig 4 73 Effetto del trattamento superficiale con A1100 sulle propriet meccaniche a trazione dei filati estratti dal tessuto B607 302 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE ME Bo Li e x 100 Fig 4 74 Effetto del trattamento superficiale combinato con NaOH al 1 e A1100 a diverse percentuali sulle propriet meccaniche a trazione dei filati
293. na contenenti fibre corte alimentano un serbatoio riscaldato con una vite rotante II calore fonde la resina termoplastica e grazie alla vite si ha la completa miscelazione con il rinforzo Con il suo movimento la vite come se agisse come un pistone nel senso che fa scorrere la miscela all interno di un cilindro mantenuto a temperatura che sfocia all interno di uno stampo dalla forma e dimensioni volute Lo stampo tenuto ad una temperatura inferiore alla T in modo che il composito non appena riempito la cavit possa solidificarsi Non appena avvenuto quest ultimo passo il pezzo pu essere estratto dallo stampo Resma e e Fig 2 9 Schema del processo di Injection Molding 128 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 2 5 2 COMPRESSION MOLDING Tale processo utilizzato quando si desidera un elevato volume di produzione nell unit di tempo consiste in tre operazioni Nella prima il materiale chiamato carica viene deposto all interno della cavit dello stampo Nella seconda il composito assume la forma desiderata in quanto uno stampo maschio attraverso cui viene impressa meccanicamente la pressione si incunea all interno dello stampo femmina su cui posto la carica In questo modo si ottiene la forma della cavit e nella treva fase aprendo lo stampo si pu estrarre la parte Una grande variet di compositi sono stampati per compressione pi comuni sono i shee
294. ncludere che per conoscere completamente il comportamento strutturale di una lamina ortotropa supposto sempre che svolga la sua funzione in condizioni di stato piano di tensioni necessaria la conoscenza di quattro parametri elastici E E G v e tre limiti a rottura R R R 3 3 1 3 IL CRITERIO DI TSAI HILL Chiamando X la resistenza di un composito caricato longitudinalmente alle fibre e Y la resistenza a trazione in direzione ortogonale la resistenza di taglio della matrice pu essere determinata usando il criterio di Tresca ed semplicemente Y 2 Quando due tensioni perpendicolari e o uno stress di taglio applicato al composito necessario definire un criterio di rottura Tsai e Hill hanno stabilito un ragionevole criterio di rottura basato sulla massima energia di deformazione piuttosto che considerare tensione e deformazione L espressione di Tsai Hill per la massima energia di deformazione GG gt 78 X Y Y X 165 Nel caso di stress uniassiale si pu ad esempio avere e Parallelo alle fibre o X o 0 7 0 e Perpendicolare alle fibre o 0 0 X 7 0 e Semplice taglio o 0 o 0 7 Y 2 Il criterio di Tsai Hill un criterio singolo a differenza dei tre subcriteri in cui si possono suddividere il criterio della massima tensione e della massima deformazione Inoltre il vantaggio che si considera pienamente l interazione delle tensioni e de
295. nello epossidico Generalmente stabile per lunghi periodi lameno che non sia stato premiscelato l indurente Raro La maggior parte dei sistemi non hanno solventi i diluenti possono essere reattivi Basso Da temperature ambiente ad elavata Basso Eccellente Alta Alta Medio alto Medio alto da basso a alto Alto da basso a alto Poliestere insature Legame C C Meno stabile delle epossidiche sia prima che dopo la miscelazione col catalizzatore MEKP Frequente Stirene Alto Sopratutto a temperature ambiente Alto Buona Media Medio bassa Basso Basso Medio basso Basso Basso 1 2 3 POLIMERI ECO COMPATIBILI Le crescenti preoccupazioni per quanto riguarda l impatto ambientale generato dall impiego dei materiali in particolar modo quelle plastiche in ogni settore della vita comune ha portato ad assumere maggiore interesse verso quei prodotti basati su materiali a basso impatto ambientale e per quanto riguarda le plastiche alle matrici polimeriche ecocompatibili Una 25 classificazione di potenziali polimeri biodegradabili mostrato nella seguente figura Giodegraiab he Polhmers From Bete peie Lal From MSCS EE From Petrochemicals E Politaproiachons PCL re i aci Polpectararniceg PEA Alphatica icopolyesterg E cae pela she products r L_ Aromatic copolvesters Pauw
296. neristica degli sforzi nelle travi con alcune modifiche Grazie all ipotesi per cui le sezioni nomali all asse centrale rimangono piane la deformazione in un punto che dista z dal asse baricentrico cc Mz O D 85 Per ottenere lo sforzo di flessione in un punto dato si pu moltiplicare per un modulo di elasticit appropriato Lo sforzo sulle facce e sul core sono rispettivamente Mz E lt af Ae P peo 7 goo 86 Ze o lt 5 ia ee a i 87 valori massimi di sforzo si ottengono per il valore maggiore di z dentro lo spazio della trave Il rapporto tra la tensione massima della membrana sulle facce ed il valore massimo di tensione sul core E E h c Per dare alle travi a sandwich una forza maggiore si pu scegliere una sezione scatolare Con le facce su tutti e quattro i lati viene elevata la rigidezza al taglio e viene ridotta la deformazione di taglio anche se non diviene trascurabile Fig 3 18 trave a sezione scatolare 169 In questo caso l espressione della rigidezza flessionale bh ec ec E oasi 12 12 88 Questa la rigidezza flessionale per la flessione dell asse baricentrico dell intera sezione termini sono rispettivamente la rigidezza flessionale della scatola e del core Il secondo termine si pu trascurare se conta meno del 1 del primo L espressione ordinaria per la tensione di taglio 7 in una trave omogenea alla profondit z sotto il bar
297. nghezza delle fibre sono state tratte dal data sheet della compagnia produttrice mentre lo spessore e il peso per unit di superficie sono state determinate sperimentalmente Il costo del feltro stato ottenuto da una ricerca di mercato condotta in Germania su alcune aziende europee ma non solo che producono fibre di canapa In particolare il costo riportato in tabella il minore trovato Tab 4 1 Caratteristiche del feltro e delle singole fibre di canapa impiegati Propriet Mat Caratteristica U d m Peso medio per unit di superficie Lunghezza fibre 10 120 Costo considerando 650 g m 221 Fig 4 1 Fibre di canapa estratte dal mat Fig 4 2 Tessuto non tessuto di fibre di canapa Fig 4 3 Rotoli di tessuto non tessuto di fibre di canapa 222 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE B607 Il nome commerciale del tessuto B607 Natural Summer Cloth ed un plain weave composto di canapa al 100 Il nome commerciale del tessuto dichiara nettamente il fine per cui stato pensato ossia i capi tessili estivi per cui si tratta di un tessuto che per materiali compositi non tecnico Il tessuto ha subito un processo di semi sbiancamento con sanforizzazione ossia un particolare procedimento che permette al tessuto tessile di mantenere una certa stabilit dimensionale anche dopo lavaggio dei capi Il fatto che non un tessuto tecnico non pr
298. ngobbamento K1 tracciato rispetto a a b per m 1 4 e p 0 4 per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato Nel caso in cui il carico distribuito agisce in concomitanza con il carico assiale si pu dimostrare che le relazioni valide per il solo carico distribuito sono valide a condizione che ogni termine delle serie per il calcolo delle funzioni B venga moltiplicato per un fattore 1 P Pymn 188 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Quando i pannelli hanno facce di spessore differente o sono di diverso materiale bisogna fare alcune modifiche L equazioni per l ingobbamento e la flessione non cambiano valutando se entrambe le facce presentano lo stesso modulo di Poisson v e si devono adottare i cambiamenti seguenti E E t t d 2 __ ttt_ ____t___r_ r___ _ _ ccc t 1 TDR M f1 1 v Ext E2t2 140 7 T E E t t2c Pp vi G Ext1 Eta 141 3 4 2 3 ALCUNE PECULIARITA NELLA PROGETTAZIONE Nella progettazione dei pannelli le maggiori difficolta si incontrano nel progetto delle giunzioni e delle aperture E importante valutare attentamente la giunzione ad altri membri caricati nel rispetto dei vincoli di deflessione vagliare le alternative tra i metodi di giunzione in termini di peso e di costo valutare gli spazi per gli ispessimenti ed allargamenti per l uso di bulloni chiodi od incollagg
299. nn G El Sabbogh A Dickert M Properties and performance of various hybrid glass natural fibre composites for curved pipes DMFCI Universita di Catania e PUK Clausthal Zellerfeld Germania Elsevier Materials and Design 30 2009 2538 2542 94 M Ward Mechanical Properties of Solid Polymers Wiley Chichester UK 1983 95 H Y Jeon S H Kim Y I Chung H K Yoo J Mlynarek Polymer Testing 2003 22 779 96 H Altenbach J Altenbach W Kissing Mechanics of Composite Structural Elements Ed Springer 2000 97 Kevin P Menard Dynamic Mechanical Analysis CRC press Boca Raton London 1999 98 Robert Byron Warren E Stewart Edwin N Lightfoot Transport Phenomena 2a ed New York Wiley 2005 99 Frank P Incropera David P DeWitt Theodore L Bergman Adrienne S Lavine Fundamentals of Heat and Mass Transfer 6a ed Wiley 2006 100 Wambua J Ivens and Verpoest Natural fibres can they replace glass in fibre reinforced plastics Compos Sci Technol 63 9 2003 pp 1259 1264 398
300. nn s Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley 2005 pp 678 804 19 L Boogh R Mezzenga Principles of Thermoset Processing in Comprehensive Composites Materials Vol 2 Ed by A Kelly and C Zweben Pergamon Oxford 2000 20 Forst Sullivan Biodegradable Polymers in North America amp Europe July 1998 MarTech New York 21 U Riedel J Nickel Biocomposites State of the Art and Future Perspectives in 7th International Conference on Wood Plastic Composites Madison WI May 19 20 2003 22 R D Hagenmaier P E Shaw J Agric Food Chem 1990 38 1799 23 A K Mohanty M Misra G Hinrichsen Macromol Mater Eng 2000 2 6 277 1 24 S Luo A N Netravali Polym Compos 1999 20 367 25 A K Mohanty M A Khan S Sahoo G Hinrichsen J Mater Sci 2000 35 2589 26 T Furukawa Y Matsusue T Yasunaga Y Shikinami M Okuno T Nakamura Biomaterials 2000 21 889 27 Z Xia W A Curtin T Okabe Compos Sci Technol 2002 62 1279 28 A K Mohanty M A G Hinrichsen Compos A 2000 31 143 29 A K Bledzki J Gassan Prog Polym Sci 1999 24 221 30 D Nabi Saheb J P Jog Advances in Polymer Technology 1999 18 351 31 W G Glasser R Taib R K Jain R Kander J Appl Polym Sci 1999 73 1329 32 Y Li Y W Mai L Ye Composites Sciences and Technology 2000 60 2037 393 33 S J Eichhorn C Baillie L Y Mwaikambo A Dufresne K M Entwistle P J Herrera Franco L
301. nno attirato l interesse dei pi svariati settori industriali Tali aspetti in unione all assenza di problematiche connesse alla maneggiabilit da parte degli operatori e alla lavorazione dei prodotti per sistemi produttivi hanno fatto si che l uso delle fibre naturali diventasse relativamente comune in diversi settori industriali tra cui automotive il packaging e Il civile 4 2 OBIETTIVI Il presente lavoro di tesi si colloca all interno del settore di ricerca incentrato sullo studio di innovativi materiali compositi polimerici rinforzati con fibre naturali di origine vegetale Tra le fibre naturali le fibre di canapa sono le pi promettenti in termini di rapporto propriet meccaniche costo La maggior parte degli studi presenti in letteratura sono incentrati sull impiego dei tessuti non tessuti ad orientazione random alias mat che costituiscono una economica alternativa ai tessuti tecnici a forte orientazione del rinforzo Diversi studi mostrano che l orientazione casuale delle fibre porta ad una riduzione dell efficienza di rinforzo 51 In precedenti studi condotti dal candidato con il gruppo di ricerca del Prof Recca 93 100 sono state analizzate delle soluzioni ibride vetro canapa per la realizzazione di raccordi curvi per l industria chimica In tali lavori si evidenziato il vantaggio in termini di riduzione dei costi e delle masse connesso all utilizzo di mat in fibra di canapa in sostituzione dei mat in fibra di vetr
302. no menzionare un ponte pedonale gonfiabile composto da tubi pieghevoli di GFRP montato a Roma in occasione del Giubileo 2000 e la struttura di copertura del cortile del nuovo Palazzo di Giustizia di Pescara interamente costituita da profilati pultrusi incollati e o bullonati Un importante e significativo passo in avanti compiuto nel nostro Paese per la diffusione in campo civile di strutture realizzate con materiali compositi fibrorinforzati rappresentato dalla pubblicazione da parte del CNR di specifiche Linee Guida per la progettazione l esecuzione ed il controllo di strutture realizzate con o con la collaborazione di materiali compositi polimerici innovativi es CNR DT 205 2007 Nelle costruzioni civili il promettente impiego degli FRP oggi copre principalmente tre categorie di funzioni 1 armatura di materiali tradizionali quali calcestruzzo muratura e legno 2 strutture interamente in composito profili strutturali 3 rinforzo di elementi strutturali esistenti di varia tipologia e materiale Per quanto attiene alla funzione di armatura di materiali tradizionali bisogna ricordare che uno dei materiali strutturali pi diffuso ossia il calcestruzzo soggetto a processi di deterioramento che tendono a disintegrarlo Diverse sono state le soluzioni tentate ma un alternativa radicale per l eliminazione della corrosione rappresentata dalle armature non metalliche in quanto non corrodibili le armature in FRP L assenza de
303. notched 179 1ea 7 5 9 13 32 20 C kJ m Charpy Impact Strength unnotched 23 C kJ m Charpy Impact Strength unnotched 20 C kJ m Izod Impact ISO 179 1ea 45 50 65 57 ISO 179 1ea 42 45 60 55 Strength notched i 10 11 28 31 23 C kJ m Izod Impact ISO Strength notched 179 1ea 8 8 16 34 20 C kJ m Per le resine poliestere insature che sono tra le pi diffuse esistono svariati prodotti commerciali da differenti compagnie tra le pi importanti Reichold Dow Ashland ScottBader DSM Cray Valley Polyone Hexion 75 etc Reichold per esempio offre una vasta serie di prodotti con il nome Polylite Le proprieta di alcuni gradi di Polylite sono riportate in tabella 1 19 La maggioranza delle compagnie che vende resine poliestere ha in catalogo anche resine epossidiche adatte al settore automobilistico Bayer ha lanciato sul mercato un preimpregnato innovative denominato Baypreg F che caratterizzato da una matrice poliuretanica Baypreg F progettato per la produzione di interni automobilistici tramite stampaggio a compressione Rivestimenti interni a parete sottile e fodere leggere possono esser prodotte con questo prodotto con un processo a minor impatto ambientale essendo il rinforzo in fibre vegetali Altri prodotti simili ma con matrice a base di PP sono venduti da FlexForm Technologies Recentemente l aumento di pressione sulle questioni ambientali ha spinto molti produttori di r
304. ntera sezione trasversale per la flessione Il terzo addendo valuta la rigidezza flessionale del core rispetto il proprio asse baricentrico che coincide con quello dell intera sezione trasversale Per gli spessori dei singoli elementi basta rifarsi alla figura seguente 7 f f g la la Sn sE T f wp y i i C Cla dh hy l q i L F L 9 T ZT t i di A i a b Fig 3 17 a dimensione della trave b sezione con dimensioni Il primo termine equivale a meno del 1 del secondo termine quando d no gt 5 77 I Con un rapporto d t gt 11 55 la proporzione minore del 0 25 e considerando che si assunto le facce sottili questo termine pu essere trascurato Il terzo termine rappresenta meno del 1 del secondo termine e quindi pu essere ignorato quando E td 82 f gt 16 7 E gt 16 In molte travi a sandwich reali tali condizioni sono soddisfatte ma considerando le note possibilita di combinazione di materiali questo termine deve essere controllato Con la condizione 81 l espressione della rigidit a flessione ot bed bc3 I 2 C 12 83 Mentre se sono soddisfatte le condizioni 82 l espressione si riduce a 168 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE DE btd I 2 84 Per quanto riguarda gli sforzi in una trave a sandwich questi si possono determinare anche usando la teoria ingeg
305. nto adesivo dipende da molti aspetti tra cui il tipo di trattamento superficiale gi richiamato la composizione chimica e la viscosit dell adesivo la tecnica di applicazione ed infine il processo di indurimento o di reticolazione dello stesso adesivo 101 meccanismi di adesione consistono principalmente nell aggrappaggio meccanico interlocking dell adesivo con la superficie dell aderendo e nella formazione di legami chimici tra le molecole polimeriche e quelle del substrato Conseguentemente nel determinare la resistenza dell adesivo risultano fondamentali quei trattamenti superficiali tesi ad incrementare la tensione superficiale all interfaccia ovvero a modificare chimicamente la superficie dell aderendo aumentandone la rugosit e quindi l area effettiva di contatto In letteratura sono descritte diverse tipologie di meccanismi di adesione che vengono qui nel seguito riassunti Legame di tipo fisico coinvolge legami secondari quali forze di Van der Waals legami ionici e idrogeno tra le molecole dell adesivo e dell aderendo Per l interpretazione di tale legame necessario rifarsi alla teoria dell attrazione elettrostatica e dell absorbimento secondo la quale una buona adesione innanzitutto garantita se l adesivo in grado di bagnare il substrato wetting cio in grado di spandersi sulla superficie solida A tal fine necessario che l energia superficiale dell aderendo
306. ntuale in volume dei vuoti che grazie alla compattazione in pressa risulta significativamente inferiore e limitata alla solo porosit intrinseca delle fibre lumen L effetto dell incremento della pressione di compattazione dei tessuti si evidenzia con l incremento della percentuale in volume di rinforzo ma oltre una certa sogli di v si osserva un livellamento delle propriet meccaniche a causa della secchezza crescente dei tessuti dovuta alla difficolt della resina di penetrare nelle intercapedine Questo impedisce un efficiente trasferimento dei carichi tra le fibre Tutti sistemi laminati sviluppati possono essere combinati con il legno pressato di balsa per realizzare pannelli sandwich a basso peso specifico ma con caratteristiche meccaniche e termiche tali da poter essere impiegati come elementi di chiusura orizzontale inferiore e superiore in edilizia residenziale 391 BIBLIOGRAFIA 1 Marchetti M Cutolo D Tecnologie dei materiali compositi editoriale ESA Milano 1991 2 Bruckner S Allegra G Pegoraro M La Mantia F P Scienza e tecnologia dei materiali polimerici EdiSES Napoli 2001 3 Ciampaglia G Tecnologia dei materiali compositi meccanici ed aeronautici IBN Editore Roma 2003 4 William D Callister Scienza e tecnologia dei materiali una introduzione EdiSES 2002 5 1 K Varma V B Gupta Thermosetting Resin Properties Volume 2 ISBN 0 080437206 pp 1 56 IIT Delhi India 6 F A Cassis
307. numero di piante a m ed una riduzione dell altezza delle piante Per ottenere fibra di alta qualit la semina si effettua possibilmente entro marzo usando circa 50 kg ha metodo tradizionalmente usato in Italia di seme e quasi la met nel caso di coltura 46 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE da seme in questo caso necessario favorire la ramificazione degli steli La scelta della densit di investimento ha anche notevoli ripercussioni sulla produzione di seme o di altri componenti della pianta come i cannabinoidi La raccolta della canapa che rappresentava in passato una delle operazioni pi faticose e penose per l agricoltore ed stata una delle cause della sua scomparsa attualmente completamente meccanizzata si effettua generalmente a partire da luglio Le operazioni di raccolta insieme con quelle di prima trasformazione possono influire sulla produzione di fibra in termini quantitativi per efficienza di estrazione e in termini qualitativi per entit dei danni fisici sulle fibre provocati dagli organi meccanici Un aspetto importante e innovativo la possibilit di aumentare l omogeneit del prodotto adottando metodi di raccolta che consentano di separare porzioni della pianta con differenti caratteristiche qualitative Le modalit di meccanizzazione della raccolta sono in funzione della destinazione del prodotto industria tessile o industria cartaria dei c
308. nuto di cellulosa e angolo di spirale In generale la resistenza a trazione delle fibre aumenta all aumentare del contenuto di cellulosa e al diminuire dell angolo di spirale rispetto all asse delle fibre vedi Tab 1 16 La notevole variet di condizioni che determinano le propriet meccaniche delle fibre non mette nelle condizioni di poter individuare valori ben precisi per i parametri di interesse 49 Piuttosto l intervallo molto ampio come mostrato in tabella 1 16 Tab 1 16 Relazione struttura propriet per alcune fibre es hea ae ees tae te ae e eet aa me ma a aa lu on sese 70 fana mo 38 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 1 13 a alcune fibre vegetali b fibre di canapa lavorate fonte University of Exeter 1 3 1 3 TRATTAMENTI SUPERFICIALI APPLICATI ALLE FIBRE VEGETALI Le prestazioni e propriet dei materiali compositi sia a rinforzo naturale che sintetico dipendono non solo dai singoli componenti ma anche dalla loro compatibilit 50 58 Il comportamento interfacciale tra fibre e matrice polimerica stato da sempre riconosciuto come un fattore chiave che influenza le propriet del composito 50 58 Generalmente materiali compositi con interfaccia fibra matrice debole hanno una relativamente bassa resistenza e rigidezza ma alta resistenza alla frattura se la lesione cresce perpendicolarmente alla direzione delle fibre
309. nze Non appena viene avviata la prova gli estensimetri che costantemente misurano l allungamento del provino durante la prova si chiudono automaticamente e comincia la corsa verso l alto della traversa superiore Contemporaneamente sul monitor appare il diagramma tensione allungamento percentuale La prova ha termine quando il campione giunge a rottura oppure quando si ha una riduzione percentuale prefissata di forza resistente esercitata dal provino La prova si ritiene soddisfacente se il provino non scorre all interno dei morsetti e se la rottura avviene nel tratto di lunghezza utile libero Poich il comportamento dei materiali testati non perfettamente elastico durante la fase elastica il diagramma tensioni deformazioni non lineare per cui si adottato il criterio di determinare il modulo elastico come regressione lineare su tutto il tratto elastico come mostrato nella seguente figura In particolare gli intervalli adottati sono diversi a seconda del tipo di rinforzo quindi del comportamento globale del materiale in cui sono utilizzati E Fig 4 47 Esempio di rette di approssimazione per regressione lineare 263 Fig 4 49Macchina di trazione in dotazione all ICTP CNR di Catania 264 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 4 51 Acquisizione su monitor dei dati della prova di trazione 265 4 4 4 3 VALUTAZIONE DELLE PROPRIET MECCANICHE VISCO E
310. nzenico O CH3 CHa O CH CH CH SR RAZER CH CH 0 sali eer oe CH2 ci cH CH CHa Pri 19 Per i prodotti liquidi n nella formula generalmente meno di 1 Per le resine solide n pari o maggiore a 2 Ci sono anche molti altri tipi di resine epossidiche con strutture diverse da quella appena illustrata Prima della reticolazione le resine epossidiche si presentano sotto forma di una miscela di reazione costituita da una miscela di oligomeri a peso molecolare non elevato e con scarse propriet meccaniche e termiche e da un agente induritore La miscela reattiva forma una struttura reticolata quando viene sottoposta ad un opportuno trattamento termico curing in un appropriato intervallo di temperatura Una resina epossidica viene ottenuta mediante un processo di polimerizzazione a stadi Il pre polimero viene preparato usando il bisfenolo A e l epicloridrina ik ma 0 HAN LAN PA NaOH Ho lt _ _ OH H Ch amp 01 gt CH iui hisphe mol A epichlorhvdrin O da ath ae de i da ni ti di NI j O H C CH CH 01 Cc 0 CHy H CHr0 SS CA 0 CHCH CH g OH in In primo luogo l idrossido di sodio NaOH reagisce con il bisfenolo A per dare il sale di sodio del bisfenolo A e Hy r in A i i i if Yh sa j n ii Ho e n 0 H Na a ee Hy mu Va mi Em CH M o lt lt va Na a CH Il sale ha un atomo
311. o Tuttavia nello stesso lavoro si evidenziata la scarsa capacit di rinforzo dei tessuti non tessuti Mat in fibra di canapa dovuto a Assenza di orientazione specifica delle fibre 216 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Presenza di fibre corte nei tessuti mat Bassa percentuale di rinforzo nel composito dipendente anche dalla tecnica produttiva Scarsa adesione all interfaccia tra fibra e matrice limiti evidenziati sopra sono alla base delle ricerche presentate in questo lavoro di tesi in cui l obiettivo primario stato quello di analizzare singolarmente la possibilit e l effetto legato a Utilizzo di tessuti con filati ritorti di yarn di fibre con orientazione bidirezionale 0 90 per massimizzare il contributo meccanico del rinforzo nel composito Trattamento superficiale delle fibre per migliorare la compatibilit all interfaccia tra fibra e matrice Tecniche di trasfromazione e produzione dei manufatti in composito in grado di massimizzare la presenza del rinforzo nel composito e limitare l influenza dei fattori negativi es presenza dei vuoti Lo studio di caratterizzazione meccanica stato corredato da quello sui modelli previsionali del comportamento meccanico Infatti in campo ingegneristico indispensabile disporre di modelli fisici che permettono di stimare con adeguata accuratezza la propriet meccaniche dei ma
312. o all interno del sacco si pone lo stampo sotto la pressa precedentemente portata a temperatura costante di 50 C dove il composito viene lasciato reticolare per 20 ore La pressione esercitata sui pannelli stata variabile 0 5 10 15 25 Mpa per studiare l effetto della pressione di compattazione sulla percentuale in volume di rinforzo e quindi sulle propriet meccaniche del materiale finito lt A Fig 4 37 Pressa utilizzata per la fase di Hot Press Curing a disposizione del ICTP del CNR di Catania 255 Fig 4 38 Fase di pressaggio del laminato appena terminata l infusione in Bag Molding A reticolazione ultimata lo stampo viene estratto dalla pressa e il composito dallo stampo Poich la forma del pezzo semplice l estrazione avvenuta facendo leva con un cuneo di materiale polimerico per evitare di danneggiare la planarit dello stampo Infine il pezzo stato rifinito con una smerigliatrice orbitale a disco diamantato eliminando le protuberanze dovute alle zone di ingresso e di uscita della resina e le frange createsi per effetto dell elevata compattazione da parte della pressa Fig 4 39 Laminato composito con tessuto Biotex appena rimosso dallo stampo dopo la reticolazione sotto pressa 256 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 4 4 CARATTERIZZAZIONE DEI COMPOSITI 4 4 4 1 VALUTAZIONE DELLE PROPRIET FISICHE laminati ottenuti con
313. o allineamento dei cristalli indispensabile un pre orientamento Con la carbonizzazione le fibre polimeriche stabilizzate sono trasformate in fibre di carbonio durante tale processo si verifica l eliminazione dell acqua azoto e acido cianidrico con la formazione di una struttura di atomi di carbonio disposti ad anello somigliante alla struttura della grafite Il processo di carbonizzazione viene eseguito in atmosfera inerte e ad una temperatura tra i 1000 C e 1500 C La grafitizzazione viene condotta sempre in atmosfera inerte ma ad una temperatura pi elevata oltre i 2000 C si procede con il riscaldamento fino ad ottenere le propriet richieste Nelle varie fasi del processo viene sempre applicata una trazione sulle fibre alo scopo di ottenere caratteristiche migliori caratteristiche che vengono essenzialmente fornite dalla diversa orientazione dei cristalli di grafite La fibra aramidica costituita da catene poliammidiche sintetiche grazie alla combinazione di ottimo peso specifico e di alta resistenza a trazione ha la pi alta resistenza specifica di tutte le altre fibre e dei materiali da costruzione omogenei Inoltre superiore ad altre fibre sia dal punto di vista della resistenza all impatto quanto per quello che riguarda la propagazione delle cricche nonch per lo smorzamento delle vibrazioni 30 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 1 11 Caratteristiche d
314. o degli spezzoni di lunghezza diversa da sottoporre a prova di trazione si osserverebbe in linea teorica una dipendenza della resistenza o a trazione delle fibre dalla lunghezza delle stesse In particolare la resistenza a trazione decresce al cerscere della lunghezza del campione tendendo 234 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE asintoticamente ad un valore costante Comunemente per nel mondo scientifico si ritiene rappresentativa del tipo di fibra la resistenza valutata su una lunghezza libera di 15 mm Posizionato il sistema cornice fibra all interno dei morsetti questi ultimi vengono chiusi e lati liberi della cornice vengono tagliati per svincolare le parti superiore e inferiore afferrate lasciando quindi alla fibra il compito in fase di trazione di sostenere il carico Fig 4 22 Prova di trazione di una fibra estratta dal Mat campioni sono stati testati con una macchina di prova tipo Zwick Roell presso i laboratori del C N R di Catania Il test viene condotto a spostamento controllato ossia viene monitorato e mantenuto costante la velocit di allungamento della fibra filato quindi lo spostamento della traversa superiore quella inferiore rimane ferma La velocit di allungamento stata mantenuta costante e pari a 1 mm min La prova ha termine quando la fibra giunge a rottura Il modulo elastico longitudinale rilevato e fornito dal software quel
315. o dei lati di lunghezza a x a 2 y 0 risultati possono essere elencati come segue qb 7a B3 vrba qb ae By v B3 qb Txy 77 1 vy Bs qb Txz qa Pe qb tyz a f7 Dove m 1 n 1 _ 16 1 2 1 2 m b b3 a4 Q2 n a m 1 n 1 16 1 2 1 2 m By _4 2 AET IT O n 16 b OD n 1 TO 126 127 128 129 130 131 132 133 134 184 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE m 1 16 1 2 b so Per un pi immediato utilizzo i valori possono essere ricavati dai seguenti diagrammi 1 4 a b Fig 3 28 Coefficienti 63 e Bs Per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato Dd Fig 3 29 Coefficienti Bs e B7 Per un sandwich isotropico con le facce sottili semplicemente appoggiato 185 Se il pannello sandwich soggetto al solo carico assiale si pone il problema di determinare se tale carico sia superiore a quello critico ossia se pu causare l ingobbamento dell intero pannello Pymn si definisce come il carico critico sul bordo per unita di lunghezza che causa l ingobbamento negli m n esimi modi Per ogni m assegnato il valore minimo di carico critico si ottiene per n 1 t D gt Pe ae i pe ai 136 IN cul mb a 1 K 7 mb 2 o sh con p che un parametro adimensionale calcolato come _I Etd P 2g Gb 138 mentre Dz la rigidezza fless
316. o glucosio C H20e Polisaccaride incolore inodore insapore di struttura fibrosa si decompone per riscaldamento intorno ai 250 300 C La sua formula bruta Cg H0O5 n in cui n pu assumere il valore di 14000 nella cellulosa grezza 2500 circa in seguito al processo di raffinazione Tab 1 14 Composizione chimica di alcune fibre vegetali 46 luta Lino Canapa Kenaf Sisal Cotone 70 2 Cellulosa 61 71 71 75 53 57 67 78 82 7 74 4 Emicellulos 13 6 18 6 17 9 15 19 10 14 2 5 7 a 20 4 20 6 22 4 Pema oz faz foe T E A a gaia s oo o o Tab 1 15 Propriet meccaniche e costi di alcune fibre vegetali Confronto con le propriet delle fibre di vetro E 47 Fibra Densit Allungamento Resistenza Modulo Prezzo US kg alla elastico fibre grezze trazione GPa mat tessuti MPa 5 5 12 6 Canapa 147 24 600 mo 061824 Kenaf 145 16 o 5 i 1 ae 1 0 6 70 3 l 5 3 6 3 8 400 938 614 128 1525 20 25 511 635 9422 0607 0 5 1 6 4 0 6 0 0 25 0 5 2000 3500 zo 180038 35 Il grado di polimerizzazione della cellulosa varia col tipo di fibra mentre le propriet meccaniche dipendono dal tipo di cellulosa in esse contenuto nella fattispecie dipende dalla geometria della cellula elementare Le catene di cellulosa sono disposte parallelamente le une alle altre formando fasci contenenti ognuno 40 o pi macromolecole cellulosiche connes
317. o lo spessore del core G il modulo di taglio del materiale del core Questa deformazione di taglio porta un tipo nuovo di deformazione illustrata nella figura 3 20c In sostanza i punti a b c d e non si muovono orizzontalmente ma in direzione verticale w2 a causa della deformazione di taglio Nella figura 3 21 si possono osservare le facce e la linea di mezzeria longitudinale della trave inclinata ed il rapporto tra la curvatura della trave dw2 dx e la deformazione di taglio del core Y In questa stessa figura che mostra la deformazione di una piccola parte del 1 2 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE sandwich la distanza de uguale a d dwz dx Che uguale anche a cf che a sua volta uguale a Y c Quindi dwa _ Qe_Q C C C dx d Gdbd AGd 98 Considerato che le facce sono state ipotizzate sottili c coincide quasi con de ci significa che w2 Y e a A A 99 Fig 3 21 Deformazione di taglio della trave Il prodotto V AG contiene un fattore chiamato ff che per sezione rettangolare vale 1 La deformazione w associata alla deformazione di taglio nel core si pu ottenere in alcuni problemi particolari dall integrazione dell equazione 98 Per esempio in una trave semplicemente appoggiata con un carico W nel punto centrale la reazione vincolare Q agli appoggi W 2 L integrazione dell equazione 98 con Q W 2 fornisce la x cos
318. o non solo possiede un elevato addensamento di fibre per il fatto che queste vengono ritorte una sull altra ma essendo disposte nel tessuto in modo ordinato trama e ordito determinano una minore presenza di spazi lasciati liberi vuoti Questi spazi tra l altro possono essere benissimo colmati dalla sovrapposizione di pi tessuti uno sull altro cosa che Invece non accade nei tessuti ad orientazione random La presenza dei vuoti aumenta al crescere della frazione volumetrica di fibra perch la fibra porta con se i vuoti costituiti dalla regione del umen che difficilmente vengono ridotti dalle esigue pressioni di compattazione Nella tabella seguente sono invece riportati i laminati con il processo del Bag Molding seguito da reticolazione in pressa Il livello di vuoto raggiunto all interno dello stampo costante per tutti i laminati prodotti pari a circa 0 3 bar I laminati sono stati prodotti facendo variare la pressione di compattazione in pressa da 0 MPa a 5 10 15 25 MPa mantenendo costante il numero di tessuti impiegati scelto comunque in modo da ottenere uno spessore sufficientemente elavato per la rilevazione delle caratteristiche fisiche e meccaniche I pannelli Biotex Random sono quelli realizzati con i tessuti Biotex disposti senza prestare attenzione alla disposizione dell ordito e della trama al fine di verificare se il tessuto ha una direzione preferenziale di rinforzo 314 SVILUPPO DI MATER
319. o volta con la fibra sul pezzo finito sul quale durante la formatura e la reticolazione potrebbero avendo tempo a sufficienza coalizzarsi in bolle tali da costituire degli intagli o cricche di innesco per rotture in esercizio Alla porosit si rimedia con il ricircolo della resina o realizzando un leggero grado di vuoto aspirando l aria Nell avvolgimento con preimpregnati viene a mancare la fase di impregnazione visto che le fibre sono gi impregnate e tenute in uno stato 124 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE di pre polimerizzazione mediante il mantenimento a basse temperature o in assenza di raggi ultravioletti In questo modo si ottiene un miglioramento netto riguardo la formazione di bolle Un parametro fondamentale che differenzia gli avvolgimenti l angolo d avvolgimento ossia quello compreso tra la direzione dei filamenti e la tangente al meridiano del mandrino Sotto questo aspetto distinguiamo vari tipi di avvolgimenti Circonferenziali con angoli di circa 90 Elicoidali con angoli compresi tra 20 e 85 Polari con angoli compresi tra 0 e 20 pia lt T lt KSR b a c Figura 2 5 Tipi di avvolgimenti a circonferenziale b elicoidale c polare Una progettazione ben mirata tende ad allineare i filamenti lungo la direzione in cui la struttura maggiormente sollecitata Spesso le diverse esigenze portano la struttura ad
320. ompositi etc e delle metodologie di trasformazione proprie degli impianti di prima lavorazione Se il prodotto destinato all industria tessile per la produzione di fibra lunga necessario che gli steli siano mantenuti paralleli per poter essere avviati alla stigliatura Negli altri casi gli steli debbono essere trinciati in segmenti di dimensione variabile La produzione di fibre di canapa per scopo tessile impiega le fibre dello stelo della pianta passaggi fondamentali nell estrazione della fibra di canapa cos come per tutte le altre fibre liberiane sono e a macerazione che porta alla liberazione delle fibre liberiane dagli altri tessuti a seguito della degradazione delle sostanze pectiche costituenti principali della lamella mediana della parete cellulare e la stigliatura che consiste nella separazione meccanica delle fibre tessili dal resto dei fusti La moderna stigliatura vede l impiego di apposite macchine dette stigliatrici che hanno sostituito i vecchi metodi manuali o le macchine a rulli La resa in fibra dipende da diversi fattori quali la variet le condizioni del suolo il clima e da possibili elementi di disturbo grandine parassiti etc In linea di massima si va dalle 8 10 tonnellate di fusti per ettaro delle variet monoiche alle 10 12 tonnellate di fusti per ettaro delle variet dioiche peso secco che equivalgono ad una resa in fibra tra 2 e 47 3 2 t ha La fibra di canapa una delle migliori
321. on con pareti ispessite ed uno stretto lumen centrale e Punta Parte terminale che misura sino ad un quarto della lunghezza totale della fibra ha diametro inferiore al corpo assenza di lumen e forma cilindrica Quando la pianta giunge a maturazione la fibra si disidrata afflosciandosi sul lumen e assumendo un aspetto nastriforme che bene si evidenzia all osservazione microscopica filamenti si presentano appiattiti e avvolti su se stessi con sottili striature superficiali e con un piccolo canale centrale Le propriet meccaniche della fibra umida possono essere migliori rispetto a quelle della fibra secca e tale caratteristica rende il cotone assai resistente al lavaggio con acqua Il comportamento nei confronti dei reagenti chimici si pu sintetizzare come segue e Buona resistenza agli alcali agli ossidanti ipoclorito acqua ossigenata ed ai solventi organici i capi di cotone possiedono quindi una elevata lavabilit in tutte le condizioni a secco ed a umido con saponi e detersivi e Scarsa resistenza agli acidi e Buona tingibilita Il cotone si pianta generalmente tra marzo e aprile la temperatura ideale nel momento della semina non dovrebbe essere inferiore ai 18 C quella ottimale di circa 35 C e successivamente giunge a fioritura dopo due o tre mesi quando il fiore appassisce rimane la capsula che si sviluppa ancora per sei settimane fino a diventare una grossa noce contenente semi avvolti da una bianca peluri
322. on resine di natura epossidica con cui riescono a creare legami stabili di natura chimica Nella fattispecie la molecola utilizzata commercializzata dall azienda Sigma Aldrich sotto il nome di A1100 e consiste nel 3 amminopropiltrietossisilano Anche la soda caustica NaOH in forma di capsule stata fornita dalla Sigma Aldrich Tutti i trattamenti sono stati condotti presso i laboratori di chimica del D I I M su pezzi di tessuto di dimensioni utili per produrre compositi al fine di simulare una procedura facilmente riproducibile su scala produttiva 236 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Mercerizzazione Il trattamento con soda caustica NaOH stato adottato con l obiettivo di ridurre il diametro delle fibre quindi aumentare la superficie specifica di contatto con la matrice per effetto dell eliminazione di alcuni componenti come la lignina e l emicellulosa eliminare le cere e gli oli presenti sulla superficie ottenendo quindi una superficie scabra che favorisce i legami fisici di dinterfaccia fibra matrice migliorare le propriet meccaniche a causa dell eliminazione di una quota parte di sostanze amorfe cementanti lignina ed emicellulosa aumentando quindi la percentuale di cellulosa cristallina e di conseguenza la rigidezza della fibra Sulla base di evidenze sperimentali ducomentate in letteratura ci si limitati a percentuali di NaOH tali da garantire la no
323. onenti Per esempio la Fig 4 mostra un contenitore realizzato con composition a fibra lunga e matrice PP LFT PP che ha rimpiazzato un prodotto realizzato con PP caricato con talco sulla MY Ford Flex CUV del 2009 Fig 4 Contenitore realizzato in LFT PP La Fig 5 mostra i pannelli destro e sinistro della console lanciati nel 2010 per la Lincoln MKT CUV realizzati in LET PP Ad oggi questi sono le parti pi realizzati in classe A per un veicolo di fascia alta 85 Fig 59 Pannelli per console in LFT PP Anche il produttore Giapponense Toyota ha continuato ad investire nelle bioplastiche lanciando nel 2010 sulla Lexus HS250h dei componenti in tessuto non tessuto forniti da Toyota Boshoku e Toray Industries Per quanto riguarda gli sviluppi futuri in questo paragrafo si dimostrato che l utilizzo di materiali compositi a base di fibre naturali una realt consolidata nel settore automobilistico Questo trend confermato da progetti come l autovettura Kestrel che mirato a realizzare una autovettura con struttura interamente in composito naturale Fig 1 60 o l uso di tali compositi per macchine ad alte prestazioni come la Lotus Eco Elise Fig 1 61 Fig 60 Kestrel 86 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fig 7 Lotus Eco Elise Gli sviluppi future saranno indirizzati all ottimizzazione delle prestazioni meccaniche dei compositi a fibra natura
324. oni nei climi temperati caldo umidi che consentono lo sviluppo di grandi masse di sostanza organica Nei paesi dove la canapicoltura continuata ininterrotta anche dopo gli anni 70 si ha avuto un miglioramento genetico e lo sviluppo di specie caratterizzate da un basso contenuto di THC tetraidrocannabinolo sostanza psicotropa come indicato dai regolamenti dell Unione Europea assolutamente necessario utilizzare seme che sia stato certificato da Ente autorizzato La scelta della variet funzione del tipo di prodotto desiderato e della qualit richiesta Attualmente dalla canapa si possono ricavare quattro principali prodotti semilavorati dai quali a loro volta pu essere derivato un gran numero di prodotti finali 44 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fibra lunga Tessuti per abbigliamento arredamento corde tappeti compositi Fibra corta Tessuti per abbigliamento arredamento carta feltri isolanti geotessili compositi Canapulo Pannelli isolanti materiale inerte per edilizia lettiere Semi Olio alimentare cosmetica vernici resine Quando il prodotto richiesto la fibra di buona qualit fibra lunga occorre disporre di piante molto alte caratteristica che appartiene principalmente alle variet dioiche quali Carmagnola CS Fibranova il contenuto in fibra oscilla tra il 15 20 Se si desidera produrre fibra corta o seme le variet da preferi
325. ontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti Biotex Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa mm Spessore sandwich mm 0 428 0 420 0 404 0 397 0 505 is Status verifica verifica instabilit assiale tensioni Massa superficiale peso sandwich kg m 0 500 387 Fig 4 156 Prototipi di pannelli sandwich in laminato con tessuti Biotex e balsa realizzati in un solo step di iniezione con il processo Bag Molding Lo studio sperimentale condotto si concluso con l individuazione delle configurazioni ottimali per ciascuna tipologia di laminato per i pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore solaio di calpestio e superiore copertura come sintetizzato nelle seguenti tabelle 388 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 39 Configurazioni ottimali per i pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore Wmax b Trasmittanza termica U W mk 0 326 0 331 0 331 PA 044 045 Trasm Ter period y W mK 0 14 0 14 0 15 ii 8 97 8 84 8 72 Massa superficiale kg m Tab 4 40 Configurazioni ottimali per i pannelli sandwich di chiusura orizzontale superiore Wmax b 1 0 296 0 301 Trasmittanza termica U W mk 0 300 0 300 Fatt di Trasm period y W m k Sfasamento h Massa superficiale peso sandwich kg m 389 4 6 CONCLUSIONI Il presente
326. ontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B607 377 Tab 4 34 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B607 Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa grees Spessore sandwich mm rae b al 1 0 500 Status verifica ESEJ Status verifica instabilit ea ay ae verifica ae Trasmittanza termica U 0 626 0 420 0 317 0 346 0 296 0 331 0 300 W mk 0 30 a a Limite U x condensa superf W mk Status verifica condensa pc e verifica accumulo SI SI SI SI SI SI SI condensa Q t stagionale condensato 13 2 13 9 14 2 4 6 3 5 1 1 1 2 perg Trasm Ter mil ELA wimek 11 23 Massa superficiale 41 9 63 7 808 528 559 peso sandwich kg m 378 L INGEGNERIA CIVILE d 4 2008 PROoOmMent TA a oS in rstiziale r quanto la quantita stagionale di condensato massimo UNI EN ISO 6946 accumulo di condensa Marzo ibile di U re Massimo ammiss Valo mese c sendo soggetta a fi VERIFICATA dla in cui si raggiunge Ca me STRUTTURA VE stiziale erst Verifica Inter ritico Gennaio 0 0072 kg m 2 evapora durante la stagione i paria UR 52 Verifica Superficiale VERIFICATA La struttura pur di condensa i Il mese D oo g a Ps oo E E i i i 40 DI F Pannello in B607 al 68 9 di fibre d
327. ositi rinforzati con tessuti B607 e B6240C non trattati mostrano propriet meccaniche nettamente superiori a quelli rinforzati con i tessuti Mat per cui si pu affermare che i tessuti Mat vanno bene se si vuole raggiungere un elevato rapporto propriet meccaniche costi sempre che siano rispettati i limiti di resistenza modulo elastico e deformazione a rottura connessi all applicazione Per quanto concerne i compositi rinforzati con i tessuti B607 e B6240C pretrattati con percentuale variabile di soda caustica e trattati con amminosilano A1100 al 5 in volume si osserva in generale un incremento delle propriet meccaniche segno evidente che i trattamenti chimici superficiale hanno avuto efficacia in termini di miglioramento delle caratteristiche meccaniche delle singole fibre e di migliore compatibilit tra fibra e matrice In particolare i miglioramenti sensibili e maggiori si sono avuti per i compositi del B607 mentre per quelli del B6240C si osserva un sensibile miglioramento solo per il modulo elastico Quanto osservato dimostra che non detto che un trattamento migliorativo applicato ad un tessuto trovi riscontro nel composito in cui il tessuto trattato impiegato Infatti dalle prove meccaniche sui singoli filati si evidenzia un incremento notevole delle propriet meccaniche che non trova riscontro nelle propriet meccaniche dei compositi Tutto ci trova spiegazione nel fatto che a differenza dei trattamenti chimici sulle fibre
328. osito con percentuali superiori di circa il 30 rispetto al RTM Con la tecnica del RTM sono stati realizzati alcuni laminati rinforzati da tessuti precedentemente trattati con le combinazioni di NaOH e Amminosilano A1100 In particolare considerando la disponibilit di risorse limitate si optato per realizzare solo i laminati con quei tessuti trattati con le combinazioni di trattamenti che hanno manifestato i migliori risultati Nel paragrafo precedente si osservato che non esiste una combinazione di trattamenti che pu essere definita la migliore in senso assoluto bensi questa considerazione dipende dall applicazione che si vuole realizzare Se si pensa per che alle fibre generalmente demandata la funzione di irrigidire un polimero normale che la scelta cada sui trattamenti che determinano il massimo incremento di modulo elastico Dalla considerazione appena esposta si optato per trattamenti con amminosilano A1100 al 5 variando del pretrattamento con NaOH al 1 3 e 5 Nella seguente tabella sono riportati i dati relativi ai laminati realizzati in ordine cronologico e per tipologia di tessuto impiegato utilizzando il processo RIM Nella tabella si evince che sono stati realizzati con tale processo solo i laminati rinforzati con i tessuti Mat B607 e B6240C che sono quelli studiati in relazione ai trattamenti chimici di compatibilizzazione con la resina AI fine di poter effettuare un confronto diretto tra i laminati
329. ovalenti reagendo con il gruppo ossidrile della fibra gruppi finali che possono reagire con la matrice variano a seconda del tipo di matrice polimerica pretrattamenti con permanganato sono condotti utilizzando diverse concentrazioni di permanganato di potassio KMnO4 in soluzione di acetone con una macerazione della durata di 1 3 minuti dopo pretrattamento alcalino A seguito del trattamento con permanganato la tendenza idrofilica delle fibre ridotta e quindi l assorbimento di acqua del composito fibrorinforzato diminuisce con l aumento della concentrazione di KMnO4 Il trattamento con permanganato indicato come uno dei migliori metodi per migliorare il legame nell interfaccia fibra polimero 1 3 2 LE FIBRE DI CANAPA La canapa probabilmente la pi antica pianta da fibra coltivata dall uomo In Italia era una coltura tradizionale che a partire dagli ultimi decenni del XIX secolo imbocc una fase di lento declino culminato negli anni 70 quando la coltura scomparve completamente dal territorio del nostro paese Originaria dell Oriente Grazie al suo ciclo vegetativo breve ed alle molte variet esistenti la canapa ubiquitaria praticamente coltivata o potenzialmente coltivabile in tutto il mondo In passato in Italia era coltivata dai mille metri d altitudine in Piemonte fino alla zona mediterranea del sud dell Italia Non particolarmente esigente da un punto di vista climatico ma raggiunge le migliori prestazi
330. p D della Acciona il ponte stato assemblato sul fiume Manzanares in appena due ore e ha richiesto solo 30 giorni di lavorazione La superficie del ponte pi liscia ed esteticamente gradevole rispetto a quella di un ponte in acciaio o cemento e offre un eccellente resistenza alla corrosione e richiede meno manutenzione Inoltre non necessaria la verniciatura La societ sta inoltre lavorando su un ponte di 200 metri a Cuenca in Spagna e ha in programma di esplorare ulteriormente l utilizzo di materiali compositi nel settore civile di tutta Europa con una prospettiva di pi lungo termine per realizzare progetti simili su scala globale All interno del Texas A amp M University Health Science Center USA si pu ammirare un vero e proprio capolavoro nato dalla commistione di architettura ed ingegneria La scala a chiocciola nella hall infatti formata da elementi strutturali in cemento armato e preforme in composito rinforzato con fibre che costituiscono la parte estetica Il progetto composto da tre moduli uno per ogni piano Il cemento fresco stato versato nelle forme in composito precurato per permetterne la cura La forma della scala tale che il montante superiore potrebbe ospitare un coperchio corrispondente alla superficie del pavimento in alto Le preforme in composito sono state realizzate dalla MFG CP che ha anche progettato una soluzione per poter adattare in loco le preforme a colonne di grandi dimensioni gi es
331. p di solito si usa la polimerizzazione a temperatura 122 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE ambiente ma in alcuni casi si fa uso di un moderato flusso di calore per accelerare il processo di produzione Tale tecnologia si presta ad essere automatizzata con facilit contenendo i costi ed assicurando maggiore affidabilit nella realizzazione del processo ma non possibile orientare le fibre e quindi limitata alla realizzazione di laminati isotropi nel piano 2 2 FILAMENT WINDING Quando l oggetto da realizzare ha la forma esterna di una superficie di rivoluzione e per lo pi con simmetria cilindrica si pu realizzare mediante avvolgimento di fili o nastri impregnati su di un mandrino che successivamente a consolidamento avvenuto verr estratto Si tratta di un processo nato oltre trenta anni fa che permette di realizzare elevati standard qualitativi in termini di prestazioni meccaniche e di riproducibilit Angle of libre warp controled by ratto Fa of carriage speed to rotalonal speed Pali hi Rotating Mandre I He Nip Rollers nl Rain Bath Moving Carnage Fig 2 3 Schematizzazione del processo di filament winding Grazie all avvento dei microprocessori stato possibile automatizzare e controllare passo per passo l andamento dell intero processo in modo tale da avere un incremento della produzione e conseguire una migliore qualit del prodotto f
332. paghi con le sollecitazioni per provocare il cedimento di tutta la struttura Questo avviene in genere nella parte sollecitata a compressione dove la pelle per scarsa aderenza tende ad accartocciarsi Nel caso delle giunzioni adesive si possono individuare le seguenti tre tipologie di frattura erre frattura adesiva frattura coesiva frattura mista Frattura coesiva avviene all interno di uno dei materiali che costituiscono il giunto Lo stesso materiale dunque presente su entrambe le superfici di frattura le quali possono presentarsi lisce o rugose il tipo di frattura che si osserva nelle condizioni ideali di applicazione dell adesivo e Frattura adesiva avviene all interfaccia tra l adesivo e l aderendo quando la resistenza dell interfaccia forza di adesione minore di quella dell aderendo Le superfici di frattura sono solitamente lisce e costituite da due materiali differenti Questo tipo di frattura indice di una non corretta applicazione dell adesivo e Frattura mista si presenta alternativamente sia come coesiva che adesiva Le superfici di frattura sono molto irregolari e sono caratterizzate dalla coesistenza di entrambi i materiali Si manifesta in presenza di un substrato debole e non consolidato in concorso con modalit di applicazione dell adesivo non ottimali ADERENDO ADERENDO ADERENDO F Fig 1 72 Tipologie di frattura in un pannello sandwich L efficienza del giu
333. peratura 152 153 65 112 114 110 115 fusione C T C 58 5 61 29 45 30 Cristallinit 0 100 51 67 33 41 20 35 Modulo el MPa 900 190 262 249 52 dela aa 3 5 15 gt 500 420 gt 500 gt 500 Resist trazione hic 14 17 19 9 27 Un altro aspetto che ha guadagnato l attenzione globale lo sviluppo di plastiche biodegradabili da oli vegetali come l olio di soia olio di arachidi olio di noci olio di sesamo e olio di girasole materiali compositi verdi che hanno come matrice le bioplastiche a base di proteine da soia e come rinforzo fibre naturali hanno dimostrato di possedere un grande potenziale Olio di ricino epossidato olio di soia epossidato e altri oli vegetali epossidati sono attualmente impiegati in alcune applicazioni tipiche delle resine epossidiche Molte formulazioni commerciali sono definite verdi ma nella maggior parte dei casi sono miscele di oli a base di resine epossidiche e tradizionali monomeri epossidici sintetici quindi da fonti non rinnovabili Entropy Resins offre resine epossidiche con il 48 in peso di monomero bio Super Sap 1000 un sistema epossidico costituito da due parti liquide progettato per la classica laminazione e per temperature di reticolazione ambiente Super Sap 1000 prodotto a partire da bio materiali rinnovabili di provenienza dai flussi di rifiuti di altri processi industriali come la lavorazione del legno e la produzione dei bio carburanti Altre fonti comm
334. polimero quindi lo rende idrorepellente e resistente agli agenti atmosferici Una fonte commerciale di formulazioni a base cardanolo Cimteclab Gli oli vegetali sono stati utilizzati per la produzione di polioli uno dei due componenti di base nel settore dei poliuretani isocianati Diversi poliuretani verdi sono disponibili sul mercato Bayer ha prodotto dei sistemi poliuretanici con circa il 70 in peso di monomeri verdi Bioresins offre una vasta gamma di sistemi poliuretanici verdi 1 3 LE FIBRE DI RINFORZO Alle fibre affidato nella maggior parte dei casi il compito di fornire al composito la propriet desiderate di resistenza e rigidezza Dal punto di vista dell origine possibile distinguere due categorie di fibre le fibre naturali e quelle sintetiche Fino a non molti anni fa il predominio nei materiali compositi a matrice polimerica era rappresentato da quelle sintetiche che oltre ad essere prodotte a scopi essenzialmente tessili sono prodotte anche per scopi di tipo ingegneristico Le fibre di vetro sono il tipo di rinforzo pi noto prodotto nella forma standard come vetro E Tutti i vetri hanno un rapporto resistenza su peso molto alto sebbene le fibre di vetro siano tra le fibre inorganiche sintetiche a densit pi alta Il vetro mantiene le sue capacit meccaniche fino al 50 della sua capacit di resistenza ad una temperature di 375 C e fino al 25 a 538 C E possibile trafilare molti tipi di vetro
335. previsionale di Madsen con le propriet meccaniche ottenute per le fibre filati mediante back calculation vedasi paragrafo sviluppato in seguito DI conseguenza dal punto di vista produttivo variata la percentuale in volume di rinforzo e dei vuoti nel composito si dovr operare per modificare le condizioni di processo per ottenere un laminato completamente impregnato con elevata finitura operando un controllo sulla quantit di tessuto nel composito sullo spessore del laminato e quindi sulle pressioni di compattazione Scelto lo spessore del laminato si determina mediante un calcolo iterativo lo spessore minimo di balsa tale da garantire il soddisfacimento dei requisiti meccanici Questa fase richiede la preventiva analisi dei carichi Soddisfatti i requisiti meccanici si passa alle prestazioni termiche di sandwich che deve possere una trasmittanza termica inferiore al limite fissato da normativa vedasi paragrafo seguente e garantire la completa evaporazione della condensa interstiziale che si accumulata durante l anno causa il degrado delle propriet di isolamento termico dei pannelli Raggiunta una prima soddisfacente configurazione del sistema sandwich si verifica se esiste una configurazione migliore in termini di densit quindi peso del pannello compatibilmente con il raggiungimento delle prestazioni termiche minime agendo sullo spessore del laminato utilizzato con evidenti benefici sulle azioni di progetto da
336. pu durare fino alla produzione di numerosi pezzi consecutivi Quando si vuole garantire un elevato grado o un particolare finitura al manufatto realizzato si pu depositare sopra lo strato di distaccante un film di gel coat che costituir lo strato superficiale del prodotto finito In genere il gel coat costituito da una resina termoindurente piuttosto dura poliestere epossidica o vinilestere in modo da fornire un efficace rivestimento protettivo per il componente composito L adozione di questo strato d alcuni vantaggi come una maggiore resistenza all idrolisi alla corrosione e in generale all invecchiamento ma aumenta considerevolmente i tempi di produzione che dipendono dal raggiungimento dello stato di gelificazione da parte di tale resina prima che possa continuare il ciclo Il problema potrebbe essere by passato velocizzando il processo di deposizione attraverso un riscaldamento dello stampo oppure utilizzando pi stampi contemporaneamente soluzione pi costosa A volte si pu passare uno strato ulteriore prima del gel coat in modo da renderlo impermeabile sigillandone i pori e le micro irregolarit 245 cosi da renderlo lucido e liscio permettendo al prodotto finito di conservarsi pi a lungo e permettendo una pulitura pi facile Poich il raggiungimento di un elevato livello estetico dei compositi prodotti non rientra tra gli obiettivi del presente lavoro di tesi ci si e limitati ad ottenere un suffic
337. qua demineralizzata asciugato fino ad ottenere un peso costante Trattamento con amminosilano A1100 della Sigma Aldrich Gli amminosilani invece sono degli agenti di accoppiamento che generalmente permettono di migliorare il grado di reticolazione nella regione dellinterfaccia tra fibra e matrice Il trattamento consiste nell innestare gruppi terminali reattivi sulle fibre sfruttando i gruppi ossidrile della fibra che possono reagire con la matrice di natura epossidica Generalmente l interazione dei silani con fibre naturali procede attraverso i seguenti passaggi 1 Idrolisi i monomeri di silano sono idrolizzati in presenza di acqua e catalizzatore normalmente acido o base 2 Auto condensazione durante il processo di idrolisi prende luogo la condensazione concomitante di silanoli che deve essere ridotta al minimo controllando il pH della soluzione 3 Assorbimento i monomeri silanoli reattivi vengono fisicamente adsorbiti dai gruppi idrossilici delle fibre naturali con legami a idrogeno sulle superfici delle fibre superficie di rivestimento e o nelle pareti cellulari 4 Innesto in condizione di riscaldamento i legami a idrogeno tra i silanoli e i gruppi ossidrilici delle fibre possono essere convertiti in legami covalenti Poich uno dei passi fondamentali che determina il buon esito del trattamento riscontrabile in termini di propriet meccaniche nei compositi che sono stati realizzati la fase 3 ossia l a
338. r i tessuti B607 B6240C e Biotex utili per studiare in pieno l influenza della percentuale in volume di fibra e dei vuoti 354 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La prova stata effettuata presso i laboratori dell Istituto PUK della Technische Universitat di Clausthal Germania nel rispetto delle seguenti condizioni operative e Campo di temperatura da 20 C a 60 C e Ambiente aria Il campo di temperatura investigato sufficiente per una completa caratterizzazione dei materiali nell ipotesi di impiego nel settore civile residenziale Il test stato condotto ad una temperatura non superiore ai 60 C per problemi di stabilit del sistema resina la temperatura di transizione vetrosa inferiore dei compositi infatti circa 70 C temperatura alla quale il composito perde le propriet elastiche caratteristiche Per problemi legati allo strumento non e stato invece possibile investigare il comportamento dei materiali ad una temperatura inferiore ai 20 C Nella tabella 4 21 sono riportati i risultati sperimentali ottenuti nella campagna di misurazione condotta Dalla tabella si evince la dipendenza della conducibilit termica dalla densit del composito quindi dal contenuto in volume di fibre e dalla percentuale in volume di vuoti In realt nei compositi quando si parla di vuoti ci si riferisce ad un volume non occupato da resina o rinforzo quindi o
339. ra pur essendo soggetta a fenomeni di condensa interstiziale risulta verificata in quanto la quantita stagionale di condensato pari a 0 0072 kg m evapora durante la stagione estiva Il mese in cui si raggiunge il massimo accumulo di condensa Marzo Verifica Superficiale VERIFICATA Valore massimo ammissibile di U 0 6398 mese critico Gennaio La verifica igrometrica stata eseguita secondo UNI EN ISO 13788 cf1 vano interno cf2 Esterno Fig 4 151 Verifica igrometrica del pannello sandwich ottimale di chiusura orizzontale superiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B607 380 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tab 4 35 Progetto e verifica dei pannelli sandwich di chiusura orizzontale inferiore utilizzando laminati rinforzati con tessuti B6240C Spessore pelle esterna laminati mm Spessore balsa mm Spessore sandwich mm o dh o Status verifica verifica Status verifica 0 159 DE 0 096 0 219 0 400 Status verifica SI aene a fa Ta T a Ta tensioni Trasmittanza termica U W mk Limite W mk Status verifica Limite U x condensa superf W mk Status verifica condensa superf Mese critico Status verifica accumulo condensa Q t stagionale condensato g m Max accumulo accumulo 0 627 0 447 0 333 0 365 0 331 0 33 1 46 Gennaio Da Marzo
340. ra e alle condizioni di scambio termico liminare e si assume pari all inverso della sommatoria delle resistenze termiche degli strati 1 U WnKk RT con Rr RytR t R t Ree resistenza termica globale Rs resistenza superficiale adduttanza interna Ran resistenza termiche di ciascuno strato Reg resistenza superficiale adduttanza esterna con R d in cui d lo spessore e A la conducibilit termica 285 Il calcolo della trasmittanza termica costituisce la base di applicabilit della norma UNI EN ISO 13788 2008 che indica la procedura di calcolo e verifica termoigrometrica Tale norma entrata in vigore ormai da qualche anno in sostituzione della UNI 10350 prevede un calcolo di tipo mensile molto pi aderente alla realt rispetto ai metodi utilizzati fino a qualche anno fa Il calcolo della dispersione del calore degli elementi d involucro edilizio viene condotto normalmente considerando un regime termico stazionario Si ipotizza cio che la differenza tra le temperature all esterno e all interno dell edificio sia costante nel tempo L ipotesi accettabile se si sta affrontando un analisi per il calcolo delle prestazioni nella stagione invernale Ad esempio si attribuisce alla sola caratteristica della resistenza termica il controllo del passaggio del calore trascurando la capacit termica dell involucro esterno dovuta alla diversa disposizione dei materiali o al rapporto massa conducibilita In realt durante l
341. rae b al 1 0 500 Status verifica EDLY Status verifica instabilit ea ae verifica ae Trasmittanza termica U 0 627 0 421 0 317 0 347 0 297 0 331 0 300 W mk 0 30 a a Limite U condensa superf W mk Status verifica condensa ur e verifica accumulo SI SI SI SI SI SI SI condensa Q t stagionale condensato 13 3 14 0 14 2 4 7 3 5 1 2 1 2 perg Max accumulo accumulo Marzo Trasm Ter period 0 54 0 27 0 11 wink 10 98 superficiale peso sandwich 384 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Superficie opaca composta UNI EN ISO 6946 2008 SUPERIORE n G ci gg Cere Sp 220 mm Cm sup 30 669 kJ m K spessore C nir Adduttanza Superiore 10 Pannello in B6240 al 72 9 di fibre di canapa cotone in tes 20 See 10 Pannello in 86240 al 72 9 di fibre di canapa cotone in tes i Inferiore _ A h a a eee ETTORE LE pe a s inni e e iii Werfica UNI EN ISO 13788 SEIT O OO RO OO OO RO O OO O 0 nu I a n si n SS SSS ESSE SESS SESS LI I 11 Lee sam PSSCSCCCESCCCEESSCCET ESS STRUTTURA VERIFICATA E B LELE Ai Verifica Interstiziale VERIFICATA ii seunessanes senese La struttura pur essendo soggetta a fenomeni i di condensa interstiziale risulta verificata in III quanto la quantit stagionale di condensato Scie eee pari a 0 0072 kg m evapora durante la H Hiii Senpai siwa o a e Il mese in cui si raggiunge il massimo a
342. rattamento di mercerizzazione sulle fibre vegetali stata condotta una fase di trattamento con soda caustica delle sole fibre estratte dal Mat di cui si riportano in modo sintetico le risultanze sperimentali Tab 4 4 Risultati delle prove di trazione sulle fibre trattate del Mat Modulo Scarto Resistenza Scarto Scarto Allungamento Elastico quadr a trazione quadr massimo quadr o max E Max media media media s 28000 16800 1161 8 4364 46200 16100 1012 8 395 6 Per quanto concerne le fibre del Mat ci si limitati ad un trattamento alle due percentuali del 1 e 3 perch queste hanno fornito gia l intervallo di trattamento ottimale Constatata dunque la concreta efficacia di tale trattamento si passato ai trattamenti sui filati dei tessuti In particolare i tessuti trattati sono B607 B6240C Le soluzioni di NaOH in cui sono stati immersi le fibre e i filati sono le seguenti soluzione al 1 di NaOH soluzione al 3 di NaOH soluzione al 5 di NaOH 295 trattamenti con amminosilano A1100 sono invece tutte le possibili combinazioni tra le soluzioni di trattamento con NaOH 1 3 5 precedentemente testate e le soluzioni con percentuale in volume variabile di silano rispettivamente del 1 3 e 5 In sintesi il procedimento adottato prevede il trattamento con l amminosilano A1100 dei campioni di tessuto precedentemente trattati con NaOH per aumentare la quantit specific
343. ratteristica peculiare dei compositi in quanto offre la possibilit di progettare e costruire un materiale in funzione delle esigenze strutturali 1 2 MATRICI POLIMERICHE Un polimero dal greco molte parti una macromolecola ovvero una molecola dall elevato peso molecolare costituita da un gran numero di piccole molecole i monomeri uguali o diverse copolimeri unite a catena mediante la ripetizione dello stesso tipo di legame Esempi di monomeri possono essere il cloruro di vinile o l etene il primo d origine al cloruro di polivinile altrimenti detto polivinilcloruro PVC il secondo al polietilene detto anche politene Le matrici polimeriche possono essere classificate in funzione di diversi criteri 4 Natura delle materie prime naturali sintetiche parzialmente sintetiche Natura delle unit fondamentali omo o copolimeri Meccanismo di polimerizzazione addizione condensazione Peso molecolare Tatticit isotattiche atattiche sindiotattiche Organizzazione strutturale amorfe cristalline semicristalline Temperatura di transizione vetrosa polimeri gommosi vetrosi Comportamento al calore temoplastici termoindurenti Generalmente si suole raggruppare le matrici in relazione all ultimo criterio ossia vengono identificate due classi di matrici termoplastiche e termoindurenti 1 2 1 TERMOPLASTICHE polimeri termoplastici 1 2 7 sono un gruppo di materie plastiche che
344. ratteristiche tecniche del filato 61 1 3 5 2 Le tipologie di teSSUto 62 1 4 Gli eco compositi nell industria moderna 70 1 4 1 Il settore automotive cece eect teen eee eeeeeeenees 72 1 4 1 1 Applicazione dei compositi a base di fibre naturali 78 14 2 EC ee A A 88 1 5 Impiego dei materiali compositi nelle strutture sandwich 98 1 5 4 TP MOOQUZION CS cociccesataescndomtptivniialonststenlersvewadiescemieatabtenostieaiion 111 1 5 2 Applicazioni INdUStriall cece cece eee e cece eee eneeeeeeeees 113 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE CAPITOLO 2 PROCESSI DI PRODUZIONE DEI MATERIALI COMPOSITI 2 1 processi a stampo aperto L02 teste ee eeeaes 21 Fano Ea picnic ene e 2 IZ SPIAVILIUiio ebano 2 2 FIAMENTWWINCING online ZS ESITUSIONO ehe baila 2A PUTUSING iraniani 2 5 Processi a stampo chiUuso eec cece ee eeeeeeeseeeeeneeeeenees 2 5 1 Injection Molding i 2 5 2 Compression Molding L i 2 5 3 Stampaggio per trasferimento di resina per effetto del vuoto ES AC MOIIN ac atria see ose tc ai 2 5 4 Resin Trasnfer Molding RTM cccceeeeeee eens eens 2 5 5 Vacuum Assisted RTM VARTM 2 5 6 LGhE RIMbERIMailla
345. rcentuale di vuoti nel pezzo finito non garantisce al contrario 242 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE elevate percentuali di rinforzo nel composito Come stato ampiamente trattato nel capitolo 3 il rapporto rinforzo matrice risulta determinante per le propriet meccaniche del materiale pi elevato il rapporto pi elevate sono le propriet meccaniche a trazione per cui eliminando in modo controllato la resina in eccesso si aumenta il rapporto fibra matrice Il principio potrebbe essere applicato anche al RIM ma le pressioni sviluppabili con la pressa utilizzata sono nettamente superiori a quelle generabili con il serraggio mediante bulloni dello stampo rigido del dispositivo RTM in dotazione al D 1I 1 M Come gi ampiamente discusso nel capitolo 3 la differenza fondamentale tra le due tecniche di base consiste evidentemente nella tecnologia di trasferimento di resina che per il RTM un iniezione in pressione mentre per il Bag Molding innescata dal vuoto creato attraverso lo stampo C da dire che il RTM in genere favorito dal vuoto creato all interno dello stampo che si aggiunge alla pressione relativa esercitata sul sistema e permette la sottrazione dell aria intrappolata nei pori del tessuto e nella miscela resinosa I compositi sono stati prodotti presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale e Meccanica DIIM della Facolt di Ing
346. re In figura 4 62 si indicano con c e t gli spessori rispettivamente del core e delle pelli Di seguito si riportano le formulazioni utilizzate con il riferimento alla numerazione progressiva adottata nel 4 3 per il progetto dei pannelli del solaio di calpestio e di copertura a i i ie Se Oore di balsa r _ om m MI Fig 4 62 Schema del pannello sandwich progettato e relative dimensioni Nel caso in esame poich il pannello pu essere considerato come una trave larga in tutte le formulazione in cui si considera il modulo elastico si deve considerare il rapporto E 1 v Per la balsa stato considerato un valore del coefficiente di Poisson pari a v 0 230 mentre per i compositi un valore calcolabile con le regole delle miscele considerando per la resina un valore pari a 0 330 e per le fibre un valore di 0 260 Operando in sicurezza non avendo comunque dati sperimentali a riguardo si considera che le caratteristiche di modulo e resistenza a compressione di ciascun composito siano quelle della sola resina trascurando quindi l influenza del rinforzo Il comportamento a compressione della resina stato considerato a vantaggio della sicurezza uguale a quello di trazione di cui si conoscono i parametri meccanici Tale scelta porta a considerare il pannello sandwich come se avesse facce diverse non per lo spessore ma per la natura dei materiali 219 Inoltre si ipotizza che nel core di balsa si ha 0 O
347. re che i modelli previsionali non permettono una stima accurata delle propriet di un composito rinforzato con tessuti del tipo Mat mentre consentono di ottenere a partire dalle propriet delle singole fibre presenti in letteratura una stima non accettabile a livello ingegneristico per i compositi rinforzati con tessuti orientati es bidirezionale come il B607 B6240C e Biotex Tuttavia stata valutata l opportunit di poter continuare ad utilizzare il modello previsionale di Madsen pi preciso e coerente con la natura dei compositi rinforzati con fibre vegetali determinando a posteriori le propriet meccaniche apparenti dei filati quando immersi nella resina Si tratta di determinare per ciascuna tipologia di laminato realizzato utilizzando le formule inverse Back Calculation del modello di Madsen i valori del modulo elastico e della resistenza a trazione ei filati Le medie di 350 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE tali valori costituiscono i nuovi parametri meccanici da inserire nel modello per ottenere le propriet meccaniche a qualsiasi percentuale in volume di rinforzo Di seguito si riportano i valori mediati per ciasscuna tipologia di laminato delle propriet meccaniche adottate nei modelli Tab 4 20 Tabelle delle propriet meccaniche ottenute per back calculation e adottate nei modelli previsionali tessuto E sq m o sqm GPa GPa MPa MPa
348. re sono le monoiche caratterizzate da tutte piante portaseme al contrario delle dioiche che contano invece un alta percentuale di maschi 40 45 Per una produzione specifica di semi invece preferibile scegliere specie monoiche con un altezza medio bassa per facilitare la raccolta Fig 1 19 Una coltura di canapa da fibra La canapa appartiene alla famiglia delle Cannabinacee Ancora oggi con i moderni approcci della botanica sistematica non si ancora in grado di delineare una netta demarcazione neppure tra i tipi coltivati e quelli spontanei Questa pianta erbacea caratterizzata da abbondante biomassa e raggiunge notevoli produzioni di sostanza secca in un ciclo colturale relativamente breve In Europa si possono superare le 20 t di sostanza secca per ettaro Sezionando lo stelo di una pianta di canapa si trovano differenti strati di tessuti 45 la cuticola sulla quale si rileva spesso la presenza di cera avente la funzione di limitare le perdite di acqua dallo stelo l epidermide rappresentata da uno strato di cellule a parete spessa in cui si trovano gli stomi la corteccia rappresentata normalmente da due a sette strati di cellule il floema che contiene i vasi cribrosi e le fibre tessili molto spesso raggruppate in fasci di numero variabile posizionate circolarmente nel parenchima floematico che una volta separate dal resto del vegetale costituiscono il tiglio cio la vera e propria fibra
349. recedente le contrazioni e le espansioni laterali delle facce sono contrastate nella direzione dall impossibilit del core a sopportare una deformazione di taglio indefinitamente grande nel piano yz In questo caso ragionevole assumere che la deformazione nella direzione y sia zero Inoltre il rapporto tra tensione e deformazione in direzione x deve essere assunta pari E 1 v Questo valore deve essere usato al posto di E in tutte le equazioni fin qui analizzate Se invece anche in presenza di una trave larga questa pu curvarsi liberamente nel piano yz per esempio se gli permesso sollevarsi dagli appoggi allora E deve essere preferito a E 1 v Se le facce non sono dello stesso materiale o sono di spessore diverso l equazioni principali delle travi rimangono inalterate a condizione che la rigidezza flessionale venga scritta come segue _ bd E E t t z b _ Eti Et E t Et 12 it tat 111 Dove i pedici 1 e 2 si riferiscono alla faccia superiore ed inferiore rispettivamente Qui si assunto che il contributo del core alla rigidezza flessionale sia trascurabile sotto le condizioni viste in precedenza E utile notare che l equazione per lo sforzo di taglio nel core rimane inalterata Quando il modulo elastico del core E non trascurabile rispetto a quello delle pelli esterne bisogna fare alcune modifiche per usare le relazioni fin qui prese in considerazione Per esempio l espressione
350. rendono il nome di Strutture sandwich Tali strutture sono caratterizzate da una parte centrale detta core o anima che distanzia due elementi resistenti superficiali esterni di piccolo spessore dette pelli o facce tenuti assieme da un adesivo Upper face core lower face ina Fig 1 69 Schema di un pannello sandwich Le strutture sandwich sfruttano la possibilit di distanziare aumentando il momento d inerzia due elementi estremamente resistenti le pelli cos da avere un elevata rigidezza flessionale mantenendo il peso o riducendolo Questa evidenza utilizzata anche in carpenteria metallica con l impiego ad esempio dei profilati IPE HEA etc In questo modo si sfrutta in pieno la resistenza del materiale strutturale infatti negli stratificati semplici 98 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE omogenei sottoposti a flessione una delle parti esterne sollecitata a compressione e l altra a trazione mentre al centro nell asse neutro la sollecitazione nulla Per tale ragione la parte del materiale strutturale prossima all asse neutro non viene sfruttata al massimo delle sue potenzialit perch poco sollecitata Fig 1 70 Similitudine tra un pannello sandwich ed una trave a doppia T Una trave a sandwich con lo stesse dimensione e peso di una piena pu raggiungere una rigidezza notevolmente superiore per il maggior momento d inerzia
351. reticolata con cicli veloci Buone propriet meccaniche alte temperature di reticolazione la formulazione per la reticolazione Componenti deve essere studuata e controllata aerospazioni attentamente per evitare reazioni 150 250 Alto Autoclave RTM indesiderate esotermiche componenti eccellenti propriet termiche elettronici trasparente alle onde elettromagnetiche Buone propriet meccaniche elevate temperature di n 230 320 Alto Componenti iaia Huntsman reticolazione eccellenti propriet aerospaziali Cytec termiche Ca Componenti VARTM RTM Buone propriet meccaniche Alte aerospazioni AA temperature di reticolazione 200 350 Alto da diti Cytec Hexcel eccellenti propriet termiche componenti 9 autoclave elettronici Poliestere Vinilestere Epossidica Benzoxazine Ftalonitrile Poliuretanica Estere cianato Bismaleimide Poliimmide SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 1 2 2 1 LE RESINE EPOSSIDICHE Le resine epossidiche 2 5 rappresentano una famiglia di materiali polimerici termoindurenti che non danno luogo a formazione di prodotti di reazione quando induriscono reticolano e perci hanno un basso ritiro di reticolazione Essi presentano anche buona adesione ad altri materiali buona resistenza chimica e ambientale ottime propriet meccaniche e buone propriet di isolamento elettrico Sono largamente usate in rivestimenti protettivi
352. rice acrilica e fibre derivate dal legno che pu essere trasformato per stampaggio a compressione in stampi ad alta temperatura Il contenuto di fibra nel Fibrowood del 70 Questo prodotto utilizzato per copertura di sportelli coperture per pannelli di strumentazione coperture per sedili Fibrowood in produzione dal 1998 ed utilizzato da Ford Kia Mercedes Benz Opel Hyundai Fig 1 48 Pannello per sportello in Fibrowood Fibrit un prodotto realizzato con processi simili alla produzione della carta Il contenuto di fibra naturale pari al 94 Questo alto contenuto assicura al prodotto stabilit di prezzo rispetto alle variazioni delle risorse da combustibile fossile Fibrit basato su fibre derivate dal legno e un legante acrilico Fibrit in produzione dal 1954 ed utilizzato da Opel La figura seguente mostra un pannello per sportello realizzato in Fibrit Fig 1 49 Pannello per sportello realizzato in Fibrit 81 Johnson Controls produce anche compositi con fibra naturale lino o canapa impregnati con resina epossidica Questi pre impregnati sono lavorati per stampaggio in presse ad alta temperatura Il contenuto di fibra naturale dichiarato del 70 Il materiale in produzione dal 2003 ed utilizzato da BMW Fig 1 50 Pannello realizzato con fibre naturali e resina epossidica Johnson Controls ha fatto passi avanti considerevoli introducendo anche cicli virtuosi di utilizzo del materiale
353. riore a 50 le variazioni di n sono di marginale importanza e tale parametro pu essere considerato circa 1 7 sar comunque incluso nelle equazioni del modello per sottolineare l importanza di questo parametro per compositi con fibre di lunghezze ridotte v la frazione percentuale in volume di porosit intrinseca al composito compositi rinforzati con fibre naturali possiedono infatti una certa quantit di vuoti dovuti a diversi fattori la natura e l andamento di tali vuoti sar trattato in dettaglio nel seguito n indica l esponente di efficienza della porosit e d una quantificazione dell effetto della porosit sulle propriet del composito se n vale zero la porosit non ha alcun effetto Tale esponente di efficienza della porosit un parametro empirico e pu essere determinato numericamente allineando i dati sperimentali Tuttavia in una vasta gamma di sistemi compositi rinforzati con fibre vegetali si rilevato che n 2 d generalmente un buon allineamento con i dati sperimentali un valore pari a 2 che ben si adatta ai nostri scopi sar quindi utilizzato nella presente trattazione 3 2 6 LA POROSIT I modelli previsionali presentati in precedenza Regola delle Miscele e Cox Krenchel sono per lo pi incentrati sullo studio delle relazioni esistenti tra fibra e matrice e hanno trascurato l esistenza di una terza parte la porosit Tale parametro invece preso in considerazione dal modello
354. ropriet adesive con supporti vinilesteri Si riportano nel seguito alcune caratteristiche dei componenti della miscela di reazione tratte dalla scheda tecnica del produttore Tab 4 5 Propriet dei componenti della miscela di reazione Hardener LV Resin z T or ee meacan O 8 1 Cc 100 108 6 Viscosity 30 C cP 390 410 16 18 12 14 10 12 2 La miscela di reazione deve essere preparata con molta cura e deve rispettare le indicazioni sulle proporzioni dei componenti fornite dal produttore Resina e catalizzatore vanno mescolati con particolare attenzione per evitare che all interno del recipiente si creino delle zone in cui c una maggiore concentrazione di catalizzatore La reazione infatti inizia immediatamente producendo un calore molto intenso ci accelera la reazione e la rende potenzialmente incontrollabile Per ottenere l optimus delle propriet meccaniche bisogna sottoporre la miscela di reazione ad un ciclo termico tempi minimi di curing reticolazione consigliati dal produttore sono indicati in tabella 4 6 valori 228 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE suggeriti sono stati comunque testati in condizioni reali di applicazione prima di procedere alla realizzazione dei compositi Tab 4 6 Tempi minimi di curing in funzione della temperatura Tempo di curing Temperatura C minimo Si pu comunque prevedere una fase d
355. sa per le imbarcazioni in vetroresina e nella componentistica in generale ma ha lo svantaggio di permettere bassi livelli produttivi e il contatto degli operatori con i materiali impiegati La tecnica consiste nell applicare resina e fibre su uno stampo per un primo strato seguito dalla rimozione di bolle d aria tramite rulli Altri strati di resina e fibre vengono di seguito aggiunti sino ad arrivare allo spessore di progetto Dopo l ultimo strato si pu applicare un ulteriore strato di resina per migliorare la finitura superficiale Il pezzo finito avr la forma dello stampo in cui avvenuta la laminazione le cui superfici devono essere perfettamente pulite poich la finitura superficiale dello stampo condiziona l aspetto del pezzo Inoltre lo stampo subisce una operazione preliminare nella quale viene ricoperto di un agente distaccante chiamato gel coat che costituisce alla fine del processo la superficie esterna del pezzo Tale agente viene applicato con 120 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE rullo o tramite pistola occorre attendere la gelificazione prima di procedere alla stratificazione Sopra l agente distaccante viene steso uno strato di resina tramite rullo Lo stampo pu essere maschio o femmina a seconda della superficie pi importante se la superficie esterna critica viene usata la cavit altrimenti viene usato lo stampo maschio Tralasciando la realizz
356. sciatura con compositi formati in sito costituisce una vera rivoluzione dell ingegneria strutturale Infatti Io sconfinamento delle colonne e il rinforzo flessionali e a taglio delle travi si consegue con facilit ed efficienza cinturando o placcando gli elementi strutturali con tessuti Impregnati di resina Nella quasi totalit di applicazioni il rinforzo esterno quindi la trasmissione delle azioni dal composito alla struttura originaria avviene sulla pellicola esterna dell elemento rinforzato Per murature storiche il discorso si fa particolarmente interessante Volte e cupole possono ottenere un aiuto di incalcolabile efficacia se placcate con materiale composito quando sono sottoposte ad azione sismica Nell ambito del rinforzo strutturale storico degli edifici i consolidamenti strutturali hanno sempre avuto una grande importanza poich sono presidi 96 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE di sicurezza grazie ai quali la struttura pu continuare a vivere espletando le funzioni per cui era stata progettata Verso la met degli anni ottanta in Giappone e in U S A si mettono a punto dei sistemi di rinforzo denominati FRP o compositi in cui l interazione fra una matrice resinosa ed una fibra ad alte prestazioni come il carbonio genera un sistema in grado di migliorare le resistenze finali degli elementi trattati se applicato alle strutture In sintesi
357. se tra loro per mezzo di legami ad idrogeno e tramite legami con lignina amorfa ed emicellulosa detti microfibrille Le unit ripetitive adiacenti nella stessa catena formano angoli di 180 Pi microfibrille si intrecciano per formare strutture simili ad una fune Fig 1 11 Nel legno queste funi di cellulosa sono inglobate nella lignina per costituire una struttura rigida La microstruttura delle fibre organizzata in modo gerarchico come mostrato in figura 1 12 L emicellulosa costituita da un gruppo di polisaccaridi ad esclusione della pectina e differisce dalla cellulosa per tre aspetti fondamentali 1 contiene molti tipi di zuccheri diversi dal glucosio a differenza della cellulosa che ne contiene solo un tipo 2 la struttura delle catene ramificata per l emicellulosa lineare per l altra 3 il grado di polimerizzazione dell emicellulosa dalle dieci alle cento volte inferiore a quello della cellulosa Fibrille cristallina Regione non cristallina Fig 1 11 Struttura delle microfibrille 36 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE hackling REAL TATE elementary fibre S100 pm plant cet breakin 1020 pm scutching h meso fibni ast fire a 01 03 um bundle micro fibri pe Iam ae Fig 1 12 Organizzazione gerarchica delle microfibrille del lino La lignina un complesso polimero di idrocarburi con gruppi alifatici
358. sferimento di calore in inglese heat flow rate misurato in Watt cio la quantit di energia termica calore che transita nell unit di tempo attraverso la sezione S dell oggetto interposto tra i due luoghi a temperatura T diversa e d lo spessore dell elemento espresso in metri ovvero la distanza tra i punti a temperatura 74 e 72 che si suppone omogeneo e S l area misurata in metri quadri della sezione trasversale dell elemento ortogonale rispetto alla direzione del gradiente di temperatura ovvero alla direzione attraverso la quale viene misurata lo spessore d e l e T sono le temperature misurate in kelvin assunte agli estremi dell elemento 210 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE La conducibilit termica di una sostanza dipende dalla temperatura per alcuni materiali aumenta all aumentare della temperatura per altri diminuisce dall induzione magnetica da fattori fisici come la porosit e nel caso degli aeriformi dalla pressione Nelle unit del Sistema internazionale la conducibilit termica misurata in Watt per metro kelvin W m K essendo il Watt W l unit di misura della potenza In genere la conducibilit termica va di pari passo con la conducibilit elettrica ad esempio i metalli presentano valori elevati di entrambe Una notevole eccezione costituita dal diamante che ha un elevata conducibilit termica ma una scarsa conducibilit
359. sintetiche vetro ma soprattutto naturali di origine vegetale grazie alle loro elevate propriet specifiche unite alla semplicit di messa in opera alla facile manutenibilit alle eccellenti propriet dielettriche all inattaccabilit da parte di aggressivi chimici Nella fattispecie le strutture in composito preferite nell edilizia sono quelle di tipo sandwich che permettono di accoppiare elevata resistenza a rigidit flessionale a un eccellente potere di isolamento termoacustico con pesi notevolmente pi bassi rispetto a quelli di analoghe strutture monolitiche In edilizia i pannelli sandwich vengono utilizzati come elementi verticali di chiusura di partizione interna e di chiusura orizzontali di copertura o di calpestio Il loro impiego generalmente riservato all edilizia perfabbricata residenziale e industriale Esistono in commercio numerose aziende che realizzano pannelli sandwich ad elevate prestazioni termo acustico meccaniche A titolo di esempio si riporta uno dei pannelli prodotti dall azienda italiana Alubel costituito da due pelli esterne in laminato e un anima in poliuretano espanso 117 Ovviamente tali pannelli coibentati sono strutture prefabbricate prodotte per essere montate modularmente e presentano quindi particolari cerniere di giunzione che grazie a vari sistemi di fissaggio preservano la struttura da qualsiasi tipo di infiltrazione nel tempo A laminato superiore poliuretano espanso ad a
360. so che sono spazi non occupati ne dalla resina ne dal rinforzo ma dall aria Vp Risulta quindi Ve Vf Vm t Vp 1 da cul Si ricava Vp 1 Vf Vm 260 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE 4 4 4 2 VALUTAZIONE DELLE PROPRIET MECCANICHE A TRAZIONE Per la caratterizzazione meccanica a trazione dei compositi sono state effettuate una serie di prove sperimentali La preparazione dei provini stata fatta partendo dai singoli laminati ottenuti con i due processi produttivi ricavando delle provette parallelepipede secondo le dimensioni indicate nella norma UNI EN ISO 527 4 di cui si riporta un estratto per le provette di tipo 2 adatte ai compositi studiati Foro di centro urg Foro di centroturo facoltativo focoltativo a O by o Provetta tipo 2 Dimensioni in mm Lungherza totale gt 200 Distanza tra i talloni Lagfghezza 25 0 5 0 50 0 5 Spessore da 2a id Lunghezza del tratto utile raccomandato per estensimetri Wt Distanza inimale tra i morsetti Lunghezza dei talloni Spessore del talloni DAME dei fon di Canara PreS3ISrr m Viel Fig 4 43 Dimensione e tolleranze dei provini secondo la UNI EN ISO 527 4 In particolare le dimensioni dei provini testati confermemente a quanto consentino dalla norma sono riportate nella seguente figura 250 mm n 25 mm Fig 4 44 Dimensioni delle provette di composito per la prova di trazione 26
361. solamento termico La seconda fase del lavoro ha riguardato l approfondimento delle peculiarit delle fibre naturali e di due modelli previsionali in grado di predire le caratteristiche dei compositi realizzati con l obiettivo di comprendere quali sono i margini di affidabilit e gli eventuali coefficienti di sicurezza da adottare nella stima delle propriet in fase di progettazione con i materiali compositi Tale fase sfrutta i risultati ottenuti nella precedente e propedeutica caratterizzazione fisico meccanica delle fibre impiegate e dei compositi realizzati La terza ed ultima fase del lavoro focalizzata sullo studio di una possibile applicazione ai materiali studiati con l intento di analizzare gli aspetti positivi e negativi di natura ingegneristica atti ad individuare possibili campi di impiego ed eventuali limitazioni A tal proposito stato progettato un sistema composito di tipo sandwich utilizzando gli eco compositi studiati come pannelli esterni pelli e un core material sempre ecocompatibile costituito da legno di balsa pressata In particolare il sistema sandwich stato adeguato allo svolgimento delle funzioni UNI 8290 di elemento di chiusura orizzontale inferiore solaio a terra e superiore copertura in un modulo abitativo prefabbricato a telaio metallico 219 4 4 MATERIALI E METODI IMPIEGATI 4 4 1 MATERIALI L esigenza di investigare il comportamento dei materiali compositi al variare del tipo di fi
362. ssificazione elastomeri cio polimeri reticolati o regioni microcristalline la cui Tg tale che soddisfa la relazione 11 o Tg 75 C lt Tambiente polimeri vetrosi ovvero sostanze amorfe la cui T risulta Tg 2 Tambiente P75 polimeri semicristallini sono i polimeri con cristallinit fra il 50 e il 90 la cui T molto sotto la Tm e molto pi alta della T ambiente polimeri cristallini con cristallinit superiore al 90 Importanti sono infine le propriet reologiche dei polimeri termoplastici la viscosit di un polimero termoplastico una caratteristica legata al suo _ _ __ 0 o arorerrrrromaren oe se me intervallo di fusione peso molecolare viscosita viscosita costante tempo Fig 1 4 Diagramma viscosit tempo a temperatura costante di un polimero termoplastico La viscosit diminuisce all aumentare della temperatura ma anche all aumentare della velocit di scorrimento e dello sforzo di taglio 12 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE i oo at 10 i H a Ci da if a ify a a in i 10 ig VO Sforzo di taqgito Fig 1 5 Diagramma viscosit sforzo di taglio velocit di scorrimento di un polimero termoplastico compositi a matrice termoplastica presentano alcuni vantaggi il materiale grezzo pi economico ed ha una durata utile maggiore processi di fabbricaz
363. ssorbimento dei silanoli il trattamento con silani stato eseguito su tessuti precedentemente trattati con soda caustica per incrementare il numero di gruppi idrossilici delle fibre naturali Prima di procedere con il trattamento i tessuti vengono pesati in condizioni di umidit naturale e successivamente messi ad essiccare in forno ad una temperatura costante di 70 C per eliminare l umidit trattenuta dalle fibre Periodicamente il tessuto viene pesato annotando il peso e valutando lo scarto con la pesata precedente Quando lo scarto tra la due 238 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE pesate consecutive inferiore allo 0 1 del peso iniziale i tessuti sono pronti per essere trattati Il trattamento consiste nell immergere i tessuti in una soluzione acquosa di 3 amminopropiltrietossisilano A1100 corretta con acido acetico per portarne il pH a valori compresi tra 4 e 5 per garantire massima reattivit dei silani in soluzione trattamenti non sono stati eseguiti su singole fibre ma immergendo in soluzione il tessuto indiviso in modo da sviluppare un metodo di trattamento industriale veloce Il rapporto volumetrico tra fibra e soluzione viene fissato a 1 50 tessuti vengono tenuti immersi per circa un ora nella soluzione quest ultima mantenuta in continua agitazione grazie all uso di un agitatore magnetico Al termine del trattamento si procede alla neutralizzazione de
364. ssuto Mat spessore complessivo pari a 10 cm 373 Codice Struttura Mat15 Descrizione Struttura DESCRIZIONE STRATO lambda Cc M S P lt 50 101 C S R cre enon tom mena meo mo 1 Adduttanza Superiore 0 5 900 0 0 169 2 lastra di composito in fibre di canapa a 10 0 243 24 300 11 40 0 019 1703 8 0 041 disposizione random MAT 3 Lastre di Balsa 200 0 064 0 320 31 00 26 000 2386 3 125 4 lastra di composito in fibre di canapa a 10 0 243 24 300 11 40 0 019 1703 8 0 041 disposizione random MAT 5 Adduttanza Inferiore 0 25 000 0 0 040 RESISTENZA 3 417 m K W CAPACITA TERMICA AREICA sup 28 629 kJ m K TRASMITTANZA 0 293 W m K SPESSORE 220 mm CAPACITA TERMICA AREICA inf 33 308 kJ m K MASSA SUPERFICIALE 54 kg m TRASMITTANZA TERMICA PERIODICA 0 10 W m K FATTORE DI ATTENUAZIONE 0 36 SFASAMENTO 10 08 h s Spessore dello strato lambda Conduttivit termica del materiale C Conduttanza unitaria M S Massa Superficiale P lt 50 101 Permeabilit al vapore con umidit relativa fino al 50 C S Calore Specifico R Resistenza termica dei singoli strati Resistenza Trasmittanza Valori di resistenza e trasmittanza reali Massa Superficiale Valore calcolato come disposto nell Allegato A del D Lgs 192 05 e s m i STRATIGRAFIA STRUTTURA iii ii ii iii a a M DIS e Cmc e a n tc ma a s a as ama a E a
365. ssuto biassiale 0 90 di fibre di lino 220 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Le fibre di canapa sono state selezionate in quanto sono le pi promettenti in termini di rapporto propriet meccaniche costo ed inoltre sono ampiamente coltivabili come lo erano nel passato nei climi europei Il tessuto ibrido canapa cotone B6240C stato scelto poich ha un costo inferiore a quello puro in canapa B607 Quindi si vuole valutare l eventuale opportunit di impiego di un tessuto che permette di raggiungere le medesime propriet meccaniche ma ad un costo inferiore Il tessuto di fibre di lino stato preso in considerazione dell elevate propriet meccaniche delle fibre e del fatto che queste possono essere coltivate nei climi europei Inoltre a differenza del Mat B607 e B6240 si tratta di un tessuto tecnico appositamente studiato e realizzato come rinforzo nei materiali compositi Mat Il tessuto non tessuto denominato mat un tappeto piano composto interamente da fibre di canapa a distribuzione random nel piano E stato fornito dall azienda Hemcore Ltd United Kingdom Si presenta di colore marrone chiaro tendente al giallo con una superficie ruvida e irregolare a causa dell eterogeneit delle fibre e della differente densit nel tessuto Le caratteristiche del feltro e delle fibre che lo costituiscono sono riepilogate in Tab 4 1 Le propriet del feltro e la lu
366. st di trazione sui filati ritorti del tessuto B6240C Osservando con attenzione la tabella il primo confronto che interessante analizzare tra le fibre di canapa estratte dal mat tal quale ossia in condizioni di umidit naturale ambientale e le stesse fibre dopo adeguato essiccamento in forno a 70 C fino al raggiungimento del peso costante Dal confronto del modulo elastico della resistenza a trazione e dell allungamento si evince che la procedura di essiccazione rende le fibre pi rigide maggiore modulo elastico e minore deformazione a rottura Questo effetto imputabile alla plasticizzazione creata dall umidit assorbita dalle fibre E da notar che la natura idrofila delle fibre vegetali porta all assorbimento di quantit di umidit notevoli fino al 10 15 in massa Per tale ragione tutti i test a trazione sono stati condotti sui filati opportunamente essiccati in forno ad una temperatura e per una durata sufficiente all evaporazione dell acqua assorbita dalle fibre E importante specificare che nel caso del tessuto non tessuto denominato Mat la prova di trazione effettuata su un bundle di fibre di cui costituito lo stesso tessuto mentre nel caso dei tessuti B607 e B6240C il test condotto su yarn di fibre che sono di tipo ritorto twisted Da qui fino alla fine della trattazione il bundle naturale di fibre di canapa estratto dal Mat verr chiamato semplicemente fibra Dalla tabella si ev
367. sti in direzione ortogonale su una base prefissata del tessuto larga ad esempio 10 cm e si riconduce tale numero proporzionalmente all unit di lunghezza prescelta Qui di seguito viene riportata a titolo di esempio la struttura di una scheda tecnica tipo per tessuti mono e bidirezionali La struttura suggerita risulta esauriente per numero e tipo di informazioni fornite 68 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE SCHEDA TECNICA tessuto non impregnato IL PRODUTTORE DEVE RIPORTARE I VALORI STATISTICI NECESSARI PER LA VALUTAZIONE DELLE RESISTENZE CARATTERISTICHE AD ESEMPIO MEDIA SCARTO QUADRATICO MEDIO POPOLAZIONE FRATTILE INTERVALLO DI CONFIDENZA Descrizione tessuto Tipo di armatura tela batavia raso spina ecc tipo di filato trama e ordito altri componenti ol tre alla trama ed all ordito finissaggi velo filo legatura ecc ed ogni altra informazione generale ritenuta utile Caratteristiche del tessuto Unita di Metodo di prova normativa di riferimento titolo filato ISO 1889 1997 E densita filato n filv em di ISO 4602 1997 E massa peso rdito me ISO 3374 2000 E modulo di elasticit normale a io MPa trazione resistenza a trazione ISO 4606 1995 E textile glass valore medio e caratteristico tra I ISO 13934 1 1999 E ISO 4606 1995 E textile glass ISO 13934 1 1999 E deformazione a rottura Caratteristiche del filato
368. sultato altresi importante perch spiega il maggior costo dei tessuti con filati intrecciati rispetto ai mat dove le fibre corte sono orientate casualmente e hanno lunghezze e forme differenti 2488 2152 Hemp A170 Glass 4 31700 L_ __ 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 Energy for production MJ t Carbon Fig 1 9 Energia richiesta per la coltivazione di alcune fibre vegetali in confronto all energia richiesta per ottenere alcune fibre sintetiche 44 YARN Vd 54 GJ tonne n 2 i 1 Giass fibre mat 54 7 Rei Glass fibre 31 7 Bea Fig 1 10 Energia richiesta per la coltivazione estrazione e trasformazione delle fibre vegetali di lino 45 1 3 1 1 COMPOSIZIONE CHIMICA La composizione chimica delle fibre vegetali gioca un ruolo chiave nelle caratteristiche delle fibre Questa dipende in primo luogo dalle condizioni di 34 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE crescita quindi dal tipo di terreno dal clima e dalle condizioni di invecchiamento In tabella 1 14 sono riportati i componenti chimici principali delle fibre vegetali che ad eccezione del cotone contengono cellulosa emi cellulosa lignina pectina cere sostanze solubili in acqua e volatili La cellulosa l elemento comune a tutte le fibre vegetali ed un polimero lineare non ramificato ottenuto per policondensazione del monomer
369. t 0 lt x lt L 2 Poich wo 0 per x 0 la deformazione w 2V 2V costante diventa trascurabile Il valore maggiore di w2 si ha nel centro della trave per x L 2 ed pari a _ WL A 5 2 av 100 La deformazione centrale totale A dato dalla sovrapposizione dello spostamento di flessione A con lo spostamento Az 173 Nee tie a 101 48D AV In generale lo spostamento di travi sandwich caricate simmetricamente con un core antiplane un concetto idealizzato di core in cui 0 0y Txy 0 ossia E 0 ma il taglio in direzione perpendicolare al piano non nullo a facce sottili si pu trovare similmente sovrapponendo le flessioni e le deformazioni di taglio w4 e w2 Le deformazioni di flessione si trovano col metodo usuale mentre quella di taglio integrando l equazione 98 Considerando la 99 in generale se questa viene integrata luungo la trave per ottenere la freccia l equazione risulatante si pu scrivere nel seguente modo M W y costante 102 Dall espressione si evince che il diagramma dello spostamento dovuto al taglio lo stesso di quello dovuto al momento flettente con l applicazione di un fattore 1 V Per esempio una trave semplicemente appoggiata di campata L caricata con un carico uniformemente distribuito q ha una deformazione centrale di flessione A4 uguale a 5qL 384D Poich il momento flettente al centro qL 8 la deformazione di taglio centrale A quindi
370. t molding compound SMC costituiti da una resina termoindurente parzialmente reticolata in cui sono disperse delle fibre corte Fig 2 10 Schema del processo di Compression Molding 2 5 3 STAMPAGGIO PER TRASFERIMENTO DI RESINA PER EFFETTO DEL VUOTO BAG MOLDING Questo processo viene di solito usato per pezzi grandi e complessi con ottima finitura su una superficie La polimerizzazione avviene di solito a temperatura ambiente e gli stampi sono di plastica mentre nel caso di polimerizzazione ad alta temperatura si fa uso di stampi metallici Il preformato posto sopra lo stampo maschio mentre quello femmina che consiste in un semplice sacco da vuoto chiude 129 il tutto A questo punto la resina viene inserita nella vasca alla base dello stampo mentre il vuoto viene creato da una apposita uscita posta in cima allo stampo eliminando l aria dal rinforzo All uscita della resina pura viene chiuso il sistema di vuoto lasciando polimerizzare il pezzo a temperatura ambiente o riscaldandolo Dopo indurimento della resina il pezzo viene staccato grazie ad una valvola posta allo stampo maschio insufflando aria in pressione Sile Tage tl a Resin drawn across and though N Te vacuum 7 interamente ty vacuum Pump j Vacuum Bag yf E Pesi Piy actor Hein terioa Fabre gt e Fainfoscement Stack Mould Taol Fig 2 11 Schema del processo di Bag Molding 2 5 4 RESIN TRANSFER MOLDING RTM Il Resin Transfer
371. tamento strutturale dei profili in materiale composito pultruso sono particolarmente avanzati nei paesi del Nord Europa e negli Stati Uniti primi ponti e le prime unit abitative interamente in composito cominciano a fare le loro apparizioni proprio in questi paesi un esempio il Kolding bridge realizzato in Danimarca 92 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Li rT se LI STIA F d E a T a A ier a Fig 1 65 Esempi di profile pultrusi FRP E stato di recente realizzato a Madrid un innovativo ponte realizzato in composito La struttura lunga 44 metri e larga 3 5 metri secondo il produttore Acciona la pi lunga costruzione portante a struttura unica senza giunzioni realizzata con polimeri rinforzati con fibre di carbonio Fig 1 66 Ponte in pultruso realizzato a Madrid dall azienda Acciona 79 93 Il ponte il risultato di un progetto co finanziato dalla Commissione europea finalizzato alla produzione di ponti in composito affidabili e a basso costo per il rapido rinnovo delle infrastrutture Progettato per essere il pi leggero possibile e per soddisfare nello stesso tempo i requisiti di trasporto della logistica e di installazione il ponte e stato realizzato con una resina epossidica con durezza elevata tissotropia chimica e bassa esotermia della Araldite rinforzata con 12 tonnellate di fibra Secondo Stefano Primi del reparto R am
372. tare le condizioni igrometriche di esercizio del materiale in quanto in grado di influenzare le sue caratteristiche termiche e di durata Non sempre tuttavia la possibilit di condensazione condizione assoluta di inaccettabilit del manufatto infatti entro certi limiti possibile tollerare la presenza per un periodo dell anno di condensa interstiziale La norma UNI EN ISO 13788 fornisce la procedura per la verifica della formazione di condensa interstiziale Per effettuare queste verifiche che debbono essere effettuate per ogni mese dell anno come prevede la Norma Europea necessario conoscere le temperature e le condizioni igrometriche di progetto interne ed esterne dell edificio e le caratteristiche di ciascuno strato di materiale componente la parete spessore conduttivit termica resistenza alla diffusione del vapore Il calcolo consiste nel determinare mese per mese il diagramma di Glaser cio seguendo le indicazioni di tale norma si calcolano i profili delle temperature e delle pressioni di vapore acqueo saturo ed effettivo all interno della parete se la pressione di vapore effettiva Pe raggiunge o supera quella della pressione di vapore saturo Ps si avr formazione di condensa nella parete Secondo la norma le condizioni interne di umidit dipendono dal tipo di utilizzo dei locali classe di concentrazione del vapore da bassa ad alta le condizioni esterne temperatura ed umidit dipendono dalla
373. te nella separazione dei layers tra di loro In un laminato composto da pi lamine tutte queste tipologie di rottura interagiscono tra loro e a posteriori una volta verificata la rottura del laminato risulta molto difficile poter individuare il fenomeno primario del cedimento Solo seguendo l evoluzione del cedimento con tecniche di monitoraggio come quella dell emissione acustica possibile stabilire la successione dei diversi tipi di cedimento criteri di rottura puramente empirici si pongono l obiettivo di capire il comportamento di un materiale semplicemente a partire da un numero minimo di parametri ottenuti da test La trattazione inizier prendendo in considerazione una singola lamina prima di proseguire nella trattazione dei laminati Nel caso di un layer sono stati ideati diversi criteri di cui i pi rappresentativi e pi usati sono Criterio della Massima Tensione Criterio della Massima Deformazione Criterio di Tsai Hill 3 3 1 1 IL CRITERIO DELLA MASSIMA TENSIONE Nella teoria della massima tensione il cedimento avviene quando almeno una componente dello stress lungo uno degli assi principali del materiale eccede il corrispondente parametro di resistenza carico di rottura in quella direzione Nel caso di sollecitazione nel piano 04 2 R1 2 2 R2 71 t12 2 R12 Si nota che non c alcuna interazione tra i modi di rottura e che quindi questo criterio pu essere suddiviso in tre sub criter
374. te una combinazione resistente di fogli di legno di balsa ecuadoriana e fogli di compensato ottenuto da legno di betulla canadese tenuti saldamente insieme da una particolare colla per legno inizialmente a base di caseina e poi modificata con l introduzione di formaldeide ritenuta pi resistente ai climi tropicali nei quali il Mosquito venne poi impiegato 80 Fig 1 85 Mosquito Sempre durante la Il guerra mondiale furono fatti i primi studi sui sandwich Negli anni 50 gli studi si concentrarono sui materiali a nido d ape di tipo metallico che furono usati principalmente nell industria aeronautica Tuttavia presentavano vari limiti ad esempio avevano grossi problemi di corrosione tis La Fig 1 86 Schema di sandwich con nido d ape 113 Dalla fine degli anni 50 furono prodotte savriate cellular plastics ovvero plastiche alveolari adatte come materiali da core Agli inizi furono usati materiali piuttosto morbidi per le loro propriet isolanti per esempio il polistirene o il poliuretano In seguito fu possibile produrre delle plastiche nidificate pi dure con densit pi elevata e da quel momento diventarono utilissimi ed adattabili ad ogni idea Oggi esistono una vastissima variet di plastiche nidificate con diverse qualit La prima schiuma polimerica utilizzata per produrre plastiche alveolari formulata specificamente per l ambiente marino stata una miscela di polyvinyl chloride PVC e isocian
375. tenente da sei ad otto semi avvolti in abbondante peluria di natura cellulosica bioccolo o bambagia che costituisce la fibra tessile chiamata cotone greggio Il cultivar del cotone per una perfetta resa ha bisogno di climi caldi tropicali o subtropicali latitudine compresa tra i 45 nord ed i 35 sud considerevole umidit alta insolazione terreni naturalmente molto fertili o fertilizzati artificialmente Nata come pianta perenne a seguito di continue selezioni e incroci stata trasformata in pianta annuale che completa il suo ciclo vitale in5 06 mesi principali produttori di cotone sono gli Stati Uniti la Russia e la Cina seguiti da India Brasile Pakistan Turchia Egitto e Sudan Le specie botaniche pi diffuse sono Gossypiurn irsutum ed il Gossypium barbadense quelle di minore importanza sono Gossypiuni herbaceum ed il Gossypium arboreum 49 Fig 1 21 La coltivazione del cotone La fibra viene classificata secondo standards di riferimento internazionali che ne prendono in considerazione la lunghezza la finezza la tenacita la maturit caratteri fisici naturali la pulizia la preparazione e l omogeneit caratteri fisici industriali Lunghezza varia da 10 a 60 mm ed una delle propriet pi importanti poich da essa dipende la grossezza titolo del filato ottenibile quanto maggiore la lunghezza delle fibre tanto pi sottile e quindi pi pregiato il filato che si pu ottenere In b
376. teriali da impiegare Come gi esposto nel capitolo 3 i convenzionali modelli previsionali regola delle miscele presenti in letteratura sono per lo pi sviluppati ed offrono risultati attendibili solo per compositi con rinforzi di tipo unidirezionale e di fibre sintetiche quindi in linea generale per materiali di natura omogenea es vetro resina Pochi studi sono incentrati sui compositi rinforzati con tessuti tecnici bi o multiassiali a base di fibre corte mat o yarn di fibre corte soprattutto se di natura vegetale Nel corso degli ultimi anni sono stati proposti alcuni modelli previsionali che permettono di apportare le opportune correzioni ai modelli classici della micromeccanica in relazione alle peculiarit dei tessuti di fibre vegetali Considerando che la letteratura scarna di pubblicazioni riguardo studi su tali modelli previsionali e non essendo possibile avere la certezza assoluta che essi si adattano al tipo di composito in esame si proceduto con lo studio e la validazione dei pi significativi modelli con i compositi oggetto dello studio 217 Considerando inoltre che un classico problema con i filati ritorti il loro diverso comportamento meccanico allo stato secco e reticolato all interno del composito 68 89 si pensato di finalizzare lo studio a sviluppare un approccio affidabile per determinare le propriet del filato in modo da poterle usare direttamente nei modelli previsionali per ottenere sempre p
377. termica e la conseguente sensazione di freschezza che trasmette quando viene indossato una ulteriore propriet che fa del lino una fibra tessile pregiata e dal costo piuttosto elevato Sebbene ancora oggi gli impieghi della fibra di lino sono quasi esclusivamente tessili in particolare la fibra ricercata nella produzione di capi d abbigliamento per la stagione estiva risultano numerose ricerche sul suo impiego anche nel settore della produzione dei materiali compositi a matrice polimerica Le fibre di lino provengono dai vasi liberiano delle piante ossia dal tessuto vascolare che si trova a ridosso della corteccia Le cellule base sono delle fibre elementari aventi lunghezza media di 2 5 cm e un diamtero compreso tra 7 e 30 micron Le cellule sono costituite da pareti spesse e lignificate che racchiudono un piccolo canale centrale vuoto ossia il lumen Le pareti delle fibre sono stratificate e attraversate da fini canicoli in parte ramificati in cui la parete cellulare pi sottile tali formazioni consentono gli apporti nutrizionali quando le cellule sono in vita La parete cellulare pu essere suddivisa in strati concentrici in cui si distinguono una cuticola esterna costituita da cere pectine e proteine una parete cellulare primaria 0 2 micorn 56 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE tre pareti secondarie che racchiudono il lumen 5 15 micron successione di strat
378. tessile il cambio che separa la parte corticale dalla parte interna legnosa dello stelo rappresentato da uno strato sottile di cellule di forma rettangolare allungata a parete fine lo xilema costituito da cellule legnose spesse e corte che sostengono la pianta durante la crescita il midollo posto all interno di una cavit localizzata o canale midollare se esistente al centro dello stelo Lo xilema la parte legnosa dello stelo ha forma di cilindro cavo a sezione decrescente dal basso all alto Allo stadio di maturit della pianta pu oscillare dal 50 ad oltre il 75 in peso dello stelo Il suo spessore varia sensibilmente dalla base ove risulta particolarmente ampio e sviluppato verso l apice dove si assottiglia fino a diventare erbaceo Da un punto di vista istologico lo xilema costituito normalmente da fibre corte relativamente larghe e ben lignificate disposte nel senso dello stelo a formare un cilindro continuo traversato dai raggi midollari Probabilmente la canapa tra le specie pi efficaci per migliorare i terreni negli avvicendamenti oltre ad essere una miglioratrice delle condizioni fisiche del terreno non depauperante per la fertilit e ha un effetto di contenimento sulle malerbe La semina e possibile quando la temperatura del terreno ha ormai raggiunto i 10 C da met marzo in poi preferibilmente intorno ai 12 14 C Ritardi nell epoca di semina possono provocare una riduzione nel
379. tex a disposizione random nel laminato prodotti in Bag Molding Hot Press Curing Dai grafici precedenti banale notare l elevata percentuale in volume di vuoti nei compositi reticolati in pressa ad una pressione nulla 0 MPa segno evidente che presente tra le fibre ma anche all interno della formulazione iniettata una notevole quantit di aria che pu essere eliminata attuando una pressione di compattazione e simultaneamente sottoponendo il composito ad una pressione relativa negativa E da notare il differente andamento della percentuale dei vuoti nei compositi rinforzati con B607 e B6240C in RTM e Bag Molding Hot Press Curing Infatti mentre nei laminati in B607 la percentuale dei vuoti cresce col crescere della percentuale del rinforzo nel caso dei laminati in Bag Molding il trend esattamente l opposto Questo sicuramente dovuto ai livelli elevati di compattazione raggiunti in pressa che sopratutto nel caso dei 25 MPa sono paragonabili alla pressione di compattazione esercitata per ricavare i cilindri di fibra per la prova di densit in cui si cercato di ridurre al minimo il volume del lumen 319 4 5 5 CARATTERIZZAZIONE MECCANICA DEI LAMINATI IN COMPOSITO E CONFRONTO CON MODELLI PREVISIONALI compositi realizzati con i due processi produttivi sono stati testati sia a trazione che a flessione a tre punti per conoscere le grandezze ingegneristiche indispensabili per poter effettuare un confronto ed eventua
380. ti deve poter rimanere allo stato solido e non viscoso per poter assicurare una certa tenuta tra le fibre di rinforzo A tal proposito si pu fare riferimento al seguente schema Tab 1 1 Classi di matrici di esercizio i lt 250 C Polimerica Metalllica aN Ceramica rinforzi possono essere di tipo particellare o fibroso Il rinforzo fibroso solitamente viene aggiunto alle matrici polimeriche allo scopo di rinforzare la matrice il rinforzo di tipo particellare viene utilizzato spesso come riempitivo e o stabilizzante Fibre Tensione Composit Polimeri Deformazione Fig 1 1 Principio delle azioni combinate per la resistenza meccanica di un materiale composito a matrice polimerica Il rinforzo pu essere costituito da fibre discontinue se le fibre sono di lunghezza confrontabile con quella dell elemento di struttura che compongono o da fibre continue se sono lunghe e continue per tutta la lunghezza a disposizione Fig 1 2 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Fibre corte POU NANA Tessuti Fig 1 2 In senso orario compositi con fibre corte whiskers disposte casualmente con fibre lunghe unidirezionali con tessuti multidirezionali Nel caso che le fibre siano disposte parallelamente tra loro nella matrice si parla di compositi unidirezionali e si ottengono propriet meccaniche del materiale spiccatamente anisotrope questa la ca
381. ti sono di fibra arammidica Kevlar Altre significative applicazioni dei materiali compositi nel campo dell Ingegneria civile hanno riguardato alcuni edifici sperimentali aventi particolari destinazioni Due esempi importanti sono l edificio della Compaq Computer Corporation a Houston in Texas e l edificio della Apple Computer in California In entrambi i casi la scelta dei materiali compositi stata motivata dall esigenza di evitare possibili interferenze tra i campi elettromagnetici interni ed esterni Particolarmente interessante anche l Eyecatcher Building realizzato nel 1999 a Basilea con pultrusi di GFRP incollati e bullonati Un altro settore in cui stanno trovando largo impiego le strutture di materiale composito quello delle piattaforme off shore Per esse la particolare aggressivit dell ambiente circostante rende molto vantaggioso l uso degli FRP la cui elevata resistenza alla corrosione consente di ridurre drasticamente i costi di manutenzione Esempi significativi ne sono la Mars 90 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Tension Leg realizzata dalla Shell Petroli nel Golfo del Messico e la piattaforma costruita a Freeport in Texas per la Dow Chemical Nel recente passato anche in Italia si avuto il diffondersi di differenti tipologie di applicazioni degli FRP nel settore dell edilizia sia a carattere provvisorio che definitivo Tra le poche esperienze si posso
382. tivamente come g 2 142 Ta 142 ll e 143 in cui Ag l area della sezione del provino prima del test l la lunghezza iniziale del provino e quella durante la prova dopo che il carico F stato applicato In tal modo si ottengono dei valori che vengono riportati nel diagramma sforzi deformazioni stress strain curve Deftrmarione dell 00 2h i Delormarione totale E __l Fig 3 39 Diagramma sforzi deformazione 194 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Inizialmente quando il carico ha un valore basso il materiale si allunga elasticamente ovvero pu riprendere la sua lunghezza originaria se il carico torna a zero la curva segue infatti un andamento lineare rappresentato dalla legge di Hooke o Ee 144 in cui la costante di proporzionalit E il modulo d elasticita o di Young valori di o che descrivono il tratto iniziale rettilineo la cui pendenza data da E definiscono il campo elastico Se la rottura avviene in campo elastico si parla di materiale fragile Alcuni materiali ad esempio la ghisa grigia presentano un andamento non lineare nella parte elastica della curva stress strain in questi casi E non determinabile come scritto in precedenza ma si considera il modulo d elasticita tangente o secante definiti rispettivamente come la pendenza della retta tangente alla curva ad uno specifico valore di o come la pendenza
383. to dal picnometro della temperatura e della densit dell acqua distillata con cui lo strumento riempito Grazie ad una serie di misurazioni di peso si riesce a risalire al volume del campione da analizzare In particolare il metodo consta delle seguenti fasi 1 Peso a vuoto del picnometro asciutto compreso il tappo capillare Woo Peso del sistema riempito di acqua distillata a temperatura nota Peso del sistema asciutto e del campione in esso inserito Peso del sistema contenente il campione e colmato di acqua Fig 4 41 Picnometro impiegato per le misurazioni di volume Effettuando la differenza tra il primo peso W e il secondo si ottiene il peso della quantit massima di acqua che pu contenere il picnometro Ww Dalla fifferenza di peso tra la misurazione 4 e 3 si ottiene il peso di acqua che colma il volume lasciato libero dal campione all interno del picnometro W yn Conoscendo il peso del campione W si pu ricavare la misura della densit tramite la formula _ Wc Pw 5 n We Ww Wwn i Ww Wwn Pw Pw Pc 258 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE Nel caso studio poich le fibre vegetali sono fortemente idrofile per evitare il problema dell assorbimento di acqua si pensato di rivestire ciascun campione con della paraffina di densit nota Il peso e il volume di paraffina impiegati sono stati tenuti in conto nei calcoli considerando il sistema c
384. truzioni civili realizzate interamente con materiale composito sia in campo nazionale che internazionale principali fattori che ne hanno contenuto l utilizzo sono rappresentati dagli elevati costi del materiale dal problema dei giunti e delle unioni dall assenza di una consolidata modellazione meccanica del loro comportamento strutturale e conseguentemente di normative di riferimento Le esperienze finora maturate in campo internazionale hanno riguardano soprattutto la realizzazione di strutture assemblabili quali ponti e passerelle pedonali di strutture off shore e la costruzione di edifici a carattere sperimentale In particolare le applicazioni nel settore civile sono consistite soprattutto nell assemblaggio di profili pultrusi il cui uso pu comportare una riduzione delle masse strutturali fino al 70 rispetto ai materiali tradizionali ed assicurare tempi ridottissimi di montaggio senza richiedere un impiego eccessivo di manodopera e o di equipaggiamenti pesanti compositi fibrosi non rappresentano un invenzione recente bens le prime applicazioni nel campo delle costruzioni non si sono avute se non dopo gli anni 80 sia per l elevato costo sia per l alto contenuto tecnologico dei prodotti i quali richiedevano condizioni d uso di laboratorio Considerando l elevato standard di prestazioni di materiali compositi in termini di efficacia durata manutenzione e costi l applicazione dei compositi rinforzati con fibre naturali come m
385. ttavia poich i fornitori di componenti di questi produttori sono gli stessi dei produttori di massa si verificato e continua a verificarsi un trasferimento di competenze tra queste aziende Oggigiorno tutti i modelli BMW e Mercedes usano fibre naturali per alcuni componenti quali fodere rivestimenti e cappeliere Altri OEM ad esempio Ford Opel Renault Peugeot Citroen e FIAT lavorano meno alla definizione dei materiali ma li utilizzano ugualmente 19 Tab 1 20 Compositi in fibra naturale per diversi modelli di automobili DP door panel IP instrumental panel Material Fibres Resin PEGISHSS In Production body parts IP Opel Astra PARE Acryl resin IP DP air Zafira Volvo V40 PERR NORRIE dispersion channel DP Opel Astra Zafira IP DC A class New Compact Car Mitsubishi i IP and DP Colt Smart 44 Fibiowoodi VOCce IEBo Ery TOSIN Seat DP New wood fibre mat dispersion i adjustment Compact Car Mitsubishi Colt Opel Astra DC DP C219 Fibropur neue poled polyurethane DP DP DC S E class fibre mat Natural l fibre EP Bast fibre mat Epoxy resin DP DP BMW5 series DP Inserts EcoCor Bast PP fibre ele l seat Re RANGO Thermoplastic Clio adjustment Seat adjustment Opel Zafira N coe our PP DP DC W 251 Polixil extrudate DP ares lates thermoplastic Dp Fiat punto p Bravo Alfa 147 155 FibreTec Coir fibre Latex Ca DS DIVEISE upholstery series Tab 1 21 Costruttori di automobili e modelli che utilizzano l
386. tura nel legno delle piante un polimero di natura fibrosa la cellulosa tenuta assieme da sostanze cementanti come la lignina nelle ossa degli animali il tessuto connettivo contiene particelle di idrossiapatite compositi sono generalmente costituiti da una fase continua detta matrice e da una discontinua che viene detta rinforzo anche se la sua funzione non sempre quella di rinforzare Alla seconda sono principalmente demandate le propriet meccaniche del materiale resistenza e rigidezza la prima invece aderendo alle fibre permette di trasferire i carichi esterni applicati Questa trasmissione avviene per effetto di tensioni tangenziali Inoltre la matrice oltre a stabilizzare a compressione il composito ha la funzione di tenere insieme e proteggere le fibre e di realizzare la forma del pezzo 2 In definitiva un materiale composito un materiale multifase che pu essere creato artificialmente e diverso dai costituienti in base al principio delle azioni combinate l ottimizzazione di una propriet viene ottenuta mediante l attenta e studiata combinazione di due o pi materiali differenti a costo anche di peggiorarne alcune altre Le matrici possono essere di tipo polimerico PMC s Polymer Matrix Composites metallico o ceramico 14 Tale distinzione ancor prima che per motivi costruttivi o meccanici si rende tanto pi utile quanto pi si risentono gli effetti della temperatura di esercizio 3 4 La matrice infat
387. uest ultima consente non solo di rimuovere sostanze estranee ad esempio ossidi ma anche di assicurare la rugosit superficiale necessaria In alcune situazioni prima di stendere l adesivo pu essere opportuno applicare sul substrato un primer con funzione di compatibilizzante Ovviamente l utilizzo di lamine pultruse preformate richiede in aggiunta un adeguata pulizia della faccia della lamina che verr poi incollata sul supporto In alcuni casi le lamine sono protette da una pellicola che mantiene la faccia in questione al riparo da agenti contaminanti esterni La pellicola va rimossa solo al momento dell applicazione del rinforzo E importante sottolineare che qualsiasi trattamento superficiale deve essere necessariamente eseguito subito prima dell applicazione del rinforzo onde evitare il pericolo di ricontaminazione Tra gli agenti contaminanti in aggiunta a tutte le possibili sostanze estranee presenti in cantiere va tenuto in conto l umidit infatti buona norma assicurare che le superfici di incollaggio siano ben asciutte prima dell applicazione dell adesivo In sintesi gli adesivi devono avere soprattutto una ottima resistenza a taglio per garantire un idoneo trasferimento degli sforzi tra gli strati ma anche una buona resistenza agli sforzi di trazione La regola base che comunque gli adesivi devono avere una resistenza pari superiore a quella del core Inoltre devono avere possedere buona bagnabilit per aumentare
388. validi come riferimento non si prestano per ad essere impiegati direttamente nei calcoli materiali infatti in particolare quelli isolanti assumono in esercizio caratteristiche diverse da quelle di prova L assorbimento di umidit provoca un aumento della conducibilit termica questo assorbimento dovuto alle caratteristiche costituzionali del materiale per esempio igroscopicita influenzate a loro volta dall ambiente in cui il materiale installato ambiente interno esterno a contatto del terreno ecc Altri fattori in grado di variare in qualche misura la conducibilit termica in esercizio dei materiali isolanti rispetto a quella di prova sono per esempio l invecchiamento il costipamento per materiali sfusi le tolleranze di produzione sullo spessore sulla densit e sulla omogeneit la messa in opera ecc Per questa ragione le norme UNI forniscono i valori della conducibilit di calcolo ottenuti maggiorando opportunamente i valori della conducibilit di prova per tenere conto dei fattori sopra esposti 287 Si noti tuttavia che questi valori tengono conto della sola umidita di equilibrio con l ambiente nelle varie condizioni di impiego non tengono invece conto ne lo potrebbero in alcun modo dell effetto della eventuale condensazione di umidit atmosferica all interno del materiale in conseguenza di particolari condizioni di esercizio Scopo della verifica termoigrometrica appunto quello di accer
389. vo stato perseguito agendo sui parametri da cui dipendono le propriet meccaniche ossia il contenuto in volume di rinforzo l interfaccia tra fibra e matrice il contenuto di vuoti nei compositi Per raggiungere l obiettivo sono stati adottati due processi produttivi simili ma a differente contenuto tecnologico Il secondo processo adottato Bag Molding e reticolazione in pressa a temperatura controllata ha 218 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE permesso di raggiungere percentuali in volume di rinforzo maggiori rispetto al primo processo RTM Per ottimizzare l interfaccia tra i due costituenti base stata valutata l opportunit di impiego di una serie di trattamenti superficiali sulle fibre L influenza dei trattamenti stata monitorata direttamente sulle caratteristiche fisico meccaniche delle singole fibre filati e in esercizio nei compositi A tal proposito il comportamento dei compositi prodotti stato caratterizzato mediante analisi meccaniche quasi statiche sia in trazione che in flessione Inoltre su un numero rappresentativo di campioni stata condotta una campagna di scansioni al microscopio volta a determinare l eventuale presenza di difetti interni La prima fase dello studio si conclusa con la determinazione sperimentale della conducibilit termica dei compositi utile in campo applicativo quando richiesto ai materiali un livello minimo di i
390. y Ty 0 che comporta il calcolo della tensione tangenziale nei piani verticali utilizzando il modulo di taglio modificato con l espressione 117 Go E Cc 1 GE tc O G La rigidezza flessionale D considerando una larghezza b 1 m del pannello stata calcolata con l espressione 80 sviluppata in modo da tenere in conto della diversit di modulo a compressione e a trazione delle pelli esterne seppure di uguale materiale e spessore bc bt btd D C mu Ep Em ru Be ao Utilizzando il modulo di taglio corretto e la rigidezza flessionale e possibile calcolare le tensioni massime agenti nel pannello utilizzando le espressioni da 126 a 130 dopo aver determinato i valori di B3 B4 Bs Be e B7 dai diagrammi relativi in funzione del rapporto a b che sono le dimensioni in pianta del pannello tensione normale massima nelle pelli esterne al centro del pannello qb eF B3 vrba qb Oy Ty Ba v B3 tensione tangenziale massima nelle pellie sterne agli angoli del pannello qb Ty real 7 Vp Bs 280 SVILUPPO DI MATERIALI COMPOSITI RINFORZATI CON FIBRE NATURALI PER L INGEGNERIA CIVILE tensione tangenziale massima nel core a meta dei lati lungo il perimetro del pannello qb txz a Pe qb tyz ali I valori calcolati sono stati confrontati con i corrispondenti valori di resistenza L abpbassamento massimo che si verifica al centro del pannello stato calcol
391. zazione significativa dal punto di vista statistico considerando che le fibre hanno una notevole variabilit di composizione chimica e di struttura fisica quindi di propriet meccaniche ad esse connesse sono state condotte 50 prove di trazione su altrettante fibre o yarn di fibre estratte da ciascun tessuto Poich la macchina di trazione a disposizione non consente di testare fibre di diametro dell ordine della decina di micron causa lo scorrimento della fibre lungo i morsetti si adottata una tecnica ormai consolidata 93 che si rivelata efficace anche nella circostanza attuale La tecnica consiste nel ridurre i 50 campioni prelevati ad una lunghezza di circa 25 mm che successivamente vengono incollati ciascuno su un pezzo di carta di forma quadrata di lato 45 mm che all interno ha un foro quadrato di lati paralleli al perimetro esterno e di dimensioni pari a 15mm Tali cornici hanno il duplice scopo di evitare il fenomeno del pull out l attrito che si sviluppa tra le pinze e la carta non permettono invece tale scivolamento ma anche quello di permettere un allineamento preciso della fibra rispetto alasse della macchina 233 45 mm 45 mm 15 mm Fig 4 19 Cornice di carta per la prova di trazione della fibra Fig 4 20 Campioni pronti per il test a trazione L adozione delle dimensioni su esposte ha un fondamento scientifico Ipotizzando di avere una fibra di lunghezza indefinita tagliand

sviluppo di materiali compositi rinforzati con fibre naturali per l

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