Ciclo di curing in autoclave

Lo stampo viene messo all'interno dell'autoclave riscaldata, dove, collegato a una pompa del vuoto, seguirà il ciclo di curing previsto; in tale fase avviene la polimerizzazione del materiale, il cui buon esito dipende in larga misura. dal controllo della temperatura e della pressione durante tutto il ciclo.

La selezione dei cicli di indurimento dipenderà dal tipo di resina utilizzato, e da altri parametri relativi allo spessore del laminato, alla complessità e alla natura delle reazioni chimiche durante l'indurimento, considerando la necessità che il processo tecnologico avvenga uniformemente anche in zone a spessori diversi.

Durante il processo di polimerizzazione è particolarmente importante il controllo della viscosità, dovendo essere possibile l'allontanamento delle bol- licirie di gas, prodotte dalla reazione e intrappolate nella resina.

È inoltre necessaria la corretta compattazione delle bre e l'eliminazione dell'eventuale eccesso di resina e di aria. Nella Figura 18 è riportato un esempio di diagramma sperimentale della viscosità in funzione del tempo e della temperatura per una resina epossidica.

Si nota l'iniziale decremento della viscosità all'aumentare della temper- atura no al raggiungimento di un valore minimo. A partire da tale punto la

Figure 18: Diagramma sperimentale della viscosità in funzione del tempo e della temperatura (resina epossidica e bre di carbonio)

temperatura è mantenuta costante, e inizia la reazione chimica di polimeriz- zazione tra i componenti della resina, con formazione di macromolecole, che comporta un incremento della viscosità.

Il rapido aumento di viscosità, che si osserva nel secondo tratto della curva, corrisponde alla fase di gelicazione della resina. Il fenomeno è dovuto alla formazione di numerosi legami incrociati tra le macromolecole.

Per l'applicazione della pressione bisogna distinguere due casi.

ˆ Preimpregnato con perdita di resina; in questo caso si devono denire, per la resina in esame, due limiti A e B, che deniscono il campo in cui deve essere applicata la pressione. Il limite A denisce il valore massimo della viscosità, al di sopra del quale le bollicine di gas non lascerebbero il preimpregnato. Il limite inferiore B denisce il valore minimo al di sotto del quale si avrebbe un usso eccessivo di resina.

ˆ Preimpregnato senza perdita di resina; la pressione va applicata nell'intervallo di gelicazione, in quanto essa non deve creare un usso di resina ma deve solo compattare il preimpregnato.

1. applicare il vuoto e mettere il pezzo sulla piattaforma mobile per in- trodurlo nell'autoclave;

2. sigillare l'autoclave e inserire il ventilatore per la circolazione del uido pressurizzante;

3. inserire il riscaldamento e controllare la temperatura;

4. pressurizzare l'autoclave come dettato dal ciclo di polimerizzazione; 5. eliminare il vuoto e controllare se c'è una perdita di pressione interna; 6. completata la polimerizzazione, eliminare la pressione e aprire le valvole

di scarico lentamente; 7. eliminare il vuoto;

8. lasciare il pezzo rareddare no a temperatura ambiente o al di sotto di 100 °C e rimuovere il sacco.

Normalmente, per applicazioni strutturali o comunque in settori ad avanzata tecnologia, i produttori di materiali forniscono il ciclo di curing più adatto a ottenere le migliori prestazioni della resina e quindi anche del composito.

Si sottolinea che le condizioni di cura hanno una notevole importanza sulle prestazioni a fatica dei compositi. Come si può osservare per ottenere le migliori prestazioni del composito, bisogna adottare tecnologie, come ap- punto quella dell'autoclave, che consentono di controllare i parametri di tem- peratura, pressione e vuoto, non solo come valori assoluti, ma anche seguen- done le velocità di variazione.

I cicli di curing sono normalmente determinati empiricamente. Durante un normale ciclo l'andamento crescente della temperatura subisce diverse fer- mate a temperature prestabilite, per facilitare il usso di resina verso l'esterno ed evitare formazione di vuoti.

Le fermate inoltre permettono di ottenere una distribuzione di temper- atura uniforme all'interno del laminato invmodo da far raggiungere la tem- peratura d'innesco della reazione (esotermica) di polimerizzazione quasi si- multaneamente in tutti i punti. Tale fenomeno risulta ancora più necessario per quei materiali compositi la cui bassa conducibilità rallenta la trasmissione del calore all'interno del laminato.

Contemporaneamente al raggiungimento di bassi valori di viscosità si in- crementa il valore della pressione nell'autoclave per facilitare il usso di resina verso l'esterno.

Qui di seguito riportiamo un esempio di un caratteristico ciclo di polimer- izzazione per compositi a base di resina epossidica:

ˆ temperatura ambiente, pressione vuoto 17 kPa; ˆ riscaldamento no a 250°C con velocità 15.°C/min; ˆ mantenimento a 250°C per 30 minuti;

ˆ pressione vuoto 81 kPa, pressione autoclave 1400 kPa; ˆ riscaldamento no a 32.5°C con velocità di 20°C/min; ˆ mantenimento a 325°C per 3 ore;

ˆ rareddamento a 3°C/min no a 65 °C con valori di vuoto e pressione massimi;

ˆ trattamento di postcura per 6 ore a 330 °C in un forno a circolazione d'aria.

Come si nota dal ciclo di cura, è necessario un periodo superiore alle 6 ore sotto vuoto e ad alte temperature per far reagire completamente le molecole e ottenere il completo stato di polimerizzazione. I cicli di cura sono normal- mente prescritti dai produttori di preimpregnati in funzione sia del tipo di resina sia della bra.

Per l'ottenimento di un composito con caratteristiche ottimali è necessario che vengano soddisfatti durante il ciclo di cura anche altri requisiti trattati di seguito.

ˆ Eliminazione dei vuoti: molti preimpregnati contengono una consid- erevole quantità di aria dovuta al processo di realizzazione stesso. Il processo di straticazione aggiunge aria supplementare tra i compo- nenti (no al 12% in volume per preimpregnati realizzati meccanica- mente). Inoltre i preimpregnati a base di bre gratiche e resine epos- sidiche contengono più dello 0,5% del peso di acqua che può arrivare a ebollizione durante il processo di cura. Il processo di cura deve quindi prevenire un valore della porosità troppo elevato comprimendo l'aria intrappolata ed evitando l'ebollizione dell'acqua.

ˆ Rimozione dei solventi: alcune resine sono disciolte con solventi prima di essere applicate alla bra. Se gli stessi non fossero eliminati prima dell'ultima fase del processo di cura potrebbero creare delle bolle all'interno del composito e peggiorarne le caratteristiche. Fortunatamente i sol- venti usati per le resine epossidiche hanno un basso punto di ebollizione ed evaporano durante la straticazione.

ˆ Impregnazione delle bre: per ottenere le migliori caratteristiche dal composito è necessario che la resina ricopra perfettamente ogni bra. Una bassa viscosità durante la cura permette l'impregnazione delle bre e riduce la porosità all'interno del componente.

ˆ Consolidamento: nel caso di materiali preimpregnati lo spessore iniziale del singolo strato di materiale è normalmente maggiore del 20% dello spessore nale desiderato. Un'opportuna combinazione di basso valore di viscosità della resina e di pressione ne diminuiscono lo spessore nale. ˆ Rimozione della resina in eccesso: normalmente all'interno del materi- ale, prima del ciclo di cura, vi è un eccesso di resina anche superiore al

10%. È possibile rimuoverlo sfruttando il cambiamento della viscosità durante il ciclo di cura.