Confronto tra diversi tipi di compositi termoplastici ad elevate prestazion

Di grande interesse è la pubblicazione [16] nella quale in collaborazione con Cytec diversi tipi di polimeri e relativi compositi termoplastici vengono approfonditamente analizzati e confrontati. Una trattazione approfondita circa le caratteristiche dei vari tipi di polimeri termoplastici è stata eseguita nel capitolo delle matrici, anche in riferimento alla [16] argomentando anche un confronto con le matrici termoindurenti. Le resine prese in considerazione sono state:

PEI Poly(ether-imide)

PEEK Poly(ether-ether-ketone) PEKK Poly(ether-ketone-ketone)

Andiamo qui a riportare i risultati sperimentali del confronto tra le proprietà di diversi tipi di compositi realizzati con vari tipologie di matrice termoplastica e rinforzo unidirezionale in carbonioed il confronto tra le proprietà di compositi in matrice termoindurente e termoplastica.

Proprietà di diversi compositi termoplastici

Le proprietà dei polimeri forniscono una importante indicazione delle proprietà del composito, ma le prestazioni dipendono altrettanto fortemente dal processo tecnologico di produzione del composito, e anche se le caratteristiche tipiche dei processi di produzione di compositi termoplastici restano sempre quelle ottime già elencate, le specifiche prestazioni, processabilità e costi variano significativamente con l’utilizzo dei differenti polimeri termoplastici.

Sono stati realizzati nastri unidirezionali in fibra di carbonio a modulo standard (SM) e modulo intermedio (IM). Le proprietà delle fibre sono riassunte in Tab. 36:

Tab. 1.36: Proprietà fibre di carbonio utilizzate

La forma delle fibre in nastri unidirezionali garantisce un confronto diretto dei compositi basati su differenti polimeri e fibre, in quanto la grande variabilità di proprietà data dall’ondulazione della tessitura viene evitata. I compositi sono stati realizzati utilizzando processi di impregnazione brevettati e le proprietà ficisiche dei compositi risultanti sono:

I materiali compositi sono stati forniti da Cytec Engineered Materials sotto i nomi commerciali di (resine):

I compositi in PPS sono un sistema di materiale ancora in fase di sviluppo.

I laminati termoindurenti per il confronto successivo sono stati realizzati con compattazione in autoclave con cicli di cura adatti ai rispettivi polimeri. Altre condizioni del processo di consolidamento sono:

Proprietà del composito - Fibra di Carbonio a Modulo Standard

Le prove sono state realizzate secondo i metodi standard su provini di composito in matrice termoplastica e rinforzo di fibra di carbonio di tipo high strength - standard modulus, ed i risultati sono riassunti in Tab. 37:

Le proprietà meccaniche dominate dalle fibre sono normalizzate al 60% di volume di fibra.

Proprietà del composito - Fibra di Carbonio a Modulo Intermedio(IM)

Le prove sono state realizzate secondo i metodi standard su provini di composito in matrice PEEK e PEKK con rinforzo di fibra di carbonio di tipo high strength - intermediate modulus, ed i risultati sono riassunti in Tab. 38:

Tab. 1.38: Proprietà meccaniche a temperatura ambiente di composito con fibre di carbonio IM Le proprietà meccaniche dominate dalle fibre sono normalizzate al 60% di volume di fibra

Proprietà meccaniche della lamina

I moduli elastici a trazione e compressione e resistenze a trazione longitudinali per i compositi SM sono simili per qualunque tipo di matrice utilizzata. I risultati sono in linea a quelli riscontrabili per compositi ad elevate prestazioni con matrice termoindurente, quali sistemi di resina epossidica.

Differenze iniziano ad esserci evidentemente per la resistenza a compressione. La più elevata resistenza a compressione di PEEK e PEKK è dovuta alla combinazione di polimero ad alto modulo e ottimizzazione dell’interfaccia fibra-matrice. La qualità ed il tipo di polimero PEEK e PEKK è adattato all’utilizzo per compositi.

Ulteriori differenze sono evidenti nelle proprietà a taglio, come mostrato in Fig. 76. Le proprietà di delaminazione e taglio nel piano mostrano un andamento simile, con i

risultati peggiori per PPS e migliori per PEEK. La resistenza a taglio del composito dipende da una combinazione delle proprietà del polimero e della resistenza dell’interfaccia fibra-matrice realizzata durante il processo di produzione. La bassa resistenza a taglio del composito in PPS è portata dalla bassa tenacità del polimero PPS. I compositi in PPS sono molto suscettibili di microfratture che non possono essere eliminate prontamente. L’elevata resistenza dei compositi PEI, PEEK e PEKK riflettono sia l’elevato allungamento del polimero sia la resistenza dell’interfaccia, particolarmente nel caso di prova di resistenza a taglio nel piano.

Fig. 1.76: Resistenza a taglio di compositi termoplastici con fibra di carbonio SM. Forma in

nastri unidirezionali. Prove eseguite a temperatura ambiente.

I compositi a modulo intermedio presentano moduli elastici a trazione e compressione longitudinali superiori e resistenza a trazione longitudinale superiore rispetto ai compositi standard modulus. La resistenza a compressione dei compositi a modulo intermedio è leggermente inferiore rispetto ai compositi a modulo standard. Un fenomeno simile è osservabile nei compositi termoindurenti. La resistenza a taglio nel piano dei compositi SM e IM con stesse matrici sono molto simili.

fori o danneggiamenti. Queste proprietà di progettazione sono tipicamente valutate utilizzando i risultati delle prove a trazione e compressione di provino forato (open- hole tension and compression test) e di compressione dopo impatto. I risultati di queste prove sono riportati in Fig. 77.

Fig. 1.77: Proprietà di progetto di compositi termoplastici in fibra di carbonio SM. Forma in

nastri unidirezionali. Prove eseguite a temperatura ambiente.

La resistenza a trazione open-hole dei compositi a matrice PPS, PEEK, PEKK con fibre SM sono simili, a causa del fatto che questa prova è dominata dal comportamento delle fibre. Gli effetti della matrice diventano evidenti nei risultati della prova a compressione open-hole, nella quale la resistenza dei compositi a matrice PEEK e PEKK sono maggiori di oltre il 30% rispetto ai compositi in PPS. Le differenze diventano più pronunciate nella prova di compressione dopo impatto, nella quale le resistenze dei compositi in PEEK e PEKK risultano più del doppio di quella dei compositi in PPS. Queste differenze sono dovute alla maggiore tenacità dei polimeri PEI, PEEK e PEKK e a fenomeni di microfrattura nei compositi in PPS [17, 18].

Effetto di temperatura e umidità

In diverse applicazioni i compositi sono esposti a temperature estremamente basse o elevate e umidità. La resistenza a trazione open-hole è di solito valutata a

temperature basse a causa del fatto del potenziale insorgere di comportamento fragile della matrice e conseguente diminuzione della sua resistenza. La resistenza open- hole misurata è mostrata in Fig. 78 nella quale è mostrato che la resistenza di tutti i materiali è maggiore alla temperatura di -55°C rispetto alla temperatura ambiente, il che indica l’assenza di decadimenti della tenacità della matrice a temperature inferiori a quella ambiente.

Fig. 1.78: Effetto della temperatura sulla resistenza open-hole a trazione. Nastri unidirezionali

con fibre di carbonio SM. Laminato quasi-isotropo.

La prova di compressione open-hole è generalmente valutata sotto condizioni di elevata temperatura e/o umidità a causa della potenziale plasticizzazione della matrice. I compositi in PEEK e PEKK sono stati portati al peso di equilibrio in camera climatica alla temperatura di 70°C e 85% di umidità relativa. L’andamento dell’assorbimento di umidità dei laminati quasi isotropi è rappresentato in Fig. 138. L’assorbimento di umidità trova il suo equilibrio per entrambe i compositi in un range compreso tra il 0,16% ed il 0,18% di aumento in peso, il quale valore è estremamente basso, molto minore rispetto ai compositi termoindurenti. Gli effetti della temperatura e umidità sulle proprietà a compressione secondo la prova open- hole sono mostrati in Fig. 79.

Entrambe i materieli mantengono oltre l’87% della resistenza a temperatura ambiente nelle condizioni di 82°C/umido e almeno l’80% a 120°C.

Fig. 1.79: Cambiamento in peso di compositi in PEEK e PEKK e fibra di carbonio SM

condizionati a 70°C e 85% di umidità relativa. Laminato quasi isotropo a 32 plies.

Fig. 1.80: Effetto della temperatura e umidità sulla resistenza open-hole a compressione. Nastri

unidirezionali con fibre di carbonio SM. Laminato quasi-isotropo.

In [19] si afferma che la resistenza agli agenti ambientali dei termoplastici in generale è abbastanza buona. A seconda del tipo di materiale, il PEI può essere molto meno resistente del PPS o del PEEK. LA tipologia più comunemente usata di PEI è

l’Ultem 1000, che è solubile in solventi clorurati come il cloruro di metilene e cloroformio. Nel 1980 il cloruro di metilene è stato utilizzato dalle Forze aeree, come sverniciatore, così che la considerazione del PEI per l’utilizzo di aerei militari è decaduto. Tale uso del cloruro di metilene è stato interrotto.

Si è trovato del fluido idraulico (Skydrol) per attaccare il PEI. Di conseguenza, l’uso di Ultem 1000 si limita agli interni di aeromobili commerciali, come Airbus A3XX. Un altro tipo di PEI, Ultem D5000, è abbastanza inerte con rispetto del fluido idraulico. In questo momento, l’uso di questo grado di PEI non è diventato prevalente.

La Tab. 39 confronta qualitativamente gli effetti di vari agenti ambientali sulla PEI (Ultem 1000), PPS, PEKK, e PEEK.

Tab. 1.39: Resistenza ambientale di resine termoplastiche selezionate

Come indicato in tabella 39, i termoplastici hanno un eccellente resistenza agli effetti di degradazione dell’acqua, anche immersi o causa di elevata umidità. Inoltre hanno buone proprietà dielettriche, e questo fa si che vengano utilizzati per cupole di ricetrasmissione. I materiali termoindurenti sono igroscopici, e l’umidità assorbita provoca un graduale spostamento del comportamento dielettrico, degradando le prestazioni. La tabella 40 riassume le proprietà termiche di alcuni materiali compositi termoplastici.

Tab. 1.40: Caratteristiche termiche dei termoplastici in fibra carbonio

Comportamento in ambienti fluidi

Gli effetti di ambienti fluidi su compositi in matrice PPS, PEI e PEKK sono stati studiati da Smith [20]. Questo lavoro affronta lo studio di rinforzi tessuti in fibra di carbonio e vetro, e condizionamenti in ambienti quali acqua, fluidi idraulici, fluidi antigelo e metil etil chetone (MEK). I compositi in PPS sono i più resistenti agli attacchi, in modo simile ai compositi ad elevate prestazioni in matrice termoindurente, seguiti dai PEKK. I compositi a matrice PEI mostrano degradi significativi dopo immersione in fluido idraulico a base estera e MEK. In base ai risultati gli autori concludono che la resistenza agli agenti ambientali dipenda fortemente dallo stato di cristallinità per cui PPS e PEEK esibiscono il minor degrado.