Acciaio
Gli acciai inossidabili sono genericamente definiti come leghe ferrose contenenti cromo, generalmente in quantità fra l’11 ed il 30%. Il cromo conferisce all’acciaio un film protettivo anti corrosione. Altri leganti possono essere il nichel, il rame, il titanio, il molibdeno e il niobio. Il variare di ogni singolo legante influisce sulle caratteristiche strutturali, meccaniche e di corrosione dell’acciaio.
In base alla struttura cristallina, gli acciai si suddividono in:
In base alla struttura cristallina, gli acciai si suddividono in:
- martensitici: sono leghe al cromo nell’intervallo percentuale di 11% – 18 % con una quantità rilevante di carbonio contenente altri elementi come manganese, silicio, cromo e molibdeno
- ferritici: ossia acciai inossidabili contenenti solo cromo nell’intervallo percentuale di 12% – 17 %
- austenitici: ossia acciai inossidabili contenenti nichel ( 8% -14%), cromo ( 17% -19%) ed una eventuale piccola quantità di molibdeno ( 2% -3%)
- austeno-ferritici (o duplex) ossia acciai inossidabili contenenti Cromo (18% – 26%) , Ni (4,5%-6,5%), ed una eventuale piccola quantità di molibdeno ( 2,5% -3
Le sigle AISI 304 e AISI 316 indicano un acciaio inox austenitico di alta qualità contenente Cromo (18%) e Nichel (10%). Infatti l’acciaio inossidabile AISI 304 è anche definito dalla sigla 18/10 proprio in riferimento alla quantità di Cromo e Nichel. L’AISI 304 è l’acciaio generalmente più utilizzato per posate, cappe, cucine, lavelli etc.
Per altri i tipi di utilizzo e soprattutto per ambiente difficili (porti, zone industriali, ambienti molto inquinati) è invece più indicato l’acciaio certificato AISI 316 che contiene una percentuale del circa 3 % di molibdeno che assicura una miglior resistenza alla corrosione dei cloruri . Per questo è l’acciaio di prima scelta impiegato nella carpenteria navale.
Aramide
Le fibre in Aramide o Aramidiche sono fibre polimeriche ad altissime prestazioni meccaniche ottenute per lavorazione di Poliammidi Aromatiche. Le poliammidi sono una famiglia di materiali polimerici ottenuti per policondensazione di diammine e acido dicarbossilico; possono essere caratterizzate da una struttura "lineare" oppure contenere gruppi aromatici.
Si parla di poliammidi a struttura o catena lineare quando i legami tra gli atomi di carbonio e i vari gruppi funzionali si sviluppano prevalentemente lungo una linea, tra le poliammidi a struttura lineare vale la pena ricordare il Nylon.
Il Nylon, essendo caratterizzato da una struttura lineare, risulta molto deformabile. Esso, infatti, è caratterizzato da un modulo elastico E intorno a 5 GPa e possiede una resistenza meccanica a trazione relativamente bassa se confrontata con quella di altri materiali polimerici; per la scarsa rigidezza e tenacità, il Nylon non trova impiego in ambito strutturale.
La presenza di anelli aromatici nella molecola di una poliammide comporta un incremento delle prestazioni meccaniche rispetto a quelle delle poliammidi lineari, in particolare, del modulo di elasticità, se il contenuto di anelli aromatici risulta maggiore dell'85% si parla di poliammidi aromatiche e, più propriamente, di ARAMIDI.
Le fibre aramidiche sono caratterizzate da una resistenza meccanica a trazione confrontabile con quella delle più comuni fibre in carbonio ma da un modulo elastico mediamente più basso. Per contro, in ragione del loro peso specifico più basso (1.4 g/cm3 contro 1.8 g/cm3 del carbonio) le fibre aramidiche sono caratterizzate da una più elevata resistenza specifica intesa come resistenza meccanica a trazione rapportata al peso specifico del materiale.
L'impiego delle fibre in aramide è, per lo più, indicato nel rinforzo delle strutture in muratura dove un elevato modulo elastico non è necessario e, spesso, può costituire un problema.
Inoltre si distinguono per aver un'elevata resistenza al taglio ed abrasione, buona stabilità al calore (si decompone a circa 500°C), è un materiale nonconduttore. In presenza di radiazioni UV si generano fenomeni di degradazione.
Si parla di poliammidi a struttura o catena lineare quando i legami tra gli atomi di carbonio e i vari gruppi funzionali si sviluppano prevalentemente lungo una linea, tra le poliammidi a struttura lineare vale la pena ricordare il Nylon.
Il Nylon, essendo caratterizzato da una struttura lineare, risulta molto deformabile. Esso, infatti, è caratterizzato da un modulo elastico E intorno a 5 GPa e possiede una resistenza meccanica a trazione relativamente bassa se confrontata con quella di altri materiali polimerici; per la scarsa rigidezza e tenacità, il Nylon non trova impiego in ambito strutturale.
La presenza di anelli aromatici nella molecola di una poliammide comporta un incremento delle prestazioni meccaniche rispetto a quelle delle poliammidi lineari, in particolare, del modulo di elasticità, se il contenuto di anelli aromatici risulta maggiore dell'85% si parla di poliammidi aromatiche e, più propriamente, di ARAMIDI.
Le fibre aramidiche sono caratterizzate da una resistenza meccanica a trazione confrontabile con quella delle più comuni fibre in carbonio ma da un modulo elastico mediamente più basso. Per contro, in ragione del loro peso specifico più basso (1.4 g/cm3 contro 1.8 g/cm3 del carbonio) le fibre aramidiche sono caratterizzate da una più elevata resistenza specifica intesa come resistenza meccanica a trazione rapportata al peso specifico del materiale.
L'impiego delle fibre in aramide è, per lo più, indicato nel rinforzo delle strutture in muratura dove un elevato modulo elastico non è necessario e, spesso, può costituire un problema.
Inoltre si distinguono per aver un'elevata resistenza al taglio ed abrasione, buona stabilità al calore (si decompone a circa 500°C), è un materiale nonconduttore. In presenza di radiazioni UV si generano fenomeni di degradazione.
Basalto
Il basalto è sempre stato usato fin dall’antichità per la sua durezza per lastricare le strade e, come riempimento, nelle costruzioni. Più recentemente inoltre è stato utilizzato nella produzione di rivestimenti antiabrasivi e mattonelle per pavimentazione mediante lo stampaggio dal fuso. In realtà, negli ultimi decenni, si è scoperto che le rocce basaltiche non sono tutte identiche chimica
Il processo tecnologico per la produzione della fibra di basalto è basato su quattro passaggi fondamentali:
▪ un primo pretrattamento della roccia basaltica
▪ un processo di fusione in fornace per l’ottenimento delle fibre continue
▪ un trattamento di "filatura" in continuo
▪ lavorazioni di "tessitura" o altre, più particolari, per l'ottenimento di altre forme finali per applicazioni specifiche
Il processo tecnologico per la produzione della fibra di basalto è basato su quattro passaggi fondamentali:
▪ un primo pretrattamento della roccia basaltica
▪ un processo di fusione in fornace per l’ottenimento delle fibre continue
▪ un trattamento di "filatura" in continuo
▪ lavorazioni di "tessitura" o altre, più particolari, per l'ottenimento di altre forme finali per applicazioni specifiche
Per produrre la fibra di basalto è necessario portare la roccia oltre la temperatura di fusione ( circa 1400 °C ) in modo da garantire una viscosità adeguata per la filatura. Per fare ciò si adopera un fornace di materiale refrattario. Il fuso è quindi estruso attraverso una matrice contenente più boccole per produrre fili continui di basalto. Tali fili sono avvolti su una bobina, operazione che ha anche il compito di stirare le fibre in modo da ridurne il diametro ed aumentarne le proprietà meccaniche. Benché abbastanza simili alle fibre di vetro le fibre di basalto presentano proprietà meccaniche superiori ma richiedono una temperatura più elevata per essere filate, rendendo il processo produttivo più dispendioso dal punto di vista energetico.mente. Il parigino Paul Dhé nel 1923 per primo ottenne un brevetto per la produzione di filamenti di basalto; dopo la Seconda Guerra Mondiale ricercatori di Francia, Germania, Gran Bretagna, Italia e principalmente USA proseguirono con i primi tentativi di estrusione del basalto. Solo negli anni '50/60 a Mosca e Praga si ebbero i primi risultati significativi e nel decennio successivo l'interesse, motivato anche dagli estesi giacimenti esistenti, riprese anche nel nord ovest degli Stati Uniti. Negli stessi anni il Ministero della Difesa sovietico dimostrò anch'esso interesse nei potenziali di questa tecnologia per applicazioni militari e aerospaziali. La ricerca si incentrò così nell'importante centro di Kiev: lo sviluppo andò a buon fine ma la tecnologia fu mantenuta segreta a meno di alcune brevi, piccole pubblicazioni. Gli istituti di ricerca e gli impianti di produzione erano chiaramente off limits. Solamente negli anni '90, questa tecnologia fu desegretata e questo permise l’inizio degli impieghi per uso civile.
Carbonio
La fibra di carbonio è un polimero costituito solo da atomi di carbonio, caratterizzato da:
• diametri compresi tra 5 e 15 µm;
• una elevata conducibilità elettrica e termica;
• inerzia chimica (tranne che all’ossidazione);
• elevate caratteristiche meccaniche (flessibilità, modulo elastico e resistenza).
Le fibre di carbonio possono essere prodotte da due precursori:
• diametri compresi tra 5 e 15 µm;
• una elevata conducibilità elettrica e termica;
• inerzia chimica (tranne che all’ossidazione);
• elevate caratteristiche meccaniche (flessibilità, modulo elastico e resistenza).
Le fibre di carbonio possono essere prodotte da due precursori:
- PAN
- PITCH (pece)
A seconda del precursore usato si ottengono fibre con caratteristiche meccaniche differenti.
FIBRE DI CARBONIO DA PAN
Il processo si divide in tre fasi:
FIBRE DI CARBONIO DA PAN
Il processo si divide in tre fasi:
- riscaldamento a 300 - 400°C
- ossidazione a circa 700°C
- carbonizzazione, in atmosfera inerte fino a temperature di 1300°C
Il risultato finale è la formazione di polimeri a struttura grafitica pressoché pura, continua e regolare lungo tutta la fibra.
Le fibre di carbonio ottenute dal PAN hanno una struttura turbostratica, ovvero con struttura cristallina formata da piani ciascuno deviato lateralmente rispetto all'altro, i fogli di atomi di carbonio sono uniti in modo casuale o ripiegati insieme; tali fibre tendono ad avere maggior carico di rottura
FIBRE DI CARBONIO DA PITCH
Il pitch, pece o residuo catramoso, è il residuo della distillazione del catrame o del petrolio che con un trattamento termico tra 400 e 450°C si forma una mesofase, ovvero cristalli liquidi aventi un ordine molecolare intermedio tra quello dei cristalli e quello di un liquido; successivamente, durante l’estrusione da un capillare, le molecole della mesofase vengono orientate lungo l’asse della fibra. Segue infine un termofissaggio (300 °C) e carbonizzazione (1500-3000 °C).
L’aumento della temperatura di trattamento finale migliora il grado di orientazione preferenziale all’interno della fibra e quindi il modulo delle fibre pitch-based.
Le fibre di carbonio ottenute dal PAN hanno una struttura turbostratica, ovvero con struttura cristallina formata da piani ciascuno deviato lateralmente rispetto all'altro, i fogli di atomi di carbonio sono uniti in modo casuale o ripiegati insieme; tali fibre tendono ad avere maggior carico di rottura
FIBRE DI CARBONIO DA PITCH
Il pitch, pece o residuo catramoso, è il residuo della distillazione del catrame o del petrolio che con un trattamento termico tra 400 e 450°C si forma una mesofase, ovvero cristalli liquidi aventi un ordine molecolare intermedio tra quello dei cristalli e quello di un liquido; successivamente, durante l’estrusione da un capillare, le molecole della mesofase vengono orientate lungo l’asse della fibra. Segue infine un termofissaggio (300 °C) e carbonizzazione (1500-3000 °C).
L’aumento della temperatura di trattamento finale migliora il grado di orientazione preferenziale all’interno della fibra e quindi il modulo delle fibre pitch-based.
Vetro
L'esperienza comune insegna che il vetro monolitico è un materiale fragile. Se esso viene invece filato a diametri d'ordine inferiore al decimo di millimetro perde la sua caratteristica fragilità per divenire un materiale ad elevata resistenza meccanica e resilienza. La fragilità del vetro comune è dovuta al gran numero di difetti della cristallizzazione che agiscono come microfratture e zone di concentrazione degli sforzi, al contrario la fibra di vetro non presenta molti difetti, per cui raggiunge resistenze meccaniche considerevoli.
La principale tecnologia usata oggi per formare fibre di vetro è il metodo a fusione diretta; questo metodo utilizza delle fornaci divise in tre sezioni:
La principale tecnologia usata oggi per formare fibre di vetro è il metodo a fusione diretta; questo metodo utilizza delle fornaci divise in tre sezioni:
- nella prima parte arriva il vetro fuso, il quale viene omogeneizzato e dal quale vengono tolte inclusioni gassose;
- una seconda sezione di raffinamento, dove la temperatura diminuisce (da 1370 a 1200°C) per aumentare la densità del fusione
- infine la sezione che si trova direttamente sopra le stazioni per la produzione delle fibre.
Il vetro viene quindi fatto passare attraverso trafile di platino-iridio anche esse riscaldate, che contengono dai 400 agli 8000 fori. La quantità di vetro sopra gli orifizi, la viscosità del fuso, il numero e la grandezza degli orifizi e la velocità con cui i fili vengono trafilati, influiscono sul diametro dei filamenti prodotti.
In fase di fibraggio, all’uscita della filiera, ciascun filato viene trattato con appretto; l’appretto è costituito da materiali organici dispersi in acqua ed è concepito per conferire al filo di vetro le caratteristiche necessarie per la lavorazione finale. Il trattamento con appretto contribuisce a migliorare le proprietà meccaniche dei materiali compositi e la loro resistenza all’invecchiamento. In seguito, le fibre, raccolte in bobine, vengono messe in forno per eliminare solventi e acqua associate all'applicazione del sizing.
Una tecnica del tutto analoga utilizza biglie di vetro con diametro di ¾ di pollice che vengono riscaldate e
portate quasi a fusione per essere tirate nelle trafile.
Tra le caratteristiche principali delle fibre di vetro si ricordano:
In fase di fibraggio, all’uscita della filiera, ciascun filato viene trattato con appretto; l’appretto è costituito da materiali organici dispersi in acqua ed è concepito per conferire al filo di vetro le caratteristiche necessarie per la lavorazione finale. Il trattamento con appretto contribuisce a migliorare le proprietà meccaniche dei materiali compositi e la loro resistenza all’invecchiamento. In seguito, le fibre, raccolte in bobine, vengono messe in forno per eliminare solventi e acqua associate all'applicazione del sizing.
Una tecnica del tutto analoga utilizza biglie di vetro con diametro di ¾ di pollice che vengono riscaldate e
portate quasi a fusione per essere tirate nelle trafile.
Tra le caratteristiche principali delle fibre di vetro si ricordano:
- Buona stabilità alle alte temperature
- Eccellente resistenza agli shok termici
- Buona stabilità dimensionale
- Buona resistenza meccanica (Il vetro mantiene le sue proprietà meccaniche fino al 50% della sua capacità di resistenza a 375°C e fino al 25% a 538°C)
- Bassa conducività termica
- Incombustibile
- Ottima flessibilità
- Buona resistenza chimica
A seconda della loro composizione si distingue: Vetro E e Vetro AR - Vetro E
- Dal 1930 il filato di vetro è considerato uno dei materiali del futuro grazie alle sue caratteristiche dielettriche (viene utilizzato per isolare i conduttori elettrici alle alte temperature); queste caratteristiche hanno determinato l’impiego industriale su vasta scala del filato di vetro di tipo E, da solo o in combinazione con resine sintetiche o verniciate. Il vetro E è il più usato, sia nell’industria tessile sia nei materiali compositi, dove rappresenta il 90% dei materiali rinforzati utilizzati.
- Vetro AR (resistente agli alcali)
Il vetro AR è stato concepito come materiale rinforzante per il cemento; contiene molto ossido di zirconio che gli conferisce un’ottima resistenza ai composti alcalini generati dalle operazioni di asciugatura. I filati di vetro AR migliorano la resistenza ai carichi e la durevolezza del cemento, ed inoltre, i getti di cemento rinforzato con filato di vetro sono di conseguenza più leggeri.
Zylon Pbo
Da alcuni anni si é iniziato ad introdurre in Europa una nuova fibra sintetica ,PBO (Poliparafenilenbenzobisoxazolo), prodotta dalla Giapponese “TOYOBO”, denominata ZYLON.
Zylon® (PBO) è una fibra con valori di modulo e carico a rottura molto elevati, circa il doppio rispetto ad una fibra aramidica; eccellente resistenza al creep e resiste molto bene al calore, con una temperatura di decomposizione a 650°C.
In presenza di radiazioni UV, si attivano fenomeni d'ossidazione portando ad un calo nelle prestazioni meccaniche.
Le principali caratteristiche del PBO sono:
Zylon® (PBO) è una fibra con valori di modulo e carico a rottura molto elevati, circa il doppio rispetto ad una fibra aramidica; eccellente resistenza al creep e resiste molto bene al calore, con una temperatura di decomposizione a 650°C.
In presenza di radiazioni UV, si attivano fenomeni d'ossidazione portando ad un calo nelle prestazioni meccaniche.
Le principali caratteristiche del PBO sono:
- modulo elastico e carico a rottura molto alti
- ottima resistenza al creep
- eccellente resistenza al calore e alla fiamma
- temperatura di decomposizione di 650°C
- perdita di prestazioni meccaniche in presenza di radiazioni UV
- stabile chimicamente con la maggior parte delle sostanze organiche
- in presenza di acidi forti si riscontra un calo delle proprietà meccaniche