ANALISI DEI RINFORZI PIU COMUNI USATI IN COMPOUND DI MATERIALI TERMOPLASTICI

Nell’ambito dei compound basati su polimeri termoplastici (quali per esempio la PA6, PA66 e poliammidi semiaromatiche) sono particolarmente comuni e diffusi quelli definiti come rinforzati.

Lo scopo dell’uso di rinforzi, come indica il termine stesso, è quello di ottenere prestazioni meccaniche notevolmente incrementate rispetto a quelle di un materiale termoplastico tal quale (vedi anche articolo al link https://rdlab137.it/it/2019-06-06-09-01-40/esempi-di-compound-base-poliammide-per-il-metal-replacement-e-loro-analisi-tramite-microscopia-elettronica-a-scansione-con-microanalisi-degli-elementi.html )

Tra i rinforzi più utilizzati nei compound ci sono sicuramente la fibra di vetro e la fibra di carbonio, pertanto focalizzeremo l’attenzione su queste tipologie di rinforzo.

Considerando compound ottenuti tramite estrusione (tra gli estrusori più utilizzati ci sono quelli bivite corotante) le fibre presenti nel compound sono definite come “corte” cioè con lunghezza entro certo valore (in genere sotto il millimetro). Questo valore, per data lunghezza iniziale delle fibre, è determinato dal processo produttivo (si ha infatti una riduzione della lunghezza iniziale della fibra a causa della rottura, “macinazione”, della fibra stessa durante il processo di estrusione).

Spesso, per tutta una serie di motivi, può essere utile (o necessario) valutare in termini quantitativi e/o qualitativi il tipo di rinforzo contenuto in un dato compound.

Alcuni casi, fra i molti, in cui è rilevante questa valutazione possono essere, per esempio:
- verifica del contenuto di rinforzo (sia in ambito di controllo qualità che di controtipazione)
- verifica della tipologia di rinforzo (discriminazione del rinforzo)
- verifica di caratteristiche dimensionali o morfologiche del rinforzo (per es. causa non conformità di una parte o controllo tipologia specifica rinforzo)

Ma quali tecniche di analisi sono indicate (ed efficaci) per valutare il rinforzo usato?

Una delle più semplici e comuni è l’incenerimento in aria che permette di valutare il quantitativo di fibra vetro presente nel compound: ad alta temperatura, 650-800°C, in aria, il polimero degrada (si decompone) completamente e resta solamente la fibra di vetro che non decompone a queste temperature (la fibra di vetro standard per compound - vetro tipo E cioè “Electric” - rammollisce a circa 845°C).

Quando però si ha a che fare con la fibra di carbonio è più indicato, per avere risultati affidabili, ricorrere all’analisi termo-gravimetrica (TGA) che permette di usare diversi tipi di atmosfera (ossidante, quale aria o ossigeno, o inerte quale azoto) e quindi di discriminare con miglior precisione la fibra di carbonio dalla fibra di vetro (magari cambiando il tipo di atmosfera durante la prova).
Va infatti considerato che in atmosfera ossidante o in aria, come durante l’incenerimento, la fibra di carbonio viene ossidata e non si ha un residuo e anche usando (nell’incenerimento) tempi e temperature ridotte è decisamente più difficile ottenere risultati precisi e ripetibili.

La TGA permette inoltre di valutare perdite di peso associabili ad alcuni additivi o cariche specifiche (quali per esempio il cianurato di melammina o il PTFE) e quindi, chiaramente, è un’analisi che fornisce più informazioni del semplice incenerimento sebbene il costo (in termini di apparecchiatura e tempi) sia decisamente maggiore.

Alcuni termogrammi TGA esemplificativi sono di riportati seguito.

Figura 1: termogramma TGA di un compound base PA66 con 50% (nominale) di fibra vetro in peso (prova condotta in N2 con rampa riscaldamento di 20°C/min).

Dalla figura 1 si evidenzia che il residuo in peso finale (a 800°C circa) è del 48,84% ed è quindi coerente con il valore nominale indicato del 50%.

Il contenuto di fibra in un compound può in effetti avere una variazione, pur limitata, legata al processo (per es. al dosaggio della fibra), attorno al valore nominale: in generale una fluttuazione di 1,5-2,0% è ragionevole (e ammissibile) per materiali che contengono oltre il 30% in peso nominale di fibra vetro.

Va inoltre aggiunto che l’analisi TGA, essendo effettuata su un quantitativo ridotto di materiale, può accentuare una pur minima disomogeneità del materiale stesso (e per questo si tratta di un’analisi che converrebbe ripetere più di una volta su diversi campioni del medesimo materiale).

Figura 2: termogramma TGA di un compound base PA66 con 40% (nominale) di fibra di carbonio in peso (prova condotta in N2 con rampa di riscaldamento di 20°C/min).

Dal termogramma riportato in figura 2 si può rilevare che il residuo finale (37,34%) è sostanzialmente coerente con un valore nominale del 40% (per quanto già detto in precedenza sulla fluttuazione del valore del contenuto di rinforzo e omogeneità, su scala ridotta, del materiale).

Un’altra analisi di notevole rilievo per la valutazione dimensionale e morfologica dei rinforzi è la microscopia elettronica a scansione con microanalisi degli elementi (SEM-EDX).
Questa analisi (puntuale) permette di capire se le fibre presenti sono di fibre vetro o fibre di carbonio e di valutare le dimensioni critiche (per esempio il diametro) che influenzano l’effetto di rinforzo esplicato dalla fibra.

Di seguito alcune immagini e analisi dimensionali puntuali ottenute su compound contenenti fibra di carbonio e fibra di vetro.

Figura 3: immagine al SEM (a sinistra) e mappatura degli elementi (EDX) (a destra) di un compound base PA6 con il 20% di fibra vetro macinata.

 Da questa immagine (figura a sinistra) è possibile avere un’idea (pur puntuale) delle dimensioni (per esempio diametro) della fibra usata (circa 20-21 micron contro un valore nominale di 20 micron per la fibra di vetro usata).
Chiaramente per una valutazione statisticamente significativa delle dimensioni e morfologia della tipologia di fibra di vetro usata è necessaria (e sicuramente consigliata) una ripetizione della misura in più punti della parte/provino.

Dalla mappatura degli elementi (figura a destra) è inoltre possibile visualizzare con chiarezza le fibre nella matrice polimerica.

Figura 4: immagine al SEM (a destra) di un compound base blend PA66+PA6I/6T e con il 40% di fibra di carbonio.

Anche in questo caso (Figura 4) è possibile valutare le dimensioni (diametro) e morfologia delle fibre (nello specifico fibre di carbonio) presenti nel compound.

Se possibile, per esempio se si deve analizzare direttamente un pezzo o parte finita, un’analisi relativamente semplice, complementare anche a quelle citate (quali incenerimento e TGA), soprattutto nel caso in cui si abbia un’idea del tipo di matrice polimerica e di rinforzo con cui si ha a che fare, è la determinazione della densità.
Dal valore della densità è infatti possibile calcolare pur in maniera approssimata (anche a causa dei possibili effetti del processo di trasformazione usato) il contenuto di rinforzo: spesso questo calcolo è una buona verifica e conferma di quanto determinato con altre tecniche di analisi.

Nel caso, specifico, in cui tuttavia non sia noto se nel materiale sia presente fibra di vetro o sfere vetro (o una combinazione di fibre e sfere vetro) né la TGA, né l’incenerimento né tanto meno la densità permettono di discriminarlo con precisione.
In questa situazione sicuramente la microscopia elettronica a scansione con microanalisi degli elementi può essere di grande utilità come evidente dalle immagini di seguito riportate:

Figura 5: immagine al SEM di un compound base PA6 con il 30% di sfere vetro (a sinistra) e di un compound base PA6 con 15% di fibre vetro e 15% di sfere vetro (a destra).

Da queste immagini si possono infatti chiaramente identificare e distinguere le fibre vetro e le sfere vetro.

Ovviamente anche sul residuo post incenerimento (se presente) è possibile effettuare una serie di analisi quali: spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione con microanalisi degli elementi per valutare la tipologia del rinforzo (o carica) presente.

RDLab137 è attrezzato per eseguire direttamente, o tramite l’estesa rete di laboratori con cui collabora e interagisce, tutta una serie di analisi quali l’incenerimento, la determinazione della densità, la TGA (anche ad alta risoluzione), la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier, la microscopia ottica, ecc.

Inoltre in RDLab137 è disponibile un microscopio elettronico di ultima generazione che è stato impiegato per ottenere le immagini riportate e che è utilizzabile per valutazioni di questo tipo e per quelle ulteriori valutazioni legate alle potenzialità della tecnica (si veda anche al link https://rdlab137.it/it/laboratorio/microscopiaelettronica-sem-edx.html ).

Ing. Luca Ciceri- RDLAB137 srl

Ultima revisione 28/11/2022