Materiali:

 

Per la realizzazione del manubrio e della ruota si è deciso l’utilizzo del nylon di tipo PA66 caricato col 30% di fibre di vetro, mentre per la realizzazione del telaio è possibile utilizzare lo stesso nylon con fibre più lunghe. In questo modo si conferisce al telaio la rigidezza necessaria (per la presenza delle fibre), ma non fragile per la presenza del nylon che è ben deformabile.

 

Le proprietà del nylon

Sotto il profilo applicativo, le resine poliammidiche hanno un aspetto untuoso e ceroso che, comunque, non risulta sgradevole al tatto. Da esse si possono ricavare manufatti che resistono ai solventi, agli oli, ai grassi, alle soluzioni saline e agli acidi diluiti, oltre che resistenti all'usura e dotati di proprietà autolubrificanti. Apprezzate anche le caratteristiche di resistenza meccanica, la rigidità, la stabilità dimensionale, le caratteristiche estetiche e la lavorabilità anche quando è necessario ottenere parti stampate di ridotto spessore.

Le poliammidi possono essere trasformate utilizzando quasi tutte le tecniche in uso per i termoplastici: stampaggio a iniezione, compressione, soffiaggio, estrusione, sinterizzazione o lavorazione all'utensile, mentre i semilavorati possono essere torniti, fresati, tagliati, chiodati, cuciti,saldati a caldo o con ultrasuoni.

I polimeri base si prestano magnificamente ad ogni genere di "variazione sul tema": oltre a modificarne le caratteristiche di base con il sapiente impiego degli ingredienti durante la polimerizzazione, il chimico può ricorrere ad additivi dalla più diversa natura e struttura fisica. In questo caso è particolarmente importante la geometria delle particelle del modificante, espressa dal rapporto di forma, cioè dal rapporto tra la dimensione maggiore e quella minore del modificante incorporato che condiziona le prestazioni finali del compound finale.

 

Nylon 6.6

 

Furono gli americani a stabilire il criterio di denominazione dei nuovi materiali: una cifra, o un gruppo di cifre, in base al numero di atomi di carbonio dei costituenti fondamentali della catena molecolare. Il Nylon 6.6, per esempio, deve il suo nome al fatto di essere ottenuto dalla reazione dell'esametilendiammina con l'acido adipico (il primo "6" indica il numero di atomi di carbonio della diammina, il secondo quello degli atomi di carbonio dell'acido adipico).

Rispetto al nylon normale è più duro, più tenace e più fragile. E' da preferire al nylon 6 quando si richiede una buona lavorabilità alle macchine automatiche. Viene usato per diverse applicazioni:
-meccaniche: per la più alta rigidità rispetto al nylon normale è usato nell'industria meccanica quando viene privilegiata questa caratteristica a scapito della resistenza all'urto per l'ottenimento di ingranaggi, cammes, pulegge, guide antiusura, ruote e pezzi meccanici in genere;
-chimiche: resiste agli alcali, ai composti inorganici ed ai solventi;
-elettriche: il variare delle caratteristiche elettriche conil variare dell'umidità assorbita ne limita  

 fortemente l'uso nel settore elettrico;
-alimentari: può essere usato in alcuni casi a contatto con alimenti.


 

 

 

Caratteristiche:


E' resistente all'usura, anche per usi gravosi. Il coefficiente d'attrito è basso e in linea di massima gli scorrimenti non richiedono lubrificazione. La durezza è superiore al nylon 6, ha quindi un'elevata resistenza alla trazione e alla compressione. Resiste all'invecchiamento e agli agenti atmosferici. Colore: naturale. Temperature d'esercizio: - 20 ° + 120° C. Peso specifico: kg 1,15 per mm/mq.

 

 TABELLA 1
PA ed altri polimeri a confronto

Polimero

Densità
(g/cm3)

Temperature in uso continuo (°C)

Temperatura di decomposizione
(°C)

Temperatura di autoaccensione (°C)

 

Calore di combustione
Kj*Kg E-01

PA 6

1,13

120

300-350

450

32.000

HDPE

0,96

100

340-400

350

46.500

PP

0,91

100

330-410

400

46.000

PS

1,05

80

300-400

490

42.000

ABS

1,06

80

-

480

36.000

SAN

1,08

80

-

455

-

PVC

1,4

60

200-300

455

20.000

PTFE

2,2

300

510-540

580

4.500

PMMA

1,18

95

170-300

450

26.000

PET

1,34

130

285-305

480

21.500

PC

1,2

100

350-400

-

31.000

 

 

 

 

 

 



Applicazioni recenti

La versatilità delle resine poliammidiche si manifesta in tutta la sua ampiezza nella fabbricazione di manufatti che non richiedono operazioni aggiuntive di finitura.
Cominciamo dalle applicazioni domestiche: nelle teste di aspirazione dei moderni aspirapolvere sono integrate numerose funzioni accessorie che tendono a renderle più pesanti. Nello stesso tempo la maggiore lunghezza dei tubi di prolunga, e il conseguente aumento del braccio di leva, sottopone questi elementi a severe sollecitazioni che sconsigliano l'impiego del tradizionale ABS.
Il problema è stato risolto dalla Tek K.K. (una controllata della Toshiba) con l'adozione di una resina poliammidica che ha superato i 10.000 cicli di prova (normalmente, i test si limitano a 1.000 cicli). Data l'elevata resistenza alla trazione e all'urto di questo tecnopolimero, il maggiore costo unitario del materiale è stato compensato riducendo lo spessore delle pareti dei tubi, con evidenti vantaggi per la leggerezza e la manovrabilità dell'aspirapolvere.
Le poliammidi vengono anche usate dalla Mercury Marine per le coperture dei sistemi di avviamento a strappo di alcuni dei suoi motori fuoribordo. Inutile ricordare che questi propulsori vengono utilizzati in ogni condizione di mare e di clima, dal freddo estremo al caldo umido dei tropici, spesso in condizioni che non lasciano eccessivo spazio alla delicatezza da parte degli utilizzatori. A questo si aggiunge il particolare posizionamento del componente, che una volta fissato sul motore si trova internamente a contatto con parti metalliche che possono raggiungere la temperatura di 130°C mentre, all'esterno, è sottoposto all'aggressione da parte dell'acqua, dei combustibili, dei lubrificanti e delle radiazioni UV.

 

Fibre

Nella produzione dei rinforzi BETONTEX vengono utilizzate fibre speciali dell’ultima generazione, già largamente sperimentate nella costruzione aerospaziale e nei materiali compositi:

Le fibre aramidiche hanno proprietà meccaniche elevate,con un modulo elastico simile a quello del vetro ma con un carico di rottura nettamente superiore; hanno elevato allungamento a rottura ( sono meno fragili delle fibre di carbonio,con una maggiore capacità di sopportare deformazioni). Rispetto alle fibre di vetro e di carbonio hanno densità più bassa ma presentano tuttavia maggiore assorbimento d’acqua, minore resistenza alle variazioni del PH e maggiore sensibilità alle radiazioni, in particolare ai raggi UV. Per tale motivo se ne consiglia l'uso in combinazione con le fibre di carbonio o di vetro (Rinforzi Ibridi).

Le caratteristiche dei diversi tipi di fibre utilizzate per la realizzazione e produzione dei rinforzi Betontex sono riportate nella tabella seguente:

 

 

 

 

Proprietà Fisico - Meccaniche di fibre ad alto Modulo utilizzate nella produzione dei rinforzi Betontex

 

 

Aramidica ppta

Carbonio

Vetro

Pva-ht

Carico di Rottura a Trazione

(Mpa)

2.800

4.800

2.000

1.400

(Kg/mm^2)

285

489

203

143

Modulo Elastico a Trazione

(Gpa)

80

240

73

29

(Kg/mm^2)

7.840

24.400

7.448

2.954

Allungamento a Rottura

(%)

3,8

2,0

3,5

6,0

Assorbimento d'acqua

(%)

4,5

0,1

0,5

4,0

Densità

gr/cm^3

1,44

1,78

2,58

1,2

Si può notare come le fibre di carbonio presentino un modulo superiore all’acciaio : si osserva inoltre che, mentre l’acciaio presenta uno snervamento compreso tra 500 e 1100 MPa, il carbonio può sopportare i carichi anche oltre al punto di snervamento dell’acciaio con valori di resistenza ultima estremamente elevati

 

Materiali compositi

Quando due o più materiali vengono mescolati assieme, il materiale composito risultante ha molto spesso proprietà fisiche che sono considerevolmente diverse dalle proprietà dei singoli costituenti.

Molti prodotti tessili tecnici si presentano sotto forma di materiali compositi tessili, che consistono di due o più materiali di diversa natura, collegati tra di loro per adesione o coesione (mediante un terzo materiale).

Tipiche loro forme di presentazione sono:

Sotto il profilo della struttura, oltre ai tessili spalmati (supporti tessili, superficie o substrato in plastica) meritano considerazione le sostanze plastiche a contenuto tessile (supporto in plastica, strato esterno in materiale tessile). I componenti sono collegati tra di loro di solito per adesione (metodo tipico per i prodotti leganti).

Si hanno poi le strutture composite: una struttura composita flessibile o rigida è formata da un substrato in tessuto di fibre impregnate e protette da una matrice polimerica flessibile o rigida.

Le strutture di rinforzo

    • Un intreccio piano viene utilizzato per tessuti da impregnare e ricoprire con una matrice polimerica al fine di eliminare l’incurvamento dei filamenti fuori dal piano del laminato e di ottenere un materiale con proprietà elastiche più uniformi.
    • In questo tipo di struttura, i filamenti della trama sono solo appoggiati su quelli dell’ordito (non intrecciati con essi) e vengono successivamente cuciti fra loro con un filamento molto leggero.
    • Le fibre possono essere disposte in modo ordinato (tese ed allineate) o disordinato (curve e non allineate come nei mat). In questo caso, d’altra parte, è difficile prevedere quali possano essere le caratteristiche meccaniche del risultante materiale.

I materiali impiegati nei rinforzi fibrosi

I materiali utilizzati per produrre filamenti particolarmente resistenti alla trazione ed al cedimento plastico sono sia polimerici che inorganici. Fra i materiali tradizionali più comunemente impiegati vi sono le poliammidi, le poliestere, le fibre meta aramidiche e le fibre di vetro, mentre tra i materiali ad alte prestazioni recentemente sviluppati vi sono le fibre para aramidiche, le fibre di carbonio, le fibre ad alto modulo di polietilene e di poli-eter-eter-chetone (PEEK). Questi materiali si differenziano per le loro diverse caratteristiche elastiche e per le caratteristiche di resistenza ambientale ed al cedimento plastico.

Fibre di vetro

Per la loro resistenza in trazione ed allo strappo, l’alto modulo e stabilità dimensionale, le fibre di vetro sono utilizzate già da molti anni per la produzione di tessuti e materiali di rinforzo per compositi. Esse sono ottenute per filatura a caldo di vetri di composizione opportuna (generalmente degli allumino-boro silicati) in funzione del tipo di applicazione e dell’ambiente in cui dovrà operare. I tipi di vetro comunemente usati per fibre sono il tipo E ed il tipo S, con densità di circa 2,6 g/cm3, con moduli elastici di circa 80 e 90 GPa e resistenze a rottura di 3,5 e 4,5 GPa, rispettivamente.

Per ottenere dei compositi di buone caratteristiche sotto sforzo, l’allungamento a rottura della fibra (3 e 6% per molti compositi) deve essere minore e la rigidezza maggiore di quella della matrice. Il trasferimento degli sforzi dalla matrice alla fibra viene migliorato con l’ausilio di rivestimenti chimici.

Questi agenti di accoppiamento possono migliorare di molto le caratteristiche meccaniche del risultante composito.

Fibre di carbonio

Le fibre di carbonio sono sottili filamenti composti di carbonio elementare con strutture che variano da quelle del carbonio amorfo a quelle della grafite cristallina. Queste fibre possiedono proprietà chimiche e fisiche molto variabili: per quanto riguarda il modulo di elasticità o rigidità, per esempio, esso varia da circa 35 GPa, che è metà di quello delle fibre di vetro o dell’alluminio, fino a 700 GPa, più di tre volte quello dell’acciaio. Poiché la densità del carbonio è bassa, la rigidità specifica è molto alta.

Le fibre di carbonio conservano le caratteristiche elettriche, termiche e chimiche del carbonio e vengono utilizzate spesso come rinforzo per compositi polimerici rigidi. Generalmente la deformabilità e la resistenza meccanica non aumentano di pari passo con l’aumentare della rigidezza: per specifiche applicazioni dove sono richieste contemporaneamente doti di alta resistenza e di alta rigidezza bisogna scegliere rinforzi fibrosi dove vengano bilanciate queste due caratteristiche. Con le attuali tecnologie di produzione, la maggiore resistenza è ottenuta per fibre con rigidezze comprese fra 210 e 300 GPa.

Poliammidi

Uno dei primi materiali polimerici prodotti è stato proprio il filamento di Nylon, una poliammide ottenuta per policondensazione di diammine ed acidi dicarbossilici che possono essere lineari o con contenuto di gruppi aromatici fino all’85% in peso (per contenuti di aromatici nella struttura ripetitiva superiori all’85% si parla di aramidi). Il Nylon 6/6, per esempio, è ottenuto da una diammina ed un acido dicarbossilico lineari con 6 atomi di carbonio. La reazione tra ammina ed acido produce l’ammide (NH-CO) che caratterizza questa classe di materiali. Questa macromolecola è molto flessibile, è in grado di ruotare su ogni legame e produce fibrille di polimero allineate con zone amorfe e cristalliti orientati nella direzione dello stiro. Il Nylon presenta una grossa affinità per l’acqua e la sua resistenza alle radiazioni ultraviolette non è molto alta ma, se opportunamente protetto da un idoneo rivestimento, può raggiungere un’accettabile resistenza ambientale. Comunque, a causa del suo basso modulo di elasticità (circa 5 GPa), della tendenza al cedimento plastico sotto carico e delle variazioni dimensionali indotte dall’assorbimento di acqua (allungamenti delle fibre in ambienti umidi ed accorciamenti in ambienti secchi) rende questo materiale problematico per le applicazioni dove il pretensionamento del tessuto e la stabilità dimensionale sono critici. La resistenza di questa fibra varia tra 500 e 700 MPa, ma, come anche il modulo elastico, viene significativamente ridotta in presenza di umidità assorbita.

Poliestere

Le fibre in poliestere sono ottenute per filatura di un polimero aromatico ottenuto per policondensazione dell’acido tereftalico e di un dialcool (glicole). Il poliestere più comunemente utilizzato è il Polietilentereftalato (PET). La struttura delle fibre orientate è simile a quella delle poliammidi. Il polestere contiene un anello aromatico che lo rende meno flessibile delle macromolecole poliammidiche. Le fibre di PET, infatti, sono caratterizzate da un modulo elastico più alto, circa 18 GPa, e da resistenza a rottura simile a quella del Nylon.

L’estensibilità, al pari del modulo elastico, comunque, dipende molto dal livello di orientazione indotto dal processo di filatura.

La resistenza alle radiazioni ultraviolette di queste fibre è molto alta e la loro sensibilità verso l’umidità ed al cedimento plastico molto bassa.

Queste caratteristiche le rendono adatte alle applicazioni dove sono richieste buone caratteristiche di stabilità dimensionale. La stabilità dimensionale può essere ulteriormente migliorata con trattamenti termici di ricottura delle fibre sottoposte a trazione.

Aramidiche

Le poliammidi aromatiche con contenuto di gruppi aromatici superiore all’85% vengono indicate come aramidiche. Le prime fibre aramidiche sono state prodotte negli anni ’60 e sono quelle a base di Poli-fenilendiammina-isoftalammide commercializzate come Nomex. Questa fibra è adatta alle applicazioni dove sono richieste alte resistenze al calore. Presenta un modulo elastico comparabile a quello del poliestere ma meno variabile con la temperatura. Queste fibre vengono ottenute direttamente dal processo di polimerizzazione in quanto non possono essere fuse neanche a temperature superiori ai 400 °C. Il polimero, infatti, degrada prima ancora di fondere.

Sono state poi sintetizzate fibre poliammidiche aromatiche con elevatissime caratteristiche meccaniche ottenute per filatura umida di una soluzione liquido-cristallina di p-fenilendiammina e cloruro tereftalico polimerizzata in acido solforico: il Kevlar.

In funzione delle caratteristiche dei monomeri (per esempio la lunghezza della diammina aromatica) possono essere ottenuti polimeri aramidici con diverse caratteristiche meccaniche. Fra i più comuni vi sono il Kevlar 29 e 49. Il modulo elastico del Kevlar 49 è di 135 GPa e la resistenza a rottura di 3,6 GPa: questo materiale risulta così 5 volte più resistente di un filo di acciaio di pari peso in quanto la sua tendenza è di solo 1,4 g/cm3. La struttura altamente anisotropa di queste fibre aramidiche le rende, comunque, molto deboli nelle altre direzioni ed adatte solo ad applicazioni dove siano presenti solo carichi di trazione.

La loro resistenza a compressione, infatti, è bassissima. D’altra parte, le stesse cause che impartiscono bassa resistenza a compressione sono anche quelle che inducono un’altissima tenacità a questo materiale (le fibre aramidiche vengono utilizzate per produrre strutture ad alta resistenza all’impatto come, per esempio, quelle antiproiettile). Il cedimento di questi materiali è sempre fibrillare in trazione e, quando soggette a flessione, hanno un cedimento plastico della zona in compressione che permette lo spostamento dell’asse neutro, non facendo raggiungere il limite di rottura nella zona in trazione ed aumentando quindi la capacità della fibra di deformarsi. L’alta tenacità caratteristica di queste fibre aramidiche, quindi, ne consiglia l’uso in applicazioni dove sono richieste alte resistenze all’impatto.

Nuove formulazioni denominate come Kevlar 149 sono in studio e si prevede che possano raggiungere moduli elastici di circa 190 GPa e resistenze alla trazione di 3-4 GPa. I materiali compositi rinforzati con fibre aramidiche presentano notevoli inconvenienti nelle lavorazioni meccaniche.

Fibre di polietilene ad alto modulo

Le fibre di polietilene ad alto modulo sono ottenute per estrusione allo stato solido di polietilene ad alta densità in condizioni tali da convertire i segmenti polimerici disordinati in barre fortemente estese. Questa struttura molecolare permette il raggiungimento di moduli elastici molto alti e vicini a quelli teorici delle macromolecole orientate. In particolare, si raggiungono moduli di 170 GPa e resistenze di 2 GPa in un materiale di densità molto bassa, 0,97 g/cm3. La sua resistenza specifica, quindi, può risultare anche più alta di quella delle fibre aramidiche più avanzate. Trattandosi di macromolecole poliolefiniche, comunque, l’adesione a matrici polimeriche di tipo diverso può essere molto scadente.

Ibridi

Con questo termine si identificano gli accoppiamenti di diversi tipi di fibre finalizzati al bilanciamento di alcune caratteristiche o debolezze dei singoli materiali.

Esempi frequenti sono quelli in cui vengono tessuti assieme fibre di carbonio (molto fragili ma rigidissime) con le più duttili fibre di vetro.

Allo stesso modo, al fine di migliorare la resistenza all’impatto vengono utilizzati degli ibridi con fibre di aramidiche e vetro o aramidiche e carbonio. I possibili tipi di accoppiamenti, comunque, sono molteplici e possono essere mirati a specifiche condizioni di carico ed ambientali.