Materiali di rinforzo

Il termine “fibra tessile” indica, in senso generico, le fibre sottili filate dal vetro fuso e caratterizzate da una sezione trasversale pressoché circolare. Il vetro tessile viene prodotto con vetro E di alta qualità e, per applicazioni specifiche, anche con vetro R e vetro C. La resistenza e il modulo elastico relativamente elevati sono il risultato dei forti legami tra silicio e ossigeno in una rete tridimensionale. Grazie alla loro struttura amorfa, le fibre di vetro sono isotropiche, a differenza delle fibre di carbonio o di aramide.

Dopo la produzione, sulla fibra di vetro appena formata viene applicato un appretto. Questo incolla i filamenti, protegge la superficie e funge da agente adesivo per la matrice.

Le fibre di carbonio, o fibre C, sono costituite per oltre il 90% da carbonio puro e hanno un diametro compreso tra 5 e 10 micrometri.
Come materia prima vengono solitamente utilizzate fibre di PAN (poliacrilonitrile), pece o cellulosa.

Caratteristiche specifiche

• elevata resistenza fino a circa 2.500 °C
• molto anisotropiche
• dilatazione termica negativa nella direzione della fibra
• termoconduttive ed elettricamente conduttive
• buona tollerabilità biologica
• sensibile alla flessione e alla compressione
• molto resistente alla corrosione
• molto costoso

Dopo la produzione, le fibre di carbonio vengono sottoposte a un trattamento superficiale. In questa fase la superficie viene ossidata per generare il maggior numero possibile di ossidi superficiali in grado di formare legami chimici con il sistema matrice. Subito dopo il pretrattamento, sulla superficie delle fibre viene applicato il «fiber finish». Si tratta di una sostanza che, in primo luogo, ha lo scopo di impedire l’adesione dell’acqua alla superficie attiva e che contiene i gruppi funzionali necessari per il legame con il sistema matrice.

Le fibre aramidiche (Kevlar) sono polimeri organici lineari caratterizzati da elevata resistenza e rigidità. Come la fibra di carbonio, la fibra aramidica presenta un coefficiente di dilatazione termica negativo a causa dell’elevato orientamento molecolare (effetto entropico).

Caratteristiche specifiche

• la fibra di rinforzo più leggera
• molto sensibile alla pressione
• fortemente anisotropa
• elevato assorbimento di umidità
• Sensibilità ai raggi UV
• scarsa adesione alla matrice
• scarsa lavorabilità con asportazione di trucioli
• molto costoso

La superficie della fibra aramidica è chimicamente inerte e molto liscia. Pertanto, l’adesione chimica o meccanica alla matrice è in gran parte impossibile. L’apporto applicato ha qui solo una funzione protettiva.

Le fibre di basalto vengono prodotte a partire da roccia basaltica fusa e trasformate in filamenti continui. Sono di natura minerale e non metallica. Come materiale di rinforzo sono disponibili, tra l’altro, sotto forma di roving, materassini, tessuti non tessuti e tessuti.

Caratteristiche specifiche

• elevata resistenza alle temperature e agli agenti chimici
• buona resistenza meccanica e rigidità
• isolanti elettricamente
• buona resistenza all’umidità
• a seconda della struttura delle fibre, buon smorzamento acustico e delle vibrazioni
• materia prima minerale

Per la pultrusione sono particolarmente importanti i roving di basalto adatti. La lavorabilità e le successive proprietà del componente dipendono, tra l'altro, dall'appretto, dal sistema di resina, dal contenuto di fibre e dalla geometria del componente.

Fibra di cellulosa

La fibra di cellulosa appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo organiche. È costituita solitamente da pasta di cellulosa al solfito ricavata dal legno di faggio o da cellulosa di cotone pura.

Agli albori della tecnologia dei compositi in fibra, questa fibra veniva utilizzata per rinforzare le resine fenoliche. Ancora oggi è presente nei prodotti in carta indurita con resina fenolica.

Fibra PAN

La fibra di poliacrilonitrile appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo sintetiche organiche.
La fibra PAN è una fibra ad alta resistenza con sezione trasversale a forma di rene. Viene utilizzata principalmente come materiale sostitutivo nei prodotti in fibrocemento e nelle pastiglie dei freni.

Fibra di polietilene

La fibra di polietilene appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo organiche sintetiche.

La fibra di PE è costituita da PE UHMW fortemente stirato. Il suo punto di fusione è di circa 150 °C e tende allo scorrimento. Tuttavia, presenta un'elevata capacità di assorbimento dell'energia d'urto e viene utilizzata preferibilmente come materiale ibrido (in combinazione con altre fibre di rinforzo).

Fibra ceramica

La fibra ceramica appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo sintetiche inorganiche.
La fibra ceramica viene utilizzata per il rinforzo dei materiali metallici

Fibra di legno

La fibra di legno appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo organiche naturali.

Le polveri di legno utilizzate per rinforzare le masse da stampaggio a base di fenolo-formaldeide e melammina-formaldeide sono generalmente fibre di legno finemente triturate provenienti da abete rosso o faggio.

Fibre di poliestere (PET)

Le fibre di poliestere appartengono al gruppo delle fibre di rinforzo sintetiche organiche.
Vengono utilizzate principalmente nel settore tessile. La resistenza alla trazione è simile a quella delle fibre di poliammide, ma la resistenza agli urti supera quella della maggior parte delle fibre sintetiche. Se lavorate in combinazione con le fibre di vetro, nei materiali compositi determinano un miglioramento della resistenza agli urti.

Fibra di amianto

La fibra di amianto appartiene al gruppo delle fibre rinforzanti naturali inorganiche.

L'amianto è la più antica fibra inorganica ed era ricavato da giacimenti minerali naturali (silicati idrati di magnesio e sodio). Oggi, per ragioni ben note, non viene più utilizzato ed è stato sostituito.

Fibra metallica

Le fibre metalliche appartengono al gruppo delle fibre di rinforzo sintetiche inorganiche.
Le fibre metalliche possono essere prodotte in acciaio, ottone, bronzo, rame, alluminio, argento, oro e platino.
Le fibre metalliche vengono utilizzate per il rinforzo dei materiali metallici.

Fibra di sisal

La fibra di sisal appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo organiche naturali.

Tuttavia, nonostante il prezzo inferiore rispetto alla fibra di vetro, non è riuscita ad affermarsi.

È stato solo quando si è cercato un materiale sostitutivo dell’amianto nella produzione delle pastiglie dei freni che il sisal è tornato alla ribalta.

Fibra di poliammide

La fibra di poliammide appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo organiche sintetiche.

Le fibre di poliammide più importanti dal punto di vista tecnico sono a base di PA 66 e PA 6. Nei compositi migliorano soprattutto l'elasticità e la resistenza allo scorrimento.

Fibra di boro

La fibra di boro appartiene al gruppo delle fibre di rinforzo inorganiche sintetiche.

La fibra di boro viene prodotta mediante il processo di deposizione con resina. Come substrato viene utilizzato il tungsteno. Un sottile filo di tungsteno viene riscaldato elettricamente e il boro si deposita dalla fase gassosa.

Le fibre di boro vengono utilizzate per il rinforzo di materiali metallici.

Whisker

I whisker appartengono al gruppo dei materiali di rinforzo inorganici sintetici.
I whisker sono fibre inorganiche monocristalline prodotte sinteticamente. Se si riesce a orientare questa fibra con una fusione, si ottiene un materiale composito con una resistenza straordinaria.