Prestazioni, preparazione e applicazione di materiali compositi aramidici

Il nome completo dell'aramide è fibra di poliammide aromatica, un materiale sintetico organico ad alta resistenza, elevato modulo elastico, bassa densità ed elevata resistenza all'usura, con proprietà chimiche stabili. Nel 1974, la Federal Trade Commission (FTC) statunitense le ha dato il nome di "fibra aramidica", definito come: almeno l'85% delle catene ammidiche (-CONH-) collega direttamente due anelli benzenici. All'inizio degli anni '60, DuPont ha sviluppato la meta-aramide HF-1 con eccellente stabilità termica, la fibra Nomex. Nel mio Paese, veniva chiamata aramidica. Ha ottenuto l'identificazione di aramide 14 nel 1981 e di aramide 1414 nel 1985. Poiché le singole fibre aramidiche presentano difetti durante l'uso e la loro resistenza diminuisce a contatto con l'acqua, l'aramide viene solitamente trasformata in materiali compositi e utilizzata come fibra di rinforzo per adattarsi a diversi ambienti di utilizzo, migliorandone anche le prestazioni.

1.1 Para-aramide
La para-aramide, nota anche come PPTA (poli-P-fenilenefereftalammide), è stata sviluppata con successo nel 1971 e messa in produzione l'anno successivo. La sua struttura principale a catena è estremamente regolare e le macromolecole si trovano in uno stato fortemente allungato. È resistente alle alte temperature, al fuoco e alla corrosione chimica, ha elevate proprietà meccaniche e resistenza alla fatica e ha una bassa densità. La sua resistenza è 3 volte superiore a quella dell'acciaio e 4 volte superiore a quella del filato industriale di poliestere ad alta resistenza. Il suo modulo iniziale è da 4 a 10 volte superiore a quello del filato industriale di poliestere e oltre 10 volte superiore a quello della fibra di poliammide. Ha una buona stabilità, con ritiro nullo a 150 °C, e può mantenere un'elevata resistenza ad alte temperature, ad esempio il 65% della resistenza originale a 260 °C. Ha una buona adesione alla gomma ed è una fibra ideale per corde. Come il Kevlar-49 di DuPont negli Stati Uniti, il Twaron di Enka nei Paesi Bassi e l'aramide 1414 in Cina.

1.2 Meta-aramide
La meta-aramide, nota anche come MPIA (poli-m-fenilenisoftalammide), è stata studiata per la prima volta nel 1956 e industrializzata nel 1967. La catena macromolecolare della meta-aramide è a zigzag e possiede eccellenti proprietà fisiche e meccaniche, come resistenza e allungamento a rottura. Le sue caratteristiche principali sono l'eccellente resistenza al fuoco e all'ossidazione. Dopo un utilizzo continuo a una temperatura di 260 °C per 1.000 ore, la sua resistenza può ancora mantenere il 65% della resistenza originale; dopo un utilizzo ad alta temperatura di 300 °C per 7 giorni, può ancora mantenere la sua resistenza originale. Può bruciare e ha proprietà autoestinguenti dopo aver lasciato la fiamma; ha una buona stabilità in acidi, alcali, agenti sbiancanti, agenti riducenti e solventi organici. Presenta anche una buona resistenza alle radiazioni. I suoi difetti sono gli stessi del nylon: scarsa stabilità alla luce solare e difficoltà nella tintura.

1.3 Confronto delle prestazioni dell'aramide con altre fibre
L'aramide possiede buone proprietà meccaniche. Rispetto ad altre fibre, l'aramide presenta caratteristiche di resistenza alle alte temperature, ridotto allungamento, elevato modulo elastico e elevata resistenza, in particolare la para-aramide (fibra di Kevlar), che è più eccellente.

La fibra aramidica, come la fibra di vetro, può essere prodotta sotto forma di filato ritorto, roving non ritorto, diverse tipologie di tessuto, nastro, feltro e fili tagliati. Esistono due tipi principali di preparazione dei materiali compositi: il composito ad avvolgimento fibra-fibra e il composito fibra-resina o gomma.

2.1 Stampaggio composito fibra-fibra
L'avvolgimento a umido e l'avvolgimento a secco sono i due metodi principali di stampaggio per l'avvolgimento di materiali compositi. Il vantaggio principale dell'avvolgimento a secco è che il contenuto di colla è più facile da controllare. Pertanto, in passato, lo stampaggio di contenitori compositi ad alta pressione ha sempre utilizzato un unico processo di stampaggio a secco. Tuttavia, l'avvolgimento a umido offre i vantaggi di un basso costo del prodotto, una minore usura delle fibre, un basso rapporto di vuoti e un'elevata efficienza produttiva, ed è ampiamente adottato all'estero. In passato, il mio Paese ha sempre adottato lo stampaggio a secco e ha sviluppato decine di formule di adesivi per stampaggio a secco. Alcune formule, come la 4304 e la 4303A, sono state utilizzate con successo nei grandi motori a propellente solido. Il flusso di processo è il seguente: distacco della fibra aramidica → miscelazione → stampaggio → trattamento termico → macinazione → prodotto finito.

Lo stampaggio a umido è identico allo stampaggio a secco. La matrice di resina deve possedere determinate proprietà meccaniche. Allo stesso tempo, la viscosità del sistema a matrice deve essere controllata entro un certo intervallo per garantire che il fascio di fibre possa essere completamente impregnato durante lo stampaggio. Esistono due modi principali per ridurre la viscosità del sistema: (a) Selezionare un diluente attivo a bassa viscosità. Spesso la viscosità del sistema soddisfa i requisiti del processo di impregnazione, ma allo stesso tempo le proprietà meccaniche e la resistenza al calore del sistema risultano notevolmente ridotte. Dopo la selezione, viene utilizzato un diluente miscelato che soddisfa in una certa misura i requisiti di progettazione. (b) Selezionare un agente indurente liquido. L'aggiunta di un agente indurente liquido può ridurre in una certa misura la viscosità del sistema formulato. Mancano ulteriori ricerche sulla formula umida e sulla tecnologia di stampaggio a umido della fibra aramidica, e la tecnologia della formula umida ad alte prestazioni è la tecnologia chiave che deve essere risolta per prima nello stampaggio a umido.

2.2 Stampaggio di compositi in fibra e resina
Il metodo di stampaggio è lo stesso della fibra di vetro, e include avvolgimento, laminazione manuale, impregnazione, sacco sottovuoto, pressurizzazione e iniezione, che possono essere selezionati in base alle esigenze. Le resine che vengono spesso abbinate alle fibre aramidiche includono resina epossidica, fenolica, poliestere insaturo, vinilestere, poliimmide, ecc. Negli ultimi anni, vengono utilizzate anche in combinazione con nylon, PBT, ecc. Nello studio delle proprietà tensili dei compositi unidirezionali in fibra mista aramide/polipropilene, Zhang Maolin et al. hanno utilizzato filato di filamento non ritorto di aramide (materiale di rinforzo) come filo di ordito e fibra di polipropilene (fibra di matrice) come filo di trama per tessere un prepolimero termoplastico con armatura a tela. I materiali compositi sono stati realizzati a determinate temperature e pressioni, e la densità dei fili di ordito e trama è stata regolata per controllare la composizione del materiale. Le corde in aramide sono sempre più utilizzate nell'industria degli pneumatici per automobili. La tecnologia dei materiali compositi a base di aramide e gomma è in rapido sviluppo. Poiché le fibre aramidiche presentano pochi gruppi funzionali attivi, l'adesione con la gomma è difficile. Per risolvere il problema dell'adesione, vengono generalmente adottate le seguenti misure: da un lato, la formula e il processo del sistema di impregnazione vengono modificati o migliorati. Attualmente, all'impregnazione a un bagno vengono aggiunti l'impregnazione a due bagni o adesivi speciali per impregnazione; dall'altro, gli adesivi vengono aggiunti alla formula della mescola di gomma. Grazie all'effetto sinergico di questi due aspetti, si ottiene un'adesione più ottimale.

L'elevata resistenza dell'aramide è apprezzata da tutti gli strati sociali, in particolare in ambito militare. I caschi moderni hanno avuto origine durante la Prima Guerra Mondiale e sono stati utilizzati per ridurre il tasso di vittime tra i soldati. Dopo la Seconda Guerra Mondiale e fino agli anni '70, i caschi antiproiettile militari erano tutti in acciaio, la maggior parte dei quali in acciaio ad alto tenore di manganese o acciaio speciale, e le calotte erano per lo più stampate. I caschi in nylon sono utilizzati principalmente nel Regno Unito e in Israele. Il casco presenta uno strato antiurto in schiuma di polietilene ad alta densità per migliorare il comfort. I caschi in aramide sono costituiti da tessuti multistrato in aramide legati da resine speciali e stampati ad alta temperatura e alta pressione. I caschi in aramide sono stati sviluppati da DuPont negli anni '70. I loro vantaggi sono l'elevata resistenza, la leggerezza e le buone prestazioni protettive. Sono adottati da sempre più paesi.

La resistenza agli impatti balistici della fibra aramidica è attribuibile alla sua superiore stabilità termica, all'elevata cristallinità, alla struttura ad alta orientazione e alle elevate prestazioni di trazione. L'elevata temperatura di transizione vetrosa e l'eccellente stabilità termica consentono alle fibre aramidiche di garantire la stabilità delle strutture resistenti agli impatti alle alte temperature generate dagli impatti balistici; l'elevata cristallinità e l'elevata orientazione producono un elevato modulo elastico, garantendo una rapida risposta alla deformazione assiale; l'elevata elasticità e l'allungamento medio conferiscono alle fibre aramidiche un'elevata tenacità, che consente loro di funzionare efficacemente in caso di rottura longitudinale. Il mio Paese ha condotto ricerche sulle piastre antiproiettile in aramide e ha compiuto progressi nel rapporto ottimale matrice-fibra.

Il componente principale degli pneumatici è la gomma. Per migliorarne la resistenza, il filo d'acciaio è stato inizialmente utilizzato come materiale di rinforzo nell'industria. Tuttavia, a causa dell'elevata densità del filo d'acciaio, aumentando la resistenza dello pneumatico, aumenta anche il peso della carrozzeria del veicolo e il consumo energetico. Inoltre, la presenza del filo d'acciaio rende lo pneumatico più duro, più soggetto a urti e ne diminuisce il comfort. Soprattutto nei veicoli pesanti, la capacità di carico è molto elevata e i requisiti per gli pneumatici sono più elevati.

Rispetto al filo d'acciaio, il cordone aramidico presenta le seguenti caratteristiche: resistenza alle alte temperature, elevata resistenza, elevato modulo e ridotta deformazione, oltre alla flessibilità dovuta a bassa densità relativa, resistenza alla fatica e al taglio. Combina le eccellenti prestazioni del filo d'acciaio, del rayon, del nylon e del cordone di poliestere, ed è noto come "filo d'acciaio sintetico". È attualmente il materiale più ideale per la realizzazione di scheletri.

I vantaggi del cordone aramidico sono: ① Come cordone, la carcassa del pneumatico può essere ridotta da tre strati a uno, il peso del pneumatico è ridotto, la resistenza al rotolamento dello pneumatico è ridotta e il consumo di carburante può essere ridotto. ② L'effetto legante del cordone aramidico e della gomma è migliore di quello del filo di acciaio e non è facilmente influenzato dall'umidità. ③ Dopo aver utilizzato l'aramide come cordone, la rigidità e la resistenza all'usura del pneumatico sono migliorate e la durata del pneumatico è prolungata. ④ Grazie alla riduzione del numero di carcasse, le prestazioni di guida e il comfort di guida dell'auto sono stati notevolmente migliorati.

Tuttavia, gli svantaggi principali dell'aramide come corda sono il costo troppo elevato, la tecnologia di produzione complessa e la necessità di attrezzature speciali per la lavorazione.

La fibra di Kevlar è la scelta migliore per i materiali di rinforzo dei tubi flessibili. Attualmente, sempre più tubi flessibili per automobili, tubi per l'industria chimica, tubi per l'industria petrolifera, vari tubi idraulici per l'industria aeronautica e tubi marittimi utilizzano la fibra di Kevlar come materiale di rinforzo. Chrysler e Gates negli Stati Uniti utilizzano la fibra di Kevlar come materiale di rinforzo per i tubi flessibili dei dispositivi di raffreddamento delle automobili, realizzando tubi di raffreddamento per auto con una temperatura di circa 150 °C. Gates e Goodall negli Stati Uniti hanno utilizzato la fibra aramidica per tubi flessibili di grande diametro per centrali nucleari, impianti chimici e prospezioni petrolifere. Il diametro interno è di 25,4 cm, la lunghezza di 12 m ciascuno, la pressione di esercizio di progetto è di 56 kg/cm² e il raggio di curvatura è di 1,5 m.

3.4 Campo di rinforzo della struttura del ponte
Il tessuto in fibra aramidica trova un'ampia gamma di applicazioni nel rinforzo di ponti di vecchia costruzione. Nel rinforzo di componenti, il tessuto in fibra aramidica viene utilizzato principalmente per resistere alla trazione. Viene generalmente utilizzato per le parti soggette a trazione di travi, le parti soggette a taglio di travi e pilastri e per il rinforzo di confinamento di pilastri o pile di ponti. Dopo l'applicazione di due strati di fibra aramidica AFS-40 sulle parti fessurate delle pile del ponte, lo sviluppo delle crepe è stato controllato e la capacità portante del ponte è stata significativamente migliorata.

3.5 Campo elettrico ed elettronico
La fibra aramidica presenta eccellenti proprietà meccaniche, di isolamento elettrico, di trasmissione delle onde e di stabilità dimensionale. È stata utilizzata nel settore elettrico ed elettronico in circuiti stampati speciali per la tecnologia di montaggio superficiale (SMT) nell'assemblaggio di componenti microelettronici, coperture per antenne radar aviotrasportate o satellitari, componenti strutturali funzionali per l'alimentazione di antenne radar e componenti elettrici mobili. Le superfici riflettenti delle antenne paraboliche multiple sviluppate da RCA per diversi satelliti sono tutte realizzate in materiali compositi rinforzati con tessuto in fibra aramidica.

3.6 Campo degli indumenti protettivi e resistenti al calore
I materiali delle tute spaziali extraveicolari devono essere leggeri, flessibili, resistenti all'usura, agli urti e avere una buona durata meccanica; la resistenza chimica, al calore e alla luce sono buone e possono prevenire diverse radiazioni. A temperature estremamente elevate e estremamente basse, e sotto l'effetto di radiazioni termiche ad alta energia, le diverse proprietà del materiale rimangono stabili. Il tessuto in fibra aramidica è il materiale preferito.

L'elevata resistenza e la bassa densità dell'aramide sono utilizzate in vari campi. Nel campo delle piastre di tenuta, le piastre di tenuta in gomma rinforzata con fibra aramidica, realizzate in fibra aramidica anziché in fibra di amianto, offrono buone prestazioni di tenuta e sono innocue per il corpo umano. Nella ricerca sulle pastiglie dei freni a disco, l'aramide offre le migliori prestazioni in termini di perdita di carico e resistenza al taglio interno, e si prevede che verrà utilizzata nei freni posteriori delle auto e nei freni anteriori delle minicar negli ultimi anni. In ambito navale, i materiali compositi aramidici possono essere utilizzati per ridurre il peso dello scafo e aumentare la velocità della nave; nei materiali da costruzione, l'aramide viene utilizzata in sostituzione dell'amianto per rinforzare il cemento e sostituire i materiali metallici per fornire una struttura leggera e una struttura portante principale ad alta resistenza. L'aramide può anche essere utilizzata per realizzare tute spaziali, tute antincendio, ecc. L'aramide viene ora utilizzata per sostituire il filo di acciaio nella produzione di cavi sottomarini, in particolare quelli per le profondità marine. Le fibre aramidiche vengono aggiunte anche all'esterno delle colonne in calcestruzzo per inibire l'espansione del volume del calcestruzzo quando è danneggiato e migliorarne la resistenza e la resistenza sismica.

Importante invenzione nel settore delle fibre polimeriche del XX secolo, l'aramide viene utilizzata in un numero sempre maggiore di settori grazie alla sua elevata resistenza, alla bassa densità, alla resistenza alle alte temperature e ad altre caratteristiche. La ricerca su questo materiale si concentra principalmente sull'utilizzo dell'aramide come materiale di rinforzo per la realizzazione di materiali compositi. Tuttavia, a causa della complessità della preparazione e della lavorazione dell'aramide e del suo costo elevato, al momento non può essere ampiamente utilizzata. Poiché le fibre aramidiche presentano pochi gruppi funzionali e una scarsa adesione alla matrice, devono essere sottoposte a trattamento dei bordi o all'aggiunta di adesivi. La ricerca e lo sviluppo di questa tecnologia possono ampliare il campo di applicazione dell'aramide.