Stoffa da Campioni

La continua richiesta di prestazioni, che comprendono vari criteri tra cui peso, proprietà meccaniche e costi, spingono al limite l’utilizzo dei materiali tradizionali. Pertanto la scelta di ricercatori e progettisti è o di migliorare le proprietà dei materiali tradizionali oppure orientarsi verso nuovi materiali. I “compositi” sono un esempio di quest’ultima categoria.
I materiali compositi in realtà non sono una novità, gli stessi mattoni, costituiti da fango rinforzato con paglia costituiscono un antico esempio di materiale composito, ovvero un materiale fatto di due o più costituenti distinti. Un composito molto familiare è il calcestruzzo, costituito da una miscela pietrosa tenuta insieme dal cemento.
Negli ultimi quarant’anni si è assistito ad un rapido sviluppo nella produzione di compositi sintetici: fibre di diversa origine incorporate in una matrice polimerica. Questo tipologia di composito ha come vantaggio rispetto ai materiali tradizionali un più alto rapporto rigidezza/peso e resistenza/peso.
I campi di applicazione spaziano dall’automobile (pannelli, accessori, paraurti, ecc.) alla nautica (scafi, coperte, alberi, pannelli in ternI), all’aerospazio (ali, pale degli elicotteri, pannelli, serbatoi, ecc.) ai prodotti domestici (sedie, tavoli, pannelli, scale, accessori per il bagno, ecc.) e del tempo libero (roulotte e caravan, racchette, mazze da golf, canne da pesca, surf e canoe, piscine, ecc.) al settore eolico (pale degli impianti di produzione di energia).
Si è già accennato che un composito è una mistura di due diversi materiali costituenti o fasi, ma questa definizione non è sufficiente, per poter parlare di materiale composito esso deve soddisfare altri criteri. Primo, entrambi i costituenti devono essere presenti in quantità ragionevole (maggiore del 5%); secondo, i costituenti devono avere proprietà e caratteristiche differenti in modo che il materiale composito che ne deriva è un materiale con caratteristiche nuove, molto diverse dalle proprietà dei singoli costituenti. Ultimo, il materiale composito viene prodotto dall’uomo miscelando e combinando le diverse fasi. Pertanto una lega con due fasi di diversa microstruttura prodotta durante la solidificazione da una miscela omogenea o da un trattamento termico del solido non è classificabile come composito.
Le fasi di un materiale composito si distinguono in:
– matrice: il costituente che è presente in modo continuo (la resina )
– rinforzo: il costituente che aumenta le proprietà meccaniche della matrice (le fibre)
Le matrici più comuni nei compositi sono di natura polimerica e si possono suddividere in tre classi: termoindurenti (epossidiche, poliesteri, vinilesteri, ecc), termoplastiche (acriliche, nylon, policarbonati, polipropilene, ecc.) e le gomme.
Le resine termoindurenti sono quelle utilizzate per applicazioni nautiche, aeronautiche, aerospaziali, eolico e automobilismo sportivo, mentre le resine termoplastiche sono largamente utilizzate per la produzione in serie nell’automobilismo. In seguito parleremo solamente delle prime.
Mescolando una resina termoindurente con il proprio indurente specifico e somministrando calore e/o pressione, essa inizia un processo di catalisi che porta alla formazione di legami tra le molecole e di conseguenza al passaggio dalla fase liquida alla fase solida. Tale processo di catalisi nei materiali termoindurenti è irreversibile e un riscaldamento della resina completamente catalizzata oltre una certa temperatura (temperatura di transizione vetrosa) provoca semplicemente il degrado del materiale.
La resina che sicuramente domina il mercato in quanto la più economica e facile da maneggiare è la resina poliestere. Le resine epossidiche sono più costose e viscose e quindi rendono il processo di impregnazione più difficoltoso; inoltre a causa della chimica del processo di catalisi, resina e indurente devono essere miscelate con la massima precisione nelle proporzioni, particolare meno importante per le resine poliesteri. Tuttavia le più alte proprietà meccaniche e la resistenza a più alte temperature rende le resine epossidiche più vantaggiose per la produzione di strutture ad alte prestazioni. Un altro vantaggio della resina epossidica rispetto alla poliestere, molto importante per le applicazioni nel settore nautico, è la maggiore resistenza all’acqua; tanto vero che i trattamenti anti-osmotici che si effettuano sulle imbarcazioni consistono in linea base nell’applicazione di uno strato esterno di resina epossidica.
Le resine vinilesteri sono un compromesso tra le due, più economiche delle epossidiche e con proprietà meccaniche e resistenza alla temperatura e all’acqua maggiore delle poliesteri.Tabella 1

Per quanto riguarda i rinforzi, la ricerca si è orientata nello sviluppo di materiali fibrosi di alto modulo elastico e resistenza e preferibilmente di bassa densità. Le fibre sono poi combinate in modo da fornire le necessarie proprietà strutturali al prodotto.
Il lettore sicuramente avrà familiarità con le varie fibre naturali quali il cotone, la seta, la lana, la iuta, ecc. utilizzate per i tessuti e per le corde. Queste non vengono utilizzate nei compositi sintetici sia per le loro basse proprietà meccaniche specifiche sia per la facile deperibilità.
Un confronto delle proprietà meccaniche delle fibre generalmente utilizzate nei compositi (vetro, aramidici e carbonio) sulla sola base di resistenza e rigidezza non mette in luce un chiaro vantaggio nel loro utilizzo rispetto ai materiali tradizionali, ad esempio rispetto ad alcune leghe metalliche. Il vantaggio dei compositi sui metalli risiede nella loro bassa densità. Pertanto il reale beneficio si valuta analizzando le proprietà meccaniche specifiche, ovvero per unità di massa. Più alto è il modulo elastico specifico e la resistenza specifica delle materie prime e minore sarà il peso del prodotto a parità di proprietà meccaniche.

I rinforzi nei compositi si possono trovare sotto diverse forme:
– singolo filamento
– unidirezionali
– biassiali e multiassiali
– tessuti
– MAT

Gli unidirezionali sono costituiti da molte filamenti affiancati, orientati nella stessa direzione, eventualmente tenuti insieme da una cucitura leggera. L’orientamento delle fibre viene indicato dall’angolo che esse formano con l’asse longitudinale del tessuto. Pertanto un tessuto di unidirezionale a 0° indicherà una pezza in cui le fibre sono orientate parallelamente all’asse del tessuto.
I biassiali/multiassiali sono una combinazione di due o più strati unidirezionali cuciti uno sull’altro. Un biassiale a +45°/-45° sarà la sovrapposizione di uno strato unidirezionale con le fibre orientate a +45° ad uno strato orientato a –45°.
Nei tessuti trama e ordito si incrociano in diversi modi dando origine ad una vera e propria tela.
Finora abbiamo parlato di fibre “lunghe” ovvero finora si è supposto che i filamenti delle fibre siano molto lunghi e idealmente non si interrompano per tutta la lunghezza del tessuto. Il MAT è invece costituito da un aggregato di filamenti corti (circa 10 cm) tenuti insieme da cuciture o colla.
I rinforzi possono inoltre essere interamente costituiti da filamenti di un solo materiale oppure essere “ibridi”, ovvero costituiti da h b n due materiali diversi. Un esempio sono i tessuti in cui trama e ordito sono costituiti l’uno da carbonio o vetro e l’altro da fibra aramidica; oppure unidirezionali di vetro e carbonio, in cui i filamenti di vetro sono intervallati da filamenti di carbonio, ecc.
Si puntualizza che le proprietà meccaniche inserite nella tabella 2 si riferiscono alla sollecitazione di un filamento parallelamente al proprio asse.
Per alleggerire ulteriormente una struttura si può ricorrere alla costruzione cosiddetta “sandwich”: due lamine di composito costituito da matrice e rinforzo sono separate, ma solidamente incollate, da un materiale molto leggero (anima). Questo tipo di struttura, permette di incrementale le proprietà meccaniche a flessione della struttura aumentandone di poco il peso. I materiali utilizzati più frequentemente sono la balsa e la schiuma di PVC.

Tabella 4. proprietà di alcuni dei “core” più usati

Densità (Kg/m3) Resistenza a taglio long. MPa
Balsa 96 0,1
PVC 80 1,2
Honey comb Al 80 2,5
Honey comb aramidico 80 2,7

Lo spettro delle combinazioni possibili tra i vari materiali per realizzare uno scafo è pertanto apertissimo, potendo accoppiare strutture a sandwich con monolitici e questi a loro volta con resine e fibre differenti; il target di utilizzo della barca definirà una prima sgrossatura (crocera o regata), il prezzo della stessa contribuirà ugualmente al restringimento delle possibilità; così come l’esperienza del cantiere costruttore e la creatività del progettista.