Sviluppo di compositi e nanocompositi a matrice polimerica con capacità autoriparanti per...
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Sviluppo di compositi e nanocompositi a matrice polimerica con capacità autoriparanti per applicazioni aeronautiche Prof. Alberto Mariani 1 – Prof. Saverio
Sviluppo di compositi e nanocompositi a matrice polimerica con
capacit autoriparanti per applicazioni aeronautiche Prof. Alberto
Mariani 1 Prof. Saverio Russo 2 Prof. Jos Maria Kenny 3 1 Universit
degli Studi di Sassari - Dip. Chimica 2 Universit degli Studi di
Genova Dip. di Chimica e Chimica Industriale - Centro di
Riferimento NIPLAB INSTM 3 Universit di Perugia, sede di Terni
Centro di Riferimento NIPLAB INSTM Fig.1 : sistema autoriparante di
White. IL SISTEMA METABOLICO DI WHITE Questo sistema al momento
lunico in cui il processo di autoriparazione si innesca in maniera
automatica per effetto stesso della formazione di crepe allinterno
della matrice. Esso stato applicato a una matrice polimerica
epossidica [1]; in questa sono stati dispersi un catalizzatore in
polvere finemente suddivisa (catalizzatore di Grubbs) e delle
microcapsule contenenti un monomero (diciclopentadiene, DCPD) che
ha la funzione di agente riparante (Figura 1A). Linsorgenza di una
crepa nella matrice provoca la rottura delle microcapsule con
conseguente rilascio dellagente riparante il quale, per capillarit,
raggiunge la regione danneggiata (Figura 1B). Il DCPD entra in
contatto con il catalizzatore di Grubbs e polimerizza a temperatura
ambiente e in tempi molto rapidi saldando le due facce della crepa
grazie alla formazione di un polimero reticolato che ripristina la
rigidit della matrice (Figura 1C). Il catalizzatore, rimanendo
attivo anche dopo il termine della polimerizzazione, permette
autoriparazioni multiple INTRODUZIONE Fra i settori di maggiore
interesse applicativo vi certamente quello relativo alla
preparazione di materiali in grado di mimare i comportamenti tipici
degli organismi viventi. In questambito, uno degli obiettivi
principali costituito dalla realizzazione di materiali con propriet
autoriparanti. Recentemente sono stati ideati alcuni materiali
polimerici dotati di queste caratteristiche[1-3]. Nella maggior
parte dei casi, il processo di autoriparazione innescato da stimoli
esterni, anche se senza un intervento diretto nella zona da
riparare. Ad oggi riportato un solo esempio in letteratura di un
materiale polimerico autoriparante di tipo metabolico in cui, al
pari di quanto avviene negli organismi viventi, il verificarsi
stesso di una frattura che attiva il meccanismo di riparazione
(cfr. Il sistema metabolico di White). E ovvia limportanza dei
processi di autoriparazione nei materiali polimerici, dotati sia di
propriet strutturali che funzionali, per lutilizzo in settori
avanzati. Tra questi, appare di particolare importanza
lapplicazione dei materiali autoriparanti nellindustria
aerospaziale o in campo biomedico. Sarebbe inoltre di estremo
interesse labbinamento del meccanismo di autoriparazione ad uno di
tipo diagnostico, che consentisse di evidenziare la formazione di
(micro)crepe nelle zone interne del materiale, nelle quali il
controllo diretto risulta al momento impossibile o molto
problematico. VANTAGGI DEI MATERIALI POLIMERICI AUTORIPARANTI
Rallentare e resistere ai processi di degradazione naturale.
Migliorare la sicurezza e laffidabilit di un prodotto. Allungare il
tempo di vita del materiale. Ridurre i costi di manutenzione.
Industria automobilistica PRINCIPALI CAMPI APPLICATIVI DEI
MATERIALI POLIMERICI AUTORIPARANTI Settore aeronautico e
aerospaziale Settore sportivo Applicazioni biomediche PROCESSI DI
AUTORIPARAZIONE TECNICHE DIAGNOSTICHE La possibilit di evidenziare
immediatamente la presenza di fratture non appena esse si siano
formate di estrema importanza per la sicurezza e laffidabilit del
materiale polimerico. Una possibilit, per materiali non
eccessivamente spessi, quella illustrata in Figura 11 in cui il
materiale polimerico stato caricato con fibre di vetro cave [3,
7-10] contenenti un agente fluorescente. La frattura provoca la
fuoriuscita di questultimo, evidenziando cos il danno. Fig.6:
immagine SEM della rottura del guscio di rivestimento di una
microcapsula. Fig.7: immagine SEM della superficie di un materiale
prima della riparazione della crepa. Fig.11: immagine della crepa
sulla superficie di un materiale rilevata sotto analisi con luce
UV. RIFERIMENTI Fig.2 : protesi articolari. Fig.4 : valvole
cardiache. Fig.3 : by-pass. Fig.5 : materiali dentali. Fig.8:
immagini SEM di una superficie riparata. [1] S. R. White, N. R.
Sottos, P. H. Geubelle, J. S. Moore, M. R. Kessler, S. R. Sriram,
E. N. Brown, S. Viswanathan; Nature 2001, 409, 794 [2] J. Raghavan,
R. P. Wool; J. Appl. Polym. Sci. 1999, 71, 775. [3] P. Gould;
Materials today 2003, 6 (6), 44. [4] N. Yao, A. Y. Ku, N. Nakagawa,
T. Lee, D. A. Saville, I. A. Aksay; Chem. Mater.2000, 12(6),1536.
[5] M. Trau, D. A. Saville, I. A. Aksay; Langmuir 1997,13
(24),6375. [6] X. Chen, M. A. Dam, K. Ono, A. Mal, H. Shen S. R.
Nutt, K. Sheran, F. Wudl; Science 2002, 295, 1698 [7] C. Dry,
Composite Structures 1996, 35, 263. [8] C. Dry, Proc. Int. SAMPE
Symp. Exhib. Evolving Technologies for the Competitive Edge, 1997,
42(1), 208. [9] S.M. Bleay, C.B. Loader, V.J. Hawyes, L.
Humberstone, P.T. Curtis, Composites: pt. A 2001, 32, 1767. [10] M.
Hucker, I. Bond, S. Bleay, S. Haq, Composites: pt. A 2003, 34, 927.
LAPPROCCIO NON METABOLICO Consiste in processi di riparazione non
autonomi, ma attivabili con apposite procedure di stimolazione
esterna facenti uso di campi elettrici o magnetici, intorni
chimici, temperatura, etc. A titolo esemplificativo, in Figura 9 si
riporta il sistema proposto da Aksay et al. [4,5], che si ispira al
fenomeno della coagulazione sanguigna ed basato sul principio del
flusso elettroidrodinamico. La funzione del campo elettrico analoga
a quella dei nervi sensitivi presenti nel corpo umano. Un secondo
esempio quello rappresentato in Figura 10: il modello di Chen [6].
In questo approccio si sfrutta la reversibilit di alcune reazioni
chimiche al variare della temperatura. La formazione di una crepa
implica la rottura di alcuni legami chimici tra atomi posti sulle
due facce della frattura. Per riscaldamento del campione, si
ottiene una rottura indotta di alcuni legami termicamente
reversibili appositamente introdotti e in grado di ricombinarsi
tramite reazioni chimiche opportune che vengono favorite dal
raffreddamento del materiale. Fig.9: sistema autoriparante di
Aksay.Fig.10: modello autoriparante di Chen. riscaldamento In
Italia si recentemente costituito nellambito del Consorzio INSTM un
gruppo di ricerca multisede che raggruppa una ventina di
ricercatori accademici dedicati allo studio dei materiali
polimerici autoriparanti.