Riassunto analitico
Gli espansi poliuretanici sono spesso utilizzati come materiali coibenti in strutture dove l’espanso è coeso a materiali diversi (frequentemente metallici). Tali strutture sono soggette, al variare della temperatura, a importanti sollecitazioni (comunemente analizzate con tecniche di simulazione numerica), che possono dipendere da un certo numero di parametri, tra cui la storia termica durante la polimerizzazione ed eventuali vincoli geometrici del manufatto.
Si approfondisce il comportamento meccanico a rottura degli espansi poliuretanici, attraverso la messa a punto di un protocollo di testing e tramite la valutazione di formulazioni alternative atte a migliorare le prestazioni meccaniche dell’espanso, quali resistenza meccanica e tenacità. In particolare, si cerca l’ottenimento di un compromesso in termini di ductility e stiffness. Questo tipo di studio viene effettuato per tre differenti densità di espansi cui sono associate tre possibili applicazioni.
I materiali per le tre applicazioni considerate (tubazioni preisolate di diametro notevole a geometria assiale; pannelli metallici coibentati per l’edilizia con rivestimenti in acciaio ed anima in espanso; pannelli isolanti in espanso poliuretanico rinforzato fibra di vetro per applicazioni criogeniche) sono sostanzialmente diversi. Nel primo caso, trattasi di un espanso poliuretano/poliurea a densità circa 70 kg/m3, nel secondo caso di un espanso poliisocianurato a densità circa 40 kg/m3, nel terzo di un poliuretano (o poliisocianurato) a densità 130 kg/m3. Le tre densità consentono di ottenere valori indicativi di resistenza meccanica a compressione rispettivamente pari a 500, 200, 1200 kPa: ovviamente, all’aumento di densità è associato un aumento delle proprietà meccaniche delle schiume polimeriche.
Comune ai tre casi è la trattazione teorica del comportamento a rottura di polimeri espansi, descrivendo e investigando in particolare: le proprietà meccaniche e i test adottabili per la valutazione delle stesse, le possibili differenti modalità di collasso delle schiume polimeriche (come frattura, piuttosto che flessione delle pareti cellulari, piuttosto che instabilità elastica per carichi di punta), i criteri di resistenza che tengono conto della pressione idrostatica circa lo snervamento degli espansi (con particolare attenzione al modello di Deshpande e Fleck), la caratterizzazione multiassiale (triassiale) delle schiume.
Gli approcci, a livello di formulazione, adottati per raggiungere lo scopo (inibizione della rottura e mantenimento della duttilità) sono differenti nei tre casi, rispettivamente: (1) riduzione dell’esotermicità della reazione bilanciando espandenti chimico e fisico, (2) utilizzo di isocianati modificati e (3) utilizzo di additivi nucleanti.
La prima strategia permette di ridurre il picco termico durante la polimerizzazione del 12%; sono inoltre possibili (a T ambiente), aumenti (in media del 25%) di tensione di snervamento, tensione di rottura e allungamento in trazione; questi miglioramenti sono inevitabilmente ridotti testando i provini a temperatura negativa (-30°C).
La seconda strategia permette, in particolare: riduzione del 10% della friabilità, aumento del 10% della tenacità a frattura, miglioramento del 50% circa l’assorbimento di energia all’impatto, miglioramento del 30% dal punto di vista della resistenza a trazione con un guadagno medio del 30% in allungamento a rottura.
Con l’ultima strategia si ha una riduzione del diametro delle celle di oltre il 20%, con conseguenti effetti positivi sulle proprietà meccaniche, in particolare il termini di friabilità, anch’essa ridotta.
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