Introduzione e stato dell’arte
I rivestimenti superficiali sono molto utilizzati per differenti applicazioni ingegneristiche, basti pensare, ad esempio, a coating anti-graffio, coating per incrementare la resistenza ad usura di componenti, coating che svolgono la funzione di barriera termica o di protezione da agenti atmosferici.
I nanocompositi mostrano le potenzialità per essere utilizzati per la realizzazione di coating ad alte prestazioni; ovviamente è possibile pensare all’utilizzo di diversi tipi di matrice e di carica a seconda della specifica applicazione e della mutua affinità dei materiali. Poiché si possono verificare danni superificiali o all’interfaccia substrato-coating, che possono influenzare pesantemente le prestazioni finali del coating, è sicuramente importante trovare una tecnica di caratterizzazione idonea alla valutazione delle prestazioni del coating depositato. Le più recenti pubblicazioni scientifiche, a questo proposito, parlano di nanoindentazione di coating in nanocomposito o anche di nanocompositi nella forma bulk. In un test di indentazione, la profondità di penetrazione della punta indentatrice è una combinazione dei contributi elastici e plstici del materiale. Dalla classica curva carico-penetrazione, che si ottiene da una prova di indentazione, è possibile misurare la durezza ed il modulo elastico del materiale indentato, il vantaggio di una prova di indentazione è che le proprietà estratte assumono un valore locale, commisurato alla dimensione della punta in dentatrice. Di conseguenza le proprietà estratte possono essere correlate, spesso, alla microstruttura del materiale. In ogni caso, tale tipo di prova, presenta una serie di svantaggi, legati, ad esempio, all’estrema precisione richiesta nella preparazione del campione e della superficie da indentare. In più le proprietà misurate, grazie al test di indentazione, risultano essere spesso estremamente scatterete a causa dell’intrinseca non omogeneità del materiale superficiale sottoposto ad indentazione.
Soloukhin et al. [83] studiarono le proprietà meccaniche di un coating ibrido realizzato in metacrilato e silica, depositato su un substrato in policarbonato, tramite la prova di nanoindentazione. Essi misurarono i carichi e le corrispondenti profondità di penetrazione e discussero dei valori misurati di modulo elastico e durezza. In ogni caso, le proprietà
124 sembravano essere strettamente dipendenti dalla profondità di penetrazione e lo scattering dei dati era molto rilevante. Infatti, l’effetto della velocità di deformazione sul valore del modulo elastico, per un fissato valore del carico di 10 mN, era completamente alterato dallo scattering dei dati. Shen et al nel 2004 [84] discussero di una simile fenomeno nella nanoindentazione di un nanocomposito nylon 66/argilla compatibilizzata. Osservarono che la velocità di deformazione non aveva pressoché alcun effetto sul valore del modulo elastico misurato per il nanocompositi. Gli autori inoltre affermarono che il valore del modulo elastico e della durezza aumentavano con la profondità di penetrazione a causa della distribuzione non omogenea della morfologia cristallina e a causa della non omogenea distribuzione delle particelle di rinforzo lungo la direzione di indentazione. Sun et al. [85] studiarono le proprietà meccaniche di coating in nanocomposito polimerico-ceramico tramite l’utilizzo dell’indentazione strumentata. Essi arrivarono alla conclusione che l’utilizzo di nanoparticelle di antimonito determinava nel coating un incremento della resistenza. Essi discussero, però, anche del fatto che vi erano grosse discrepanze tra i valori del modulo elastico misurati tramite la nanoindentazione e tramite un’analisi dinamo-meccanica. Lach et al. [86] non ottennero migliori risultati nell’utilizzo di un test Vickers strumentato su nanocompositi realizzati in polimetilmetacrilato rinforzato con nanoparticelle di silica. La sensibilità del particolare test, fu discussa solo per i compositi più caricati (fino al 20 % in peso di nanocarica). Dhakal et al. [87] studiarono la nanoindentazione di un nanocomposito realizzato in resina poliestere rinforzato con silicato lamellare, essi trovarono che l’aggiunta di rinforzo nelle seguenti percentuali 1,3,5 % in peso determinava un incremente della durezza pari rispettivamente al 29, 24 e 14 %. Loro parlarono anche di un incremento del valore del modulo elastico, ma il trend trovato, non era così evidente allo stesso modo. Wong et al. [88] studiarono la nanoindentazione di un nanocomposito realizzato in polipropilene caricato con argilla compatibilizzata e, ancora una volta, trovarono che i risultati del test e quindi i valori delle proprietà meccaniche misurate erano fortemente dipendenti dalla posizione in cui veniva realizzato il tesi. Lee et al. [89] studiarono la nanoindentazione di un composito a matrice epossidica rinforzato con nanofibre di carbonio. Nel caso della matrice epossidica, osservarono un buon accordo tra i risultati ottenuti tramite il test di indentazione e quelli ottenuti tramite test di trazione uniassiali. In contrasto, però, vi era grosso disaccordo tra i risultati ottenuti dai due test, quando la matrice epossidica veniva sostituita con una matrice più morbida, realizzata in resina poliestere.
La nanoindentazione è solitamente realizzata utilizzando un indentatore Berkovich, che è un indentatore a forma piramidale a base triangolare, ma in alcuni casi è possibile utilizzare anche un indentatore di forma sferica. In ogni caso, da quanto esposto, sulla base di una ricerca
125 bibliografica, è possibile affermare che i risultati ottenuti tramite il test di nanoindentazione sono estramemente sensibili a qualsiasi tipo di variazione del materiale e superificiale. Anche se è un test efficiente per la comprensione del comportamento del materiale, soprattutto se affiancato con altre tecniche di indagine, soprattutto per l’analisi della microstruttura, è molto difficile da applicare per il controllo di qualità in applicazioni industriali. La preparazione del campione è molto difficile e lunga, in più, l’alta sensibilità a qualsiasi tipo di non omogeneità del materiale (caso di compositi e nanocompositi) rende difficile una valutazione precisa delle proprietà meccaniche non su nanoscala. In più, alcuni aspetti sono ancora sotto discussione nel contesto scientifico, come ad esempio l’attendibilità del valore del modulo elastico misurato tramite tale tipo di test.
Nella sperimentazione proposta, si propone l’utilizzo di un test di macro-indentazione strumentata per la caratterizzazione meccanica di coating in nanocomposito. La macro- indentazione è sicuramente meno sensibile alla non-omogeneità del materiale e può fornire utili informazioni circa la resistenza del coating, in più la preparazione del campione, in questo caso, può essere meno precisa, richiedendo quindi meno accuratezza e tempo. In particolare si è utilizzato un indentatore cilindrico a testa piatta per applicare una pressione uniforme sul materiale durante lo svolgimento del test. La tecnica proposta è stata applicata su coating realizzati in resina poliestere caricata con silicato lamellare, depositatati su substrati in alluminio e polietilene
Materiali
I coating in nanocomposito sono stati fabbricato disperdendo polveri di silicato lamellare in una resina poliestere liquida. La nanocarica era una montmorillonite (MMT) (Del lite 43 B by Laviosa Chimica Mineraria) derivante da una montmorillonite naturale e modificata con dei sali di ammonio. La nanocarica presentava una densità di bulk di 1.6 g/cm3.
La cura della resina poliestere veniva realizzata dopo aver utilizzato del metietilchetone perossido, nella percentuale del 2% in peso, come catalizzatore. I film in nanocomposito sono stati depositati su substrati in Polietilene ad alta densità ed in alluminio con spessore di 2mm ed una superficie di 20 x 20 mm2.
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