Con il termine memoria di forma ci si riferisce generalmente alla capacità di un materiale di mantenere una forma prestabilita al di sotto di una determinata temperatura (la temperatura di transizione vetrosa Tg), anche se, tale configurazione, non è quella di equilibrio [99]. Attraverso un successivo riscaldamento al di sopra della temperatura di transizione vetrosa le catene polimeriche si riorganizzano, provocando un macroscopico ritorno alla forma originale. Tale proprietà comporta notevoli vantaggi a livello sia industriale che di trasporto. Un generico componente polimerico a memoria di forma, infatti, può essere fabbricato nella sua configurazione finale e successivamente può essere scaldato al di sopra della temperatura vetrosa al fine di renderlo gommoso e poterlo compattare per ridurre gli ingombri. Successivamente sarà consegnato nella sua forma compressa ed attraverso un opportuno riscaldamento al di sopra della Tg ritornerà nella forma voluta (corrispondente a quella ottenuta a seguito del processo di schiumatura). Tale proprietà quindi permette di ridurre drasticamente i costi di trasporto collegati direttamente al volume di ingombro e al peso. Bisogna inoltre considerare che attraverso la memoria di forma si potrebbe progettare e costruire componenti automobilistici che riacquistino la loro forma originale a seguito di un incidente (progetto Nissan).
Anche le schiume possono essere fabbricate a memoria di forma con il vantaggio che essendo costituite per la maggior parte da aria possono raggiungere livelli di impacchettamento più elevate. Nella letteratura scientifica, pochi sono gli studi riguardanti le schiume a memoria di forma ed in particolare si riferiscono generalmente a schiume poliuretaniche [100] ed, in alcuni casi, a schiume epossidiche[101]. Sulla base, quindi, delle informazioni ottenute dalla letteratura scientifica si è voluto valutare se le schiume a celle chiuse di epossidica ottenute mediante la schiumatura allo stato solido [94-95-96] avessero anche la proprietà della memoria di forma. E’ stato osservato che le schiume prodotte mediante il processo allo stato solido presentano tale proprietà. Infatti, queste schiume, molto rigide a temperatura ambiente, diventano gommose al di sopra della Tg. In questo stato possono essere compattate fino al collasso di tutte le bolle presenti all’interno senza arrecare nessun danno alla schiuma. A seguito di un repentino raffreddamento al di sotto della Tg la struttura compattata rimane stabile senza l’ausilio di forze esterne. Attraverso un successivo riscaldamento al di sopra della Tg, la schiuma riacquista la sua forma originale senza presentare danni.
163 Sulla base di tale osservazione, quindi, è stato studiato l’effetto delle nanoparticcelle di MMT sulla memoria di forma su schiume prodotte con lo stesso metodo descritto nel paragrafo precedente.
Le pasticche compattate del peso di 4 g e di diametro 20 mm sono state realizzate attraverso una macchina per prove meccaniche con una velocità di prova di 5 mm/min fino alla pressione di 125 MPa. Prima della compattazione la polvere di resina epossidica è stata miscelata con differenti percentuali in peso di nanocarica (0, 1, 3, 5 %). Per ogni percentuale sono state prodotte tre schiume per garantire la ripetibilità dei risultati. La schiumatura avviene in forno a 320°C per 8 min all’interno di un cilindro metallico. A seguito del processo di schiumatura i campioni sono stati estratti dai cilindri e tagliati al fine di ottenere cilindri di 20 mm di diametro e 20 mm di altezza. Le tre serie di provini con la medesima percentuale di nanocarica sono stati, quindi, sottoposti a 0, 1, 2 cicli termo-meccanici per valutare se tali cicli inficiassero sulle caratteristiche meccaniche a compressione a freddo. Per questo motivo a seguito dei tre cicli le schiume sono state testate a compressione a freddo con i medesimi parametri utilizzati in precedenza.
Il ciclo termo-meccanico consiste in un riscaldamento a 90°C (Tg) e una compressione della schiuma fino al 60% di strain. Successivamente la schiuma è fatta raffreddare sotto l’effetto della forza di compressione al di sotto della temperatura Tg, per bloccare la struttura. Una volta ottenuta la schiuma compattata, è stata inserita in forno per 10 min a 120°C. Una rappresentazione grafica del ciclo termo-meccanico è riportata in figura 113 mentre, in figura 114, sono mostrate le immagini delle schiume durante le varie fasi del ciclo termo-meccnico.
A seguito, quindi, del riscaldamento in forno le schiume ritornano nella loro forma originaria con un’altezza del campione non inferiore al 97% dell’altezza iniziale.
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Figura 113 Ciclo termo-meccanico
Figura 114 Aspetto delle schiume nelle differenti fasi del ciclo termo-meccanico La curva di stress relativa alla fase di compattazione a caldo e la successiva fase di raffreddamento è riportata in figura 115. Dal grafico si può notare come lo stress raggiunge il valore massimo al 60% di strain (4 MPa), valore che si discosta poco rispetto a quello calcolato nella compressione a freddo. Arrivati, quindi, al 60% di strain la traversa della macchina viene bloccata e viene registrato lo stress durante la fase di raffreddamento. Si può ancora una volta notare come lo stress decresce a testimonianza del fatto che la schiuma si sta bloccando in quella configurazione.
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Figura 115 Stress in funzione del tempo e dello strain durante la compattazione a caldo ed il successivo raffreddamento del ciclo termo-meccanico (MMT 1 wt%).
A seguito, quindi, del ciclo termo-meccanico, sono state eseguite le prove di compressione sulle schiume a diverse percentuali di MMT (figura 116).
166 Sulla base delle curve di compressione, quindi, è stato possibile eseguire un’analisi comparativa tra le caratteristiche meccaniche ottenute a freddo e quelle ottenute a seguito dei cicli termo-meccanici.
Figura 117 Confronto tra la curva di compressione a freddo e quelle a seguito dei cicli termo-meccanici per la schiuma con il 3% di MMT
Dal grafico di figura 117 si può notare come il numero di cicli non condiziona in modo rilevante le caratteristiche meccaniche del pezzo; infatti, tutte le curve iniziano la fase di plateau allo stesso livello di stress e strain. Tuttavia all’aumentare dello strain la curva di compressione a freddo risulta essere leggermente al di sopra di quelle ai cicli successivi, mentre non c’è una grande variazione tra il primo ed il secondo ciclo.
Per avere maggiori informazioni circa il danneggiamento che subisce la schiuma a seguito dei cicli termo-meccanici, si è proceduto alla valutazione dell’energia assorbita durante la compressione. Per questo motivo è stata calcolata l’area sottesa dalla curva stress-strain in un range di strain compreso tra 10 e 60%. Come mostrato in figura 118, l’energia assorbita aumenta con l’aumentare del contenuto di MMT e diminuisce all’aumentare del numero di cicli. Tuttavia la diminuzione dell’energia per i cicli termo-meccanici è molto bassa rendendo possibile l’utilizzo di tali schiume anche dopo più cicli di compressione a caldo.
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Figura 118 Energia assorbita dalle schiume tra il 10% ed il 60% di strani