Capitolo 3: Il processo di curing

Progettazione strutturale con materiali compositi tessuti: caratterizzazione sperimentale ed ottimizzazione del ciclo di curing per il controllo della stabilità dimensionale

CAPITOLO 3

IL PROCESSO DI CURING

Le tensioni residue sono una delle maggiori cause di rottura dei componenti meccanici: la loro presenza, spesso non prevista, porta il pezzo ad essere sottodimensionato ovvero con caratteristiche di resistenza inferiori a quelle attese. Un altro effetto delle tensioni residue è l’insorgenza di distorsioni del manufatto. Nei materiali convenzionali queste si manifestano quando, a seguito di lavorazioni con asportazione di materia, il manufatto perde il suo equilibrio intrinseco. Nei materiali compositi tessuti lo sviluppo di tensioni residue è correlato a diversi aspetti che vengono analizzati in seguito, tra questi di particolare rilevanza riveste il ciclo di curing. Con il termine curing si indicano quell’insieme di processi che portano la matrice dallo stato semifluido a quello solido. Grazie ai catalizzatori presenti nella resina ed all’apporto di calore si realizza la reazione dei gruppi chimici di base (epossidici, esteri ecc.) con formazione di polimeri reticolati. La reazione è esotermica ed accompagnata da aumento del peso molecolare della matrice. La viscosità scende nelle fasi iniziali per effetto termico per poi riaumentare a seguito della formazione delle catene molecolari polimeriche. La resina passa dallo stato liquido a quello gommoso/solido nel punto comunemente indicato come “gel point”, questo passaggio si verifica quando il grado di curing e circa un terzo di quello finale e corrisponde alla formazione delle le catene polimeriche lineari. Il processo prosegue e si conclude con la reticolazione ovvero la formazione dei legami di interconnessione  tra le catene polimeriche. Se la resina è di tipo termoindurente questi passaggi sono irreversibili e la forma e le caratteristiche meccaniche del manufatto non possono più essere cambiate.

Durante il processo di curing diversi aspetti portano alla nascita di tensioni residue, per ridurle è necessario analizzare nel dettaglio gli eventi termo-chimico-fisici coinvolti. In questo capitolo, si illustrano i principali fenomeni che si svolgono durante il curing e si riportano le nozioni teoriche sulle quali si basano le considerazioni e le scelte effettuate per il controllo della stabilità dimensionale.

In questa sede è stato studiato il processo produttivo detto “con sacco a vuoto”. Il processo, illustrato dettagliatamente in §1.6, consiste nella realizzazione di un sacco sigillato che consente di portare il pezzo in condizioni di vuoto spinto. Una volta assemblato, il sacco viene inserito in autoclave e sottoposto ad un opportuno ciclo termico. Nell’autoclave vengono contemporaneamente realizzate azioni meccaniche tramite aumento della pressione. Con questa tecnica si ottengono ottimi manufatti grazie all’elevato degasaggio, all’uniformità della polimerizzazione, alla bassissima rugosità superficiale. Un tipico ciclo termico è quello in figura 3.1, il ciclo meccanico  dello stesso curing è riportato in figura 3.2, di norma i due cicli vengono illustrati nello stesso grafico.

Figura 3.1 – Tipico ciclo termico

Il ruolo della temperatura è essenzialmente quello di far avvenire la polimerizzazione della resina. I processi di polimerizzazione sono infatti ad attivazione termica ed evolvono con velocità e modalità influenzabili termicamente.  Un corretto ciclo termico, consente di ottenere laminati con la giusta quantità di resina, con un elevato ed uniforme grado di polimerizzazione, con basse tensioni residue. Combinando questi tre aspetti si ottiene una notevole accuratezza dimensionale dei componenti realizzati.

All’avvio della polimerizzazione è abbinata una riduzione della viscosità, quando questa scende a livelli minimi, si applica la pressione che determina l’evacuazione della resina in eccesso.La pressione va dunque applicata quando la viscosità è minima, l’entità della pressione applicata è proporzionale al grado di drenaggio desiderato.

Figura 3.2 – Tipico ciclo di pressione

Il ciclo termico, quello meccanico e la composizione del sacco, incidono sull’evoluzione dei fenomeni che si sviluppano durante il curing, nel dettaglio si tratta di:

§         Fenomeni chimici: la polimerizzazione ed il grado di curing

§         Fenomeni termodinamici: lo sviluppo e la trasmissione del calore

§         Fenomeni chimico-fisici: la viscosità ed il comportamento viscoelastico

§         Fenomeni igroscopici: vuoti e degasaggio

§         Fenomeni meccanici: i moduli elastici e le tensioni residue

Lo studio effettuato, dopo aver analizzato il comportamento dei fenomeni elencati, è  stato finalizzato alla loro ottimizzazione;  per lo studio del curing sono stati utilizzati 5 sottomodelli:

1)      Modello cinetico: partendo dalla curva flusso termico, temperatura si calcola il calore di reazione  quindi il grado di curing a. Nello stesso modello rientra il calcolo del flow number, parametro legato alla viscosità ed al tempo di gelificazione (gel point).

2)      Modello di viscosità: usando le prove di caratterizzazione DMA (§1.6.4) si ottiene sperimentalmente l’andamento della viscosità durante il curing. Questo andamento puo’ essere individuato attraverso una legge analitica, di tipo esponenziale, che lega la viscosità al grado di curing.

3)      Modello di flusso: consente di valutare il tempo di evacuazione dal laminato della resina in eccesso e le modalità di drenaggio ortogonali e tangenziali al laminato.

4)      Modello del modulo elastico: fornisce l’evoluzione delle caratteristiche di rigidezza elastiche (G,E) al variare del grado di curing.

5)      Modello della trasmissione di calore: ha per obiettivo l’individuazione del campo termico nel composito e la sua evoluzione (heat history). E’ possibile procedere per via analitica con un modello termodinamico o per via sperimentale (heat survey).

Altri modelli analitici sono disponibili relativamente ad effetti di notevole importanza, per il controllo della stabilità dimensionale, quali il degasaggio e l’assorbimento di umidità. Per questi non si è ricorso alle teorie analitiche ma sono state individuate indicazioni da seguire durante il processo di realizzazione dei manufatti.

IN QUESTO CAPITOLO:  

3.1 La polimerizzazione

3.2 Modello cinetico del curing

3.3 Il modello viscoso

3.4 Il modello del modulo elastico

3.5 Il modello termodinamico

3.6 Il modello di flusso di resina

3.7 Altri aspetti

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