Gomma

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21426 (2022) Citare questo articolo

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I tappetini nanofibrosi forniscono un sostanziale ostacolo alla delaminazione nei laminati compositi, soprattutto se il polimero (come le gomme) può indurire direttamente la resina composita. Qui, le famose nanofibre di nylon 66 sono state impregnate con gomma nitrile butadiene (NBR) per produrre membrane in gomma/termoplastiche per ostacolare la delaminazione dei polimeri epossidici rinforzati con fibra di carbonio (CFRP). I tappetini in poliammide di partenza sono stati elettrofilati utilizzando due diversi sistemi di solventi e ne è stato studiato l'effetto sulle proprietà termiche e meccaniche del tappeto, nonché la resistenza alla delaminazione in Modalità I del laminato tramite test DCB (Double Cantilever Beam). I tappetini semplici in Nylon 66 elettrofilati da acido formico/cloroformio hanno prestazioni migliori di quelli ottenuti da un sistema solvente contenente acido trifluoroacetico, mostrando rispettivamente fino a + 64% contro + 53% nella tenacità alla frattura interlaminare (GI). L’effetto del rivestimento NBR avvantaggia entrambi i tipi di nanofibre, aumentando significativamente l’IG. I migliori risultati si ottengono intercalando tappetini di medio spessore e leggeri (20 µm, 9–10 g/m2) con il 70–80% in peso di gomma caricata, raggiungendo fino a + 180% in GI. Il lavoro dimostra la capacità dell'NBR di migliorare l'ostacolo della delaminazione dei comuni non tessuti di poliammide, aprendo la strada all'uso di nanofibre di nylon 66 rivestite con NBR come interfogli efficaci per il miglioramento dell'IG e il miglioramento generale della sicurezza del composito.

I materiali compositi rappresentano la scelta migliore per ottenere strutture con eccezionali proprietà meccaniche. In particolare, i laminati in polimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) stanno progressivamente sostituendo, ove possibile, i materiali metallici per beneficiare di una maggiore leggerezza. Nonostante molti vantaggi, come modulo specifico e resistenza elevati, resistenza alla corrosione, risparmio di carburante e facilità di produzione, i laminati compositi soffrono di alcuni rilevanti punti deboli. La delaminazione è senza dubbio l’inconveniente più grave che affligge tali materiali, poiché porta al guasto completo dei componenti con conseguenze potenzialmente catastrofiche. La riduzione del rischio di delaminazione è fondamentale per consentire ulteriori applicazioni dei laminati compositi in campi attualmente preclusi a causa di problemi di affidabilità e sicurezza. Inoltre, la migliore resistenza alla delaminazione aumenta la sostenibilità complessiva del composito aumentando potenzialmente la durata del componente. Qualsiasi laminato è suscettibile alla delaminazione a causa della sua intrinseca struttura a pila anisotropa simile a quella 2D, che è responsabile della ridotta prestazione meccanica tra le lamine. Sebbene possano essere implementate diverse strategie per monitorare lo stato di salute di un componente composito, come lo sfruttamento di fibre di Bragg o materiali piezoelettrici (anche nanostrutturati)1,2,3,4, questi sistemi sono costosi e, di conseguenza, scarsamente utilizzati nelle applicazioni comuni .

Molti modi semplici ed economici per evitare la delaminazione implicano la modifica della matrice e/o della regione interlaminare per migliorare la tenacità alla frattura. Poiché le proprietà della matrice governano il comportamento interlaminare, la sua modifica può influenzare fortemente la prestazione finale del composito; ciò accade spesso con l'indurimento della matrice in massa ottenuto mediante l'aggiunta di tenacizzanti, come gomme o polimeri termoplastici adatti. Per quanto riguarda la modifica con gomma, può trattarsi di gomma “liquida” non reticolata oppure di particelle gommose reticolate5,6,7,8,9. Sebbene questo tipo di modifica sia semplice da ottenere, comporta una specifica formulazione della resina. Inoltre, il cambiamento interessa la massa della resina e, di conseguenza, l'intero componente, portando solitamente a proprietà meccaniche, termiche e termomeccaniche inferiori, oltre a un significativo aumento di peso.

Le modifiche localizzate, invece, sono più intelligenti, consentendo un intervento mirato solo nelle regioni più critiche, come quelle interlaminari, dove si verificano concentrazioni di stress10. I potenziali benefici sono molteplici: mantenimento o abbassamento limitato e confinato delle proprietà termiche e meccaniche complessive del componente, basso incremento di peso e dimensione. Inoltre, questo tipo di modifica può essere virtualmente applicato a qualsiasi preimpregnato disponibile in commercio poiché l'intera resina non viene interessata. L'integrazione di strati viscoelastici (film) tra le lamine11,12,13, che rappresenta ancora una soluzione localizzata, economica e semplice, influisce negativamente sulla rigidità, resistenza, peso e dimensione del laminato14. Soluzioni meno impattanti sono state praticate da quando si è verificata la diffusione dei nanorinforzi. Infatti, possono essere utilizzati per ottenere gli effetti desiderati aggiungendo piccole quantità15,16,17, beneficiando così di variazioni trascurabili di dimensioni e peso del composito. L'aggiunta di nanoparticelle18,19 e nanotubi di carbonio (CNT)20,21,22,23 ha dimostrato di aumentare le prestazioni del composito. Tuttavia, in alcuni casi, sono costosi e difficili da gestire.