Quando si studia una nuova tecnologia di schiumatura, vanno considerati molti aspetti tecnologici: i principali parametri di processo e i loro effetti sul processo di schiumatura e le proprietà della schiuma, la capacità della resina di riempire lo stampo, la possibilità di produrre parti a geometria complessa. La figura 119 mostra la sezione di un tubo in alluminio nel quale erano state inserite due pasticche in epossidica nella posizione indicata.
168 Era stato realizzato un foro per permettere la fuoriscita dell’aria durante il processo di schiuamtura, è possibile vedere che al termine della schiumatura si è realizzata una perfetta unione fra i due flussi di resina. Inoltre la figura seguente mostra che la resina può fluire intorno a materiali inerti e tramite passaggi stretti.
Figura 120
Se è necessario schiumare componenti di dimensioni più grandi, sono necessarie più pasticche e si otterrano linee di giunzione tra i diversi flussi di resina in schiumatura.
Un’altra tipologia di struttura complessa sono sicuramente le schiume nanocaricate a gradiente che possono essere prodotte senza grossa difficoltà tramirte il processo di schiumatura allo stato solido. I materiali caricati a gradiente sono materiali compositi con una graduale variazione delle proprietà che è dipedendente dalla distribuzione spaziale di 2 o più componenti lungo una direzione dell’oggetto. Esistono diveri processi produttivi utilizzabili per realizzare compositi con grafiente funzionale a seconda del tipo di matrice e delle proprietà richieste. La combinazione di un materiale caricato a gradiente con una struttura cellulare, rappresente sicuramente una tematica d’avanguardia. Sono state prodotte schiume caricate a gradiente realizzando pasticche con una distribuzione di rinforzo lungo l’altezza. Durante la schiumatura, a causa dell’alta viscosità della resina, le cariche difficilmente possono agglomerarsi sul fono della schiuma ma si distribuiscono lungo l’intera schiuma. Risultati migliori sono stati ottenuti con bassi contenuti di rinforzo e piccole dimensione dello stesso, ovvero utilizzando nanocariche.
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Figura 121 Sezioni di schiume nanocaricate a gradiente
La figura mostra le sezioni di due schiume nanocaricate a gradiente ed una sezione di una schiuma in sola resina epossidica. Anche in questo caso la nanocarica utilizzata è stata la MMT. Il primo passo per la produzione delle schiume, consisteva nella miscelazione delle polveri di resina con la nanocoarica, a diverse percentuali. Successivamente le miscele di poleveri venivano inserita in uno stampo d’acciaio, strato su strato per poi realizzare la compattazione a freddo. Il primo strato presenta il più alto contenuto di carica mentre l’ulitmo strato è composto da sola resina. In definitiva, la pasticca così realizzata è già caricata a gradiente e preservà tale caratteristica anche in fase di schiumatura. La fase successiva consiste quindi nella schiumatura della pasticca, a questo proposito un altro parametro importante è rappresentato da come la pasticca viene posizionata sulla superificie calda (se sulla sola resina o sullo strato con maggiore percentuale di rinforzo). Per questo motivo nella figura precedente, si riporta una differenza nella distribuzione di rinforzo, infatti, entrambe le schiume (sulla sinistra e la centrale) sono caricate con una percentuale di MMT variabile fra lo 0 ed il 4 %, ma per la schiuma sulla sinistra la superficie in sola resina era posizionata in basso, l’opposto per la schiuma centrale. Se la pasticca è posizionata su una superifie metallica, la temperatura aumenta più rapidamente in basso, altrimenti se la pasticca è adagiata su una superificie isolante, la temperatura aumenta più rapidamente dall’alto. Poichè la resina compattata ha una bassa diffusività termica, le differenze nel trasferimento di calore risultano in un grosso gradiente di temperatura che a sua volta può comportare grosse differenze in termini di proprietà della schiuma.
La valutazione del gradiente di proprietà è un difficile compito anche se è di certo un parametro fondamentale, necessario per la progettazione di nuovi materiali e processi. Negli
170 articoli scientifici, riguardo ai compositi caricati a gradiente, spesso si discute di innovazioni nelle tecnologie di produzione, assieme alle innovazioni nelle tecniche utili per la caratterizzazione delle nuove classi di materiali. Se le tecniche convenzionali, non sono in grado di valutare con precisione il gradiente delle proprietà, è necessario definire nuovi metodi altrimenti risulterebbe impossibile quantificare l’efficienza del processo o le proprietà del materiale. Una buona soluzione è stat trovata con l’uso del test della macro-indentazione strumentata al fine di valutare localmente l’effetto del rinforzo. Le schiume sono state, quindi, tagliate in sottili strisce spesso 10 mm, e sottoposte a test d’indentazione utilizzando una punta cilindirica a testa piatta (in carburo di tungsteno) con diametro da 2 mm. La velocità di penetrazione è stat fissata a 5 mm/min ed il massimo spostamento a 1 mm. La figura seguente mostra alcune tipiche curve d’indentazione per schiume caricata con MMT, le curve sono simili a curve di compressione, tranne che per la fase di densificazione che in questo caso non è raggiunta. La prima fse della curva è all’incirca lineare, incrementando la profondità di penetrazione, la curva raggiunge un plateau che corrisponde ad un significativo collasso delle bolle. Il valore del plateau è strettamente connesso al contenuto di MMT, al crescere della percentuale di silcato crescono le proprietà meccaniche. Al termine della fase di carico, in faase di scarico, il ritorno del materiale è praticamente assente. Per ottenere un confronto tra i risultati del test di indentazione, è stato estratto il valore del carico in corrispondenza della profondità di penetrazione pari ad 1 mm. Il valore del carico così estratto è riportato nella figura seguente, nell’asse delle ordinate si riporta la distanza dalla superifice inferiore della schiuma. Nel caso della pasticca schiumata con superificie inferiore in sola resina, si osserva un trend corretto: al crescere della distanza dal fondo, il contenuto di MMT cresce così come il carico di indentazione. Nel caso opposto, si osserva un massimo a metà altezza della schiuma. Considerando che la densità finale della schiuma è confrontabile nei due casi, questa differenza misurata risulta particolarmente importante. Evidentemente durante il processo di schiuamtura, una più alta temperatura veniva raggiunta nell’aria a contatto con la superificie superiore della pasticca. Nel caso della prima schiuma, quanto detto aiuta la schiumatura delle zone maggiormente caricate che altrimenti schiumerebbero con maggiori difficoltà. Nel secondo caso invece, questa particolare distribuzione di temperatura, favorisce la schiumatura delle parti alte (meno caricate), ottenendo così prestazioni meccaniche nettamente inferiori nella zona in oggetto.
In conclusione, il test di macro indentazione dimostra di essere in grado di valutare complesse distribuzioni di proprietà meccaniche in schiume nanocaricate a gradiente.
171 Ovviamente test convenzionali, come ad esempio il test di compressione, non consentirebbero di ottenere informazioni di questo tipo.
Figura 122 Indentazione di schiume caricate a gradiente
Applicazioni
Le schiume polimeriche sono utilizzate in una serie di applicazioni industriali, per incrementare le proprietà locali o di bluk delle schiume, spesso si utilizzano rinforzi su scala micro o nanometrica. Una schiuma nanocricata può essere progettata per una specifica applicazione variando il contenuto e la distribuzione del rinforzo. La tecnologia proposta presenta una serie di vanaggi: l’assenza di agenti schiumanti, il basso costo delle attrezzature necessarie e la semplicità della realizzazione. I risultati riportati sono stati ottenuti utilizzando polveri commerciali che hanno mostrato un ottimo comportamento. Ovviamente si potrebbe pensare di realizzare opportune formulazioni al fine di ottenere risultati migliori. Probabilmente molte applicazioni industriali potrebbero trarre vantaggio da questo tipo di tecnologia. Le applicazioni strutturali sembrano essere tra le più interessanti, visto che si possono realizzare pannelli sandwich senza grosse difficoltà. Per produrre sandwich con pelli metalliche, è sufficiente posizionare lastre metalliche all’interno dello stampo prima della schiumatura.
Un’altra interessante applicazione, è il recupero di polveri di scarto provenienti ad esempio da cabine di verniciatura. Tali polveri possono essere utilizzate in maniera efficace per la realizzazione di schiume mediante la tecnologia della schiumatura allo stato solido.
Alcuni dei dati riportati sono stati utilizzati per la stesura di alcuni articoli scientifici [96- 98-102-103].
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