Introduzione
Resine fenolichesono materiali termoindurenti formati da reazioni di condensazione tra composti fenolici e aldeidi, più comunemente fenolo e formaldeide. Questi materiali sono utilizzati in sistemi compositi in cui il comportamento termico, la prestazione al fuoco, la stabilità dimensionale o la resistenza chimica possono essere rilevanti.
I sistemi di resina fenolica indurita possono mostrare un comportamento di frattura relativamente fragile, sebbene ciò dipenda dalla chimica della resina, dalla formulazione e dalle condizioni di indurimento. La struttura della rete altamente reticolata che fornisce resistenza termica e chimica limita anche la mobilità molecolare, che può influenzare il comportamento alla frattura.
Tenacità della matrice vs resistenza alla frattura del composito
Le prestazioni relative alla tenacità devono essere interpretate in base al livello del materiale e al metodo di prova considerati. Sono rilevanti diversi concetti distinti:
La tenacità della matrice riguarda il comportamento di deformazione e di assorbimento di energia della matrice indurita prima della rottura.
I parametri di tenacità alla frattura sono proprietà meccaniche di frattura specifiche misurate in condizioni di provino e di prova definite.
Le prove di impatto caratterizzano la risposta del materiale o del provino sotto carico rapido.
La resistenza alla frattura e la tolleranza al danno dei compositi riguardano il comportamento dell'intero sistema composito.
Queste misurazioni descrivono diversi aspetti del comportamento dei materiali, quindi il miglioramento di una proprietà non corrisponde necessariamente al miglioramento di un'altra.
Le strategie di gomma, sostanze chimiche, polimeri multifase e nanoparticelle selezionate alterano principalmente la matrice o la fase contenente la matrice, mentre l’architettura delle fibre e il comportamento interfacciale influenzano principalmente la risposta alla frattura del composito completo.
Modifica della gomma
La modifica della gomma è un approccio ben studiato per l'indurimento selezionatosistemi di resine fenoliche. La modificazione elastomerica è stata studiata come mezzo per modificare il comportamento all'impatto e alla frattura in formulazioni fenoliche selezionate.
Gli effetti osservati dipendono dalla chimica della gomma, dalla morfologia, dalla dispersione, dal comportamento interfacciale, dalle condizioni di polimerizzazione, dal carico e dal metodo di prova. I domini di gomma dispersi possono alterare i campi di stress locali e il comportamento di propagazione delle cricche. I meccanismi coinvolti dipendono dalla specifica morfologia e formulazione della resina-gomma.
Il carico della gomma può influenzare il comportamento di lavorazione, la rigidità e il comportamento termico, pertanto è necessario valutare il livello appropriato per la formulazione specifica.
Rinforzo delle fibre e comportamento alla frattura dei compositi
Il rinforzo delle fibre modifica principalmente il comportamento alla frattura e la tolleranza al danno del composito completo piuttosto che la tenacità intrinseca della matrice fenolica polimerizzata. Vengono utilizzate varie architetture di fibre, comprese fibre corte, fibre continue, rinforzi tessuti e rinforzi non tessuti, a seconda dei requisiti applicativi.
Incompositi fenolici fibrorinforzati, diversi meccanismi possono contribuire alla resistenza alla frattura:
Il ponte delle fibre può contribuire alla resistenza alla frattura quando le fibre attraversano una fessura in via di sviluppo e resistono all'apertura della fessura.
Laddove il distacco interfacciale e le condizioni di scorrimento lo consentono, il distacco delle fibre può contribuire all’assorbimento di energia.
I percorsi delle cricche possono anche essere reindirizzati da fibre o interfacce.
Il comportamento alla frattura di un composito rinforzato con fibre dipende da fattori quali architettura del rinforzo, orientamento, frazione di volume, comportamento interfacciale, modalità di carico e processo di produzione. Le proprietà interfacciali influenzano il trasferimento del carico e il comportamento alla frattura. Agenti accoppianti e trattamenti superficiali possono essere utilizzati per modificare il comportamento interfacciale fibra-matrice.
Modificazione chimica e multifase
Modificazione chimica
La modifica chimica può alterare la struttura e la risposta meccanica della rete fenolica polimerizzata. Le modifiche intese a cambiare il comportamento correlato alla frattura possono anche influenzare la rigidità, il comportamento termico, le caratteristiche di polimerizzazione o la lavorabilità.
Il cardanolo e altri componenti liquidi derivati dal guscio degli anacardi sono stati studiati come modificatori dei sistemi fenolici. Il comportamento meccanico e termico risultante dipende dalla composizione e dalle condizioni di polimerizzazione.
Reti polimeriche compenetranti
Una rete polimerica interpenetrante (IPN) comprende due o più reti polimeriche che sono almeno parzialmente interlacciate su scala molecolare, non sono legate covalentemente l'una all'altra e non possono essere separate senza rompere i legami chimici. Una miscela di reti polimeriche preformate separatamente non è, di per sé, un IPN.
Una rete polimerica semi-interpenetrante contiene una o più reti polimeriche insieme ad uno o più polimeri lineari o ramificati che penetrano nella struttura della rete su scala molecolare.
A seconda della composizione, della morfologia e delle condizioni di lavorazione, le architetture IPN o semi-IPN possono alterare l’equilibrio del comportamento meccanico, termico e alla frattura nei sistemi contenenti fenoli.
Modificazione delle nanoparticelle
Le nanoparticelle sono state studiate come modificatori disistemi di resine fenoliche. I loro effetti dipendono dalla chimica delle particelle, dal carico, dalla dispersione, dalle caratteristiche della superficie e dalle interazioni con la matrice.
La qualità della dispersione può influenzare il comportamento dei sistemi modificati con nanoparticelle. Il trattamento superficiale e la strategia di dispersione possono influenzare la compatibilità e le prestazioni.
Le nanoparticelle possono alterare il comportamento di propagazione delle cricche a seconda della dispersione e delle interazioni interfacciali. Rigidità, resistenza e tenacità sono proprietà distinte e possono rispondere in modo diverso alle modifiche.
Valutazione delle prestazioni legate alla robustezza
Impatto e caratterizzazione della frattura
I test Charpy o Izod possono essere utilizzati per confrontare la risposta all'impatto in condizioni di provino e di prova definite. Le prove di impatto e le prove di meccanica della frattura forniscono diversi tipi di dati di caratterizzazione e non sono intercambiabili.
Le configurazioni di piegatura con intaglio a bordo singolo (SENB) possono essere utilizzate per la caratterizzazione della meccanica della frattura nell'ambito di un metodo di prova sui polimeri applicabile. La validità dei parametri di resistenza alla frattura riportati dipende dalla geometria del campione, dalla risposta del materiale e dalle condizioni di prova.
Per i compositi laminati appropriati, è possibile utilizzare metodi a doppia trave a sbalzo (DCB) per la caratterizzazione della frattura interlaminare di Modo I. I metodi ENF (End-notched-flexure) possono essere utilizzati per la caratterizzazione della frattura interlaminare di Modo II di laminati appropriati. Per i compositi laminati in cui la resistenza alla delaminazione è un problema di progettazione, la caratterizzazione della frattura interlaminare può essere particolarmente rilevante.
Supporto alla caratterizzazione meccanica e viscoelastica
Le prove di trazione e flessione possono essere utilizzate per valutare i cambiamenti di resistenza e rigidità associati a una modifica. Queste misurazioni completano la caratterizzazione relativa alla tenacità identificando i compromessi tra le proprietà meccaniche.
L'analisi dinamico-meccanica (DMA) può fornire informazioni sulla risposta viscoelastica e sul comportamento correlato alla transizione vetrosa. DMA fornisce il supporto della caratterizzazione termomeccanica piuttosto che dei dati sulla resistenza alla frattura.
Compromessi nella formulazione
La valutazione dovrebbe considerare gli effetti su rigidità, resistenza, comportamento termico, comportamento di polimerizzazione, viscosità, lavorabilità, compatibilità di produzione e costi.
È possibile combinare più approcci, ma le loro interazioni dovrebbero essere valutate sperimentalmente per il sistema materiale specifico.
Conclusione
Prestazioni legate all'irrobustimento incompositi di resina fenolicapuò essere modificato sia a livello di matrice che composito. Gli approcci basati su gomma, chimici, polimeri multifase e nanoparticelle influenzano principalmente la fase contenente la matrice, mentre l’architettura di rinforzo e il comportamento interfacciale influenzano principalmente la risposta alla frattura del composito completo.
La strategia appropriata dipende dalle proprietà target, dal sistema dei materiali, dal percorso di lavorazione e dai requisiti applicativi. La caratterizzazione di impatto, frattura, meccanica e viscoelastica dovrebbe pertanto essere selezionata in base alla domanda prestazionale da valutare.
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