I Materiali 2020 − Compositi Foresight | 2015

Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures. Piazza Bovio, 22 80133 Napoli (ITALY), Ph./Fax +39 081 551 95 86. www.imast.it

I MATERIALI 2020 − COMPOSITI FORESIGHT | 2015

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT

2015 − 2020

POR CAMPANIA FESR 2007-2013 Asse 2 - Obiettivo Operativo 2.1. Avviso: Sviluppo Reti Lunghe della Ricerca MISURA A. Azione A1: Foresight tecnologico per la ﬁ liera Technological District on Engineering of polymeric and composite Materials and Structures. Piazza Bovio, 22 80133 Napoli (ITALY), Ph./Fax +39 081 551 95 86. www.imast.it

POR CAMPANIA FESR 2007-2013 Asse 2 - Obiettivo Operativo 2.1. Avviso: Sviluppo Reti Lunghe della Ricerca MISURA A. Azione A1: Foresight tecnologico per la ﬁ liera

progetto graﬁ co, impaginazione, copertina PROGETTIPERCOMUNICARE s.n.c. di G. Schirone & Co. - Ceglie Messapica (Br) www.progettipercomunicare.it indice

INDICE 4

INTRODUZIONE 6 Green 45 81 115 AL FORESIGHT composites Aerospazio Costruzioni

prima parte I MATERIALI COMPOSITI POLIMERICI Beni 7 52 87 119 I processi Nanocompositi Ferroviario culturali di produzione dei compositi

Compositi polimerici I Compositi 21 con migliorata 63 91 123 termoplastici Automotive Elettronica resistenza al fuoco

Smart 28 Smart 69 101 Biomedicale 129 Composites Textile Navale

seconda parte I COMPOSITI Compositi 39 74 106 Nuovi 135 multifunzionali NELL'INDUSTRIA Difesa Settori Aeronautico i processi di produzione dei compositi

prodotti sul mercato. In particolare, i modelli numerici I MATERIALI predittivi premettono di prevedere le proprietà ﬁ nali dei INTRODUZIONE COMPOSITI manufatti. Di seguito sono riportati i principali processi produttivi POLIMERICI utilizzati.

1 I PROCESSI DI PRODUZIONE Laminazione manuale (Hand− layup) DEI COMPOSITI La laminazione manuale rappresenta il metodo di fabbricazione di base per i compositi termoindurenti e ge- Il materiale composito è una combinazione di due o più materiali che contribuiscono mutuamente a fornire proprietà 1.1 INTRODUZIONE neralmente consiste nella deposizione manuale di strati meccaniche e chimico-fi siche complessivamente superiori a quelle dei singoli costituenti. Tale approccio ha consentito Il costo di un componente realizzato con materiale com- di tessuto secco, o di strati unidirezionali secchi o di la nascita di una classe molto interessante di compositi leggeri in cui la matrice è un polimero (termoindurente o posito dipende dai processi di produzione e può raggiun- strati preimpregnati, su un attrezzo per realizzare un la- termoplastico) ed il rinforzo è rappresentato da fi bre (carbonio, vetro, boro, ecc.). gere il 75% dei costi totali. Ciò rappresenta un grande minato stratifi cato. Nel caso di tessuto secco, la resina Il primo esempio di composito polimerico nell’età moderna riguarda la realizzazione della prima barca in vetroresina, ostacolo alla crescita e all’utilizzo dei compositi nelle viene applicata dopo che la laminazione è completa (ad realizzata nel 1942; nello stesso periodo le plastiche rinforzate hanno trovato impiego nel settore aeronautico e nella diverse applicazioni. Nello specifi co, le problematiche esempio, mediante infusione di resina liquida). In una componentistica elettrica. Nei primi anni ’60 è iniziata l’applicazione di compositi avanzati per componenti aeronau- sono legate al processo di deposizione, ai tempi di cura variante nota come laminazione umida, invece, ciascuno tici militari con l’introduzione delle prime fi bre di boro e di carbonio ad alta resistenza. A partire dagli ultimi anni e agli aspetti di certifi cazione. La maggior parte degli strato è rivestito con resina e la compattazione avvie- ’70 le applicazioni dei compositi polimerici si sono fortemente ampliate in campo aeronautico, automobilistico, per studi sono fi nalizzati alla soluzione di queste problema- ne al termine della deposizione. La laminazione umida articoli sportivi e per applicazioni biomedicali. L’esempio di applicazione dei materiali compositi che ha signifi cato tiche e riguardano: manuale è utilizzata per realizzare componenti a basso una radicale discontinuità tecnologica è l’aereo Boeing 787 Dreamliner (il primo aereo di linea ha volato nel 2013) in • innovazioni di processo costo come piccole barche o piccoli manufatti resistenti cui i materiali compositi sono impiegati in maniera estesa anche nelle strutture primarie (circa il 50%), consentendo • nuovi materiali funzionali alla corrosione per l'industria chimica. I vantaggi della di ottenere un risparmio in peso di oltre il 20%. • sviluppo di strumenti software avanzati laminazione manuale sono: La continua evoluzione tecnologica che ha permesso di realizzare materiali compositi innovativi dalle caratteristiche • estensione delle collaborazioni ai produttori delle • elevata versatilità, sempre più performanti e la crescente sensibilità del mercato per il risparmio energetico, hanno reso i compositi a attrezzature (OEM) e alle autorità di certifi cazione • bassi investimenti, matrice polimerica particolarmente versatili e adatti a diverse applicazioni. Il contributo delle nanotecnologie ha • buona gestione per la realizzazione di piccole parti. dato, inoltre, ha dato origine a nuovi compositi con funzionalità di grande interesse. I settori di applicazione sono 1.2 LO STATO ATTUALE 6 Il principale limite della laminazione manuale è rappre- 7 i più vari: dall’aeronautico, all’automotive, al nautico, al ferroviario, al biomedicale, al microelettronico, alla difesa. Ci sono numerose tecniche per realizzare componenti in sentato dallo stampo che è dotato di un’unica super- L’attenzione rivolta oggi ai materiali compositi è in costante crescita: negli ultimi anni è sempre più forte la richiesta composito. Alcune sono state messe a punto per esi- fi cie liscia. Inoltre, l'assenza di controllo diretto sullo di sostituire i materiali tradizionali con materiali innovativi ad alte prestazioni ed ecosostenibili. Ma non solo: molte genze industriali specifi che (ad esempio lo stampaggio spessore fi nale del componente, sul contenuto di fi bre, soluzioni già consolidate in alcuni settori diventano innovative se applicate ad altre tipologie di prodotto, grazie al a iniezione), ma molte sono state sviluppate per rispon- sulla frazione di vuoti e sulla qualità superfi ciale della trasferimento tecnologico. dere a sfi de tecnologiche imposte dalla progettazione o superfi cie libera, suggerisce l’utilizzo dei manufatti rea- È possibile così sviluppare prodotti completamente nuovi o risolvere specifi che problematiche di progetto o ancora dalla produzione. La scelta di un processo per la realiz- lizzati con questa tecnica in applicazioni dove gli sforzi realizzare prodotti con materiali che richiedano meno energia nella loro produzione e trasformazione in semilavorati. zazione di un componente, quindi, dipende dal tipo di in gioco sono bassi e in cui la precisione dimensionale Inoltre, i materiali compositi avanzati permetteranno nel futuro di affrontare le importanti sfi de della sostenibilità materiale, dalla forma e dall'utilizzo fi nale. I processi di non è un fattore critico. energetica e ambientale legate alle fasi di produzione e fi ne vita. produzione possono riguardare la realizzazione di compo- Anche se i costi sono ridotti, la laminazione manuale Il presente documento vuole essere un primo contributo all’analisi dello stato dell’arte e delle nuove tendenze tec- siti termoindurenti o di compositi termoplastici. richiede un’elevata quantità di lavoro; inoltre, il control- nologiche e industriali per questa classe di materiali. La prima parte descrive alcune tecnologie trasversali relative ai I compositi termoindurenti vengono attualmente realiz- lo qualità dei prodotti fi niti è relativamente diffi cile. La compositi defi nendo dapprima lo stato dell’arte e successivamente le sfi de scientifi che e tecnologiche fi nalizzate a zati mediante tecniche di lavorazione quali la laminazio- qualità del componente fi nale, infatti, è fortemente di- risolvere alcune delle problematiche come il miglioramento delle prestazioni, la riduzione dei costi, l’ottimizzazione ne manuale, il sacco a vuoto, l’autoclave, il resin transfer dei processi (in termini di affi dabilità e ripetibilità), gli aspetti di sostenibilità ambientale (riciclabilità e materiali da moulding, fi lament winding, deposizione di fi bre, pultru- fonti rinnovabili). Nella seconda parte sono analizzati i settori industriali di applicazione ed è delineato lo scenario in sione, termoformatura e processi di iniezione. I termo- termini di potenziale di discontinuità tecnologica e di crescita di mercato. plastici, invece, possono essere processati in autoclave, mediante fi ber placement, pultrusione, formatura per compressione, termoformatura e tecniche di stampaggio a iniezione. Al fi ne di ottenere compositi a elevate prestazioni e ottimizzare i processi produttivi, sono stati messi a punto strumenti software in grado di abbassare i costi e ridurre le prove sperimentali e il tempo per l’ingresso dei

Figura 1: Stampo aperto per laminazione manuale.

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pendente dalla perizia dell'operatore. Inoltre, la velocità Processo in autoclave (Autoclave Proces− zia a impregnare le fi bre. per la produzione in massa di componenti in composito di deposizione del materiale è ridotta, viene prodotta sing) Nella seconda fase, la temperatura viene portata al valore di dimensioni medio/piccole e di forma complessa. Nel una grande quantità di materiale di scarto, manca una Lo stampaggio in autoclave è una variazione dello stam- fi nale al quale viene mantenuta per un tempo suffi ciente processo LCM, lo stampo viene caricato con fi bre secche, vera e propria integrazione tra produzione e progetta- paggio con sacco da vuoto. Il processo consente la re- a completare la reazione di polimerizzazione. In questa la resina scorre attraverso il tessuto e successivamente zione ed è diffi cile realizzare componenti privi di bordo alizzazione di compositi a densità più elevata e privi di fase, la viscosità continua a decrescere, fi no a che non si viene fatta reticolare per ottenere la solidifi cazione del libero (i.e. tubi). vuoti grazie all’utilizzo di temperature e pressioni elevate stabilizza a un livello che permette il consolidamento e componente. Il processo LCM è anche conosciuto come durante il processo di cura. Tale processo è ampiamente la corretta impregnazione della fi bra, evitando l’eccessi- stampaggio per trasferimento di resina (Resin Transfer La laminazione manuale in stampi aperti, infi ne, fornisce utilizzato nel settore aerospaziale per la fabbricazione di vo fl usso e allontanamento della resina. Moulding- RTM). Nel processo RTM solitamente si uti- fl essibilità e versatilità, ma non garantisce una buona componenti (parti di aeromobili, componenti di veicoli Il processo realizzativo di compositi termoplastici in lizzano fi bre continue secche che vengono collocate in qualità del componente fi nito a causa della mancanza di spaziali o missili) ad elevato rapporto resistenza mecca- autoclave è simile a quello dei termoindurenti. In que- uno stampo chiuso cui è abbinato un contro-stampo controllo della compattazione e della presenza di bolle nica/peso. sto caso, strati preimpregnati di termoplastico vengo- che viene vincolato meccanicamente allo stampo. Una di aria durante il processo. Inoltre, tale processo prevede L’autoclave è un serbatoio ad alta pressione, riscaldato no bloccati su un attrezzo, cui viene applicato il sacco resina termoindurente viene pompata o iniettata ad alta in molti casi l'evaporazione di stirene in atmosfera, che e solitamente dotato di sistemi di vuoto, in cui viene da vuoto; il tutto poi è posto all'interno dell’autoclave. pressione attraverso un foro d’entrata fi no a riempimento costituisce una grave problematica di tipo ambientale. inserito il laminato per il ciclo di cura. Le pressioni uti- L'aumento di temperatura e pressione, come nel caso dei delle stampo. La resina viene poi curata e il componente lizzate durante la cura del materiale sono generalmente termoindurenti, riduce la viscosità della resina e le per- viene rimosso dallo stampo ottenendo una buona fi nitura Stampaggio con sacco da vuoto (Vacuum di 50/100 psi e il processo può avere una durata anche mette di fl uire facilitando la fuoriuscita di aria e volatili superfi ciale su entrambi i lati. bag molding) di diverse ore. Tale tecnica è idonea per processare ma- intrappolati. Il processo RTM è adatto per la realizzazione di compo- Il processo di stampaggio con sacco da vuoto, rappre- trici a elevata temperatura di esercizio, come le resine Uno dei vantaggi dell’autoclave è la possibilità di tratta- nenti piccoli e grandi in piccole/medie quantità. In par- senta uno step successivo e migliorativo dellalaminazio- epossidiche, o comunque con proprietà superiori rispetto re un'ampia varietà di materiali: infatti, qualsiasi polime- ticolare, è utilizzato nella fabbricazione di componenti ne manuale. Tale processo utilizza il vuoto per eliminare alle resine tradizionali. La dimensione dell’autoclave ov- ro può essere lavorato fi nché il ciclo di cura o il processo l'aria intrappolata nel laminato e la resina in eccesso. Il viamente limita la dimensione del manufatto. Quindi, il di fusione rientra nei limiti di temperatura e pressione processo di laminazione viene realizzato su uno stampo processo consente di realizzare componenti in composito previsti dall'autoclave. Un secondo vantaggio dell'auto- mediante strati di tessuto e resina; un fi lm antiaderen- di elevata qualità, ma richiede anche una notevole quan- clave è rappresentato dal fatto che si tratta di un metodo te di alcool polivinilico o nylon viene collocato sopra il tità di tempo e di energia. estremamente fl essibile, che permette di applicare alte laminato e sigillato in corrispondenza della fl angia dello pressioni a un componente: ciò consente la realizzazione 8 stampo. Il composito viene curato a temperatura am- di strutture con frazioni volumetriche di fi bre molto alte, 9 biente o ad alta temperatura, mentre viene fatto il vuoto. con conseguente incremento delle prestazioni meccani- Rispetto alla laminazione manuale, il metodo dello stam- che. paggio con sacco da vuoto garantisce concentrazioni più Gli svantaggi sono rappresentati dall’inerzia dell’aumen- Figura 4: Stampaggio per trasferimento di resina (RTM). elevate di rinforzo, una migliore adesione tra gli strati, to di temperatura e pressione e dal controllo della tem- un maggiore controllo dei rapporti resina/fi bre. Per la peratura non molto accurato. Tali problematiche sono realizzazione di componenti avanzati in composito si legate ai grandi volumi dell'autoclave e alle modalità di automobilistici, aerospaziali e di attrezzature sportive. utilizza questo metodo con tessuti pre-impregnati, piut- riscaldamento e pressurizzazione;i cicli di cura di mol- Il principale vantaggio del processo di stampaggio RTM tosto che materiali laminati ad umido, ed è richiesta la ti dei materiali realizzati per applicazioni aerospaziali è rappresentato dal fatto che le preforme sono realiz- cura in forno o autoclave. sono lenti, dell'ordine di ore. Lo svantaggio è legato, zate con fi bre secche e non devono contenere la resina quindi, all'alto costo associato all’investimento inizialee parzialmente curata (ciò signifi ca nessun vincolo sulla al consumo energetico del processo, dato che il volume conservazione del materiale, come nel caso, invece, di dell’intera autoclave deve essere riscaldato a una certa preimpregnati). I compositi, inoltre, possono essere temperatura. Si tratta di costiche rendono il processo rinforzati anche nello spessore oltre che nel piano ed il poco o per niente conveniente, sianel caso in cui viene processo avviene in uno stampo chiuso, evitando, così, Figura 3: Autoclave per la realizzazione di compositi ad elevate prestazione. utilizzata un’autoclave di grandi dimensioni per curare l'evaporazione dello stirene (quando si utilizzano resine Il tipico ciclo di cura in autoclave, per compositi ter- piccoli componenti, sia per la lavorazione di pezzi con poliestere e vinilestere). Il processo diventa convenien- moindurenti, consiste in due fasi. In un primo momento dimensioni molto grandi, come una barca o una pala di te rispetto a quello di stampaggio in autoclave quando vengono applicati vuoto e pressione mentre la tempera- turbina eolica. i volumi produttivi sono dell'ordine di 20.000-60.000 tura viene impostata ad un livello intermedio e mante- unità all'anno; inoltre, gli stampi necessari all’LCM sono nuta costante per un breve periodo di tempo. Il calore Stampaggio di compositi liquidi (Liquid leggeri e poco costosi (anche rispetto al convenzionale Figura 2: Stampaggio con sacco da vuoto. riduce la viscosità della resina, consentendole di fl uire Composite Moulding) stampaggio a compressione) con un conseguente minore tra le fi bre e facilitando la fuoriuscita dell'aria e degli Lo stampaggio di compositi liquidi (Liquid Composite investimento nelle fasi di avvio della produzione. agenti volatili intrappolati. In questa fase, la resina ini- Moulding - LCM) è una delle tecniche più promettenti I principali svantaggi del processo LCM sono:

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classico stampo RTM è sostituita da un sacco a vuoto, al ingombranti con costi contenuti. Per quanto riguarda le sclusivo utilizzo di preimpregnati; fi ne di sfruttare il vuoto per favorire il fl usso di resina. matrici termoindurenti, il processo di avvolgimento può • nel processo di FP, vi è un compattatore che impo- L'attuale tendenza verso i processi OOA è dovuta all’e- essere eseguito in due modi: ne pressione alle fi bre mentre vengono poste sulla sigenza dei componentisti di realizzare manufatti più • in avvolgimento umido, le fi bre vengono fatte pas- superfi cie del mandrino. Questo compattatore con- grandi ed abbattere i costi di fabbricazione. sare attraverso una contenitore di resina e successi- solida le fi bre mentre vengono avvolte intorno al Un'altra alternativa al processo RTM convenzionale è il vamente inviate al mandrino; mandrino. Con la pressione del compattatore pos- SQRTM (Same Resin Transfer Molding Qualifi ed), anche • in avvolgimento a secco, le fi bre sono avvolte sul sono essere esplorate superfi ci non convesse (come questo un metodo a stampo chiuso, che combina i pre- mandrino e su di esse viene applicata la resina fi no invece richiesto dal processo FW); preg allo stampaggio liquido per produrre forme nette e alla saturazione delle fi bre. • nel processo di FP, generalmente il calore viene ap- componenti compatti. Il preimpregnato viene collocato Il manufatto è sottoposto a cura; successivamente, il plicato al “nippoint” (punto in cui le strisce di fi bre in uno stampo chiuso e durante il ciclo di cura, una pic- mandrino viene rimosso dal composito fi bro-rinforzato. incontrano la superfi cie del mandrino). L'applicazio- cola quantità di resina è iniettata nella cavità attraverso In alcune applicazioni il mandrino non viene rimosso e ne di calore consente la liquefazione della resina. A Figura 5: Costi e volumi produttivi di differenti processi di produzione. fori posizionati intorno al componente. La resina non im- diventa parte integrante della struttura composita. causa della presenza di calore e pressione, i sistemi pregna il laminato, ma preme contro il bordo e stabilizza Nell’avvolgimento dei materiali termoplastici, vengono di resina utilizzati per il processo FP possono essere • le preforme devono essere tenute insieme da legan- la pressione idrostatica sul preimpregnato, in maniera si- applicati calore e pressione per consentire la fusione ed diversi da quelli utilizzati nel FW; ti. La presenza di leganti può interferire con la resi- mile al processo in autoclave. L’elevata pressione idrosta- il consolidamento degli strati termoplastici. In questo • il processo FP può essere applicato sia ai polimeri na che fl uisce nello stampo per impregnare le fi bre. tica (dell'ordine di 90-100 psi, similmente all’autoclave) caso la deposizione, la fusione ed il consolidamento sono termoplastici che ai termoindurenti senza variazioni I leganti, inoltre, devono essere sciolti nella resina riduce al minimo i vuoti favorendo così la dissoluzione ottenuti con un unico passaggio. signifi cative del set-up del macchinario (eccetto per per evitare l’accoppiamento delle fi bre, che può in- dell’aria, dell’acqua e dei monomeri presenti nella resina. la testa di deposizione). fl uenzare le proprietà meccaniche; Processo di posizionamento della fibra (Fi− I vantaggi del processo di fi ber placement automatizzato • le preforme devono adattarsi bene allo stampo. Nel Processo di avvolgimento (Filament Win− ber Placement Process) (AFP) sono: processo di stampaggio RTM, se le preforme non si ding Process) Il processo di fi ber placement è simile a quello del fi la- • elevata velocità di deposizione del materiale (> 10 adattano bene nello stampo, la resina liquida può Il processo di avvolgimento di fi bre viene utilizzato per ment winding, in cui le fi bre vengono disposte sulla su- lb/hr) fl uire rapidamente lungo zone di non aderenza con realizzare strutture in composito cilindriche, quali reci- perfi cie di mandrino una striscia per volta. Tale processo • processo automatizzato e quindi non dipendente la possibilità di ottenere zone ricche di resina nella pienti a pressione, serbatoi o tubi. I sistemi realizzati è automatizzato e si realizza con il riscaldamento e la dall’operatore parte fi nale. 10 offrono leggerezza ed elevata resistenza alla pressione. compattazione di preimpregnati tipicamente in fi bra di • riduzione del lavoro manuale 11 • la permeabilità della preforma dipende da molti fat- Le applicazioni più comuni includono le bombole di ossi- carbonio su mandrini anche di forma complessa. La fi bra • riduzione del materiale di scarto tori, quali la frazione volumetrica di fi bre, la pressio- geno utilizzate nel settore aeronautico o dagli alpinisti, • ripetibilità dei risultati ne di compressione sulla preforma, il tipo di forma • collegamento diretto tra la progettazione e la pro- e fi bra utilizzata, e la sequenza di sovrapposizione duzione delle fi bre. La variazione della permeabilità rende • possibilità di realizzare grandi strutture diffi cile la previsione della velocità di fl usso della • possibilità di produrre strutture uniche resina liquida nelle fi bre. Ciò può portare a proble- • fi bre orientabili matiche quali: mancanza di impregnazione, forma- Per il processo automatizzato è importante controllare lo zione di vuoti, e scarse proprietà meccaniche quali sforzo meccanico ed il carico termico dei materiali duran- ad esempio resistenza al taglio interlaminare; Figura 8: Macchina di Fiber Placement del CIRA. te il processo. Sono stati sviluppati, a tal proposito, dei • la qualità del pezzo fi nale può essere infl uenzata utilizzata, solitamente ha la forma di “tows”, vale a dire modelli numerici che simulano accuratamente il trasferi- dalla presenza di vuoti, zone ricche o povere di re- di un fascio di fi bre impregnate con resina. mento di calore nelle tre dimensioni durante il processo sina. di posizionamento della fi bra. Alcuni software consento- Al fi ne di ottimizzare la tecnica LCM, esistono alcune Le principali differenze tra il fi ber placement (FP) e il no di prevedere anche la distribuzione delle temperature alternative al processo RTM, come, ad esempio, il profi lament winding (FW) sono: in accordo con le prove sperimentali. Questo approccio cesso di stampaggio per trasferimento di resina assistito Figura 7: Processo di avvolgimento di fi bre. Apparecchiatura di Avio SpA coinvol- • nel processo FW le fi bre sono soggette a tensione può essere utilizzato per ottimizzare le variabili di pro- dal vuoto VARTM (Vacuum Assisted RTM), che può forni- to nella realizzazione del lanciatore Vega. mentre vengono posizionate sulla superfi cie del cesso. La principale problematica legata all’utilizzo del re risultati soddisfacenti in ambito aerospaziale senza le bombole di gas naturale compresso per le vetture, gli mandrino. Nel FP, le fi bre vengono spinte verso la FP automatizzato (AFP) è il costo elevato dell’attrezza- ricorrere alla cura in autoclave. Infatti, il VARTM è un alberi di trasmissione delle automobili ed i tubi per il superfi cie del mandrino, e, quindi non possono es- tura. Inoltre, i compositi termoindurenti necessitano di processo a stampo chiuso, in cui la parte superiore di un trasporto di liquidi corrosivi. sere utilizzate fi bre o fasci di fi bre fl essibili ma si una seconda operazione (autoclave o forno) per la cura Nel fi lament winding le fi bre lunghe vengono avvolte utilizzano nastri con un certo grado di rigidità; defi nitiva delle matrici. Per i termoplastici, invece, è im- su un mandrino rotante con l’inclinazione desiderata. Il • il processo FW può essere effettuato utilizzando sia portante evitare le distorsioni ed ottenere un effi cace processo può essere automatizzato per realizzare parti fi bra umida che secca, mentre per il FP prevede l’e- consolidamento in situ. Allo stato dell’arte, le prestazioni

Figura 6: Processo RTM assistito dal vuoto (VARTM).

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aeronautiche con compositi termoplastici possono essere cessate in tensione) ed elevato contenuto di fi bra nei Stampaggio ad iniezione (Injection Mol− Termoformatura (Thermoforming) ottenute soltanto con un post-trattamento di stampag- profi li pultrusi ding) Il processo di termoformatura è il processo che consiste gio a compressione o autoclave. • elevata automatizzazione; Lo stampaggio ad iniezione consente di conseguire ele- nel riscaldamento di un foglio di materiale termoplastico • elevata produttività e costi contenuti; vati volumi produttivi. fi no alla temperatura di rammollimento. Il foglio viene Pultrusione (Pultrusion) • minore lavoro richiesto. Per quanto riguarda i materiali termoindurenti, nello fatto aderire ad uno stampo e viene mantenuto in posi- La pultrusione è un processo di realizzazione di compo- Tuttavia, ci sono alcune limitazioni legate al processo: i stampaggio a iniezione, una quantità defi nita di mate- zione vincolata fi no a che si raffredda e solidifi ca nella siti a basso costo, semplice, continuo, automatico, con profi li devono essere a spessore costante, la massima lar- riale viene iniettata nelle cavità dello stampo riscaldato. forma desiderata. In particolare, il foglio termoplastico è un alto volume produttivo e in grado di generare compo- ghezza dei profi li è di circa un metro e, poiché il processo Una volta terminato il processo di cura, lo stampo viene bloccato mediante un dispositivo di tenuta e riscaldato nenti a sezione costante. Infatti, in un tipico processo di è interamente automatizzato ed il calore in gioco inten- aperto e il componente viene raccolto in un contenitore da un forno (trasferimento di calore per convezione e ir- pultrusione, le fi bre impregnate di resina vengono tirate so, l’energia utilizzata deve essere abbastanza elevata ed di ricezione. Il processo completo richiede circa 30/60s. raggiamento) fi nché non viene rammollito. Il foglio, poi, attraverso uno stampo riscaldato con una velocità co- i cicli di abbastanza lenti. La velocità di processo può essere ulteriormente aumen- viene fatto aderire allo stampo mediante il vuoto o una stante. Il materiale passa attraverso uno stampo riscal- tata con uno stampo a più cavità. forza meccanica (stampaggio a compressione). La lastra dato e viene curato parzialmente o completamente. Il Stampaggio a compressione (Compression Per quanto riguarda i materiali termoplastici, lo stam- rammollita adattata alla forma dello stampo è tenuta in processo di pultrusione consente di ottenere componenti Molding Process) paggio ad iniezione avviene aggiungendo materiale, in posizione fi nché non si raffredda. Il materiale in ecces- lisci che non richiedono un post-processo. La permeabi- Lo stampaggio a compressione è uno dei processi di pro- forma di pellets, in un’unità di iniezione costituita da so è eliminato, mentre la parte formata viene estratta. lità della resina nelle fi bre varia in base al quantitativo duzione di compositi più economici. Tale tecnologia è la una vite inserita in un cilindro riscaldato. La rotazione Il materiale in eccesso può essere triturato e mescolato di fi bre da impregnare e al loro grado di compressione più utilizzata nella lavorazione dei termoindurenti, ma è della vite genera un’azione di taglio sul pellet che induce con altra plastica non utilizzata al fi ne di formare nuovi nel letto di resina. La pultrusione, inoltre, permette di utilizzata anche per materiali elastomerici e termopla- la fusione dello stesso; la plastica fusa avanza nel cilin- fogli termoplastici. produrre componenti utilizzando materiali a basso costo stici. A seconda del tipo di materiale da stampare e del dro verso lo stampo. Il materiale viene iniettato nello La termoformatura è utilizzata per l’imballaggio alimen- come il vetro ed il poliestere. La tecnologia non si limita prodotto fi nale, ci sono differenze di processo. In ge- stampo chiuso ad alta pressione attraverso un sistema tare e per molte altre applicazioni, tra cui giocattoli di ai polimeri termoindurenti, ma di recente la pultrusione nerale il processo risulta ottimale per moderati/elevati di canali che consentono di riempire tutte le cavità. Lo plastica, parabrezza degli aerei e componenti automobi- volumi di produzione e consente di ottenere componenti stampati dotati di ottima resistenza meccanica e forma complessa. Le fasi del processo possono essere così riassunte: il 12 composito da stampare viene inserito all'interno della 13 sezione inferiore di un stampo aperto riscaldato (140- 170°C), la parte superiore dello stampo viene abbassata Figura 9: Schema del processo di pultrusione. mediante pressione idraulica, in modo che il composito assuma la forma dello stampo e l'eventuale eccedenza Figura 11: Macchinario per il processo di stampaggio ad iniezione. è stata utilizzata con successo anche per matrici termo- venga trasportata all’esterno. La pressione viene mante- plastiche come il polibutilene tereftalato (PBT) ed il po- nuta costante per tutto il tempo di cura (pochi minuti), stampo è sottoposto a raffreddamento e, successivamen- lietilentereftalato (PET) mediante l’impregnazione delle ed il composto curato viene rimosso dallo stampo. te viene aperto per la rimozione dei componenti stam- fi bre di vetro con polvere o fi lm di matrice termoplastica. pati. Il processo di pultrusione ha una serie di vantaggi rispet- I principali vantaggi di questa tecnica sono: to ad altri processi di produzione dei compositi: innanzi - elevata velocità di produzione

tutto, il processo è automatizzato e viene eliminata la - fl essibilità di utilizzo dei materiali Figura 12: Termoformatura meccanica. componente manuale richiesta ad esempio nei processi - ridotto costo del lavoro di laminazione a mano o di stampaggio. I produttori, in - fl essibilità di progettazione listici. I fogli sottili sono per lo più utilizzati per l'imbal- questo modo, hanno una maggiore sicurezza che la quali- - bassa produzione di volumi di scarto. laggio rigido o usa e getta, mentre i fogli di spessore più tà dei profi li pultrusi sia costante durante tutto il proces- I principali svantaggi, invece, sono rappresentati da: elevato sono tipicamente utilizzati per cabine doccia ed so. Altro vantaggio del processo è il costo: l’80-90% del - costi elevati per l’acquisizione iniziale dell’attrezzatura apparecchiature elettroniche. costo dei profi li pultrusi è legato ai costi delle materie - restrizioni di progettazione legate alle dimensioni dei I vantaggi del processo di termoformatura per i materiali

prime. I costi di ammortamento delle macchine e il la- Figura 10: Schema del processo di stampaggio a compressione. componenti compositi consistono in tempi di esercizio ridotti, costo voro per eseguire il processo rappresentano, invece, solo - esigenza di realizzare separatamente le parti che costi- dell’attrezzatura ridotto ed impatto ambientale limitato una piccola parte dei costi totali. Queste caratteristiche Il vantaggio di questo processo è rappresentato dalla tuiscono un componente rispetto ad altri processi di produzione. Lo svantaggio rendono il processo di pultrusione uno dei processi in possibilità di aggiungere facilmente additivi, catalizza- - esigenza che tali parti siano solide principale della termoformatura è determinato dal fatto maggiore crescita per la realizzazione di materiali com- tori, acceleratori di processo, lubrifi canti e coloranti alla - diffi cile previsione dei costi nel dettaglio. che la capacità di un materiale di deformarsi (duttilità) positi. Riassumendo, i vantaggi della pultrusione sono: resina per migliorare le proprietà dei manufatti fi nali e infl uisce molto nell’ottenimento della geometria deside- • incrementata resistenza meccanica (fi bre pro- la processabilità. rata. Inoltre, infl uiscono sul processo e sulle proprietà

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fi nali dei manufatti il raggio di curvatura, la concentra- solidifi cata e forma uno strato singolo dell'oggetto 3D gli strumenti software per la previsione delle proprietà curati a pressioni e temperature più basse, e, quindi, in zione degli sforzi e l’attrito superfi ciale con lo stampo. desiderato. Il processo viene reiterato fi no alla formazio- fi nali dei manufatti. un unico ciclo possono essere fabbricate mediante co- ne completa dell'oggetto 3D. La mancanza di un’approfondita conoscenza dei processi cura parti di grandi strutture in composito, integrando Processo di schiumatura (Polymer Foa− e gli elevati costi di investimento iniziale (compresi i irrigidimenti in modo più semplice ed economico rispetto ming) costi di riconversione delle attrezzature) sono gli osta- ai processi tradizionali. I polimeri espansi sono costituiti da fasi solide e gas- coli principali che bisogna superare per la produzione dei sose miscelate insieme al fi ne di formare una schiuma. compositi per diverse applicazioni. Ad esempio, tali pro- Laminazione manuale (Hand Lay Up) Si possono ottenere due tipologie di strutture a celle blematiche limitano l’utilizzo dei compositi nel settore Il principale svantaggio della tecnica di laminazione ma- aperte o a celle chiuse. La tecnologia utilizzata per pro- dei trasporti (produzione grandi volumi), nella produzio- nuale è la scarsa consistenza dei prodotti, dal momento durre schiume è in costante aggiornamento. Le schiume ne di pale eoliche e nella realizzazione di contenitori ad che la qualità fi nale del manufatto è strettamente corre- polimeriche sono leggere, hanno capacità di isolamento alta pressione. In particolare, nelle applicazioni automo- lata alla capacità tecnica dell’operatore di effettuare il termico ed acustico e possono, inoltre, essere modulate tive, i processi ed i prodotti devono essere sviluppati in processo di laminazione. Inoltre, le resine devono pos- per ottenere differenti proprietà di resistenza meccani- modo tale da assicurare 100.000 pezzi all'anno, con tem- sedere una bassa viscosità per essere lavorate manual- ca ed assorbimento di umidità, anche utilizzando delle pi di ciclo produttivo inferiori ai 3 minuti per i materiali mente e ciò, generalmente, riduce le proprietà meccani- nanocariche. I polimeri espansi possono avere molteplici rinforzati con fi bra di carbonio e meno di 5 minuti per che e termiche dei compositi, oltre a generare rischi per applicazioni, poiché possono essere prodotti utilizzan- materiali rinforzati con fi bra di vetro. Obiettivi simili rila salute dell’operatore. Le tendenze future per questa do differenti tipologie di polimeri e, soprattutto, diversi guardano la produzione di pale eoliche, con circa 10.000 tecnologia, che ha la sua importanza nella produzione agenti espandenti che ne infl uenzano le proprietà fi nali. unità l'anno e velocità di deposizione automatizzata di artigianale di grandi strutture, sono legate allo studio e In particolare, le schiume polimeriche possono essere ri- 1.500 kg/h. L'utilizzo di materiali compositi in bombole sviluppo di resine a bassa viscosità, che garantiscano il gide o fl essibili in base alla chimica, densità e la strut- Figura 13: Stampa 3D stereo litografi a. di gas compressi, per la conservazione dei carburanti, miglioramento della sicurezza dell’operatore. tura dei materiali di base utilizzati. La produzione delle richiede che i processi di produzione associati siano in schiume può avvenire in diversi modi, ad esempio, nel- Nella modellazione con deposizione di fuso polimerico/ Stampaggio ad iniezione (Injection Mol− le schiume termoplastiche ottenute per stampaggio ad nanocomposito, invece, il componente è prodotto con ding) iniezione, l’introduzione dell’agente espandente avviene un processo di estrusione di piccoli fi lamenti appiattiti I lunghi tempi di ciclo dello stampaggio ad iniezione nel polimero fuso e, ciò, provoca l’espansione del mate- di composito che stratifi cano indurendo appena estrusi (IM) dei componenti rappresentano uno dei principali 14 riale solo successivamente all’introduzione nello stampo. dall’ugello. L'ugello è riscaldato per poter sciogliere il svantaggi per l’utilizzo di materiali fi bro-rinforzati in 15 materiale e può essere guidato in direzione orizzontale o elevati volumi produttivi. I tempi di ciclo sono legati a Additive Manufacturing (3D printing) verticale da un meccanismo di controllo numerico, cioè fattori quali la velocità di cura della resina termoindu- Le tecnologie additive sono quei processi che aggregano seguendo un percorso tracciato da un software CAM. rente, la velocità di raffreddamento dei termoplastici, la materiali al fi ne di creare oggetti partendo da modelli cinetica di diffusione della resina nelle fi bre e il tempo matematici tridimensionali, solitamente per sovrapposi- necessario ad evitare la formazione di bolle o vuoti nel- zione di layer, e procedendo in maniera opposta rispetto la matrice durante la cura, che possono produrre difetti a quanto avviene nei processi sottrattivi1. Sono ricon- strutturali nel prodotto fi nito.

ducibili all’additive manufacturing (AM) alcune famiglie Figura 15: Consumi energetici richiesti nelle diverse tecniche di produzione dei Per poter essere competitivo nel settore automobilisti- di processi quali ad esempio l’estrusione, il jetting (il compositi. co, l’IM deve avere tempi di ciclo bassi, di molto in- materiale vaporizzato viene spruzzato selettivamente per feriori rispetto ad un processo di cura di un preimre- creare dei layer) e la fotopolimerizzazione (che prevede grado di produrre 500.000 unità all'anno con un prezzo gnato in autoclave (più di un'ora). Allo stato attuale, la solidiﬁ cazione selettiva di un polimero liquido). del componente ﬁ nito di $10-15/kg. per elevati volumi produttivi, con l’obiettivo di aggirare Tali tecniche sono alla base della stampa 3D che è ampia- Un'altra ctiticità da affrontare per migliorare i processi la problematica legata ai lunghi tempi di cura richiesti

mente utilizzata per la prototipazione rapida. I metodi Figura 14: Stampa 3D modellazione a deposizione fusa. di produzione è data dal dispendio energetico associato dai termoindurenti, i compositi vengono preferibilmen- di stampa 3D più comunemente utilizzati sono la stere- a diverse tecniche produttive. L’elevato consumo ener- te realizzati per stampaggio ad iniezione o compressio- olitografi a e la modellazione con deposizione di fuso. La getico dei processi in autoclave ha di recente spostato ne utilizzando matrici termoplastiche e fi bre di vetro. stereolitografi a è un processo AM che funziona indiriz- 1.3 LE NUOVE TENDENZE l’interesse dei produttori verso processi a più basso con- Sono in corso studi che mirano a modifi care la chimica zando un laser ultravioletto (UV) in una vasca contenen- L’utilizzo dei materiali compositi è fortemente limitato sumo energetico quali il RTM e la polimerizzazione fuori dei materiali termoplastici, con l’obiettivo di ridurne la te una resina fotoreticolabile. Con l'ausilio di opportuni da diverse problematiche legate ai processi produttivi. In autoclave (OOA). Il processo OOA, soprattutto se asso- viscosità del fuso e consentire un rapido ed effi ciente software di progettazione (CAD/CAM), il laser UV viene particolare, si rileva l’esigenza di migliorare alcuni aspet- ciato all’utilizzo di prepregs, garantisce una distribuzio- stampaggio ad iniezione anche di compositi rinforzati utilizzato per disegnare una forma pre-programmata sul- ti: la velocità di manifattura (per ridurre i tempi del ciclo ne uniforme della resina, evitando la formazione di zone con fi bre lunghe. Altri approfondimenti per il futuro di la superfi cie del polimero. Poiché i polimeri selezionati produttivo), il costo del processo (legato alla velocità di asciutte o ricche di resina, difetti comuni nei processi di questa tecnologia riguardano, invece, la messa a punto sono fotosensibili alla luce ultravioletta, la resina viene produzione), l’effi cienza produttiva, il riciclo, il design e infusione. Inoltre, i preimpregnati OOA possono essere di un nuovo processo per la manifattura di compositi ter-

1 ISO - ASTM52921-1 “Standard Terminology for additive manufacturing”

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moplastici rinforzati con fi bra di carbonio, con un tempo ri ai due minuti. Lo sviluppo di tali soluzioni tecnologi- mento. Entrambi i metodi, tuttavia, sono contraddistinti Per la tecnologia di stampa 3D si prevede una crescita ciclo inferiore al minuto, ideale per componentistica del che renderebbe questo processo altamente competitivo, dai costi elevati degli investimenti nelle attrezzature e associata principalmente a tre aree: nuove stampanti e settore automotive (auto, camion e crossover). anche in virtù della possibilità di disporre di stampi ad negli impianti. Nel settore automotive, tale tecnologia metodi di stampa, nuovi software per la progettazione Lo stampaggio ad iniezione resta, comunque, il metodo elevate prestazioni in grado di essere utilizzati più volte potrebbe portare vantaggi in termini di riduzione dei co- e la stampa e nuovi materiali idonei per la stampa 3D. di produzione con il più elevato volume produttivo nella senza subire distorsioni o danneggiamenti. sti di assemblaggio, in virtù della possibilità di realizza- La maggior parte delle stampanti di oggi utilizza una realizzazione di parti non strutturali. re con AFP delle strutture complesse (multicomponenti) testa singola per la deposizione del materiale. L'aggiunta Processo di avvolgimento (Filament win− producendo un ridotto numero di componenti da dover di più teste di stampa che lavorano simultaneamente po- Stampaggio per trasferimento di resina ding) successivamente assemblare. trebbe aumentare la velocità del processo consentendo, (Resin Transfer Molding) Il processo di avvolgimento o Filament Winding (FW) è il allo stesso tempo, l’utilizzo di più materiali o più colori La tecnologia chiave, per aumentare la velocità di rea- più utilizzato nella realizzazione di manufatti in compo- Processo di schiumatura termoplastica dello stesso materiale. Teste multiple potrebbero anche lizzazione di componenti in composito termoindurente sito simmetrici, quali ad esempio i serbatoi di stoccaggio (Thermoplastic Foaming) produrre più copie dello stesso manufatto contempora- con tecnica RTM ad elevata pressione (HP-RTM), a com- dei gas compressi o tratti tubolari dei metanodotti. Il Per quanto riguarda lo stampaggio ad iniezione di schiu- neamente. Con tale innovazione, la velocità di stampa pressione, infusione o a spruzzo, è legata allo sviluppo processo offre anche buone velocità di manifattura e come termoplastiche a bassa densità, le tendenze future aumenterebbe in maniera più o meno proporzionale al di nuove resine termoindurenti in grado di reticolare ra- sti vantaggiosi per la realizzazione di parti assialsimme- sono legate alla possibilità di sviluppare strutture san- numero di teste applicate nel processo. pidamente. In particolare, le resine epossidiche e poliu- triche strutturali come i montanti, le assi ed i semiassi. dwich multifunzionali mediante la tecnologia di schiu- In futuro, inoltre, occorrerà progettare un sistema in retaniche hanno delle ottime prestazioni soprattutto se In numerose applicazioni, come ad esempio nella produ- matura in situ. Questo processo consente di ottenere, in grado di monitorare in tempo reale il processo di stam- rinforzate con fi bra di carbonio. La tecnologia HP-RTM, zione di serbatoi di stoccaggio realizzati mediante FW di un unico passaggio, l’espansione del core, il consolida- pa, rilevando difetti o eventuali deviazioni dal progetto in combinazione con il processo di termoformatura, at- fi bre di carbonio con matrice epossidica su rivestimenti mento core/skin (senza l’utilizzo di adesivi) e la forma- originale (previsto in un modello 3D generato da uno tualmente in fase di sviluppo, potrebbe rappresentare un interni in polietilene ad alta densità, il costo dei ma- strumento CAD), permettendo interventi opportuni con processo innovativo promettente, nell’ottica di ridurre i teriali in fi bra di carbonio costituisce circa il 60% del conseguente miglioramento dell’affi dabilità e della ripe- tempi di cura del processo RTM. costo totale. Per questo motivo, in futuro, soprattutto tibilità del processo di stampa. Allo stato attuale, i tempi di ciclo medi del processo per serbatoi ad alta pressione, la riduzione dei costi delle Inoltre, i nuovi sistemi di progettazione CAD (più evoluti HP-RTM risultano essere di circa venti minuti, mentre il materie prime (matrici e fi bre) e l’ottimizzazione del pro- rispetto a quelli utilizzati per le tradizionali tecnologie tempo di infusione con la RTM è dell’ordine dei secondi cesso di automazione nella deposizione delle fi bre con sottrattive) dovranno sfruttare appieno la libertà di ricon la possibilità di utilizzare resine termoindurenti a conseguente riduzione dei tempi giocherebbero un ruolo produzione di forme complesse offerta dall’additive ma- 16 rapida reticolazione. Tutti i principali fornitori di resine importante per poter conseguire un volume di produzio- nufacturing. 17 a livello mondiale stanno sviluppando in laboratorio sine di 500.000 pezzi all'anno. Oggi, utilizzando il calore o la luce, le stampanti lavora- stemi con tempi di ciclo inferiori ai due minuti, basati su Ulteriori obiettivi attesi nel futuro riguardano la dispo- no con step di liquefazione e solidifi cazione dei materiali resine a bassa viscosità e rapida reticolazione per centra- nibilità di nuove prefrome, la riduzione degli scarti e dei per ottenere forme specifi che. Sono attesi ulteriori pro- re l'obiettivo di avere un processo con un ciclo inferiore costi energetici attraverso tempi di cura più brevi, l'uti- Figura 16: Miscroscopia elettronica a scansione (SEM) di miscele espanse PEI and gressi che prevedano la combinazione di diverse tipo- PEEK sviluppate durante il progetto TECOP dal socio CNR IPCB (Istituto per i Po- ai tre minuti. I principali sviluppi di questa tecnologia lizzo di rivestimenti protettivi e di nuovi materiali dure- limeri, Compositi e Bio-materiali), a 80bar e 200°C A) PEI tal quale, B) PEEK30/ logie di materiali, come metalli e plastica, in un unico sono quindi legati agli avanzamenti della tecnologia RTM voli in grado di estendere il tempo di vita del serbatoio. PEI70, C) PEEK50/PEI50, D) PEEK70/PEI30, E) PEEK80/PEI20, F) PEEK tal quale. ciclo di stampa, per ottenere sistemi ibridi. Infi ne, tale per iniezione ad elevata pressione e alle resine a rapida tecnologia offre ulteriori opportunità consentendo lo reticolazione. Processo di deposizione automatizzata tura del componente. Tale tecnica, inoltre, permette di sviluppo di nuovi approcci per la fabbricazione additiva delle fibre (Automated fiber placement) evitare qualsiasi lavorazione accessoria come ad esempio di strutture multi-materiale che rispettino dei parametri Stampaggio per trasferimento di resina Il processo di posizionamento automatizzato delle fi bre la foratura o l’incollaggio e di conseguenza di ridurre i progettuali, con un livello superiore di controllo on-line assistito dal vuoto (VARTM) (AFP) consente al materiale di aderire in maniera effi - danni alla struttura cellulare. Infi ne, la realizzazione di e una migliore comprensione dei fattori che incidono sul- Il VARTM è un processo adatto alla realizzazione delle cace alle superfi ci sagomate. Gli ultimi sviluppi di tale espansi compositi consente di inserire strutture di rinfor- la forma, sulla microstruttura, sulle proprietà fi nali del pale eoliche dove i componenti più grandi (circa 100 m) tecnologia riguardano le strumentazioni che permettono, zo in seguito alla realizzazione della struttura sandwich. processo. possono essere fabbricati senza la necessità di autocla- infatti, l’utilizzo combinato del processo AFP con il pro- vi. Come nel caso della RTM, i trend futuri riguardano cesso di posizionamento automatizzato del nastro (Auto- Stampa 3D (3D printing) Tendenze future considerazioni conclusive la possibilità di abbassare i costi del processo e sono mated Tape Placement - ATL) mediante la sostituzione in La prototipazione rapida e le tecnologie di additive ma- Riassumendo, le tendenze future per i processi di realiz- indirizzati allo sviluppo di resine a bassa viscosità e cura pochi minuti delle teste di deposizione. Un altro ambito nufacturing hanno un futuro importante, anche se non si zazione di compositi sono: rapida al fi ne di abbassare i tempi totali di ciclo. in rapido sviluppo e di estremo interesse per tale tecno- prevede una forte espansione della tecnologia di stampa • ottimizzazione del processo di laminazione automa- logia è rappresentato dal consolidamento in-situ fuori 3D per alti volumi produttivi. La stampa 3D potrebbe, nel tica (ad es. migliorando il posizionamento della fi - Stampaggio a compressione (Compression autoclave di compositi termoplastici. futuro, integrare o sostituire alcune tecniche tradizionali bra e la compattazione degli strati o l’avvolgimento Molding) Tali sistemi possono raggiungere prestazioni meccaniche per la realizzazione di prodotti e componenti standarde dei fi lamenti) al fi ne di ottenere una riduzione degli La sfi da dello stampaggio è rappresentata dallo sviluppo elevate combinando appunto ATL e ATP, ed utilizzando il consentirebbe creare oggetti con geometrie tali da non scarti, il miglioramento della qualità dei prodotti, la di nuove resine termoindurenti con tempi di cura inferio- riscaldamento laser e dei rulli meccanici per il consolida- poter essere realizzati con nessun altra tecnica. riduzione dei costi di produzione e la riduzione dei

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tempi ciclo; 1.4 SCENARIO America Materiale Area Italia Europa Nord America Mena • sviluppo di processi avanzati (ad esempio la RTM, lo I materiali compositi polimerici rinforzati con fi bra lun- Latina Apac stampaggio ad iniezione, ecc ...) capaci di realizzare ga (inclusi i CFRP molto utilizzati) sono realizzati uti- Dongjang (CN) compositi ad alte prestazioni con una signifi cativa lizzando diversi processi produttivi e vengono applicati Cytec Solvay Group (B) Alcoa (USA) Hengshen Co. (CN) riduzione dei costi di produzione (riduzione di ener- SGL Wiesbaden (DE) Tencate(USA) Ltd and Zhongfu Shenying(3) (CN) principalmente nei settori aeronautico, aerospaziale, au- Tencate GB) Prepreg Axiom Materials (USA) Hindoostan Technical Fabrics Ltd(4) (IND) Delta Tech gia consumata e del costo degli impianti); tomobilistico, dell’energia eolica, nei recipienti ad alta ACM(1) (RUS) Hexcel (USA) Dong Sung Co. (ROK) nuove tecnologie per la realizzazione di preforme Alcoa (F) Zodiac Aerospace (USA) Toray ind. Inc.(5) (J) • pressione e nello sport. Snecma (F) Local Motors(2) (USA) Mitsubishi Rayon (J) complesse da utilizzare per la produzione di prodotti Nella tabella che segue è riportata una mappa che in- Formosa Plastic (RC) che possono essere facilmente assemblati; dividua le aziende leader nei processi di produzione dei (1) Prepreg-ACM CJSC è una azienda, con sede a Mosca, che produce prepreg per compositi polimerici usando fibre minerali di alta qualità, fibre di carbo- • nuovi processi eco-compatibili e basso costo per la materiali utilizzati nella manifattura di compositi fi bro- nio e resine epossidiche e poliimmidiche. I prepreg vengono utilizzati in diversi settori quali quello aeronautico, edile ed eolico. produzione di fi bre di carbonio; rinforzati (compositi rinforzati con fi bra di carbonio, Processi di (2) Airbus investirà una ingente somma nella ditta Local Motors, che realizza automobili con stampa 3D. Poiché diverse grandi aziende cominciano a produzione farsi un nome nel settore delle stampanti 3D, è chiaro che un costruttore come Airbus non può assolutamente ignorare il fenomeno. Diversi dei suoi più • produzione di elementi strutturali con compositi preimpregnati) e la loro distribuzione nelle diverse aree recenti progetti di motori e aeroplani fanno già riferimento a parti stampate con la tecnologia 3D (A350 XWB prevede più di 1000 componenti stampati avanzati, per strutture ferroviarie più leggeri e con con 3D) per cui Airbus ha chiaramente interesse per questo tipo di tecnologia. geografi che mondiali. (3) Hengshen Co., Ltd e Zhongfu Shenying hanno raggiunto la produzione di circa 1000 t di fibra di carbonio, proprio mentre il settore delle carbofibre migliori caratteristiche aerodinamiche al fi ne di ri- era fermo. In Cina Zhongfu Shenying detiene la più grande capacità per la produzione della fibra di carbonio, circa 6300 t, cui si sono aggiunte 2100 t nel 2015. Hengshen Co., Ltd è la prima ditta di carbofibra e materiali compositi nel nuovo OTCBB (Over the Counter Bulletin Board), con una gamma durre il consumo energetico, ottimizzare le procedu- produttiva completa che spazia dai precursori della fibra di carbonio agli ultimi compositi. re di montaggio/smontaggio, manutenzione e ripa- Le politiche nazionali favorevoli e gli enormi potenziali di mercato hanno attratto un grande numero di compagnie nel settore delle carbofibre e dei materiali compositi, come p.es. la Beijing Kangde Xin Composite Material che ha realizzato il layout per compositi in fibra di carbonio per auto e ha razioni (ciclo di vita); studiato dei componenti in carbofibra per dei nuovi veicoli in collaborazione con BAIC BJEV, in virtù delle sue conoscenze tecnologiche nello stampaggio, • nuovi processi di fabbricazione automatizzati in gra- Haiyuan Automatic Equipments Co. Ltd ha incrementato di 600 milioni RMB la spesa per la R&S e per la produzione di parti strutturali in fibra di carbonio per veicoli di nuova concezione energetica (fonte prnewswire.com). do di ridurre i tempi di ciclo per la realizzazione di (4) Toho Tenax Co. Ltd. (Tokyo, Japan), core company della Teijin Group’s per fibre e compositi, ha annunciato il progetto per lo sviluppo e commercializ- componenti geometricamente complessi; zazione di tessuti in fibra di carbonio per l’industria indiana, in collaborazione con la Hindoostan Technical Fabrics Ltd. (Mumbai, India), un produttore di tessile in carbonio e aramide (fonte plastemart.com). Con questo accordo , Toho Tenax fornirà la propria fibra di carbonio Tenax alla Hindoostan Tech- • processi e materiali avanzati in fi bra di carbonio per nical Fabrics per tessitura e produzione. Le due aziende commercializzeranno insieme il tessuto prodotto ai fabbricanti indiani di materiali compositi e pale eoliche (controllo dell’allineamento delle fi bre di sistemi fibrorinforzati, che servono vari segmenti industriali, incluso i trasporti, l’aerospazio e il ferroviario; eolico; sport e svago; equipaggiamenti medici; costruzioni e rinforzi per l’edilizia; ed elettronica (p.es. computer e alloggiamenti dei telefoni cellulari). durante l’infusione, incremento della velocità di po- (5) Toray Industries ha realizzato in Tailandia un impianto per componenti in fibra di carbonio, in risposta alla crescente domanda per questo materiale nei settori delle auto da corsa, biciclette, sedili per treni veloci ed equipaggiamenti medici (fonte asia.nikkei.com). Inoltre, Toray prevede di investire limerizzazione durante il processo) con migliori pro- circa 50 miliardi di yen in una nuova linea di produzione integrata per filati (precursori), carbofibra TORAYCA con una produzione annuale di 2000 t, e prietà meccaniche (comportamento a compressione, prepreg TORAYCA nelle nuove strutture di Spartanburg County, South Carolina. Questo rappresenta la prima fase di un investimento di 100 miliardi di yen per espandere in USA il business di Toray per i materiali compositi. 18 a fatica e a rottura) anche attraverso l’ottimizzazio- 19 ne dell’interfaccia resina/fi bra; • nuove tecnologie di stampa 3D per materiali polimerici fi bro-rinforzati; • processi di produzione automatizzati, per la realizzazione di prodotti rinforzati con fi bre di carbonio da utilizzare per lo sport ed il tempo libero (infusione liquida, RTM, ecc ...), a basso costo (produzione su larga scala di biciclette, racchette da tennis, mazze da golf e baseball, canne da pesca, canoe, auto da corsa, ecc ...); • processi per la realizzazione di nuovi materiali (resine, rivestimenti) e prodotti per la conservazione del patrimonio culturale, tenendo conto dei requisiti di sostenibilità, in grado di mitigare gli effetti del cambiamento climatico; • processi avanzati per la realizzazione di compositi fi bro-rinforzati con migliorato impatto estetico (ad es. stampaggio ad iniezione con controllo rapido della temperatura dello stampo per aumentare la fi - nitura superfi ciale); • riduzione dei costi di produzione dei compositi termoplastici attraverso approcci innovativi al processo di termoformatura.

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2 I COMPOSITI TERMOPLASTICI Come anticipato, i compositi termoplastici offrono diver- Per quanto riguarda le fi bre di rinforzo per i compositi bre impiegate come rinforzo: s = l/d. Il valore di s può si vantaggi rispetto ai termoindurenti. In primo luogo, termoplastici, possono essere utilizzate fi bre corte, fi bre variare a seconda della tipologia e del processo di rea- 2.1 INTRODUZIONE i TPC hanno un ciclo di vita indefi nito (possono essere lunghe e fi bre continue. lizzazione della fi bra, assumendo valori che variano nel I polimeri termoplastici, a differenza dei termoindurenti, conservati a temperatura ambiente a tempo indetermina- range 50-500. Il rapporto d’aspetto può infl uenzare le la cui reazione di cura è irreversibile, induriscono quando to), sono a basso assorbimento di umidità, ad eccellente proprietà meccaniche del manufatto quali l’allungamento raffreddati, ma conservano la loro plasticità. Il materia- stabilità termica, chimica e di resistenza alla fi amma, ad a rottura e la tenacità. le termoplastico liquefa (ovvero rammollisce abbastanza elevata tenacità, e, in alcuni casi, hanno cicli di lavora- I compositi termoplastici a fi bra corta possono essere fa- da poter essere lavorato), quando si fornisce suffi ciente zione brevi e semplici tali da poter assicurare potenziali cilmente prodotti mediante un processo a basso costo di calore per portare la temperatura al di sopra del punto riduzioni signifi cative dei costi di produzione. In secon- stampaggio ad iniezione, oppure estrusione, “hand lay- di fusione. Quando la fonte del calore viene rimossa, e do luogo, i TPC hanno la possibilità di essere riprocessati up”, termoformatura e stampaggio con sacco a vuoto. la temperatura scende al di sotto del punto di fusione, (passando dallo stato fuso) e le strutture danneggiate Una problematica importante relativa alla realizzazione invece, la plastica solidifi ca tornando in uno stato solido possono essere riparate applicando calore e pressione. di compositi a fi bra corta è la formazione di vuoti la cui simile al vetro. Questo processo può essere ripetuto, con Infi ne, i TPC offrono altri vantaggi in termini di impat- dimensione aumenta durante il processo di produzione. le rispettive fasi di fusione e solidifi cazione, in funzione to ambientale: possono essere riciclati direttamente o Figura 18: Fibre di rinforzo dei polimeri termoplastici a fi bra lunga e corta. I vuoti tendono a nucleare all’estremità delle fi bre e la della variazione di temperatura raggiunta sia al di sopra combinati ad altri materiali riciclati per la realizzazione loro quantità dipende dalle condizioni di processo e dal- che al di sotto della temperatura di fusione. di nuovi prodotti; e possono essere processati con tecni- La tipologia più comune di fi bre utilizzate nei termo- la concentrazione e lunghezza delle fi bre. In particolare, La massima temperatura di utilizzo (teorica) di un termo- che di saldatura innovative che prevedono la fusione del plastici è il rinforzo a fi bra corta (SFRTs) mediante fi bre relativamente alle condizioni di processo, velocità di raf- plastico è, quindi, la sua Tg (temperatura di transizione materiale, quali la saldatura ad induzione o a resistenza, di vetro e di carbonio. L’aggiunta di fi bre corte alle ma- freddamento più lente garantiscono un minore contenuto vetrosa) se si tratta di un materiale termoplastico amorfo così da eliminare i fi ssaggi meccanici e gli adesivi secon- trici termoplastiche migliora le prestazioni meccaniche. di vuoti. o la sua Tm (temperatura di fusione) nel caso di un mate- dari, risparmiando peso e costi in fase di assemblaggio/ Inoltre, i compositi termoplastici a fi bra corta sono più I termoplastici rinforzati a fi bra corta hanno una vasta riale termoplastico semicristallino. Questo limite è esclu- disassemblaggio. facili e meno costosi da produrre rispetto ai compositi gamma di applicazioni dovute alle proprietà della fi bra sivamente teorico perché il modulo elastico E (ovvero a fi bra continua e rappresentano il giusto compromesso di rinforzo. In particolare, sono ideali in applicazioni per la rigidità) di un materiale termoplastico semicristallino 2.2 LO STATO ATTUALE tra costi e prestazioni, in quanto possono essere utiliz- le quali la tenacità è di estrema importanza, in cui sono diminuisce signifi cativamente quando la sua temperatu- In base alla tipologia di matrice termoplastica, i TPC zati in svariate applicazioni. Le proprietà meccaniche dei coinvolti elevati volumi produttivi e in cui il tempo di ra supera la Tg, che è di gran lunga inferiore alla Tm. possono essere suddivisi in sistemi ad alte prestazioni e compositi rinforzati con fi bre corte sono quasi-isotrope vita del materiale è elevato ed il riciclaggio importante. 20 Per questo, quindi, risulta particolarmente vantaggioso sistemi a basso costo. e dipendono essenzialmente dalla distribuzione statisti- Uno dei più grandi vantaggi legati all’utilizzo di materiali 21 rinforzare la matrice termoplastica con fi bre organiche o I sistemi ad alte prestazioni, in genere, mostrano, rica della lunghezza della fi bra e degli orientamenti delle termoplastici rinforzati con fi bra corta è la loro facilità inorganiche (vetro, carbonio, fi bre naturali) tali da for- spetto ai sistemi a basso costo, una temperatura ope- stesse. In particolare, la resistenza meccanica dei com- di lavorazione e riprocessabilità. Per questo motivo, sono mare un composito termoplastico (TPC), con conseguen- rativa più alta, alta tenacità, ottima resistenza chimica positi termoplastici a fi bra corta aumenta all'aumentare ampiamente utilizzati nelle industrie elettriche ed elet- te aumento del modulo elastico (E) anche al disopra della ed eccellente caratteristiche di comportamento al fuo- della lunghezza di fi bra e alla diminuzione dell'angolo di troniche, automobilistiche, petrolchimiche e della difesa. Tg, consentendo, così, al materiale di essere utilizzato in co, fumi e tossicità. Queste matrici termoplastiche sono orientazione delle fi bre (angolo tra l'asse della fi bra e la Per i compositi termoplastici rinforzati con fi bra lunga condizioni di elevato stress a temperature più elevate. prevalentemente utilizzate nel settore aerospaziale. Le direzione di carico). (LFRT), il rapporto d’aspetto è superiore ad 800. Gli LFRT matrici a più alte preformance sono essenzialmente: il sono prodotti solitamente mediante processi di pultru- polietere-etere-chetone (PEEK), il polietere-chetone- sione e di stampaggio a compressione e forniscono signi- chetone (PEKK), il polifenilene-solfuro (PPS) ed il polie- fi cativi miglioramenti in termini di proprietà meccaniche tere-imide (PEI). Questi materiali, applicati nel settore rispetto ai compositi a fi bra corta. aerospaziale, presentano una temperatura di esercizio Quando le fi bre continue vengono processate nei com- superiore ai 100-120°C, mentre in altri ambiti possono positi sono unidirezionali e creano un materiale com- arrivare a temperature di esercizio superiori ai 250°C. Tra posito che è altamente anisotropo. Le proprietà (mec- i materiali menzionati, il PEEK, PPS ed il PEKK mostrano caniche, termiche, elettriche, ecc.) misurate risultano un’elevata resistenza chimica in virtù della loro natura essere, quindi, signifi cativamente differenti se misurate semi-cristallina, ma risultano essere anche i più costosi. in direzione parallela o perpendicolare alle fi bre. Tale Per applicazioni industriali non aerospaziali, invece, i anisotropia presenta alcuni vantaggi e svantaggi. Il più compositi termoplastici a basso costo presentano una grande vantaggio è che, controllando l'orientamento del Figura 19: Proprietà meccaniche dei compositi termoplastici (fi bre di vetro e nastro composito nella struttura fi nale, alcune proprietà matrice di polipropilene (PP), polivinilcloruro (PVC), matrice PP) in funzione della lunghezza delle fi bre (Fonte: plasticomp.com). policarbonato (PC), poliammide (PA), poliesteri come (resistenza, modulo, CTE, etc.) possono essere opportu- polibutilene-tereftalato (PBT) e polietilene-tereftalato Un parametro importante che caratterizza i compositi a namente modulate. Lo svantaggio principale, invece, è Figura 17: Composito a matrice termoplastica e fi bre di carbonio. (PET), acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) e poliureta- fi bra corta è il rapporto d’aspetto (s) defi nito come il rappresentato dal fatto che è molto diffi cile ottenere un no termoplastico (TPU). rapporto tra la lunghezza (L) e il diametro (d) delle fi - rinforzo effi cace in tutte e tre le direzioni. È possibile

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posizionare le fi bre in tutte le direzioni (ad es. tessuti in continuo di polvere di polimero termoplastico sulle dobbi comunali, automobili e altre applicazioni, come ad preformati), ma in generale strutture realizzate in questo fi bre. Dopo la deposizione umida o a secco della polvere, esempio la costruzione di pedane di trasporto. modo non sono in grado di supportare elevati carichi il materiale viene posizionato in un forno che scioglien- I principali processi di fabbricazione utilizzati con i com- in una qualsiasi delle tre direzioni e queste applicazioni do il polimero favorisce la formazione del sistema fi bra/ positi termoplastici sono: sono in generale meglio supportate con materiali iso- matrice che, infi ne, viene avvolto. • Stampaggio ad iniezione (con fi bre corte) tropi. • Stampaggio ad iniezione non convenzionale di fi bre lunghe • Prepreg layup con applicazione di pressione e temperature • Automated tape layup • Filament winding • Pultrusione • Stampaggio a compressione, convenzionale o robotizzato Figura 21: Schema della deposizione in continuo della polvere termoplastica sulle • Diaphragm forming fi bre. • Roll forming Il recente interesse nella riduzione dell’impatto ambien- Le caratteristiche di processo, nel caso del fi ber place- Figura 22: Gli sviluppi futuri per i compositi a matrice termoplastica. ment (Automated layup tape), fi lament winding e pul- tale dei materiali, sta portando sempre più allo sviluppo indirizzate a sviluppare nuove fi bre di carbonio a basso trusione, sono simili a quelle adottate per i compositi di nuovi compositi realizzati con matrice e soprattutto costo e matrici polimeriche facilmente stampabili. termoindurenti. Tuttavia, il calore viene applicato prima fi bre riciclabili. Gli sviluppi attuali e le tendenze future Attualmente, i precursori convenzionali delle fi bre di car- della formatura e la pressione viene utilizzata per conso- riguardano l’utilizzo di fi bre naturali (cotone, lino, ca- bonio (CF) sono a base di poliacrilonitrile (PAN). Il pro- lidare il materiale. La forma fi nale avviene con il raffred- napa, bambù, sparto, paglia, juta, legno, basalto) per cesso per la fabbricazione di PAN-CF comporta la gestio- Figura 20: Filamento continuo di fi bra di vetro e pellets di composito termopla- rinforzare i materiali termoplastici, con potenziali inte- damento. Il costo fi nale del processo di consolidamento stico rinforzato con fi bra lunga (Fonte: plasticomp.com). ne e il recupero dei solventi pericolosi e richiede circa in autoclave del materiale termoplastico è leggermente resse per i prodotti a base biologica. I compositi a fi bra due chilogrammi di resina PAN ad alto costo per produrre inferiore a quello della polimerizzazione in autoclave Per impregnare e produrre pre-impregnati termoplastici naturale corta possono essere lavorati in componenti di un chilogrammo di CF. Nuove tecnologie per la produzio- 22 di compositi termoindurenti (che in autoclave devono 23 esistono tre tipologie di processo: fusione diretta del po- forma complessa utilizzando apparecchiature standard di ne di CF a basso costo si stanno sviluppando in scala di curare). Inoltre, una riduzione dei costi per i materiali limero, utilizzo di solventi o precursori a bassa viscosità stampaggio ad iniezione. I principali vantaggi di utilizzo laboratorio, utilizzando nuovi precursori a base poliolefi - termoplastici si ottiene dal fatto che tali materiali non e contatto forzato fi bra/matrice. di fi bre ligno-cellulosiche, come additivi/rinforzi nella nica che assicurano una maggiore resa di CF rispetto alle richiedono trasporto e stoccaggio refrigerato e non han- La fusione diretta del polimero è simile al processo che si plastica, sono la bassa densità, la possibilità di rag- fi bre di PAN e ad un costo inferiore. La sfi da del futuro, no una data di scadenza. usa per il rivestimento dei cavi e prevede l’utilizzo di una giungere elevati livelli di riempimento con conseguente quindi, è rappresentata dallo scale-up di nuovi processi Le attività di simulazione e di modellazione forniscono, testa di estrusione per impregnare le fi bre e produrre pel- incremento delle proprietà meccaniche di rigidezza con produttivi di CF a basso costo. inoltre, un importante contributo allo sviluppo (mate- lets con fi bre lunghe. Il problema principale è legato alla fi bre a basso costo ed aumento di altre proprietà legate Entro i prossimi anni, inoltre, le fi bre di carbonio riciclate riali e processi) e all’applicazione di materiali compositi diffi coltà di impregnare le fi bre interne del tow e, quindi, alla, facilità di riciclo e biodegradabilità. Lo svantaggio saranno utilizzate per nuove applicazioni. In particolare, termoplastici avanzati simulando le proprietà termiche e viene utilizzata in alternativa la pultrusione. Secondo un principale dell’utilizzo di tali fi bre è una più bassa tem- il fi ne vita (end of life) delle strutture polimeriche in meccaniche per la plastica rinforzata con fi bre. altro approccio si producono pre-impregnati termopla- peratura di processo, a causa della possibile degrada- fi bra di carbonio rinforzata (CFRP) rappresenta una sfi da stici attraverso la triturazione delle fi bre che vengono zione del materiale ligno-cellulosico. Le temperature di importante per l'industria automobilistica e aerospaziale, dapprima compresse tra gli strati di polimero fuso (ad processo sono, infatti, limitate a circa 200°C e ciò, a 2.3 LE NUOVE TENDENZE dal momento che le nuove normative europee richiedono esempio si usa PP), compattate ed infi ne consolidate in sua volta, limita la tipologia di materiali termoplastici Nei prossimi anni, l’ulteriore sviluppo dei materiali com- soluzioni di riciclaggio che con i materiali attuali sono un opportuno sistema di laminazione. che possono essere utilizzati con tali fi bre naturali (PE, positi termoplastici dipenderà essenzialmente da fattori complicate e costose da applicare. A questo proposito, si Nel caso di termoplasticiamorfi , vengono utilizzati sol- PP, PVC e PS). Altro inconveniente è l’alto assorbimento strategici quali la riduzione del costo delle materie prime stanno sviluppando, su scala di laboratorio, varie tecni- venti o precursori a bassa viscosità per aumentare la di umidità delle fi bre naturali, che può provocare il ri- (matrici e fi bre), la riciclabilità e lo sviluppo di sistemi che per riciclare fi bre di carbonio, incorporate in matrice fl uidità dei materiali termoplasticie permettere l'impre- gonfi amento delle fi bre e la possibile alterazione della software sempre più avanzati in grado di prevedere il termoplastica. gnazione di fi bre continue. stabilità dimensionale del composito. In particolare, ri- comportamento termico e meccanico dei materiali sup- Le nuove tipologie di composito termoplastico potranno Al fi ne di produrre pre-impregnati, in cui la matrice ter- sulta diffi cile eliminare completamente l’assorbimento di portando il progettista. essere ottenute combinando fi bre differenti; sarà possi- moplastica è a stretto contatto con le fi bre che saranno umidità senza utilizzare materiali barriera sulla superfi cie Per quanto concerne i nuovi materiali, i compositi in fi bra bile combinare, miscelare o legare fi bre ligno-cellulosi- completamente impregnate durante il processo produtti- del composito. di carbonio sono circa 10 volte più costosi da produrre che/naturali con materiali come vetro, metalli, plastiche vo, sono stati sviluppati dei processi a basso costo che Oggigiorno, i compositi termoplastici rinforzati con fi - rispetto all’alluminio ed al magnesio, e sono ancora più e carbonio. L'obiettivo sarà combinare due o più materia- prevedono appunto un contatto forzato fi bra/matrice. bre naturali sono ampiamente utilizzati nel settore delle costosi rispetto ad acciai ad alta resistenza. Pertanto, li in modo tale da attivare la sinergia tra i componenti e Una di queste tecniche è rappresentata dalla deposizione costruzioni e per prodotti per la casa, giardinaggio, ad- per quanto riguarda i materiali, le tendenze future sono

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produrre un materiale ibrido innovativo migliore rispetto esplorare strumenti di intelligenza artifi ciale, come i si- Altri processi di produzione innovativi che sono allo stu- minati con alti livelli di fi bre minerali, in modo da avere ai singoli componenti. stemi esperti e le reti neurali. I nuovi strumenti software dio riguardano: processo mediante sacco a vuoto per lo lo stesso livello di riciclabilità e densità del polimero di Fino a poco tempo fa, i materiali termoplastici rinforzati (virtuale) contribuiranno a ridurre i tempi di progetta- stampaggio di parti in composito termoplastico in un base. Da questi compositi ci si attende, quindi, leggerez- con fi bre naturali non venivano considerati come mazione, i tempi ed i costi di produzione e la necessità di unico passaggio, attraverso l’utilizzo di nuove fonti di za, resistenza agli urti e una migliore riciclabilità. Tutta- teriali per applicazioni strutturali, in cui sono richieste condurre prove sperimentali costose. calore (induzione, microonde) e sistemi di raffreddamen- via, è molto importante riuscire ad ottimizzare il proces- elevate proprietà meccaniche. Una possibilità per mi- Le future tendenze del processo tecnologico per la pro- to ad alta velocità; processo di stampaggio a trasferi- so perché uno dei principali svantaggi di questi sistemi gliorare le proprietà meccaniche di questi materiali è duzione di materiali compositi termoplastici includono mento di resina (RTM) ad elevata pressione, che utilizza è l’elevata sensibilità alla temperatura. Infatti, durante rappresentata dall’utilizzo della fi bra di basalto (BF). La anche lo sviluppo di tecniche automatizzate in grado di un sistema di controllo automatizzato per riempire lo le fasi di processo, la temperatura deve essere control- BF è una fi bra naturale innovativa, che fonde ad alta abbattere i costi effettivi di produzione di parti termo- stampo e che consente una signifi cativa riduzione dei lata molto accuratamente per sciogliere esclusivamente temperatura. è può essere ricavata da diverse fonti, è plastiche. Diverse aziende e centri di ricerca stanno svi- tempi di ciclo; stampaggio ibrido che combina lo stam- la matrice e preservare il rinforzo dal calore. Il control- poco costosa ed ha eccellenti proprietà, quali: resistenza luppando una vasta gamma di tecniche automatizzate paggio a compressione di termoplastici a fi bre continue lo della temperatura, come si può immaginare, è molto alla corrosione, basso assorbimento di umidità e capacità per migliorare la velocità di produzione, ridurre i costi e con lo stampaggio ad iniezione di termoplastico (possi- diffi cile a causa delle piccole fi nestre di processabilità di resistere alle alte temperature, isolamento termico ed migliorare la qualità (ripetitività) dei pezzi in materiale bilmente rinforzato con fi bre corte) nello stesso stampo che questi materiali presentano. Si stanno sviluppando, riduzione delle vibrazioni. Le BF sono anche un materiale termoplastico. Inoltre, un grande sforzo si sta concen- (sovrastampaggio), al fi ne di ottimizzare il compromesso quindi, nuove tecniche per il controllo della temperatura ad alta resistenza meccanica, attualmente utilizzato nel- trando sulla produzione di parti senza l’utilizzo dell’auto- tra prestazioni e costi strutturali del manufatto; nuove di processo e nuovi materiali. Ad esempio, nel settore la costruzione di strade, edifi ci ed altre applicazioni che clave (Out-Of-autoclave). soluzioni di intreccio a basso costo e ripetibili per rea- automobilistico, strisce funzionali di nanocompositi ter- richiedono rinforzi. Alcune delle tecniche più promettenti per ridurre i costi lizzare un intreccio di fi bre (da impregnare) per applica- moplastici (poliammide/nanotubi di carbonio a parete Si stanno sviluppando, inoltre, nuovi polimeri ad alte di produzione sono il posizionamento automatizzato del- zioni strutturali. multipla- MWCNTs) realizzate mediante miscelazione del prestazioni, in grado di soddisfare le esigenze di au- le fi bre (Automated fi ber placement- AFP) e del nastro Un'altra sfi da correlata al composito termoplastico è la fuso e stampaggio a compressione sono state intrecciate tomazione richieste in fase di produzione, quali alcuni (Tape placement), la termoformatura e lo stampaggio a riduzione dei costi e delle procedure di assemblaggio at- con tessuti di polipropilene per ottenere sistemi compo- nuovi materiali termoplastici liquidi (ad es. il nylon) che compressione continuo (CCM). traverso l’utilizzo di tecniche avanzate di saldatura per siti funzionali self-reinforced con proprietà elettriche per possiedono il vantaggio della bassa viscosità (meno di La tecnica AFP per i termoplastici è più prometten- collegare i componenti. Ad esempio, la saldatura ad in- futuri sensori di contatto. 3000 cP), come nel caso dei termoindurenti, e sono in te rispetto ai termoindurenti. Infatti, i preimpregnati duzione utilizza il riscaldamento induttivo per la fusione Figura 25: Pannello funzionale grado, quindi, di fornire una migliore processabilità e termoindurenti hanno tipicamente una vita di 6 mesi della matrice termoplastica nella zona di giunzione. Con auto-rinforzato ottenuto riciclabilità a fi ne vita. e devono essere conservati a bassa temperatura in un questo processo, adesivi e fi ssaggi meccanici possono intrecciando strisce di nanocomposito termoplastico 24 Inoltre, i nanocompositi termoplastici avanzati dotati congelatore, con costi aggiuntivi. I preimpregnati ter- essere ridotti al minimo o eliminati. Il risultato netto è (poliammide/MWCNTs) con 25 di specifi che proprietà elettriche e termiche potrebbe- moplastici, invece, non richiedono refrigerazione, con una riduzione dei costi di processo e del peso dei com- tessuto di polipropilene. Sviluppato nel corso del ro intervenire in fase di processing migliorando alcune conseguente minor costo di equipaggiamento (meno ponenti. progetto IMAST FUZI dal socio prestazioni: ad esempio nello stampaggio ad iniezione e spazio) e minor costo energetico. Inoltre, con il conso- Centro Ricerche FIAT. compressione possono permettere di regolare le proprie- lidamento direttamente in situ, la tecnica AFP dei com- tà funzionali fi nali dei manufatti (fi nitura superfi ciale, positi termoplastici permette di escludere la necessità di conducibilità elettrica, proprietà antistatiche, lucentez- un processo in autoclave o di un ciclo di compressione Applicazioni emergenti comprendono cover in composi- za, ecc...). successivo al posizionamento della fi bra. to per smartphone, tablet e dispositivi portatili al fi ne Negli ultimi anni si sono sviluppati metodi di progetta- di consentire a tali dispositivi di raggiungere un peso zione ed ingegneria supportati dal computer che hanno minore o profi li più sottili, pur mantenendo la rigidi- avuto un notevole impatto nell'analisi e nella messa a tà necessaria per proteggere il dispositivo da eventuali

punto dei processi e delle attrezzature per la realizza- Figura 24: Processo di saldatura ad induzione per compositi termoplastici. danni. Inoltre, processi secondari come ad esempio il zione dei polimeri. Tali tecniche hanno avuto un grande sovrastampaggio ad iniezione possono essere utilizzati impatto nel processo di stampaggio ad iniezione, per il Nell’ultimo periodo è stata sviluppata una nuova tipolo- per formare clip e staffe necessarie per i dettagli del controllo del processo. In futuro, potrebbero essere fatti gia di materiali termoplastici self-reinforced (ad es. com- dispositivo. passi avanti anche nella comprensione del fl usso dei fusi, positi a matrice polipropilene) non ancora completamen- Nel settore automobilistico ed in altri settori di trasporto nei processi di estrusione. Diversi gruppi di ricerca sono, te disponibile in commercio. Nei sistemi self-reinforced, si è sempre più orientati alla ricerca di compositi ter- invece, focalizzati sul miglioramento della simulazione la matrice polimerica è rinforzata con fi bre o nastri ad moplastici avanzati per alleggerire il peso, soprattutto del comportamento del fl usso viscoelastico nei processi alta tenacità della stessa famiglia di polimeri, creando nei veicoli ibridi ed alimentati a batteria dove i requisiti di termoformatura, soffi aggio, stampaggio per iniezione un materiale con tipicamente 3-5 volte la resistenza di leggerezza sono ancora più importanti, migliorare il a reazione, estrusione bi-vite, ed altri processi. meccanica e la rigidità del polimero non rinforzato, con comfort dei passeggeri (riducendo le vibrazioni ed il ru- Per migliorare la produttività, in futuro, dovrà essere la possibilità, quindi, di utilizzare meno materiale per more) e la sicurezza (migliorando resistenza agli urti). I rivolta una maggiore attenzione allo sviluppo di nuove ottenere le stesse proprietà meccaniche del componente. materiali termoplastici in questo tipo di vetture non solo Figura 23: Attrezzatura per il processo Fiber Placement automatizzato, sviluppato metodologie per la progettazione delle attrezzature ed dal CIRA, socio di IMAST. Inoltre, i termoplastici self-reinforced non sono conta- garantiscono la riciclabilità del componente a fi ne vita,

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ma, anche, caratteristiche adeguate di protezione al fuo- espansione del settore trasporti, dei beni di consumo, e America co. A tale proposito, la tendenza futura nel settore dei dell’industria elettrica, elettronica, aerospaziale e della Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac trasporti è la sostituzione, negli interiors, dei materiali difesa. Il mercato globale dei compositi termoplastici ha Celanese (1) (CN) Kureha Corporation (CN) termoindurenti con i sistemi termoplastici maggiormente raggiunto $ 6,2 miliardi nel 2014 e si prevede una cre- Toray (J) resistenti al fuoco, poiché le nanoparticelle utilizzate nei scita annua (CAGR) del 4,9% nel corso dei prossimi anni PPS Solvay (B) Celanese (USA) SK chemicals (ROK) Dic Group (J) termoindurenti per ridurre l'infi ammabilità possono svi- fi no a raggiungere gli $ 8,2 miliardi nel 2017. Il mercato Tosoh corporation (J) luppare fumi tossici durante la combustione. Compositi dei compositi termoplastici raggiungerà poi 9,9 miliardi Lion Idemitsu (J) termoplastici strutturali (come polifenilensolfuro) sono di dollari entro il 2020 ad un CAGR del 6,5%. Solvay (B) in grado di soddisfare i requisiti di fuoco, fumo e tossi- Nella tabella che segue è riportata una mappatura dei PEI RTP (USA) Sabic (2) (KSA) Victrex Plc (GB) cità (i materiali non supportano lo sviluppo di fi amme, il maggiori produttori di materiali termoplastici ad alte fumo derivante dalle fi amme deve essere ridotto al mini- performance (ad esempio PEEK, PEKK, PPS, PEI) e le di- Caledonian Ferguson Timpson Ltd (GB) ASchulman AG (USA) mo, il fumo deve essere quanto più privo di sostanze tos- verse appartenenze geografi che. Victrex Plc (GB) Jrlon Inc. (USA) JISA Evonik industries(3) (CN) PEEK sicche) senza l'utilizzo di alogenati ritardanti di fi amma. La mappatura è stata realizzata riportando per alcuni Zyex Ltd (GB) Parkway Products Inc. (USA) Quadrant EPP Surlon India Ltd (IND) Evonik industries (3) (DE) RTP company (USA) Per quanto concerne l'industria aerospaziale l’obiettivo è produttori anche gli investimenti produttivi nell’area lo sviluppo della fusoliera e delle ali in composito: gran 12 parte delle clip e staffe in alluminio per interni, quindi, PEKK ArkIema (F) ArkIema (USA) (4) Polymics (USA) Shandong Kaisheng New Materialsm(CN) (5) sono sostituite da compositi termoplastici. I TPC offro- Oxford Performance Materials (USA) Rallis India Limited (IND) RTP (USA) no, infatti, una combinazione di resistenza meccanica, 10 (1) Celanese Corp. sta ampliando la capacità produttiva di resine PPS (solfuro di polifenilene) presso le sue strutture di Nanjing, China. Questa produzione includerà anche i nuovi PPS che la Irving, Texas, ha presentato al China- plast di Shanghai. resistenza al fuoco, riduzione del rumore e delle vibra- (2) SABIC Europe, con sede principale a Sittard (Olanda) ha rilevato gli impianti della Huntsman Corporation in UK per la produzione di termoplastici avanzati. L’espansione delle operazioni e degli investimenti prevede un totale zioni e resistenza alla corrosione galvanica. di US$ 70 miliardi entro il 2020. 8 (3) Jida Evonik High Performance Polymers (Changchun) Co. Ltd ha avviato la produzione di polimeri PEEK in Cina (fonte plasticsnewseurope.com) presso il suo nuovo stabilimento a Changchun. Nel prossimo decennio, sulla base delle applicazioni esi- 4) Arkema ha ampliato la produzione del PEKK in Francia e Stati Uniti. Il gruppo progetta, inoltre, di costruire un impianto di produzione di PEKK su scala mondiale presso il suo stabilimento di Mobile (Alabama, United States) secondo una pianificazione che ne prevede l’avvio nella seconda metà del 2018. stenti, si prevede che il quantitativo di materiali com- (5) Rallis inaugura una struttura per Polimeri a Ankleshwar, Gujarat (fonte business-standard.com). Rallis India Limited, controllata da TATA e leader in India per il settore dei fitosanitari, ha inaugurato il suo stabilimento di positi termoplastici aumenterà del 200-300 per cento, 6 Poly Ether Ketone Ketone (PEKK) ad Ankleshwar, Gujarat. irrompendo sulla quota di mercato dei metalli e dei compositi termoindurenti. I progressi recenti nei processi 4 26 di termoformatura, automatizzati e nella saldatura ed 27 incollaggio stanno aprendo nuove opportunità per l’uti- 2 lizzo dei TPC anche in strutture aeronautiche primarie e secondarie, così come per componenti di interni. Questo miglioramento tecnologico è importante per risolvere/ 0 ottimizzare alcune problematiche critiche concernenti la fabbricazione di grandi e complessi parti in TPC. Ad oggi, i preimpregnati termoplastici vengono forniti in forma di fogli pre-consolidati e devono essere preriscaldati a Figura 26: Previsioni del mercato globale dei compositi termoplastici (Fonte: MarketsandMarkets). più di 200 °C fi no a divenire fl essibili per la lavorazione. I requisiti per ottenere proprietà ottimali dei laminati, geografi ca corrispondente. I dati sono stati ricavati da quindi, spesso richiedono complesse attrezzature per il società private che hanno analizzato i principali mercati, controllo fi ne della temperatura. come Markets&Markets, Transparency Market Research, Grand View Research. 2.4 SCENARIO Come detto in precedenza, i TPC sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, nel settore dei trasporti, automobilistico, delle costruzioni ed elettronico. Con riferimento alla previsioni di crescita sino al 2020, grazie alle economie in crescita quali Cina, India e altri paesi asiatici, si prevede di registrare il più elevato tasso di crescita per i compositi termoplastici nella zona Asia-Pacifi co. In questi paesi, la richiesta di materiali compositi termoplastici è in aumento a causa della forte

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3 SMART COMPOSITES mance del manufatto: ad esempio lo smorzamento delle I polimeri elettroattivi (EAP) sono compositi a matrice lità sia termica che elettrica: è l’effetto che si ottiene, vibrazioni e la resistenza alla frattura, possono essere ot- polimerica con integrate proprietà elettroniche o ioni- ad esempio, aumentando la concentrazione di CNT nei 3.1 INTRODUZIONE tenuti simultaneamente con laminati compositi ottenuti che. Gli EAP possono subire grandi deformazioni in rispo- nanocompositi. L'incremento della conducibilità termica Gli Smart Materials o Materiali Intelligenti sono mate- interponendo fogli polimerici tra le lamine del composta a stimoli elettrici esterni, in maniera simile a quello è graduale e non c'è una netta transizione tra lo stato riali in grado di rispondere a stimoli ambientali esterni, sito. Inoltre, le nanocariche (CNT, grafene, argille, sili- che accade da un punto di vista biologico ai muscoli. Per isolante e quello conduttore, vale a dire la soglia di per- quali ad esempio la temperatura, il pH, i VOC (composti ce, ecc ...) disperse nei compositi polimerici producono questa loro proprietà gli EAP hanno un futuro molto pro- colazione che invece si osserva nel caso della conduci- organici volatili) i campi elettrici o magnetici. Quindi, miglioramenti simultanei delle proprietà meccaniche dei mettente, per utilizzi quali sistemi di attuazione di ispi- bilità elettrica. tali materiali possono svolgere, accanto ad una funzione compositi: ad esempio, inserendo la giusta quantità di razione biologica. Essi, infatti, possono essere utilizzati Una importante applicazione di compositi polimerici, convenzionale, anche altre funzioni di attuazione, mo- microparticelle di silice in una matrice epossidica, è pos- per guidare, manipolare e mobilitare vari meccanismi in cui è richiesta la conducibilità elettrica, riguarda le nitoraggio, processore e memoria. L’aumentato interesse sibile aumentare contemporaneamente la resistenza ed il tra cui i microrobot, micro-oggetti volanti, dispositivi strutture degli aeromobili, in cui le superfi ci non condut- per questi materiali è dovuto alla crescente necessità di modulo elastico del composito risultante, riducendone il animatronici e tessili. Generalmente, gli EAP si dividono tive possono essere danneggiate dai fulmini. Compositi disporre di nuovi materiali multifunzionali in grado si coeffi ciente di espansione termica (CTE). in due categorie in base al meccanismo di attivazione: elettricamente conduttivi possono anche essere utilizzati eseguire simultaneamente: I carbon-nanotubi (CNT) possono irrigidire signifi cativa- elettronici (azionati da campo elettrico o forze di Cou- per evitare l’accumulo di cariche elettrostatiche o l’inne- (a) diverse funzioni strutturali, mente le matrici polimeriche se risultano ben dispersi, lomb) e ionici (se è coinvolta la mobilità o la diffusione sco di fi amme migliorando la sicurezza dei passeggeri di (b) sia funzioni strutturali che non strutturali. legati al polimero ed allineati. D’altro canto sono sta- degli ioni). I polimeri elettroattivi di tipo elettronico, un’autovettura. L’incremento della conducibilità termica Una struttura multifunzionale di tipo (a) è, ad esempio, ti osservati anche effetti positivi di compositi in cui costituiti da materiali elettrostrittivi, elettrostatici, pie- dei compositi gioca un ruolo importante nel raffredda- un sistema composito che presenta un’elevata rigidezza, i CNT sono stati dispersi in maniera casuale in matri- zoelettrici e ferroelettrici, richiedono un elevato campo mento dei circuiti elettronici e dei sistemi di propulsione. alta resistenza alla frattura ed elevato smorzamento vi- ci polimeriche, con un incremento della resistenza alla di attivazione, prossimo al livello di rottura. Al contrario, In genere, tali compositi sono utilizzati come materiale, broacustico. Un esempio di materiale multifunzionale di rottura. I CNT stanno avendo particolare successo, nel i materiali EAP ionici, ad esempio gel, compositi polime- termicamente conduttivo, in sostituzione dello strato di tipo (b) è, invece, un sistema strutturale che ha anche miglioramento delle proprietà di conducibilità elettriche ro-metallo o polimero-conduttori (nanotubi di carbonio) aria che si trova tra due superfi ci e termicamente isolan- la capacità di smorzare le vibrazioni e ridurre il rumore, dei polimeri: infatti, la combinazione della conduttività richiedono una bassa tensione di azionamento. te. Tale applicazione (materiali polimerici da interfaccia oppure di autoripararsi, garantire un buon isolamento intrinseca dei CNT e del loro alto fattore di forma, per- termica), oltre ad agevolare il trasferimento del calore, termico o stoccare energia. La maggior parte dei recenti mette lo sviluppo di nanocompositi conduttivi con bas- Sistemi compositi con proprietà di condu− permette anche il miglioramento delle proprietà di ade- studi e sviluppi in termini di materiali avanzati riguarda se soglie di percolazione. Tali nanocompositi, utilizzati cibilità elettrica e/o termica sione e collegamento meccanico tra le superfi ci. strutture multifunzionali di tipo (b). come matrice per laminati rinforzati con fi bre di carbonio Tra le principali funzioni non strutturali richieste ad 28 (CFRP), rendono possibile la creazione di nuovi materia- un sistema portante, ci sono la conducibilità elettrica Sensoristica ed attuazione 29 3.2 LO STATO ATTUALE li multiscala (con rinforzi su scala nanometrica e fi bra) e quella termica, diffi cilmente ottenibili con composti La sensoristica e l’attuazione sono due funzioni non- La tecnologie più promettenti, che rientrano nell’area de- e multifunzionali, con proprietà meccaniche, termiche polimerici tradizionali in cui la matrice polimerica fun- strutturali strettamente correlate, ed in molti casi, lo gli smart materials, sono: ed elettriche ottimizzate. Questi nuovi compositi ibri- ge spesso da isolante. Il metodo convenzionale per la stesso materiale o lo stesso dispositivo possono essere • materiali compositi strutturali di multiscala, possono, ad esempio essere utilizzati per preparazione di compositi polimerici conduttivi consiste utilizzati per svolgere entrambe le funzioni, oltreché per • polimeri elettroattivi (EAPs) produrre manufatti con migliorate proprietà meccaniche nell’aggiungere fi ller conduttivi, quali ad esempio cari- svolgere anche altre funzioni quali la raccolta/stoccaggio • sistemi compositi con proprietà di conducibilità longitudinali (la fi bra incrementa notoriamente le pro- che metalliche, nerofumo, grafi te o nanotubi di carbonio dell’energia ed il monitoraggio strutturale. Alcuni mate- elettrica e/o termica prietà unidirezionali di resistenza alla trazione e modulo (CNT) nella matrice polimerica, mediante tecniche di di- riali piezoelettrici come il titanato zirconato di piombo • sensoristica e attuazione elastico del composito), trasversali e di compressione e spersione. (PZT), il fl uoruro di polivinilidene (PVDF) ed il nitruro di • raccolta/stoccaggio di energia vibroacustiche (grazie ad una matrice nanocomposita). Invece, la conducibilità termica può essere ottenuta ag- alluminio (AlN) possono essere inseriti nelle strutture e • schermatura dalle interferenze elettromagneti Polimeri electroattivi (EAPs) svolgere funzioni sensoristiche e di attuazione, poiché che (EMI) possiedono naturalmente l'accoppiamento elettromecca- • monitoraggio strutturale nico richiesto. Le forme più diffuse di materiali piezo- • compositi a memoria di forma elettrici sono i wafer ed i fi lm sottili. Quindi, l'uso di • materiali autoriparanti specifi ci nanofi ller funzionali, in fase di progettazione di • sistemi intelligenti per il rilascio controllato sensori nanocompositi, può permettere di combinare le di farmaci caratteristiche stimuli-responsive dei sistemi ibridi con • biosensori il miglioramento delle altre proprietà dei nanocompositi polimerici. Materiali compositi strutturali Figura 28: Range di conduttività dei compositi polimerici. I sistemi microelettromeccanici piezoelettrici (MEMS) I materiali strutturali convenzionali non permettono di giungendo alla matrice polimerica fi ller inorganici quali per sensoristica e attuazione possono essere resi fl es- raggiungere un miglioramento simultaneo di differenti l’allumina (Al O ), la wollastonite, il carburo di silicio, sibili, utilizzando dei polimeri, mediante processi di funzioni strutturali; attraverso l'utilizzo di compositi è 2 3 il nitruro di boro (BN), i CNT ed altre cariche. Alcuni stampaggio ad iniezione. L'integrazione di Smart Ma- possibile ottenere multipli miglioramenti delle perfor- Figura 27: Esempio di composito ibrido multiscala (Sang-Ha Hwang et al. (2011). fi ller possono migliorare allo stesso tempo la conducibi- terials polimerici nei MEMS consente una vasta gamma intechopen.com).

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di applicazioni innovative in diverse aree scientifi che e I materiali metallici elettricamente conduttivi hanno un Per le strutture dotate di sistemi SHM, i benefi ci previsti tecnologiche (ad esempio biomedicina, robotica, scienze eccellente SE, ma per poter ridurre il peso ed ottenere sono legati principalmente alla riduzione dei costi di ma- ambientali, sicurezza alimentare, ecc). alcune altre funzionalità, i materiali non metallici, qua- nutenzione e all’affi dabilità. li i polimeri ed compositi polimerici, sono sempre più Gli smart materials per il monitoraggio strutturale pos- Alcuni sensori chimici sono basati su compositi po- utilizzati in sostituzione dei metalli. Per poter raggiun- sono essere inseriti nei componenti durante il processo limerici caricati con nanotubi di carbonio o grafene e Figura 30: Dispositivi per la raccolta di energia. gere dei valori di SE accettabili, il polimero deve essere di fabbricazione del composito. Così, è possibile disporre permettono un’analisi quantitativa e qualitativa di mo- intrinsecamente conduttivo (ICP) oppure bisogna cari- di un approccio globale, in cui i sensori permettono di Schermatura dalle interferenze elettroma− carlo con fi ller conduttivi, come ad esempio i nanotubi monitorare tutta la vita del componente a partire dalla gnetiche (EMI) di carbonio e il grafene, o ancora deve essere rivestito fase di realizzazione, consentendo così di ottimizzare le Le interferenze elettromagnetiche (EMI) si verifi cano con uno strato conduttivo. Quando i polimeri conduttori proprietà fi nali del materiale. quando c’è una perturbazione indesiderata, dovuta alla vengono additivati con sistemi carboniosi (CNT, grafi te e Gli SHM, come i sistemi di controllo non distruttivi, conduzione elettromagnetica o alla radiazione di una grafene), migliorano notevolmente le loro proprietà elet- possono essere passivi o attivi. La struttura è dotata sorgente esterna, che interferisce con il funzionamen- triche. Nell’ultimo paio d’anni, una varietà di processi è di sensori e interagisce con l’ambiente circostante, in to di un circuito elettrico. La soluzione più comune di stata messa a punto per disperdere tali nanocariche nelle modo tale che sia il suo stato che i suoi parametri fi sici protezione dalle EMI consiste nello schermare il circuito matrici polimeriche. Molte di queste procedure sono si- cambiano. con un materiale o una struttura specifi ca: l'effi cienza mili a quelle utilizzate per i sistemi nanocompositi, ma di schermatura (SE) è defi nita in decibel (dB) come il alcune sono diverse ed uniche ed hanno contribuito a rapporto tra l'intensità di campo, ad una certa distanza migliorare l'interazione all'interfaccia tra il fi ller e la ma- dalla sorgente, con e senza lo scudo interposto. trice in modo signifi cativo. L'effi cacia di schermatura totale di un materiale protettivo (SE) è uguale alla somma del fattore di assorbimento Monitoraggio Strutturale (Structural Health (SEa), del fattore di rifl essione (SEr) e del fattore di cor- Figura 29: Vista ai raggi X di un fi lm piezoelettrico (PVDF) usato per il Monitoring) rezione per tenere conto di rifl essioni multiple (SEm) in monitoraggio del battito cardiaco. Il monitoraggio strutturale (SHM) ha l’obiettivo di for- scudi sottili: nitoraggio (enzimi, proteine, antigeni e metaboliti) e nire, in ogni momento della vita di una struttura, una SE = SEa + SEr + SEm rilevamento gas. diagnosi sullo "stato" dei materiali che la costituiscono, La perdita di assorbimento SEa, è una funzione delle ca- 30 sulle singole parti e sulla struttura completamente as- 31 ratteristiche fi siche dello scudo ed è indipendente dal Raccolta/stoccaggio di energia semblata. L’SHM non solo costituisce una modalità mi- tipo di campo di origine. Quando un'onda elettromagne- L'idea alla base dell’utilizzo di smart materials per la rac- gliore di fare analisi non distruttiva, ma comporta anche tica passa attraverso un mezzo, la sua ampiezza diminu- colta/stoccaggio di energia consiste nell’estrarre energia l'integrazione nella struttura di sensori, smart materials, isce esponenzialmente e questa perdita o assorbimento dal moto e/o deformazione di una struttura ricettiva e sistemi di trasmissione di dati e capacità di elaborazione si verifi ca perché le correnti indotte nel mezzo generano convertirla in corrente elettrica che può essere conserva- degli stessi. Per fare ciò è necessario, in fase di proget- perdite ohmiche con conseguente riscaldamento del ma- ta ed utilizzata per altri scopi. Un'applicazione molto dif- tazione della struttura, gestirla e considerarla come un teriale. La perdita di rifl essione SEr è correlata al relativo fusa è quella che prevede di alimentare piccoli dispositivi insieme più ampio di sistemi. disallineamento tra l'onda incidente e l'impedenza super- Figura 33: Le due metodologie di monitoraggio strutturale: a) passivo e b) attivo. elettronici, come ad esempio i sensori wireless, per il fi ciale dello scudo. Il fattore SEm può essere matema- monitoraggio strutturale. Il modo più comune di raccolta Se lo sperimentatore sta solo monitorando i cambiamen- ticamente positivo o negativo e diventa insignifi cante dell’energia prevede l'utilizzo di materiali piezoelettrici ti, attraverso i sensori integrati nella struttura, la sua quando la perdita per assorbimento è maggiore di 6 dB. per convertire deformazioni meccaniche e/o vibrazioni azione si defi nisce "monitoraggio passivo". Nel caso di delle strutture (travi, piastre) in energia elettrica. La po- SHM, questo tipo di monitoraggio può essere realizzato, tenza generata da un materiale piezoelettrico vibrante è per esempio, attraverso l’utilizzo di tecniche acustiche, in grado di ricaricare una batteria ibrida a base di nichel. per valutare la progressione di un danno in una struttura Inoltre, i generatori di energia elettrica basati su fon- caricata o il danno di un impatto. ti rinnovabili (energia solare) o onde elettromagnetiche Se lo sperimentatore ha dotato la struttura di sensori ed (segnali GSM/UMTS, Wi-Fi, Bluetooth, GPS, Radar) e il attuatori, è possibile interagire con la struttura grazie calore di scarto dei processi di combustione (termoelet- agli attuatori ed utilizzare i sensori per controllare la trico) possono essere sviluppati utilizzando nanocompo- risposta della struttura. In tal caso, l'azione dello spe- siti polimerici e materiali processi di produzione a basso rimentatore è un "monitoraggio attivo". Il controllo di- costo (es litografi a). venta attivo, ad esempio, aggiungendo al sistema piezo-

Figura 32: Schema di funzionamento di un sistema SHM. elettrico, usato come rivelatore acustico, una sorgente di Figura 31: Schema di funzionamento dei Radar Absorbing Nanocomposite. onde ultrasoniche. Il ricevitore, in questo caso, registra i

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segnali, risultanti dall'interazione di queste onde con un deformazioni maggiori e biodegradabilità programmabile Un approccio alternativo prevede l’utilizzo di sistemi MRI) hanno dimostrato una buona effi cacia in vitro, ma possibile danno, permettendone il rilevamento. (per applicazioni bio). I carichi bassi in fase di recupero reversibili, vale a dire sistemi polimerici in grado di ri- per poterli applicare nella pratica sarà necessario effet- I nanocompositi polimerici con CNT sono il materiale con della forma, la velocità (lentezza) e l’unidirezionalità del pristinare lo stato iniziale. Poiché in condizioni normali tuare ulteriori ricerche. il più alto potenziale applicativo come sensore di defor- recupero rappresentano importanti sfi de per la progetta- il polimero è stabile, la reversibilità avviene, in genere, mazioni e monitoraggio dei danni. Soprattutto nel caso zione di futuri sistemi ad alte prestazioni, ma anche di attraverso uno stimolo esterno. Per un polimero reversi- Biosensori di strutture realizzate con polimeri fi brorinforzati (FRP), sistemi biocompatibili e biodegradabili. bile autoriparante, qualora ci fosse un danneggiamento, I sensori biologici o biosensori vengono utilizzati nella i nanocompositi polimerici offrono importanti vantaggi lo stato iniziale può essere recuperato attraverso un ri- diagnostica medica per migliorare la gestione della sa- quali l’impiego diretto come matrice. Tuttavia, quasi due Materiali autoriparanti scaldamento localizzato, che attiva specifi che reazioni lute dei pazienti. I biosensori sono dispositivi analitici decenni di intensa ricerca, non hanno prodotto un'appli- La proprietà di un materiale di autoripararsi è sempre più chimiche inverse di polimerizzazione. che utilizzano sistemi di riconoscimento biologici qua- cazione commerciale. Una ragione potrebbe risiedere nel importante nelle applicazioni ingegneristiche di ultima li anticorpi e recettori per l'individuazione di parametri gran numero di fattori che infl uenzano i nanocompositi generazione. Il concetto di self-healing deriva dalla na- Sistemi intelligenti per il rilascio control− biologici associati a malattie, seguita dalla quantifi ca- a base di carbonio. tura, poiché la maggior parte dei materiali naturali sono lato di farmaci zione di questi biomarcatori per mezzo di trasduttori. I autoriparanti, ed offre al progettista la possibilità di in- Gli Smart Materials polimerici per la veicolazione dei far- materiali polimerici vengono applicati in diversi compo- Compositi polimerici a memoria di forma tegrare nel manufatto materiali funzionali in grado di maci, sono dei sistemi intelligenti in grado di veicolare e nenti dei biosensori ed in particolare per la preparazione I compositi polimerici a memoria di forma (SMPS) sono contrastare la propagazione del danno. rilasciare in maniera controllata, in un sito d’azione spe- di membrane funzionali. L’utilizzo di materiali polimerici una classe importante di sistemi stimuli-responsive, in Leggeri, con un’alta resistenza e rigidità, i compositi fi - cifi co e con tempistiche appropriate, i farmaci in risposta nei biosensori offre molti vantaggi rispetto ai materiali grado di recuperare la loro forma originale in seguito brorinforzati rappresentano la principale tecnologia per a specifi che esigenze fi siologiche. Questi materiali mo- inorganici convenzionali: stabilità, riduzione del tempo all'esposizione a stimoli esterni, e sono applicati in di- migliorare l’effi cienza e la sostenibilità di molti sistemi di strano una risposta non lineare: a piccoli stimoli reagi- di misura, possibilità di riutilizzare l’enzima, di avere un versi settori industriali: dispositivi biomedicali, aero- trasporto. Inoltre, offrono diversi scenari applicativi, in scono con un’alterazione macroscopica della loro struttu- processo in continuo e di utilizzare tecnologie di produ- spaziali, tessile, ingegneria civile, energia, ingegneria virtù della possibilità di incorporare funzionalità aggiun- ra/proprietà. Le risposte variano notevolmente da azioni zione a basso costo. Un esempio di biosensori che pos- elettronica e domotica. I compositi SMPS hanno esteso tive. Un fattore importante nell’industria dei trasporti è di rigonfi amento/contrazione, fi no alla degradazione. siedono le caratteristiche appena descritte è dato dai mile applicazioni dei polimeri a memoria di forma poiché la resistenza all’urto ed i compositi polimerici sono in Le attuali applicazioni possono ulteriormente migliorare croaghi polimerici che fungono da interfaccia tra il corpo oltre ad avere un rinforzo, possono attivare o amplifi - grado di deformarsi plasticamente assorbendo l’energia attraverso la sintesi di nuovi polimeri ed agenti retico- umano e il dispositivo. In questo caso, il biosensore è care effetti atermici, stimoli attivi, nuovi effetti a me- dell’urto che provoca la creazione di difettologie e danni. lanti, dotati di una maggiore biocompatibilità e una mi- basato su microaghi ibridi la cui matrice è costituita da moria di forma e nuove funzionalità. Sono stati ottenuti Per contrastare questo fenomeno, un composito fi brorin- gliore biodegradabilità. Le caratteristiche più prometten- un idrogel polimerico fotoreticolabile, contenente l’en- 32 molti effetti atermici stimulo-responsivi, come l’effetto forzato potrebbe contenere delle funzionalità aggiuntive ti dei polimeri intelligenti derivano dalla loro versatilità zima in grado di rilevare alcuni parametri fi siologici (ad 33 elettroattivo, l’effetto magneticoattivo, l’effetto attivo per attivare l’autoriparazione. e dalla possibilità di regolarne la sensibilità, mentre lo esempio il glucosio). in acqua, e l’effetto fotoattivo. Tipici esempi di nuovi Un primo approccio alla progettazione di tali sistemi in- svantaggio principale dei polimeri stimulo-responsivi è È necessario migliorare la durata dei biosensori impian- comportamenti a memoria di forma, sono l’effetto multi- telligenti, prevede la dispersione nella matrice di micro- la lentezza della risposta. D’altro canto, la versatilità di tabili, in quanto gli attuali sistemi possono essere indos- plo e la risposta bidirezionale e controllata nello spazio. capsule contenenti un agente di cura reattivo. Quando tali polimeri permette di sintonizzare la sensibilità del sati dal paziente solo per pochi giorni. Inoltre, altri studi Inoltre, sono state osservate nuove funzioni di SMPS, un danneggiamento innesca la formazione di una crepa, polimero su stimoli esterni concentrati su intervalli ri- sono necessari per poterli miniaturizzare ulteriormente come l’effetto memoria e autoriparazione. essa si propaga nel composito fi n quando non incontra stretti. Da questo punto di vista, lo sviluppo di sistemi con l'ausilio di tecnologie microelettroniche e mettere a I materiali polimerici tradizionali a memoria di forma una microsfera che rompendosi rilascia l'agente di hea- polimerici intelligenti può sicuramente rendere maggior- punto nuove strategie per progettare sistemi in grado di sono attivati dal riscaldamento diretto. Ora gli SMPS ling all’interno della fessura, dove fenomeni chimici at- mente accurato e programmabile il drug delivery. operare su una gamma più vasta di biomolecole. possono essere attivati da altre tecniche quali l'immer- tivano la reazione di solidifi cazione e la riparazione del La maggior parte delle applicazioni innovative di poli- Altri materiali intelligenti innovativi sono rappresentati sione in acqua, l'elettricità, il campo magnetico e la luce materiale. meri intelligenti in ambito biomedicale (dall’ablazione da: infrarossa. Un basso contenuto di fi ller può abilitare termica dei tumori, al miglioramento del contrasto della l'attivazione indiretta del materiale a memoria di forma. Questi studi sugli SMPS possono ampliarne ulteriormente le applicazioni, per avere strutture spaziali movimenta- bili, strumenti medici a distanza, dispositivi biomedicali, Figura 34: (a) Self- adesivi dry / wet e dispositivi di fi ssaggio e prodotti healing, metodologia con microcapsule (b) per la casa. Negli ultimi dieci anni, sono stati depositati immagine ESEM che numerosi brevetti relativi a tali prodotti e si prevede che illustra la rottura della microcapsula [White et nei prossimi dieci, saranno commercializzati molti più al, 2001]. prodotti SMPC. Confrontando gli SMPS con le leghe a memoria di forma (SMA) tradizionali, si osserva che i primi offrono i vantaggi di leggerezza, facilità di lavorazione, recupero di

Figura 35: Differenti stimoli in grado di attivare e controllare il rilascio di farmaci da piattaforme polimeriche (Honey Priya James et all, Acta Pharmaceutica Sinica B, 2014).

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• i fl uidi elettroreologici (ER), con il quadrato della magnetizzazione delle particelle. produce compositi di alta qualità, il compounding nel le strutture polimeriche non conduttive possono essere • i fl uidi magnetoreologici (MR), Gli elastomeri magnetoreologici hanno anche proprietà fuso polimerico è molto più semplice e fornisce una va- danneggiate dai fulmini. Un›altra importante applicazio- • gli elastomeri magnetoreologici (MRE). di sensing (deformazioni): infatti, la resistenza degli lida opzione per la produzione su larga scala. Studi re- ne per gli smart materials del futuro saranno i nuovi si- I fl uidi elettroreologici (ER) sono sospensioni di particelle MRE dipende dalla deformazione e dal campo magnetico centi hanno mostrato che anche la polimerizzazione in stemi piezoelettrici (MEMS) in grado di svolgere funzioni leggermente conduttive in un mezzo liquido viscoso. Gli applicato. Aggiungendo la grafi te come additivo, i MRE situ presenta un grande potenziale per la fabbricazione di monitoraggio e attuazione: nuove applicazioni di na- ER possono solidifi care e ritornare allo stato liquido re- acquisiscono una resistenza elettrica che può essere con- di sistemi nanocompositi a base di CNT. A tal riguardo, nocompositi piezoelettrici, con proprietà di attuazione, versibilmente in presenza di un campo elettrico esterno. trollata regolando la forza normale applicata ed il campo il massimo incremento delle proprietà meccaniche di una stanno riguardando i motori ad ultrasuoni, i sensori per il Questa transizione è associata a cambiamenti signifi ca- magnetico che, a sua volta, fornisce la possibilità agli matrice polimerica è stato ottenuto utilizzando la tecni- monitoraggio strutturale, i trasformatori ed i dispositivi tivi delle caratteristiche reologiche del fl uido compresa MRE di funzionare come materiale per il sensing. ca della polimerizzazione in situ attraverso la formazione di raccolta delle microenergie in alternativa alle batterie, la generazione di una tensione di snervamento, che indi legami covalenti tra CNT e matrice polimerica. Tuttavia per dispositivi in grado di funzionare con piccole po- crementa la resistenza di taglio e le proprietà elastiche 3.3 LE NUOVE TENDENZE tale tecnica infl uenza negativamente le proprietà elet- tenze elettriche (microwatt). Altre possibili applicazioni del fl uido viscoelastico. Nonostante le numerose ricerche Entro i prossimi 10 anni, l'uso di nanocariche nei com- troniche del composito fi nale. riguardano le immagini ad alta risoluzione con tecniche effettuate sulla tecnologia dei fl uidi ER nell’ultimo de- positi polimerici produrrà non solo un miglioramento Va sottolineato che l’aumento della conducibilità elet- ad ultrasuoni per il settore biomedicale, le unità disco cennio, ad oggi non sono ancora in commercio dispositi- nelle proprietà meccaniche dei manufatti, ma anche una trica del polimero mediante l’aggiunta di CNT è uno dei dei computer e gli accelerometri negli smartphone e no- vi che funzionano con fl uidi ER. multifunzionalità: elettrica, termica, elettromagnetica, principali vantaggi derivanti dalla fabbricazione di nano- tebook. I fl uidi magnetoreologici sono sospensioni di particelle memoria di forma, bio-sensing. compositi contenenti CNT. Infatti, si osserva un miglio- I futuri dispositivi SHM, basati su sistemi nanocompo- debolmente suscettibili magneticamente in un mezzo La principale sfi da, per la preparazione di un materiale ramento signifi cativo della conducibilità elettrica a bas- siti polimerici, per applicazioni aeronautiche, saranno: liquido non magnetico. Analogamente agli ER, la fase intelligente nanocomposito dotato delle proprietà desi- sissime concentrazioni di CNT che permette di produrre in grado di monitorare soltanto i dati critici, autonomi fi sica e le proprietà reologiche del fl uido possono es- derate, è quella di riuscire a controllarne la microstruttu- nanocompositi leggeri, a basso costo e con una effi cace (senza cavi di collegamento) poiché potranno autoali- sere alterate da un campo magnetico esterno. Tuttavia, ra. Ed è per questo, che per un nanocomposito, è molto azione schermante ESD (elettrostatica) ed EMI (elettro- mentarsi da un punto di vista energetico, stealth, eco- contrariamente ai fl uidi ER, sono ampiamente utilizzati importante avere una buona dispersione dei fi ller nella magnetica). Inoltre, l’aggiunta di CNT modifi ca anche le nomicamente convenienti, ultra leggeri (rilevamento con e commercializzati grazie alla possibilità di regolarne le matrice. Allo stesso tempo è necessario stabilizzare tale proprietà termiche della matrice polimerica, aumentando rilevatore portatile) e incorporati in pannelli compositi. proprietà in funzione del campo: alcuni esempi appli- dispersione per impedire fenomeni di riaggregazione della temperatura di transizione vetrosa, di fusione e di de- Un›altra importante funzione dei materiali compositi in- cativi sono ammortizzatori, freni, frizioni, piani sismici le cariche. Queste sfi de sono particolarmente impegnati- composizione termica. I CNT infl uenzano anche la velo- telligenti sarà l’autoriparazione con o senza un interven- antivibranti, valvole di controllo e lucidatura di precisio- ve nel caso delle nanocariche, poiché le grandi superfi ci cità di cristallizzazione e la percentuale di cristallinità, to esterno. La sfi da tecnologica per quest’applicazione 34 ne. Le particelle di carbonile di ferro (CI), derivanti dal- in gioco tendono a far aggregare le particelle. Ad esem- agendo come agente nucleante. è quella di sviluppare materiali in cui la riparazione è 35 la decomposizione termica del pentacarbonile di ferro, pio, è ben noto che i CNT formano aggregati durante la Lo scale-up dei processi suddetti, dalla scala di labora- ripetibile. Inoltre, le tecnologie emergenti in termini di vengono ampiamente utilizzate come fase dispersa per fase di compounding: vengono adottate e studiate di- torio ad un impianto industriale, necessità di un incre- self-healing riescono, su scala di laboratorio, ad arre- fl uidi MR in virtù delle eccellenti proprietà magnetiche e verse tecniche per superare questo problema, quali ad mento sostanziale di controllo del processo e di una di- stare la propagazione di cricche in una fase iniziale del della granulometria. esempio la sonicazione o il mescolamento meccanico, minuzione signifi cativa dei costi di produzione. Le nuove danno, evitando così fenomeni catastrofi ci. Gli elastomeri magnetoreologici (MRE) sono composi- applicati durante la fabbricazione del nano composito, tecniche di modellistica molecolare contribuiranno sicu- Per i compositi polimerici a memoria di forma, le princi- ti in cui le particelle magnetiche sono sospese in una che aiutano la dispersione dei CNT. Ma il modo più effi - ramente al conseguimento di tale obiettivo, poiché si pali sfi de tecnologiche riguardano la riduzione dei costi matrice solida o gelatinosa non magnetica. La forza dei cace per risolvere il problema, almeno a livello di labo- potrà prevedere non solo l’interazione tra le particelle di produzione, il miglioramento dell’interfaccia fi bra-ma- MRE è legata al modulo elastico acquisito in funzione ratorio, è la funzionalizzazione superfi ciale delle cariche: e tra le particelle e la matrice polimerica, ma anche le trice, l’aumento della capacità di carico per il recupero del campo magnetico. Sotto un carico dinamico, i MRE essa aiuta a stabilizzare la dispersione, dal momento che proprietà funzionali fi nali del nanocomposito. della forma, la riduzione del tempo-ciclo e l’allungamento presentano delle proprietà viscoelastiche lineari ed una può impedire la riaggregazione dei nanotubi e favorire In letteratura e tra i diversi produttori di nanocomposi- della vita del dispositivo. Ciò porterà ad un ampliamento ampiezza di deformazioni fi no al 50%. Diversi modelli collegamenti dei CNT con la matrice polimerica. Per il ti, si osserva una grande differenza nei dati relativi alle delle potenziali applicazioni come ad esempio in strut- parametrici e non-parametrici sono stati sviluppati per futuro, quindi, sarà molto importante rendere le tecniche proprietà meccaniche e funzionali degli smart materials. ture spaziali rimovibili, strumenti medici controllabili da descrivere le prestazioni dei MRE. Ad esempio, è stato per la dispersione delle nanoparticelle (meccanica, fi sica, Ciò è dovuto, principalmente, alla grande varietà di com- remoto, dispositivi biomedicali e ingegneria biomedica, proposto un modello quasi-statico per spiegare l’aumen- chimica) più affi dabili e le tecniche di funzionalizzazione posizioni possibili per i diversi nanocompositi, ma anche energia, tessile, ingegneria civile, sistemi adesivi. to di modulo calcolando l’interazione magnetica tra le (fi sica e trattamenti chimici) più accessibili. ai differenti processi di fabbricazione utilizzati. Inoltre, Per il monitoraggio in tempo reale dei parametri fi sio- particelle presenti nell’elastomero. Metodi agli elementi Ad esempio, per la fabbricazione di polimeri nanocom- per uno scale-up industriale di tali sistemi, è necessa- logici, è necessario migliorare la durata dei biosensori fi niti sono stati utilizzati, anche per analizzare l’aumento positi contenenti CNT, esistono tre principali tecniche rio predisporre procedure di prova standardizzate per la impiantabili, che attualmente possono essere indossati del modulo sotto differenti campi magnetici. La maggior legate a processi caratterizzazione delle proprietà funzionali dei materiali dal paziente solo per pochi giorni. Inoltre, tali dispo- parte dei modelli si basa sul meccanismo dei dipoli, per • in soluzione intelligenti. sitivi dovranno essere ulteriormente miniaturizzati con spiegare l’interazione energetica delle particelle, e par- • allo stato fuso Nel futuro, applicazioni molto interessanti dei nanocom- le tecnologie microelettroniche; dovranno, infi ne, essere te dal presupposto che tutte le particelle hanno stessa • polimerizzazione in situ positi polimerici riguarderanno le proprietà di conducibi- messe a punto nuove strategie per estendere la gamma dimensione e forma. Questi risultati hanno mostrato che ed ognuna di esse presenta dei vantaggi rispetto alle lità elettrica. Nel settore aeronautico, infatti, questi ma- di biomolecole rilevabili. il modulo di MRE, derivante dal campo magnetico, varia altre. Infatti, se la tecnica di miscelazione in soluzione teriali possono svolgere un ruolo fondamentale, perché Per poter sviluppare fl uidi elettroreologici (ER) da com-

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mercializzare, i gruppi di ricerca focalizzati su questa tori e sistemi di isolamento delle vibrazioni. Inoltre, uti- to, anche se le potenziali applicazioni sono tali da offrire il 2020, registrando un CAGR del 6,77%. tecnologia, stanno sviluppando un fl uido ad alto rendi- lizzando MRE multifunzionali, sarà possibile fare sensing, enormi opportunità di crescita dell’utilizzo dei materiali Nella tabella che segue è riportata una mappatura dei mento, in grado di produrre cioè stress elevati: il cosid- attuazione e smorzamento delle vibrazioni in un’unica intelligenti nei prossimi anni. principali produttori di smart materials in composito po- detto fl uido elettroreologico gigante (GER) che genera soluzione. Così, le future tendenze della ricerca sui siste- Di seguito è stato ricostruito uno scenario economico, limerico (ad esempio polimeri elettroattivi, biosensori, uno stress 50-60 volte maggiore rispetto agli ER conven- mi MRE comprendono non solo lo sviluppo dei materiali, in cui si evidenziano i possibili ambiti di applicazione di polimeri a memoria di forma, schermi per l’interferenza zionali. Tale fl uido prevede l’utilizzo di nanoparticelle di ma anche lo sviluppo dei dispositivi. tali materiali intelligenti. elettromagnetica, materiali per monitoraggio struttura- ossalato di titanato di bario, ricoperte da uno strato sot- Diverse tipologie di polimeri elettroattivi (EAP) si stan- Il mercato dei biosensori globali è stato valutato pari a le, materiali auto-riparanti, materiali per la raccolta e tile di urea (nanoparticelle di 50-70 nm, strato di urea no sviluppando su scala di laboratorio. Ad esempio, la $11,39 miliardi nel 2013 e si prevede che raggiungerà stoccaggio di energia) nelle diverse aree geografi che. costante dielettrica 60 a 10 Hz, 3-10 nm di spessore, cellulosa, polimero rinnovabile, è stata riscoperta come i 22,68 miliardi di dollari entro il 2020, con un CAGR La mappatura comprende, per alcuni produttori la sede sono in grado di produrre un carico di snervamento fi no materiale attivo che può essere utilizzato nei sensori ed stimato del 10% dal 2015 al 2020. All'interno di questo aziendale ed i futuri investimenti nelle aree geografi che a 130 kPa a 5 kV/mm di intensità di campo). Ulterio- attuatori. In questo contesto, infatti, la cellulosa per- mercato, sono inclusi anche i biosensori polimerici. corrispondenti. La mappatura è stata realizzata utilizzan- ri esigenze di mercato per i fl uidi ER consistono nella mette di realizzare della carta elettroattiva (EAPap) con Il mercato degli smart materials in composito relativo do le analisi di mercato delle principali società di analisi non tossicità per gli esseri umani e per l’ambiente, in grandi vantaggi in termini di biocompatibilità, biode- alle applicazioni di self-repairing e materiali a memoria quali MarketsandMarkets, IDTechEx, Transparency Market resistenza chimica e stabilità fi sica senza problemi di gradabilità, facilità di processo e funzionalizzazione e di forma si stima che crescerà fi no a circa $ 2,7 miliardi Research, Business Wire. sedimentazione delle particelle, in bassi consumi e co- con un costo basso. La cellulosa EAPap ha un effetto entro il 2020. sti di produzione, nell’operatività in un ampio range di piezoelettrico perché rigenerata, la struttura cristallina Il mercato globale dei materiali polimerici elettroattivi temperature (da -40 a 200 ° C), nella compatibilità con i monoclina, non presenta un centro di simmetria. Gli ioni (sensori, protezione dalle scariche elettrostatiche, scher- materiali sigillanti, nella compatibilità con il dispositivo e le molecole d’acqua possono interagire facilmente con matura campi dai campi elettromagnetici, imballaggio (gli ER non devono risultare abrasivi o corrosivi) e nella i gruppi idrossilici, provocando un effetto di migrazione antistatico, recupero di energia e altre applicazioni elet- rapidità di risposta on/off. ionica. I compositi ionici metallo-polimero (IPMC), un troniche) dovrebbe raggiungere i $3,4 miliardi entro il Le particelle di ferro carbonile (CI) vengono utilizzate per altro esempio di EAP, presentano una grande deformazio- 2017 per proiettarsi fi no a $4,4 miliardi entro il 2020, la preparazione di fl uidimagnetoreologici (MR); tuttavia, ne a fl essione per basse tensioni di azionamento. Forte con un CAGR del 7 % tra il 2015 e il 2020. Il Nord Ameri- le loro performance sono limitate dal fatto che tendono enfasi è stata posta dai ricercatori sullo studio delle va- ca è il leader mondiale nel consumo di polimeri elettroat- a sedimentare ed essere poco stabili a causa della gran- rie membrane polimeriche ioniche, per attuatori (IPMC) tivi e questa tendenza dovrebbe proseguire fi no al 2020. de differenza di densità rispetto al mezzo disperdente. con alte prestazioni, superando alcuni inconvenienti Si prevede che il mercato del monitoraggio strutturale 36 Varie strategie sono state proposte per risolvere questo degli attuatori polimeri ionici e migliorandone la sta- (SHM), nei settori civile/costruzioni, raggiunga i $1,89 37 problema: ad esempio, l’aggiunta di agenti stabilizzanti bilità e l’affi dabilità. Ad esempio, un IPMC con elevata miliardi entro il 2020, crescendo ad un CAGR del 24,7% o additivi e la funzionalizzazione delle particelle magne- durabilità ed in grado di galleggiare sull’acqua, è stato tra il 2015 e il 2020. Per gli aerei commerciali, si stima tiche con tecniche di rivestimento. La stabilità della di- realizzato utilizzando elettrodi di carta idrofobica rea- che il mercato dei sistemi SHM pari a $2, 3 miliardi di spersione può essere migliorata riempiendo gli spazi tra lizzati mediante tecniche laser ed ossido di grafene. La dollari nel 2014, raggiunga i $3,3 miliardi di dollari entro le particelle magnetiche ed impedendo così il contatto futura generazione di materiali EAP dovrà avere buone Figura 36: Mercato dei polimeri elettroattivi fi sico delle particelle. Questa tecnica prevede l’introdu- deformazioni, stabilità ed effi cienza e ciò sarà possibile (Kilo tonnellate) analisi e previsioni dei zione nel fl uido di riempitivi di dimensioni nano/sub- soltanto se la ricerca si concentrerà sullo sviluppo e stu- prodotti: polimeri conduttivi, inerenti ai polimeri conduttivi (IDPs), inerenti ai micron, come ad esempio i nanotubi di carbonio, grafi te, dio dei nuovi materiali polimerici. Ulteriori carenze dei polimeri dissipativi (ICPs) e altri (Fonte: ossido di grafene, silice e organoclay. La ricerca migliora sistemi EAP che bisognerà colmare nel futuro riguardano www.grandviewresearch.com). continuamente gli MR sperimentando nuove combinazio- l’incremento della forza di attuazione, la diminuzione del ni di materiali. Inoltre, per realizzare applicazioni che tempo di risposta, la diminuzione della tensione ed il siano più pratiche, è necessario, nel futuro, mettere a miglioramento della resistenza in condizioni ambientali punto sistemi con una maggiore stabilità chimica e do- imprevedibili. tati di una bassa sedimentazione ed abrasività ed una maggiore durata nel tempo. 3.4 SCENARIO Negli elastomeri magnetoreologici (MRE), una sfi da tec- Allo stato attuale, è diffi cile stimare le tendenze di mer- nologica riguarderà lo studio dell’interazione tra la ma- cato dei materiali compositi polimerici nell’ambito degli trice e le particelle magnetiche, con focus sui principi smart materials, poiché molte delle applicazioni descritte Conductive Polymers meccanicistici e di funzionamento dei MRE. La ricerca nei paragrafi precedenti non sono ancora ben defi nite. IDPs sarà fi nalizzata a ridurre la rigidità dei sistemi MRE. Con Le principali sfi de tecnologiche mirano, infatti, a tra- ICPs un modulo di taglio decrescente ed un campo magnetico sformare quelle che sono attività di ricerca e sviluppo in Others crescente si può puntare verso applicazioni ingegneristi- concrete applicazioni industriali fi nali. Tale condizione che che vanno aldilà dell’uso attuale come ammortizza- tende a rallentare la crescita del mercato in quest’ambi-

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America 4 COMPOSITI MULTIFUNZIONALI con l’acido polilattico (PLA), per modulare la risposta Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac meccanica del PLA , induce un effetto antibatterico. Ciò 4.1 INTRODUZIONE 3M (USA) viene ottenuto mediante la caratterizzazione di compo- Bayern (DE) Electroactive Parker-Hannifin (USA) Il concetto di compositi multifunzionali è diventato pri- Piezotech (F) Kenner polymers Lubrizol (USA) siti basati sul PLA con MCC e nano particelle di Ag, con Agfa (B) Materia &System (RC) oritario negli ultimi anni, ed è accompagnato da diverse Celanese (USA) estrusione a doppia vite seguita da stampaggio a iniezio- defi nizioni. La più comune è quella di un materiale, una Abbott Point of Care (USA) ne (injection molding). La Roche (S) struttura o un insieme di materiali in grado di svolgere LifeScan Inc. (USA) Biosensors Medtronic Bayern (DE) Le prove di resistenza hanno dimostrato l’effetto rin- Nova Biomedical (USA) diverse funzioni mediante una combinazione intelligente Siemens Helthcare (DE) forzante del MCC, mentre è stata riscontrata, a diversi Agamatrix (USA) di una funzione strutturale con una o più capacità fun- intervalli di tempo e a diverse temperature, un’attivi- DU Pont (USA) zionali addizionali, a seconda dei requisiti del sistema. Dynalloy (USA) tà battericida dei composti argentati contro i batteri BASF (DE) Endoshape (USA) Alcuni approcci di ricerca cercano di progettare composi- Shape memory Covestro (DE) Medshape (USA) Gram-negativi (Escherichia coli)) e quelli Gram-positivi SAES Getters ti multifunzionali che emulino sistemi biologici, nei quali polymers DSM (NL) Nitinol Devices & Components (USA) SMP Technologies (J) (Staphylococcus aureus ). Inoltre, la disintegrabilità nel Evonik (DE) NONA Composites (USA) strutture e materiali complessi impartiscano funzionalità compostaggio ha mostrato che la MCC può promuovere il TiNi Alloy (USA) multiple, integrate su un’ampia gamma di dimensioni. Ultimate NiTi Technologies (USA) processo di degradazione. Questi “materiali” tendono a preservare la loro capacità Chomerics (USA) Leader Tech (USA) La combinazione di MCC e nanoparticelle di argento in Cybershield (USA) multi-funzione su dimensioni minori, qualora il volume Electromagnetic una matrice polimerica di PLA offre dunque delle pro- ETS-Lindgren (USA) Interference Laird (GB) ETS-Lindgren (IND) venga arbitrariamente suddiviso. Altri approcci sono più Majr Products (USA) spettive interessanti per realizzare compositi ternari Shielding Kitagawa Industries (J) pratici e partono da strutture convenzionali, alle quali MuShield Co (USA) multifunzionali con buon comportamento meccanico ed Panashield (USA) aggiungono strati, microsistemi, e/o dispositivi che au- effetto antibatterico, mantenendo la trasparenza ottica Structural health GeoSig (S) Geocomp Corp (USA) mentano le funzionalità. monitoring HBM (DE) Geokon (USA) e la disintegrabilità, e idonei per applicazioni di packa- Bayern (DE) ging. Autonomic Materials (USA) 4.2 LO STATO ATTUALE Evonik (DE) NEI Corporation (USA) Self-healing material Acciona (E) PPG (USA) Duco Scratch (AUS) I materiali multifunzionali sono in grado di rispondere Sensor Coatings Systems (GB) Assorbimento del segnale radar SLIPS (USA) a stimoli ambientali mediante specifi che variazioni di Arkema (DE) La conoscenza di come lavorare i materiali compositi, alcune loro proprietà. Le proprietà desiderate possono Smart Material (USA) Energy harvesting/ Arveni (F) Fujitsu (J) combinandola con materiali adatti all’assorbimento delle TRS Technologies (USA) essere combinate per creare un nuovo oggetto mediante 38 storage material ABB (S) Mitsubishi Materials Corporation (J) radiazioni, usando differenti compositi, additivi e ma- 39 EBL Products Inc (USA) i materiali compositi, grazie alla loro capacità di aggiun- trici polimeriche insieme a idonee proprietà elettroma- gere delle multi-funzionalità sfruttando le migliori carat- gnetiche (costante dielettrica e fattore di dissipazione), teristiche di diversi materiali. consente la produzione di compositi multifunzionali che Per esempio, aggiungendo nanoparticelle di argento possono fungere da materiali conduttori o che sono in (Ag), minerali di huntite/idromagnesite, particelle di grado di assorbire le microonde. bario ferrite e materiali di chitosano alla matrice po- Le proprietà elettromagnetiche dei compositi multifun- limerica, in differenti quantità, si ottengono differenti zionali sono state valutate misurando la rifl essione della tipi di materiali e di conseguenza diverse proprietà come radiazione di microonde utilizzando la tecnica waveguide quelle per test antibatterici, resistenza al fuoco, radar- nella banda X (tra 8,2 e 12,4 GHz). I risultati hanno di- assorbenti e auto-riparanti. mostrato che i compositi multifunzionali hanno assorbi- Riguardo la produzione di materiali multifunzionali, ag- to dal 90% al 99% dell’energia di radiazione della micro- giungendo quattro tipi di materiali alla matrice polime- onda incidente. L’elevata attenuazione della radiazione rica si ottengono le seguenti proprietà: di microonda incidente e lo spessore ridotto indicano che a) antibatteriche questi compositi multifunzionali potrebbero essere usati b) radar assorbenti in diverse applicazioni militari e civili. c) auto riparanti Le strutture radar assorbenti (RAS) costituiscono un d) foto luminescenti composito multifunzionalenon solo resistente al cari- e) resistenza al fuoco co, ma che assorbe l’onda elettromagnetica inducendo f) protezione a livello nano. una perdita dielettrica e che riduce le onde rifl esse. I compositi possiedono un’eccellente rigidezza specifi ca e Antibatterico resistenza; le proprietà delle onde elettromagnetiche dei L’effetto dell’innovativa combinazione di cellulosa mi- RAS possono essere adattate variando il contenuto dei crocristallina (MCC) e di nanoparticelle di argento (Ag) materiali dissipativi. I compositi laminati delle struttu-

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re radar assorbenti, composti di fi bre di vetro, fi bre di mica, inclusa una varietà di QD funzionali di superfi cie della particella. Questo interessante aspetto consente Resistenti alla fiamma (flame retardant) carbonio e resina epossidica con nano tubi di carbonio , sono già disponibili in commercio per la bioetichetta- una codifi ca ottica multicolore, usando dei QD come bio- Le sostanze resistenti alla fi amma (fl ame retardant) ven- vengono prodotti con stampaggio a pressa. tura. etichette e nelle procedure di biotracciamento in svaria- gono incorporate nei materiali polimerici, sia come ad- I punti quantici o quantum dot sono delle nanoparticelle te applicazioni cliniche. Tuttavia, il loro impiego risulta ditivi e sia come materiali reattivi. I fi ller inorganici e Auto−riparante di semiconduttori che producono effetti a livelli di un limitato in diverse applicazioni a causa della tossicità le resine alogenate costituiscono i metodi più comuni Il danno da impatto nelle strutture in composito può quantum data la limitazione tridimensionale dei porta- dei QD. per raggiungere la fl ame resistance nei materiali compo- comportare una drastica riduzione delle proprietà mecca- tori di carica. La luminescenza degli ioni lantanidi, in particolare di siti polimerici (FRP). I fi ller inorganici, come l’alumina niche. Un approccio di tipo biologico, per valutare l’au- quelli della zona centrale, è una loro caratteristica im- tri-idrata (ATH), sono miscelati con la resina prima di to-riparazione può essere descritto mediante un danneg- portante, che ha prodotto un’intensa ricerca per i loro impregnare la fi bra ad alti livelli, ma spesso presentano giamento indotto di tipo meccanico, termico o chimico composti. La fl uorescenza osservata in questi materiali, problemi di scarsa compatibilità, lisciviazione e ridotte che viene autonomamente riparato dagli stessi materiali per esempio in caso di eccitazione nella regione del UV, proprietà meccaniche. I monomeri alogenati, le resine e contenuti nella struttura, prodotta incorporando fi bre deriva dalla transizione f-f che si verifi ca nello ione lan- altri additivi causano problemi per i fumi tossici, ren- cave multifunzionali che generano la riparazione e del- tanide, ed il cui ambiente chimico può variare dal coordi- dendoli inutilizzabili per molte applicazioni navali e del le reti all’interno, sia dei compositi laminati e sia delle nare dei leganti in soluzione fi no alle reti solide. Le nano settore dei trasporti. strutture sandwich. Il rilascio dell’agente di riparazione particelle luminescenti dei composti lantanidi possono I polimeri superassorbenti, SAP, possono essere caricati da parte di queste “riserve” intercluse simula il mecca- anche essere degli utili fl uoro fori per tutte quelle appli- con dei fosfati inorganici economici come componenti nismo di sanguinamento degli organismi biologici. Una cazioni cliniche che traggono benefi cio da lunghi perio- ignifughi nei sistemi compositi. I materiali SAP ignifu- volta riparato, la resina riparante provvede ad arrestare Figura 38 - Fotografi e di soluzioni acquose di nano segmenti d’oro aventi diversi di di fl uorescenza. Inoltre, questi sistemi vantano forti ghi risultanti, migliorano molto il comportamento nell’e- allungamenti (da 1.3 a 20) e corrispondenti immagini TEM (Fonte: Da Silva la frattura e a ripristinate l’integrità meccanica. and Trindade, Biofunctional Composites, 2011, Advances in Nanocomposite bande di emissione molto traslate rispetto alla lunghezza sposizione alla fi amma, se miscelati con comuni resine Inoltre, è possibile introdurre nella resina dei coloranti Technology, Edited by Dr. Abbass Hashim, Intechopen). d’onda di eccitazione (large Stokes shifts). per matrici (epossidiche, poliesteri non saturi e resine fl uorescenti agli UV, che rendono visibili eventuali dan- Come conseguenza, la struttura elettronica del semicon- L’incapsulamento di NP fl uorescenti permette diversi vinilestere) in quantità relativamente basse. I SAP igni- ni/riparazioni subiti dalla struttura, semplifi cando così duttore si sviluppa da bande di energia a livelli discreti obiettivi e può essere usato in diverse matrici. Viene usa- fughi non producono alogeni o sottoprodotti sulfurei l’ispezione necessaria per la riparazione permanente. di energia, quando la dimensione della particella diminu- to estensivamente l’incapsulamento di silice di polimeri. nella decomposizione termica, e generano meno fumo isce, e si avvicina alle dimensioni molecolari, aumentan- L’incapsulamento di silice coinvolge normalmente la cre- dei polimeri alogenati convenzionali. Il fuoco, il fumo e

Fotoluminescenza do il gap di banda del semiconduttore. scita di gusci di SiO2, che spesso è seguente all’idrolisi le caratteristiche meccaniche di questo nuovo materiale 40 Per diverse applicazioni biologiche, inclusi i biomarker È importante notare che l’assorbimento e l’emissione del precursore dei tetraetilortosilicato, in presenza dei FR sono state testate su strisce pultruse in composito di 41 ottici e biosensori, sono state studiate alcune nano par- della luce osservata, che dipendono dalla dimensione suddetti fl uoro fori. Il rivestimento di silice dei fl uorofori 0.3175 - 0.635 cm e ne è stata valutata la processabilità, ticelle foto luminescenti inorganiche. della particella sono stati sfruttati per un certo nume- fornisce un’ampia superfi cie per la diretta applicazione sia per sistemi in poliestere e sia per resine vinile steri. In questo contesto, le più importanti sono le nano parti- ro di materiali per diverse applicazioni, con particolare di diverse funzionalità che sono ben note in chimica. I FR possono essere incorporati nei materiali polimerici celle di semiconduttori (i quantum dot: QD), i composti enfasi nella nano biotecnologie. I quantum dot del CdSe In questo modo, possono essere adattate diverse strate- sia come additivi e sia come materiali reattivi. I FR di nano lantanidi e le particelle amorfe drogate, soprattutto e del InP ( dimensioni tipiche 1.5-6 nm) sono di spe- gie chimiche per la derivatizzazione del silice secondo le tipo additivo sono largamente usati se miscelati con i

di SiO2. Le nano particelle luminescenti appaiono come ciale interesse, come bioetichette fl uorescenti perché la bioapplicazioni previste. In aggiunta, il fotosbiancamen- materiali polimerici. Nelle resine FRP, l’additivo FR viene un alternativa ai coloranti organici convenzionali della loro dimensione ed emissione luminosa possono esse- to dei fl uoro fori può essere contenuto mediante dai gusci miscelato nella resina prima di impregnare la fi bra. Gli bioanalisi per la fotoluminescenza (Fig.4), dato che que- re regolate accuratamente nello spettro del visibile o , protettivi di silice che rivestono una speciale importanza additivi presentano problemi di scarsa compatibilità, li- sti ultimi hanno delle limitazioni, come un intervallo ri- usando materiali con gap di banda stretto come PbS o per bioanalisi in un mezzo fi siologico. Questo si verifi ca sciviazione e ridotte proprietà meccaniche. Nel tentativo stretto per l’assorbimento delle lunghezze d’onda, larghe PbSe, l’emissione di luce può essere estesa al NIR (IR per un rivestimento in silice, diversi fl uoro fori possono di superare questi problemi sono stati creati dei materia- bande per l’emissione e una ridotta foto stabilità. prossimo). Questi materiali vengono preparati come par- essere incapsulati in una gamma di polimeri sebbene in li ignifughi reattivi, mediante copolimerizzazione dei FR Tutte queste soluzioni presentano ciascuna vantaggi e ticelle colloidali core-shell, il cui core (e.g. CdSe, InP) ha questo caso, e a seconda del tipo di polimero, debbano con il polimero, sia prima del processo termoindurente limitazioni, a seconda del contesto di applicazione. In- le superfi ci coperte da un “guscio” (shell) di un semi- essere considerati gli aspetti di biocompatibilità. (durante la sintesi della resina) , o, in alcuni casi durante

fatti, un certo numero di fl uorofori di diversa natura chi- conduttore ad ampio gap di banda, di solito il ZnS. Uno I polimeri sintetici sono stati studiati con l’obiettivo di lo stesso processo termoindurente, se il FR reattivo può strato esterno di leganti organici conferisce la stabilità produrre particelle di nano compositi fl uorescenti che fungere da monomero reattivo. colloidale a questi particolari sistemi, e consente anche costituiscano la base per produrre sistemi multifunziona- Per altre informazioni in merito si consulti il capitolo delle reazioni di scambio superfi ciali per scopi specifi ci li (p.es. fl uorescenti e magnetici). Delle nano particelle “Compositi polimerici con migliorata resistenza al fuoco”. come nelle etichette biofunzionali. Al confronto dei co- colloidali idrofobiche sono state molto usate come fi ller loranti convenzionali, i QD sono molto stabili rispetto al per la polimerizzazione in situ in miniemulsioni, che, a Rivestimenti su nanoscala fotosbiancamento e, dato che assorbono per un ampio seconda del trattamento di sintesi hanno portato a dei Per la conservazione di un corpo metallico, i rivestimenti Figura 37 - Fotografi e di gel di k-carragenina irraggiati da luce UV (325 spettro di lunghezza d’onda, dei QD con diverse dimen- nano compositi in forma di emulsioni acquose stabili o a hanno il compito di proteggere lo strato sottostante dal- nm) e contenenti le polveri di fl uorofori poliossometallati, isotiocianato di fl uoresceina e quantum dot trattati organicamente di CdSe ricoperto sioni possono essere eccitati simultaneamente per profi lm omogenei spin-coated. la degradazione elettrochimica (corrosione), sia attiva-

con ZnS superiore (Fonte: Da Silva and Trindade, Biofunctional Composites, 2011, Advances in Nanocomposite Technology, Edited by Dr. Abbass Hashim, durre emissioni in bande che dipendono dalle dimensioni mente e sia attraverso uno strato protettivo, come pos- Intechopen).

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sibile limitazione dei difetti del rivestimento prodottisi particelle biomediche per il rilascio di farmaci e per la il decadimento della resistenza nel piano della struttu- e prepreg più sostenibili: attualmente esistono nuove a seguito di azioni meccaniche, come l’impatto con la diagnostica, e le strutture trasparenti che assorbono gli ra. La gestione termica di componenti attivi, generanti applicazioni per UAV, auto e nautica, come il fi nalista ghiaia. Al contrario, le parti in plastica o i pannelli, nella impatti. Tutte offrono il vantaggio di incrementare la calore, verrà raggiunta mediante una circuiteria su una del CAMX, la pagaia Ekoa per la tavola in piedi (stand up maggior parte dei casi, devono essere protetti contro le capacità di sistema e l’effi cienza, integrando la strut- superfi cie più ampia e accoppiandola ad elementi strut- paddleboard). La pagaia Ekoa ha dimostrato un signifi - azioni chimiche innescate dall’esposizione ai raggi UV, tura con sensori, meccanismi e sotto-sistemi. Esempi di turali termo conduttori. cativo smorzamento delle vibrazioni, consentendo una all’erosione fi sica di solventi come carburanti o acqua, tecnologie di miniaturizzazione includono i sistemi mi- Altre aree di ricerca includono la scienza delle reti neu- migliore presa e minor fatica, dopo migliaia di colpi. Al a seconda della natura dei polimeri e della morfologia croelettromeccanici (MEMS), nano materiali e nanocom- rali, le reti energetiche/comunicazione ri-confi gurabili o suo confronto, per molti utilizzatori di pagaia la fi bra della parte, e anche nei confronti di rotture catastrofi che positi, micro-miniaturizzazione elettronica, fi lm sottili, auto-riparanti, sistemi di materiali attuativi e polimorfi di carbonio è in genere troppo rigida, mentre il legno è a seguito di impatti fi sici (rotture fragili). elettronica passiva incorporata e materiali attuatori a ad alta prestazione e circuiti che supportino strutture troppo pesante. In questi casi l’impiego di compositi polimerici multi- stato solido. adattative e comandi di volo. Negli ultimi decenni è sta- funzionali basati su nano particelle costituisce un nuo- La NASA (National Aeronautics and Space Adminitration) Per i prodotti di beni di consumo, la miniaturizzazione ta rivolta grande attenzione vo tipo di rivestimento, sia protettivo e sia decorativo. è un ente primario per lo sviluppo di strutture con tec- di componenti elettronici e meccanici aiuterà nel pro- alla combinazione di nano Questi compositi sono basati su strati di particelle, pre- nologie multifunzionali, avendo da tempo riconosciuto i durre oggetti più piccoli e più intelligenti. Per esempio, particelle inorganiche con i cisamente su un doppio strato di idrossidi (LDH), che loro vantaggi. Ad esempio, le strutture elettroniche mul- alcuni fabbricanti di auto hanno iniziato a incorporare polisaccaridi, per usufruire esplicano: tifunzionali, che comprendono circuiteria convenzionale, dei sensori nei paraurti e nei pannelli laterali delle auto- dei vantaggi di entrambi i • modalità meccaniche per dissipazione di energia, hanno dimostrato un risparmio dal 50 all’80 % in peso mobili, per consentire la trasmissione di dati di impatto componenti del composito. • proprietà di ostacolo alla diffusione, e volume. Anche piattaforme quali il satellite NASA EOS- al personale medico di emergenza. Ed esistono altre in- Diverse formulazioni di tali • inibizione della corrosione attiva. 1 e il drone Global Hawk hanno integrato i benefi ci di numerevoli applicazioni: articoli sportivi possono usare bionanocompositi dimostrano I rivestimenti moderni e futuri potranno essere realiz- una struttura multifunzione: in questi casi, sono stati strutture multifunzionali per migliorare le performance funzionalità magnetiche, otti- zati sia aumentando la resistenza verso l’impatto e la incorporati circuiti leggeri in strutture in composito per atletiche, come quelle già presenti negli sci e racchette che e antimicrobiche interes- corrosione per sistemi tradizionali, sia mantenendo le ottenere una riduzione di peso superiore al 50 %. da tennis, i quali adottano dei materiali piezoelettrici santi che sono state studiate loro prestazioni in sistemi più eco-effi cienti a strati, sia Il monitoraggio dell’effi cienza strutturale negli aeromo- per il controllo delle vibrazioni. per applicazioni biotecnologi- in rivestimenti molto più sottili, ricorrendo a compositi bili del futuro permetterà veloce scoperta del danno, ri- Un nuovo tipo di biosensore per misurare il biossido di che e biomediche. Le presta-

polimerici basati su strati di particelle. Grazie a una pro- parazione e ripristino operativo. Aerostrutture portanti carbonio (CO2) si basa su materiale composito di recente zioni di questi materiali di-

gettazione di materiali che rimedi alla rottura con op- funzionanti da antenne consentiranno migliori identiﬁ - sviluppo. Esso interagisce con le molecole di CO2 e mo- pendono fortemente dai primi 42 portuni rinforzi, traslandoli in forme eterogenee in varie cazioni e comunicazioni, mantenendo le desiderate ca- diﬁ ca la propria conducibilità a seconda della concen- step della catena produttiva, 43

dimensioni, il danno dei rivestimenti dovuto all’impatto ratteristiche stealth ed aerodinamiche. trazione di CO2 nell’ambiente. Al confronto con sensori il che enfatizza l’importanza con un sasso può essere effettivamente limitato. Guardando ancora avanti, attuatori nascosti e impianti a esistenti, è molto più piccolo, ha una costruzione più Figure 39: La pagaia Ekoa. di strategie preparatorie che modulo variabile permetteranno la realizzazione di strut- semplice, consuma molta meno energia e adotta un prin- prendano in considerazione le 4.3 LE NUOVE TENDENZE ture spaziali e aeronautiche adattative che rispondano a cipio di funzionamento completamente differente. Esiste applicazioni previste. Le proprietà dei nuovi compositi multifunzionali riguar- diverse condizioni ambientali, migliorando il controllo già un chip per nuovi sensori con questo materiale, che Sebbene le preparazioni ex situ siano ancora di grande

dano delle funzioni strutturali, come: aerodinamico e la sopravvivenza del sistema. permette di determinare la concentrazione di CO2 con interesse, soprattutto per la loro semplicità in termini di • proprietà meccaniche quali resistenza, rigidezza, du- Elettronica altamente integrata o incorporata ridurrà il una semplice misura della resistenza elettrica. preparazione del composito, altre strategie più elaborate rezza, peso ed il volume dei sistemi ad alte prestazioni del fu- La base del materiale composito è una catena di ma- sono state tentate per aggiungere valore ai nuovi com- • monitoraggio delle condizioni strutturali, turo, eliminando telai, armadi per avionica/elettronica, cromolecole (polimeri) fatta di sali detti ioni liquidi, positi biofunzionali, che mettono insieme i concetti di • strutture intelligenti, involucri, supporti, accessori e materiali isolanti. A sua che a temperatura ambiente sono liquidi e conduttivi. Il progettazione dei materiali e sintesi chimica. In questo • strutture polimorﬁ e adattative, volta, la riduzione di volume potrà permettere un ridi- nome dei polimeri viene spesso confuso dato che vengo- contesto, l’uso di polisaccaridi nella sintesi dei compo- • smorzamento, e non strutturali, come: mensionamento del sistema o un aumento di spazio di- no chiamati liquidi poliionici (PIL), sebbene essi siano siti che imitino i processi naturali rappresenta tuttora • conducibilità elettrica e/o termica, sponibile per il carico utile. solidi piuttosto che liquidi. Questi PIL, possono essere una grande sﬁ da che mira a risultati senza precedenti in • sensibilità e regolazione, La riduzione dei costi verrà raggiunta eliminando il costo usati per differenti applicazioni, come le batterie e l’im- termini di fabbricazione di materiali ad alte prestazioni.

• raccolta e accumulo di energia, di progetto, pianifi cazione della produzione e verifi ca, magazzinamento di CO2. I polisaccaridi derivano da fonti Inoltre, vi è un approccio che per qualche aspetto può • capacità auto-riparanti, e quello di fabbricazione associato a ciascuna parte in naturali, quindi presentano dei vantaggi in termini di aiutare a superare le limitazioni nell’uso di nano compo- • schermaggio da interferenza elettromagnetica (EMI), quanto non più necessario. biodegradabilità, bassa tossicità e basso costo. siti e che derivano dagli aspetti tossicologici. Da recenti • riciclabilità e biodegradabilità. Le reti di energia a fi lm sottile e spesso e di segnali ver- Le bioresine e le biofi bre sono solo all’inizio dl loro tentativi di elaborare nuovi metodi di diagnosi precoce Sviluppi molti recenti si sono avuti nei materiali compo- ranno incorporate nella struttura in composito, in prossi- sviluppo. I materiali epossidici ora possono essere tra- di malattie e per terapie più effi caci, sta emergendo una siti polimerici e i relativi progressi nei nano materiali e mità dell’asse neutro per minimizzare i carichi di taglio. sformati in termoplastici riciclabili, e lo sviluppo sia dei nuova generazione di materiali nano strutturati multi- nelle nano strutture consentono applicazioni di materia- Le reti trasferiranno segnali ed energia mediante percorsi metodi di riciclo, sia delle applicazioni che usino dei funzione. li e strutture multifunzionali, come le ali deformabili, i “strutturali” (conduttori lungo l’asse z), progettati per compositi riciclati sta ricevendo impulso. I bionanocompositi specifi catamente progettati per in- componenti elettronici integrati nella struttura, le nano sopportare carichi di taglio e al contempo minimizzare Miscelando biofi bre e bioresine si producono compositi corporare nano particelle multifunzionali sono materiali

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allettanti per lo sviluppo di piattaforme integrate, che 5 GREEN COMPOSITES Le fi bre naturali possono essere classifi cate in fi bre vege- uniscano diverse funzioni, come la scoperta, la rappre- tali e di origine animale, come mostrato nella Figura 41. 5.1 INTRODUZIONE sentazione e la terapia, in un solo sistema. La parola 'Green' associata ai materiali si riferisce a una classe di materiali che sono biodegradabili e rinnovabili, 4.4 SCENARIO e quindi in grado di risolvere le problematiche associate Date le loro caratteristiche intrinseche, lo scenario eco- a sostenibilità e impatto ambientale. Tali materiali risul- nomico dei compositi multifunzionali è riportato nei ca- tano ovviamente attraenti in considerazione delle loro pitoli dei Compositi intelligenti e dei Nanocompositi. caratteristiche a basso impatto ambientale e di completa biodegradabilità. Negli ultimi tempi grande attenzione è stata data a questa classe di materiali a causa dei continui dibattiti sulle problematiche associate ai cambiamenti climatici e le richieste di nuove normative più

stringenti, sottolineando la necessità dell'utilizzo di ri- Figura 41: Classifi cazione delle fi bre naturali. sorse rinnovabili per un ambiente pulito. I prodotti realizzati con derivati del petrolio, come le 5.2 LO STATO ATTUALE resine termoindurenti nelle plastiche, sono tossici e non La prima generazione di polimeri a base biologica si fo- biodegradabili. Le resine e le fi bre utilizzate nei compo- calizzò sui polimeri derivanti da materie prime agricole siti green, invece, sono biodegradabili. Quando vengono come mais, patate e altre materie prime a base di car- portati in discarica, essi si decompongono sotto l'azione boidrati. Tuttavia, a causa della necessità di allontanarsi dei microrganismi: trasformandosi in acqua H O e ani- 2 da risorse che fossero ad uso alimentare, l'attenzione si dride carbonica CO , assorbite dagli organismi vegetali. I 2 è spostata negli ultimi anni sulla ricerca e applicazione materiali compositi green combinano fi bre vegetali con di signifi cativi breakthrough ottenuti nel campo delle resine naturali per generare un composto naturale. I ter- biotecnologie. I polimeri a base biologica hanno dimo- mini compositi green, bio-compositi ed eco compositi strato un'enorme crescita negli ultimi anni, in termini di 44 fanno riferimento alla stessa classe di materiali. sviluppi tecnologici e di loro applicazioni commerciali. Ci 45 I compositi green sulla base del tipo di materiale uti- sono tre modalità principali per la produzione di polimeri lizzato come rinforzo e del tipo di materiale polimerico a base biologica da fonti rinnovabili: come matrice, si dividono in tre gruppi distinti, come 1. uso di polimeri a base biologica naturali con indicato qui di seguito e mostrato in Figura 40: parziali modifi che per soddisfare i requisiti ingegneristici a) compositi totalmente rinnovabili, in cui matri- richiesti (ad esempio, amido) ce e carica sono ottenute da risorse rinnovabili 2. produzione di monomeri da biomateriali attra- b) compositi parzialmente rinnovabili, in cui la verso la fermentazione o ricorrendo allavchimicavcon- matrice è ottenuta da fonti rinnovabili e caricata con venzionalevseguita dallavpolimerizzazione (ad esempio, materiale sintetico acido polilattico, polibutilenesuccinato e polietilene) c) compositi parzialmente rinnovabili, in cui la 3. produzione di polimeria base biologica diretta- matrice sintetica è caricata con polimeri biologici natu- mente dai batteri (ad esempio, poliidrossialcanoati). rali. I primi compositi sono stati preparati a partire da amido di mais plastifi cato con glicerolo (30% peso/peso di glicerolo amido) come matrice, che è stato rinforzato con fi bre di micro-cellulosa, ottenuta dalla carta di giornale utilizzata, con contenuto di fi bre che vanno da 0 a 8% (peso/in peso di fi bre a matrice). Le proprietà fi siche dei materiali compositi sono state determinate da prove di trazione meccanica, calorimetria differenziale a scansione, analisi termo-gravimetrica, misura dell'assorbimento di acqua e indagini morfologiche con microscopia elettronica a scansione. I risultati hanno mostrato che la resistenza alla trazione e il modulo elastico diminuiscono

Figura 40: Biodegrabilità di polimeri derivati dal petrolio, di origine bio e in parte di origine bio.

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in relazione al variare dell’assorbimento d'acqua (63%, sono principalmente infl uenzate dall’adesione interfac- (geotessili e tessuti non tessuti), nelle attrezzature spor- preoccupazione del loro impatto sull’ambiente e quindi 175%e 292%). Tuttavia i risultati hanno indicato che ciale tra la matrice e le fi bre. Parecchie modifi cazioni tive (archi per tiro con l'arco, mazze da golf e scafi delle l’approvazione di normative più severe per il loro utilizzo i compositi green sono adatti ad essere utilizzati come chimiche sono state realizzate per migliorare l'adesione barche), eccetera. Altri usi dei materiali compositi green stanno indirizzando i diversi settori industriali all’utiliz- materie prime plastiche poiché risultano robusti mecca- interfacciale matrice-fi bra con conseguente miglioramen- comprendono nuovi materiali dielettrici a bassa costan- zo di risorse rinnovabili e sostenibili. Inoltre, le caratte- nicamente, abbondanti, riciclabili e poco costosi. to delle proprietà meccaniche dei compositi. In generale, te adatti ad applicazioni elettroniche basate su fi bre di ristiche uniche dei compositi green quali la biocompati- Un aspetto molto importante dei compositi green è che la resistenza a trazione delle fi bre naturali in compositi cheratina cave e olio di soia modifi cati chimicamente. bilità, la biodegradabilità e le proprietà funzionali hanno essi possono essere progettati e personalizzati per soddi- polimerici rinforzati aumenta con il contenuto di fi bre, Alcuni dei possibili campi di applicazione dei sistemi spinto gli scienziati, gli ingegneri e i tecnologi del mon- sfarel e diverse esigenze applicative. I recenti progressi fi no ad un valore ottimale massimo, dopodiché il valore compositi green proposti comprendono: trasporto (co- do della ricerca accademica e industriale a trasformare il nello sviluppo delle fi bre naturali hanno aperto notevoli diminuisce. Tuttavia, il modulo di Young del composito perture di ruota di scorta e circuiti basati su compositi campo dei polimeri in materiali sostenibili e green. Al opportunità ai materiali da fonti rinnovabili. I materiali polimerico rinforzato con fi bre naturali aumenta con l’in- a matrice PLA (acido polilattico) rinforzati con fi bre di momento i risultati raggiunti sono i seguenti: bio-compositi, con fi bre e resine di derivazione da scarti cremento della carica di fi bra. kenaf), automotive e industria elettronica (PLA/compo- • sono state identifi cate e utilizzate come matrici e agricoli, hanno raggiunto una signifi cativa fetta di mer- Nel campo biomedico e biotecnologico, le fi bre naturali sito Cordenka) e diversi manufatti (mobili, valigie, dischi rinforzi (a livello micro e nano) un buon numero di cato non in concorrenza, anzi complementare a quello miscelate con polimeri biodegradabili e bio-assorbibili abrasivi, caschi di sicurezza, che utilizzano una varietà risorse bio; alimentare. Negli ultimi dieci anni, una notevole cresci- sono state utilizzate in ortopedia per unire e fi ssare di compositi PLA fi brorinforzati con cellulosa naturale e • sono stati sviluppati processi di produzione, tra cui ta è stata rilevata nell'uso dei biocompositi nei mercati le ossa ed alleviare il dolore dei pazienti. La crescen- artifi ciale). la nano-fabbricazione, per i materiali compositi gre- dell’automotive e dell’edilizia, anche se l'applicazione in te attenzione alle problematiche ambientali e, dall'altra Attualmente un’altra generazione di compositi green si è en (in micro- e nanoscala); altri settori è ancora limitata. Alcuni vantaggi di tali parte, la necessità di materiali polimerici più versatili affacciata all’orizzonte: quella dei nanocompositi green. • sono stati sviluppati compositi green con interes- materiali sono l’elevata resistenza meccanica, la bassa hanno portato ad un crescente interesse per composi- Questi promettono avere caratteristiche potenziali su- santi proprietà strutturali permettendo la realizza- densità, le buona capacità di isolamento termico e di ti polimerici caricati con materiali naturali organici, periori ai micro compositi negli aspetti di sviluppo, di zione ed il lancio sul mercato di molti prodotti. traspirazione e la biodegradabilità. Con le fi bre di lino e cioè provenienti da fonti rinnovabili e biodegradabili. I produzione e di utilizzo. Alcuni dei prodotti già in corso Tuttavia, al momento persistono alcune limitazioni di scarti della stessa pianta sono stati realizzate pannelli in compositi green possono trovare applicazioni in settori di sviluppo o previsti per il futuro includono componen- questi materiali, principalmente in materia di duttili- biocomposito. La fi bra di lino è stata trattata chimica- industriali assai diversi e tuttora non esplorati. D'altra ti automobilistici, come alloggiamenti degli specchietti, tà, processabilità e stabilità dimensionale: vi è quindi mente per migliorarne il legame con il polimero. parte, esistono alcune problematiche aperte, come una maniglie e pannelli delle porte, rivestimenti del tunnel e la necessità di superare queste limitazioni sviluppando Di recente le fi bre naturali sono diventate un’opportu- lavorabilità non ottimale e una ridotta duttilità. Per i del padiglione, coperture motore, elementi e blocchi di compositi con migliorate proprietà meccaniche e multi- nità per ricercatori, ingegneri e scienziati come un rin- processi di giunzione, l’uso di additivi o la modifi cazione supporto a base di fi bre di nano-cellulosa. Altri sono in funzionali. 46 forzo alternativo per i compositi FRP (Fiber Reinforced chimica del fi ller può aiutare a superare molte di queste fase di progettazione: dispositivi elettronici (condensa- Sulla base di queste considerazioni, si delineano di se- 47 Polymer). A causa del loro basso costo, buone proprietà limitazioni. tori, sensori, dispositivi di comunicazione, e display) a guito i fabbisogni di ricerca e sviluppo sui materiali com- meccaniche, elevata resistenza specifi ca, caratteristiche Così è nata una nuova generazione di compositi green: base di legno, microfi bre lignocellulosiche e poli anionici positi green per il prossimo futuro: non abrasive, biodegradabili, potrebbero essere utilizzate quella dei micro compositi. Un esempio di microcompo- (3,4-ethylenedioxythiophene) solfonato (polystyrene), a) sviluppo di modelli e simulazioni applicate ai come un valido sostituto delle fi bre convenzionali,come sito verde con fi bre di rinforzo di basalto (BFR) con ma- batterie per Micro-Electro-Mechanical Systems - MEMS, compositi green, avvalendosi di sistemi di calcolo del il vetro, l’aramidee il carbonio (Tabella 1). trice bio epossidica è stato proposto come un'alternativa materiali di imballaggio per alimenti e farmaci, tra i quali tipo Artifi cial Neural Network (ANN), per correlare i di- Le proprietà di resistenza della fi bra naturale per rin- ecologica ai compositi derivati dal petrolio tradizionali. i cartoni per i succhi di frutta e i prodotti lattiero-caseari versi parametri di processo (dimensioni e quantità di forzare i polimeri (sia termoplastici sia termoindurenti) Questo materiale micro-composito è stato poi combinato a base di fi bre nano cellulosiche (in ragione delle loro rinforzi, durata e temperatura del processo senza com- con il sughero come mate- eccezionali prestazioni, come le proprietà di barriera promettere le proprietà intrinseche dei materiali costi- riale di base per la fabbrica- all’ossigeno e all’acqua nelle matrici polimeriche), ID tuenti) e le proprietà ottenute al fi ne di ridurre il numero zione di strutture sandwich. tag stampate su carta cellulosica con elevata potenza di di prove sperimentali sviluppando materiali con processi Questo esempio come altre calcolo e capacità RF, e ID tag economiche stampate su ottimizzati per la produzione industriale e su grandi vo- tipologie di microcompositi carta cellulosica (per monitorare i prodotti commerciali lumi green sono stati successi- da remoto, individuare farmaci contraffatti e proteggere b) studio della fi latura delle diverse nano bio-fi bre, vamente sviluppati e utiliz- l'integrità del prodotto). In generale, in vista della loro singolarmente o ibride, dal momento che le loro proprie- zati nel campo edile per la leggerezza, i nano compositi green dovrebbero avere ap- tà dipendono fortemente dalla metodologia con cui ven- costruzione di case in gra- plicazioni in settori strategici come l’aerospaziale e la gono prodotte; do di resistere a fenomeni difesa. c) sviluppo di nuovi processi da applicare ai com- meteorologici come gli ura- positi green, basati sullo studio dei processi bio-mime- gani, nella realizzazione di 5.3 LE NUOVE TENDENZE tici, di ispirazione biologica, in considerazione del loro infrastrutture, nel settore In questi ultimi anni l’importanza dei materiali compo- grande potenziale nello sviluppo di materiali innovativi automotive (es. pannelli siti green si è ulteriormente rafforzata. Infatti, la dimi- ad alte prestazioni e a basso impatto ambientale, ed ef- porta, pannelli strumenti, nuzione della disponibilità di materiali da fonti non rin- fi cienti dal punto di vista del consumo energetico. È noto braccioli, ecc), nel tessile novabili, i loro costi in costante aumento, la crescente che la biomimetica è un campo della scienza che esami- Tabella 1: Quadro comparativo delle proprietà meccaniche tra fi bre naturali e fi bre sintetiche.

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na strutture biologiche e relativi processi per utilizzarli mative europee. pannelli, grigliati, pallet, cornici, profi lati, e molte altre compatibili e sostenibili. come modelli nello sviluppo di sistemi artifi ciali quali i Le fi bre naturali sono generalmente incompatibili con le forme. compositi a matrice metallica, ceramica nonché a ma- matrici polimeriche idrofobe e hanno la tendenza a for- Il composito “fully green”può essere utilizzato come so- 5.4 SCENARIO trice polimerica di tipo green, nanocompositi e tessuti. mare aggregati. Pertanto, le superfi ci di entrambi (matri- stituto per il legno, il metallo o la muratura per tramezzi, Nel 2011 la produzione complessiva di bio-polimeri è Nel caso dello sviluppo di nanocompositi green basati su ce e fi bre) dovrebbero essere adeguatamente inumidite controsoffi tti, facciate, barricate, recinzioni, ringhiere, stata di 3,5 milioni di tonnellate che rappresentano una diverse combinazioni di materiali nano (fi bre o particel- per migliorare l'adesione all’interfaccia e per eliminare pavimenti, coperture, rivestimenti, e così via. Può essere quota dell’1,5% della produzione complessiva di polimeri le), e matrici polimeriche con varie frazioni di volume, il eventuali impurità. La superfi cie di matrici idrofobe deve utilizzato anche per la costruzione di alloggi prefabbri- di 235milioni di tonnellate (Figura 42). Gli attuali pro- processo di self-assembly, un approccio semplice appar- essere modifi cata mediante l'introduzione di gruppi po- cati, cabine, chioschi, tendeda sole, capannoni/rifugi. duttori di bio-polimeri stimano che la capacità produt- tenente al processo biomimetico, potrebbe rappresentare lari trattandoli con ossidanti chimici quali acido acetico Rispetto ai materiali compositi non modifi cati, tutti i tiva raggiungerà quasi 12 milioni di tonnellate entro il un cambiamento radicale di produrre nanocompositi; o acido cromico / acido solforico cromico. La chimica del compositi in fi bra modifi cati mostrano superiori pro- 2020. Con una produzione di polimeri totale prevista di d. incorporazione di bio-fi bre in bio-polimeri per plasma freddo apre nuove vie per la modifi cazione delle prietà di resistenza e basso assorbimento di acqua. Un circa 400 milioni di tonnellate nel 2020, la quota di bio- produrre bio-compositi con proprietà strutturali superiori superfi ci all’interfaccia nei materiali compositi e per svi- trattamento chimico adeguato riduce la idrofobicità della polimeri dovrebbe aumentare dall’1,5% nel 2011 al 3% (più leggeri della loro controparte micro) da utilizzare in luppare nuove opportunità applicative. Vari trattamenti fi bra e favorisce una maggiore adesione interfacciale tra nel 2020, il che signifi ca che la capacità di produzione di vari settori, quali biomedicale, elettronico e optoelettro- chimici ossidativi e non ossidanti sono disponibili sia fi bra e matrice di PP. Le proprietà di trazione diminuisco- bio-polimeri crescerà più rapidamente della produzione nico, come componente per vari dispositivi funzionali; per le fi bre naturali sia per quelle sintetiche e meritano no con l'assorbimento di acqua e con un maggior tempo complessiva di polimeri. e. analisi accurata dei materiali green con dimen- di essere ulteriormente indagati e ottimizzati per miglio- di immersione. Il mercato dei polimeri a livello mondiale è stimato in sioni nano. Le implicazioni sociali (eventuali rischi sulla rare l'adesione all'interfaccia. Il trattamento con alcali si Rispetto ad altre fi bre naturali, le fi bre della banana e 2,5miliardi di USD nel 2015 e si prevede di raggiungere i salute) di questa tecnologia dovranno essere attenta- è dimostrato effi cace per la modifi ca delle fi bre. È stato dell’agave sisalana hanno buone proprietà meccaniche. 5,5miliardi di USD entro il 2020 con un CAGR dell’11,47% mente valutate. riportato in letteratura che nel trattamento con alcali, In generale, la forza di una fi bra aumenta con l'incremen- tra il 2015 e il 2020. L’obiettivo/auspicio è che la ricerca sia in grado di far alcuni dei componenti di cera presenti sulla superfi cie to del contenuto di cellulosa e la diminuzione dell'angolo Lo sviluppo più dinamico è previsto per il settore dei bio- diventare i materiali compositi basati su biopolimeri e i delle fi bre sono saponifi cati e quindi rimossi dalla su- a spirale rispetto all'asse della fi bra. Il contenuto di cel- polimeri che sono chimicamente identici alle loro con- loro composti un’alternativa reale rispetto ai prodotti de- perfi cie della fi bra. L’aumento dell’adesione fi bra-matrice lulosa di fi bre di sisalana e banana è quasi lo stesso, ma troparti petrolchimiche, ma almeno parzialmente derivati rivati dal petrolio. Questo agevolerebbe la realizzazione grazie ad una superfi cie funzionalizzata e all’aumento l'angolo microfi brillare della fi bra di banana è molto più dalle biomasse. Questo settore è guidato dal PET in parte e il lancio sul mercato, in un futuro non molto lontano, della disponibilità dei gruppi ossidrilici è stato riscon- basso rispetto a quello della sisalana. Quindi, le proprie- a base biologica (Bio-PET) la cui capacità di produzione di un gran numero di prodotti rispettosi dell’ambiente ed trato anche nel caso di un trattamento con alcali. tà intrinseche di trazione delle fi bre di 48 eco-sostenibili. banana sono superiori a quelle della fi - 49 Compositi completamente “Green” bra di sisalana. Il diametro delle fi bre di Compositi basati su fibre naturali Gli sforzi della ricerca in corso sono indirizzati allo svi- banana è inferiore a quello delle fi bre di Vetro, carbonio, kevlar, e fi bre di boro sono utilizzati luppo di una nuova classe di materiali composti green sisalana. Poiché la superfi cie di fi bre di come materiali di rinforzo in plastiche rinforzate, che completamente biodegradabili, combinando fi bre con banana per unità di superfi cie del com- sono state ampiamente accettate come materiali per ap- resine biodegradabili. Le principali motivazioni sono posito è più alta, il trasferimento dello plicazioni strutturali. Tuttavia, questi materiali sono re- così riassumibili: i materiali compositi green sono eco- stress è maggiore nel composito rinfor- sistenti alla biodegradazione e possono creare problemi friendly poiché completamente biodegradabili a fi ne vita zato con banane rispetto al composito ambientali. Fibre naturali di piante come juta, bambù, fi - e sono sostenibili perché basati su materiali rinnovabili. rinforzato con sisalano. bra di cocco, sisal, e ananas sono note per avere elevata I compositi totalmente green possono essere effi cace- Infi ne, nel contesto dei materiali com- resistenza meccanica e quindi possono essere utilizzate mente utilizzati in molte applicazioni, come i prodotti di positi, la riciclabilità dei componenti è per molte applicazioni importanti. Queste fi bre hanno il consumo con elevati volumi produttivi e con cicli di vita uno dei problemi principali. La riciclabi- particolare vantaggio rispetto alle fi bre sintetiche di es- brevi (prodotti del tipo usa e getta o con un uso limitato lità dei compositi porterà grandi vantag- sere disponibili in abbondanza e ottenute da una risorsa in un breve lasso di tempo prima dello smaltimento). Le gi economici, rappresentando una solu- rinnovabile e biodegradabile. più importanti matrici biodegradabili sono i poliammidi, zione alla riduzione dei rifi uti destinati Di contro tutte le fi bre naturali sono di natura idrofi la alcool polivinilico, acetato polivinilico, acido poliglicoli- alle discariche. I compositi green oggi e hanno un elevato contenuto di umidità, il che porta co, e acido polilattico, che sono sintetici e polisaccaridi, sono in grado di sostituire buona parte alla scarsa interfaccia tra fi bra e matrice idrofoba. Diversi amido, chitina, cellulosa, proteine, collagene / gelatina, dei materiali compositi convenzionali metodi di trattamento sono impiegati per migliorare l'in- lignina, e così via, che sono naturali. pericolosi, che generano rifi uti a fi ne terfaccia in fi bra naturale composita. I bio compositi con i loro costituenti ottenuti a partire vita. Figura 42: Mercato Globale dei Polimeri “Green” dal 2011 al 2020 (Fonte: Nova Institute). L’industria automobilistica in Europa ha iniziato a uti- da risorse rinnovabili sono sviluppati e possono essere L'analisi del ciclo di vita dovrebbe es- lizzare materiali compositi in fi bra naturale in grandi applicati in quasi tutti i settori industriali. Il composito sere fatto per tutti i materiali di nuova sintesi e quin- raggiungerà circa 5 milioni di tonnellate entro il 2020, quantità, sia per esterni sia per interni delle carrozzerie, “fully green” può essere utilizzato per un vasto numero di consentire la valutazione della loro biodegradabilità. utilizzando il bio-etanolo dalla canna da zucchero. Al a causa dei severi requisiti ambientali imposti dalle nor- di altre applicazioni. Esso può essere modellato in fogli, Questo aiuterà i progettisti a selezionare i materiali eco- secondo posto in questo settore ci sono le poliolefi ne

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a base biologica, come PE e PP, anch’esse a base di bio- ropea diminuirà dal 20% al 14% e la quota del Nord Ame- etanolo. Ma per i polimeri a base biologica PLA e PHA, rica dal 15% al 13%, mentre in Asia aumenterà dal 52% new entry nel mercato, sono attesi incrementi anche ﬁ no al 55% e in Sud America dal 13% al 18%. Comunque, non al doppio della capacità nel periodo 2015-2020. si prevedono variazioni delle quote di mercato a livello La maggior parte degli investimenti per installare nuo- mondiale, il che signiﬁ ca che in ogni regione del mondo vi stabilimenti produttivi di polimeri a base biologica si continueranno a sviluppare nuove tecnologie nel cam- si realizzeranno in Asia e in Sud America, dove c’è una po della produzione dei bio-polimeri. maggiore disponibilità delle materie prime e un quadro Nella tabella seguente sono riportati i maggiori produt- politico favorevole. Nel periodo 2015-2020, la quota eu- tori di bioplastiche.

g g Dow Chemical (USA) America Bio-based Ethylene Atol(13) (B) Dow ChemicalAmerica(14) (BR) Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac Materiale Area Italia Europa NordCargill America (USA) Latina Mena Apac BASF(2) (DE) Solvay(15) (CN) Greengran (NL) (1) Northern Comp. (USA) Solvay (B) Shandong Haili Chemical Green Novamont (3) (5) Epichlorohydrin Dow Chemical (USA) NAMA Chemicals (KSA) Solvay (B) Solegear Bioplastic (CDN) Spolchemie (CZ) Industry (CN) (4) (GB) Innovia Formosa Plastic Group (RC) Toyota Tusho (J) Myriant (USA) Bio PET M&G chemicals (L) M&G chemicals(6) (USA) Toray (J) BASF (DE) BioAmber (CDN) Shanxi Sanwei (CN) Teijin Limited (J) 1,4-Butanediol Corbion Purac (NL) Dow Chemical (USA) Mitsubishi (J) Dow Chemicals (USA) Reverdia DSM (NL) Bio PE Novamont Arkema (F) Toray (J) LyondellBasell (USA) Bio Sphere (USA) Dow Chemical (CN) SNP (USA) Dow Chemical (USA) Global Bio-Chem Technology Group (CN) Cargill (USA) 2,3-Butanediol BASF (DE) Genomatica (USA) Dairen Chemicals (MW) BASF (DE) Bio Amber (CDN) Bio PUR SK Energy (ROK) Bayern (DE) Myriant (USA) Huntsman (USA) 50 Dow Chemicals (USA) Satachem (CN) 51 2,5-Furandicarboxylic Avantium (NL) Good Scents Company (USA) V & V Pharma Industries (IND) Borregaard (N) Celanese (USA) acid Symbias (UA) Daicel (J) Scientific Tokyo Chemical Industry (J) Cellulose Acetate Solvay (B) Eastman Chemical (USA) (8) (7) Celanese (CN) Tembec (F) Tembec (CDN) Kenaf K.E.F.I. Kenaf Green Industries (IL)

PTT Du Pont (USA) ASHLAND (USA) DSM (NL) Entropy resins (USA) Resine Green Toray industries (J) PEF Avantium (NL) BASF (DE) Kafus (USA) Dupont (USA) EPDM Lanxess Deutschland (DE) Lanxess(9) (BR) Semifinished resin Daifa (F) FlexForm (USA) Mitsubishi(11) (T) BASF (DE) PBS Du Pont (USA) Showa DenkoK (J) Green components IAC Group (L) Johnson Controls (USA) BASF(10) (E) Toyota Boshoku (J) Mitsubishi (J) (Automotive oriented) Faurecia (F) Visteon (USA) (1) Mater-Bi® è una bioplastica biodegradabile e compostabile sviluppata da Novamont e ottenuta usando amidi, cellulosa, oli vegetali e loro combinazioni. (2) BASF produce una plastica biodegradabile brevettata, denominata Ecoflex® basata sull’acido polilattico. Arkema (F) Du Pont (USA) (3) Solvay ha sviluppato ed industrializzato un processo proprietario , Epicerol®, per produrre epicloridrina dalla glicerina naturale. BASF (DE) Huntsman (USA) (4) Innovia è un produttore e fornitore internazionale di film in cellulosa per imballagi, etichettatura, arti grafiche e prodotti industriali (UCB Films). (5) Solegear Bioplastics produce due bioplastiche, Polysole® e Traverse®. Polysole® è un biopolimero compostabile che può essere riciclato o compostato e tramutato nelle sostanze usate per produrlo. Polysole® è adatto sia per imballaggi rigidi e sia per beni durevoli, come giocattoli e trousse cosmetiche. Polyamides (12) Evonik (DE) Lanxess (USA) Traverse® è un biopolimero completamente riciclabile ottenuto da componenti naturali progettati per applicazioni ad elevate prestazioni (alta temperatura e resistenza alla fiamma). (6) M&G CHEMICALS vuole aumentare la capacità produttiva della sua struttura di Corpus Christi, in Texas nella seconda metà del 2016 Domo group (B) Honeywel (USA) M&G Chemicals ha pianificato un aumento della capacità della struttura di Corpus Christi, Texas, di più di 100kmt di PET, per raggiungere il totale di almeno 1100 kmt di PET. Inoltre, anche la capacità di PTA verrà aumentata della stessa quantità. (7) TEMBEC annuncia investimenti a TARTAS, FRANCE, nel settore cartiere chimiche; rinforza l’impegno aziendale per questo CORE BUSINESS. Tembec Tartas SAS investirà in un progetto per energia green nel suo settore, cartiere chimiche situate a Tartas, France. Il progetto, che include una nuova turbina a vapore da 18 megawatt e altri miglioramenti all’attuale impianto di riscaldamento, costerà circa 16milioni di euro. Tianjin GreenBio Materials Metabolix (USA) (8) CELANESE firma un MEMORANDUM OF UNDERSTANDING con PUSH GROUP Celanese Corporation (NYSE: CE), che sviluppa tecnologie per nuovi materiali, ha annunciato un accordo con Push Group Co.,ltd. (Push Group), per la formazione di una nuova joint venture focalizzata sulla produzione di prodotti in acetato di PHA Biomer (DE) Shenzhen Ecomann cellulosa, incluse plastiche e film di alta qualità. Meredian (USA) (9) LANXESS produttore di biogomme EPDM in Brasile, ha avviato un nuovo impianto per energia nella sua sede Brasiliana di Porto Feliz, che produce pigmenti di ossido di ferro. L’impianto di cogenerazione, innovativo e ad alta efficienza per la produzione di elettricità e vapore è alimentato con bagassa, un componente Technology (CN) fibroso della canna da zucchero che è un residuo della produzione dello zucchero. (10) JOINT VENTURE della BASF con Corbion per la produzione di PBS in Spagna(fonte plasticsengineeringblog.com) Succinity GmbH, Dusseldorf, Germania (www.succinity.com), una joint venture di Corbion Purac Biochem BV, Gorinchem, Olanda (www.corbion.com), e BASF SE, Ludwigshafen, Germania (www.basf.com), hanno realizzato un fermentatore da 22 milioni lb/anno di acido lattico nello stabilimento della Purac a Montmelo, Starch blends Novamont Spain, per produrre acido biosuccinico. L’impianto spagnolo è partito nel 2014 utilizzando batteri proprietari di BASF. (11) PTT e Mitsubishi Chemical iniziano a lavorare sul primo impianto mondiale di PBS bioplastico (fonte business-standard.com) PTTMCC Biochem Co Ltd, una collaborazione di Thailand’s PTT Plc e di Mitsubishi Chemical Corporation (MCC), ha dato il via ai lavori per la costruzione dell’’impianto di Bio PBS (bioplastica di polybutylene succinato) in Asia nella provincia di Rayong, Tailandia. Dow Chemical (USA) (12) Evonik espande la capacità per il VESTOSINT® polyamide 12 PLA BASF (DE) Teijin Ltd (J) Evonik Industries sta progettando una nuova linea di produzione per la poliammide 12 in polvere (PA12) a Marl (Germania), con un investimento dell’ordine delle decine di milioni di Euro. NatureWorks LLC (USA) (13) Axens, Total e IFPEN lanciano Atol™, una tecnologia innovativa per la produzione del Bio-Ethylene mediante deidratazione del Bio-Etanolo Atol™ è il risultato di una collaborazione tra Total, IFP Energies Nouvelles (IFPEN) ed il suo affiliato Axens. Nell’ambito della cooperazione Total ha sviluppato una formula per un catalizzatore ad alta performance presso il suo centro di ricerca a Feluy, Belgium, IFPEN ha migliorato le prestazioni del catalizzatore con un processo innovativo per il recupero di calore, infine Axens ha industrializzato la formula del catalizzatore e ha finaliizato il processo focalizzandosi sull’efficienz energetica. Nan Ya Plastics (14) DOW STUDIA NUOVE STRATEGIE PER IL BIO-PROPILENE (fonte icis.com) Dow Chemical sta studiando nuove strategie per la produzione di etilene e polipropilene da fonti rinnovabili. La ditta, con base in USA, sta già sviluppando un progetto per produrre etilene e polietilene (PE) da etanolo di canna da zucchero in Brasile, e sta ora valutando diversi metodi per produrre bio-propilene. Corporation (RC) (15) SOLVAY COSTRUISCE UN IMPIANTO PER BIO-EPICLOROIDRINA IN CINA PER SUPPORTARE LA MAGGIORE RICHIESTA DEL MERCATO MONDIALE Shell (NL) LyondellBasell (USA) SABIC (SA) Formosa Plastic Group (RC) Solvay ha annunciato che il suo affiliato tailandese Vinythai fornirà il crescente mercato cinese con epicloroidrina prodotta nel nuovo impianto a Taixing, China. L’impianto richiede un investimento di 155 milioni Euro ed avrà una capacità iniziale di 100.000 ton di epicloroidrina all’anno. MEG AkzoNobel (S) Formosa Plastic Group (USA) Me Global (KSA) Reliance Industries Limited (IND) Honam Petrochemical Corporation (ROK)

Dow Chemical (USA) Bio-based Ethylene Atol(13) (B) Dow Chemical(14) (BR) Cargill (USA)

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 nanocompositi

6 NANOCOMPOSITI di collaudati processi di lavorazione. In realtà, è stato Il vantaggio principale di questo tipo di nano-cariche nanotubi produce un materiale molto forte con un eleva- già valutato che il collo di bottiglia per lo sfruttamento è la loro elevata superfi cie specifi ca che permette, con tissimo rapporto resistenza-peso (Tabella 3). 6.1 INTRODUZIONE delle eccellenti proprietà teoriche dei nanocompositi po- l’aggiunta solo di una piccola quantità di questo tipo La loro resistenza alla trazione va approssimativamente In questi ultimi anni l’area dei materiali nanocomposi- limerici è la completa dispersione delle nano-particelle di nanocariche nei materiali compositi convenzionali, di dai 10 ai 60 GPa, ed è circa due ordini di grandezza suti ha attirato l’attenzione del mondo della ricerca e di nella matrice e la conseguente realizzazione di una vasta incrementare in modo sorprendente le proprietà fi siche- periore a quella delle fi bre di carbonio ad alta resistenza quello industriale. Quest’attenzione deriva dalla conside- area di interfaccia. Questa completa dispersione permet- meccaniche. La montmorillonite, la ectorite e la saponite corrente, e la loro densità è di circa 1,3 g/cm3, inferiore razione iniziale che l'utilizzo di agglomerati di particelle te di massimizzare l’interfase tra matrice e particella, sono i silicati stratifi cati più comunemente usati. alla densità di fi bre di carbonio commerciali (1,8-1,9 g/ nano dimensionali permette di progettare e creare nuovi ottimizzando quindi l'interazione organico-inorganico, Due qualità possedute dai silicati stratifi cati sono im- cm3). I CNT rappresentano una delle strutture più rigi- materiali con migliorate proprietà fi siche e con una fl es- responsabile dell’incremento delle proprietà del materia- portanti per ottenere una dispersione soddisfacente e la de mai realizzate; rispetto alle fi bre di carbonio, che in sibilità senza precedenti. le fi nale. Così, la maggior parte degli sforzi della ricerca formazione di differenti strutture (agglomerati, interca- genere hanno moduli di Young fi no a 750 GPa, i moduli I materiali nanocompositi e le nanoparticelle sono sta- in questo settore si sono concentrati nello sviluppo di late e esfoliata) nella matrice polimerica. Da un lato, i dei nanotubi varia tra 1 e 5 TPA. I nanotubi di carbonio ti ampiamente studiati principalmente per migliorare strategie di lavorazione razionali per i polimeri e nanosilicati hanno la capacità di disperdersi in singoli strati hanno caratteristiche elettriche uniche, che vanno dal le proprietà fi siche e aggiungere eventualmente nuove compositi nanostrutturati e nella ricerca di una migliore (swelling). Dall’altra parte, la chimica superfi ciale dei si- comportamento metallico ad alta conducibilità a semi- proprietà nel prodotto fi nale. I nanocompositi sono ma- interazione matrice-particelle. licati stratifi cati può essere modifi cata tramite reazioni conduttore con una grande band gap. teriali costituiti da almeno due fasi, una fase dispersa Di seguito è descritto lo stato dello sviluppo dei prin- di scambio ionico con cationi organici ed inorganici. Le I nano tubi di carbonio (CNT) di tipo metallico possono nell’altra che costituisce la matrice e insieme formano cipali nano fi ller utilizzati nella realizzazione di nanocariche di silicato stratifi cato così funzionalizzate pos- manifestare un trasporto di cariche elettroniche di tipo un network tridimensionale, dove le nano particelle sono compositi sono essere incorporate all’interno della matrice polime- balistico, con resistenza nulla lungo il tubo, e avere una generalmente agglomerati di materiali policristallini mo- rica, in condizioni termodinamiche controllate, durante conduttività superiore diverse volte a quella del rame. A nofase. Almeno una dimensione delle nano-particelle Nanoclay (Nanoargille) le fasi fi nali di processo, con tecniche quali l’estrusione causa della loro bassa dissipazione di energia, i nanotubi è a scala nanometrica e promuove l'addensamento dei Tra tutti i nanofi llers disponibili per la realizzazione di (compounding) o lo stampaggio ad iniezione, per realiz- possono trasportare densità di corrente enormi, superio- materiali compositi e i materiali policristallini, dovuta nanocompositi polimerici, quelli derivati dai silicati (na- zare i materiali nanocompositi. Inoltre i nanocompositi re ai 100 MA/cm2 per MWCNT, analoghe a quelle di decine all’elevata superfi cie e alla breve distanza di diffusione. noclay) sono i più studiati. Infatti, a differenza di quanto polimerici caricati con silicati sono processabili con la di kA/cm2 ottenute nel caso dei fi li superconduttori. La I nanocompositi possono essere defi niti come strutture avviene per i polimeri puri o i compositi convenzionali, maggior parte delle tecniche di lavorazione comunemen- conducibilità termica dei CNT è altamente anisotropa, nano-dimensionali che si ripetono nelle diverse fasi che aggiungendo piccole quantità di nanocariche di argilla è te usate su scala industriale. come il diamante, sulla lunghezza del tubo e isolante costituiscono il materiale. Questi materiali sono normal- possibile ottenere incrementi costanti del modulo elasti- nella direzione trasversale. Le applicazioni dove i nano mente costituiti da una componente inorganica solida 52 co e della resistenza, diminuzione della permeabilità ai Nanotubi di carbonio tubi di carbonio possono contribuire con le loro pro- 53 (host) contenente una componente organica o viceversa. gas, miglioramento della resistenza ai solventi e al calore Un’altra classe di materiali di grande interesse è rappre- prietà sono molteplici, in particolare quelle legate alle Oppure possono consistere di due o più fasi inorganiche/ e incrementate le caratteristiche di ritardante di fi amma. sentato dai nanotubi di carbonio (CNT). Sono materia- fonti energetiche rinnovabili e a basso costo: dispositivi organiche in qualche modo aggregate con il vincolo che I minerali argillosi sono generalmente composti da fi llo- li nanostrutturati unici con notevoli proprietà fi siche e fotovoltaici, schermi piatti, attuatori elettromeccanici, almeno una delle due abbia caratteristiche nano-dimen- silicati che possono essere divisi in quattro gruppi che si meccaniche. diodi emettitori di luce; supercondensatori, transistor sionale. differenziano principalmente per la struttura cristallina: Un nanotubo di carbonio è una rete esagonale di atomi ad effetto di campo, interruttori ottici sub-picosecond • Gruppo caolinite, di carbonio arrotolata in un seamless, cilindro cavo sen- e limitatori ottici. 6.2 LO STATO ATTUALE • Gruppo montmorillonite / smectite, za soluzione di continuità, con ciascuna estremità chiu- Polimeri caricati con nano tubi di carbonio potrebbero I polimeri nanostrutturati e i nanocompositi ibridi (inor- • Gruppo illite sa con metà di una molecola fullerene. Ci sono due tipi essere utilizzati per la dissipazione elettrostatica (ESD, ganico-organico) hanno guadagnato molta popolarità • Gruppo clorito. principali di nanotubi: ElectroStatic Discharge), verniciatura elettrostatica e negli ultimi due decenni, a causa delle loro interessanti Tra questi, la montmorillonite è la più studiata per le sue • nanotubi a parete singola (SWNT), cilindri individua- applicazioni EMI (schermatura elettromagnetica). I va- proprietà di bulk e di superfi cie. Il controllo della na- potenzialità in termini di elevato aspect ratio e le carat- li di 1-2 nm di diametro, che in realtà sono una sola lori tipici di carica dei nano tubi di carbonio sono meno nostruttura dei polimeri e l'aggiunta di nanoparticelle teristiche uniche di intercalazione / esfoliazione. molecola; del 5% rispetto al peso del polimero: al contrario per ha portato a miglioramenti delle proprietà strutturali e • nanotubi a parete multipla (MWCNT), che sono una la maggior parte dei composti contenenti nerofumo le funzionali in un gran numero di sistemi polimerici, grazie Tensile Tensile Flexular Flexular HDT raccolta di più cilindri di grafene concentrici dove le percentuali salgono dal 8 al 20%. Sistemi polimerici con- anche alle continue sollecitazioni provenienti dai settori Material Strength Modulus Strength Modulus @264 deboli forze di Van der Waals legano i tubi insieme. duttori possono essere progettati per avere caratteristi- industriali avanzati. La disponibilità di nuove nanopar- (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Psi (°C) I legami covalenti carbonio-carbonio sono tra i più forti che multifunzionali, combinando le proprietà elettriche, ticelle con proprietà non comuni (ad esempio i nanotubi 59 legami in natura e una struttura basata su una perfetta termiche e strutturali. I compositi termoplastici ESD ca- di carbonio, il grafene, ma non solo, anche nanoargille, Nylon 6 control 75 3140 114 3112 disposizione di questi legami orientati lungo l’asse dei ricati con CNT offrono una serie di ulteriori vantaggi ri- nanocellulose, metalli e ceramiche) ha creato nuove ed 5% L34 TCN 80 4200 142 4223 102 spetto ad altri materiali. Infatti i interessanti opportunità per una espansione continua del composite nanotubi possono essere aggiunti mercato dei polimeri. nella fase di compounding, senza Tuttavia, le potenzialità di questi nuovi materiali sono Tabella 2: Esempi di miglioramento delle proprietà meccaniche in un composito compromettere le caratteristiche ancora fortemente dipendenti dallo sviluppo e scaling-up polimerico caricato con nanoclay. meccaniche e di trasformazione

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 Tabella 3: Proprietà meccaniche di ﬁ bre industriali (ingegnerizzate) (Kevlar è un marchio registrato della DuPont. Per i Nanotubi la fonte è nanocyl.com) nanocompositi

della matrice. Il prodotto fi nito risulta più leggero, ha fi amme, super-critico) o il supporto (sintesi a gas, in un polimeri idrofobi. Questo raggruppamento è normalmen- nente substrato metallico; una buona fi nitura superfi ciale, è resistente alla corro- liquido o in solido). te accompagnato da una importante diminuzione dell’a- g) deposizione di vaporechimico; sione, è facile da maneggiare quindi meno costoso da Nanoparticelle metalliche sono state ampiamente impie- spect ratio di NFC e di conseguenza si traduce in una h) epitassia a fasciomolecolare; trasportare. Per quanto riguarda quest’ultimo aspetto, il gate in matrici polimeriche per la produzione di nano- diminuzione o perdita di alcune proprietà vantaggiose. i) sintesi chimica utilizzando il benzene come composito offre più sicurezza durante la movimentazio- compositi con diverse proprietà funzionali: conducibilità Per affrontare questo problema, una strategia prevede blocco di costruzione. ne e il trasporto dal momento che è meno soggetto ad elettrica e termica, polimeri con transizione di fase e la modifi cazione chimica di gruppi ossidrilici superfi ciali La struttura monostrato piana di spessore atomico ha ri- ammaccature e graffi . Infi ne, il materiale nanocomposito stabilità termica, proprietà meccaniche (rigidità, modulo NFC, al fi ne di diminuire la idrofi licità superfi ciale delle voluzionato la piattaforma delle nanotecnologie sin dalla risulta riciclabile senza comprometterne le proprietà, in di Young, riduzione attriti, resistenza a fatica, ecc.), ri- nanofi bre. sua scoperta. Fino ad oggi, diversi tentativi sono stati quanto il nanofi ller non subisce alcun degrado a causa tardanti di fi amma, la densità, proprietà fi siche (proprie- Negli ultimi anni, la sintesi microbica di micro cellulosa/ fatti per sintetizzare il grafene su larga scala per soddi- delle successive trasformazioni. tà magnetiche, ottiche o dielettriche). nanofi bre con batteri specifi ci ha ricevuto grande atten- sfare le esigenze dei vari settori industriali, in partico- zione. Le molecole di cellulosa sono sintetizzate all'in- lare l’industria dei compositi, in cui l’uso del grafene ha Nanoparticelle metalliche e ceramiche Nanocellulosa terno della cellula batterica e fi late per formare nanofi - drasticamente trasformato il mercato globale per la pro- Le nano particelle metalliche e ceramiche sono utiliz- La nanocellulosa, il più abbondante polimero rinnovabile brils di ca. 2-4 nm di diametro, che poi si aggregano in duzione di state-of-the-art dei materiali compositi (Fi- zati in un ampio spettro di applicazioni, che richiedono presente sulla Terra, è un materiale strutturale natural- forma di microfi brille nastriformi di ca. (80 X 4)nm. La gura 41). L’aggiunta di grafene ad una matrice ospitante un ben defi nito e ristretto range di distribuzione e di- mente organizzato con micro fi brille collegate tra loro nano-struttura fi brillare fornisce eccellenti proprietà fi si- spersione delle dimensioni delle particelle. Pertanto, le per formare fi bre di cellulosa. Un singolo fi lamento pro- che e meccaniche, quali elevata porosità, elevato modulo condizioni di produzione e di reazione, accuratamente veniente da fi bre naturali vegetali consiste di parecchie elastico ed elevata cristallinità. Nanocellulosa di origine defi nite, sono cruciali per ottenere tali caratteristiche cellule che danno luogo a microfi brille cristalline a base batterica è stata utilizzata come rinforzo in matrici poli- dimensionali delle particelle. I principali parametri, che cellulosica, sono collegate ad uno strato completo dalla meriche per diverse applicazioni industriali. controllano la dimensione delle particelle, la composizio- lignina amorfa ed emicellulosa. Queste microfi brille sono ne chimica, la cristallinità e la forma, sono la temperatu- costituite da fasci di fi brille superfi ni, che hanno diame- Grafene ra, il pH, la concentrazione, la composizione chimica, le tri nanometrici (10 - 30 nm) e indefi nitamente lunghe Il grafene è una forma allotropica del carbonio sotto for- modifi cazioni superfi ciali e il controllo di processo. contenente da 20,000 a 30,000 molecole di cellulosa ma di una scala atomica bidimensionale e reticolo esa- Le due strategie di base per la produzione di nano par- nella sezione trasversale. Ogni nanofi bril è composta in gonale in cui ogni atomo occupa un vertice. È l’elemento ticelle (top-down e bottom-up) possono essere appli- gran parte di cristalliti ordinati (60-80%) e una parte strutturale di base di altre forme allotropiche, tra cui la 54 cate anche alla produzione di nanoparticelle metalliche minore da domini disordinati (mesomorfo e amorfi ). grafi te, il carbone, i nanotubi di carbonio e i fullereni. 55 e ceramiche. In particolare nell’approccio top-down, si Una singola catena di cellulosa passa attraverso nume- Le principali tecniche di produzione del grafene, mostra- utilizzano metodi di produzione meccanica come la fre- rosi cristalliti e domini disordinati e li lega insieme con te in Figura 40, sono: satura per ridurre in polvere le microparticelle. Questo legami 1,4-β-glucoside. Dal momento che la cellulosa di a) scissione micromeccanica; Figura 44: Modulo di Young vs Densità di alcune classi di materiali (fonte: Verdejo et al. approccio si applica tradizionalmente alla produzione di origini diverse contiene fasci fi brillari su nanoscala, na- b) bonding anodico; “Graphene fi lled polymer nanocomposites, Royal society of Chemistry, 2010). nanomateriali di tipo metallico e ceramico. nofi bril, nanocristalli, e nano-domini disordinati, questo c) foto esfoliazione; Per le nanoparticelle metalliche, per esempio, i materiali polimero naturale può essere defi nito come nano-strut- d) esfoliazione fase liquida; tradizionale ha permesso di ottenere un gran numero di di base tradizionali (come metalli e ossidi) sono polve- turato. L'architettura nano-strutturata della cellulosa e) crescita su SiC; le sfere color oro egrigio rap- nuove proprietà con promettenti prospettive applicative rizzati con mulini a sfere ad alta energia che producono favorisce l'isolamento di nanoparticelle e nanofi brils da presentano rispettivamente gli atomi di Si e di C . A in molti settori industriali, come l’aerospaziale, elettro- polveri con una gamma granulometrica relativamente fi bre iniziali, grazie a vari metodi che facilitano la rottura temperature T elevate, gli atomi di Si evaporano (frecce), nica, energia, strutturale e meccanica, ambientale, la ampia; quindi, in generale, questo metodo non consente dei legami glicosidici nei nano-domini disordinati di na- lasciando una superfi cie ricca di carbonio che forma fogli medicina, e alimentare e delle bevande. il pieno controllo della forma delle nanoparticelle. nofi brils e tenendo uniti i contatti interfi brillari. Infi ne di grafene; A causa delle eccezionali proprietà termiche, meccani- Nella strategia bottom-up, le strutture sono costruite da la cellulosa nano-fi brillata o nanofi brils (NFC) è ottenuta f) separazione/precipitazione da carbonio conte- che, elettroniche, il grafene si distingue come il can- processi chimici e questo approccio è in grado di produr- quando tecniche specifi che sono incorporate nella raffi - didato più promettente per essere un fi ller re strutture selezionate e più complesse di atomi o mo- nazione meccanica della polpa del legno e delle piante importante per le applicazioni dei compositi. lecole, di controllare meglio le dimensioni, in termini di facilitando la fi brillazione. Nanocompositi con bassissime percentuali distribuzione e dispersione, e le forme. Esso comprende i I fasci idealmente sono costituiti da singole nanoparti- di grafene mostrano reali miglioramenti nel- processi aerosol, le reazioni di precipitazione e processi celle con una dimensione intorno a 5 nm. La produzione le loro proprietà multifunzionali, rispetto ai sol-gel. I metodi di sintesi di nanoparticelle di metallo di nanocompositi pienamente degradabili o biocompati- compositi convenzionali e ai loro materiali e ceramica possono essere anche classifi cati secondo la bili, contenente NFC con elevato aspect ratio e diametri costituenti. Questo lo rende non solo il mate- natura del processo (fi sici, chimici, biologici biominera- inferiori ai 100 nm, rimane un compito impegnativo a riale più leggero con una lavorazione piutto- lizzazione), la fonte di energia (laser, plasma, sputtering causa della forte tendenza ad agglomerasi che si veri- sto semplice, ma anche un valido candidato ionico, fascio elettronico, microonde, idrotermale, liofi - fi ca durante l'essiccamento delle sospensioni di NFC in per molte applicazioni multifunzionali (aero- lizzazione, ad alta energia palla fresatura, combustione, soluzioni acquose o durante il compounding di NFC con spaziale, automobilistico, ecc.);

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 Figura 43: Le principali tecniche di produzione del grafene. nanocompositi

Le straordinarie proprietà del grafene sono in grado di e lo avrà anche nei prossimi, soprattutto nell'ingegneria (CNT e Grafene); I nanocompositi polimerici, caricati con nanoclays, non migliorare le qualità ﬁ sico-chimiche della matrice ospite tissutale e nei nanocompositi polimerici fotoattivi. Stra- • serbatoi per lo stoccaggio dell’idrogeno (H-storage) richiedono apparecchiature di produzione particolari, il già al momento della dispersione. Questo aiuta a raffor- tegie di processo che offrono ancora molte opportunità leggeri e quindi basati su nanocompositi polimerici che signiﬁ ca che sono processabili con la maggior par-

zare e aumentare i legami interfacciali tra gli strati di nel campo dei nanocompositi sono relative allo sviluppo contenenti cariche di magnesio, LaNi5, FeTi; te delle tecniche di lavorazione comunemente utilizzate grafene e la matrice ospite. È questo legame che deter- di networks compenetranti e processi sol-gel. • sensori e dispositivi sensoristici basati su composi- su scala industriale. Pertanto, per raggiungere i risultati mina la nascita di proprietà collettive nei nanocompositi Altre strategie innovative di fabbricazione dei nanocom- ti nanostrutturati; desiderati è necessario solo ottimizzare i parametri di rinforzati con grafene. Nel mondo dei compositi, l’ana- positi polimerici sono rappresentate dai processi assistiti • sistemi fotovoltaici e fotoelettronici basati su na- processo. lisi teorica gioca un ruolo cruciale nella comprensione dalle microonde, dalla polimerizzazione, dalla lavorazio- nocompositi contenenti tellurio e telluriti; Nei prossimi anni i nanocompositi polimerici caricati con dei loro meccanismi, delle interazioni molecolari e del- ne di schiume e aerogel. In tutti questi processi, la pre- • sensori di deformazione basati su nanocompositi nanoclay giocheranno un ruolo cruciale. Essi saranno im- le proprietà fi siche e delle loro potenziali applicazioni. senza delle nanocariche e l'interazione con la matrice contenenti grafene e CNT; piegati in una grande varietà di applicazioni in ragione Un certo numero di strumenti di simulazione sono stati sono fattori ancora rilevanti per la processabilità e le • fi ltri ottici nanostrutturati per incrementare l’effi - delle loro proprietà meccaniche e fi siche. I rami di appli- sviluppati per l’analisi di nano compositi con grafene e proprietà fi nali dei nanocompositi realizzati. Un altro cienza dei pannelli fotovoltaici. cazioni industriali più promettenti saranno l’automotive, sono in grado di fornire risultati globali e specifi ci. Con rilevante aspetto di interesse dei nanocompositi riguar- Di seguito sono riportate le tendenze future per alcune l’edilizia, l’industria aerospaziale, il packaging alimentare l'aiuto di questi strumenti di calcolo, una maggior com- da la possibilità di sfruttare le proprietà funzionali delle tipologie di cariche. e il tessile per citarne solo alcuni. I materiali nanocom- prensione e una guida nella identifi cazione di argomenti nanocariche per avere un facile controllo del processo positi polimerici con nanoclays troveranno applicazione di ricerca di successo possono essere sistematicamente durante le operazioni di fabbricazione. È il caso dell’u- Nanoclays (nanorgille) non solo su prodotti esistenti, in sostituzione di materia- raggiunti. Queste indagini teoriche aiutano i ricercatori so di campi elettrici per l'orientamento dei nanotubi di L'utilizzo di nanosilicati in matrici polimeriche offrirà an- li tradizionali, ma anche nello sviluppo di nuovi prodotti. ad ottimizzare e perfezionare con precisione il prodotto carbonio e altre nanoparticelle conduttive, che portano cora grandi opportunità in molteplici settori industriali. composito fi nale desiderato. a nanocompositi con proprietà elettriche anisotrope, o La possibilità di regolare il profi lo delle proprietà, risul- Nanotubi di Carbonio l'uso di campi magnetici per l'orientamento di nanopar- tanti dalla scelta del tipo di nanoclay incorporato nel Una delle caratteristiche fondamentali dei nanotubi di 6.3 LE NUOVE TENDENZE ticelle magnetiche. materiale composito, la funzionalizzazione applicata così carbonio è la superfi cie atomicamente liscia. A causa dei La continua crescita delle applicazioni di polimeri nano- Ricerche recenti hanno dimostrato che non tutti i po- come i parametri di processo, sono aspetti interessan- legami ibridi tra gli atomi di carbonio sullo shell grafi tico strutturati e nanocompositi richiede costanti e intensi limeri sono ugualmente adatti per i nanocompositi e ti nella fase di sviluppo di nuovi prodotti. Con l'uso di non vi sono gruppi reattivi per formare legami con una sforzi su diversi aspetti nel controllo del processo di la- che matrici polimeriche e nanoparticelle devono essere nanocariche, come i nanoclays, rispetto alle particelle matrice. Pertanto, poiché non c’è un legame effi cace che vorazione dei polimeri e di produzione delle nanocariche. progettate con opportuna nanostrutturazione e nano- micro-scala vengono introdotti signifi cativi migliora- promuova la compatibilità con la matrice, ci deve essere 56 57 L'enorme potenzialità di diverse tipologie di nanoparti- compounding. D'altra parte, la questione della sicurezza menti alle proprietà fi nali del materiale, attraverso la di- qualche gruppo aggiunto sulla superfi cie del CNT in modo celle (CNT, grafene, nanofi bre di carbonio, nanocellulose, dell’impiego e della manipolazione delle nanoparticelle spersione di quantità minime (intorno al 2-10% in peso) da promuovere una reazione sulle pareti laterali. Un al- metallo e nanoparticelle ceramica) può essere adegua- è ancora aperta. C'è una preoccupazione generalizzata nella matrice polimerica. I miglioramenti ottenuti posso- troproblema è che l’elevato aspect ratio favorisce un’altamente sfruttata solo attraverso una solida strategia di per l'impatto ambientale dei nanofi ller e dei rischi per no essere i più diversi: proprietà meccaniche (tensione, tissima energia libera di superfi cie. Al fi ne diminimizzare funzionalizzazione. la salute umana che porteranno a un'intensa attività di curvatura, compressione, e frattura), proprietà di barrie- l’energia del sistema, i nanotubi di carbonio sono attratti La modifi ca dei processi tradizionali per l'eliminazione ricerca in tutto il mondo. ra (diffusione, resistenza solvente), proprietà ottiche e l’uno dall’altro e formano fasci e corde tenuti insieme dell’uso di solventi aggressivi per l’ambiente deve essere Alcune sfi de tecnologiche legate ai nanocompositi nel conduttività ionica. Inoltre, l’uso dei nanoclay migliora dalle forze di van der Waals. considerata una priorità ineludibile, poiché la sensibili- prossimo futuro riguardano lo sviluppo e l’ottimizzazione anche la stabilità termica (coeffi ciente di espansione La sfi da principale nella dispersione di SWCNTs(CNT Sin- tà della società civile su queste tematiche è sempre più dei processi per la produzione di: termica) nonché la capacità di resistenza al fuoco (ritar- gle Wall) insolventi o matrici polimeriche è la loro ten- rilevante. In particolare, l'uso di liquidi ionici e fl uidi • sistemi nancompositi nanostrutturati con incremen- dante di fi amma). denza ad auto-assemblarsi in fasci insolubili paralleli a supercritici come ''solventi green'' ha attirato molti ricer- tate proprietà meccaniche (impatto, modulo elasti- Un altro fattore interessante nell'utilizzo dei nanocom- causa della forte interazione di van der Waals (vdW). So- catori e operatori industriali. Nei prossimi anni i liquidi co, resistenza a fatica), anche mediante l’utilizzo di positi contenenti strati di silicato è l’assenza di compro- spensioni acquose di SWCNTs, sostanzialmente disaggre- ionici giocheranno un ruolo chiave sia come compatibi- polimeri termoplastici o gomme naturali (nell’ottica messi tra le diverse proprietà. Questo aspetto li rende gate, possono essere preparate attraverso un’ampia fun- lizzante per diversi fi ller (es. le nanoargille, i nanotubi di del riciclo a fi ne vita); unici soprattutto rispetto ai convenzionali micro-fi ller, zionalizzazione chimica, ma questa tecnica compromette carbonio, il grafene, ecc.) sia come ''solventi verdi'' nelle • sistemi nancompositi antifi amma basati su grafene dove spesso un miglioramento della rigidità è raggiunto le prestazioni elettriche a causa dell’elevato degrado diverse strategie di lavorazione (ad esempio solventi per e CNT o nanowiskers di cellulosa (riduzione del a scapito di una signifi cativa diminuzione della tenacità strutturale delle cariche. L’esfoliazione con ultrasuoni processi con materiali termoplastici, lavorazioni reattive, picco HRR - Heat Release Rate); e/o proprietà di allungamento, ed è di grande interesse e ultracentrifugazione, supportata da opportuni agenti electrospinning, ecc.). • sistemi barriera all’umidità e ai gas (ad esempio in quanto i nanoclays funzionalizzati vengono aggiunti surfactanti è un approccio comune che non danneggia la D’altra parte, l'uso di fl uidi supercritici, ampiamente ri- l’ossigeno); in matrici poliolefi niche dove il miglioramento della pro- struttura, ma la resa fi nale è comunque bassa (meno del portato nella letteratura scientifi ca, garantisce un basso • sistemi nanocompositi multifunzionali con proprie- prietà del modulo di Young è accompagnato da migliora- 5% di resa con la maggior parte deicomuni surfactanti) e impatto ambientale nei processi di lavorazione dei nano- tà di conducibilità termica ed elettrica (la perco- te proprietà barriera. In tal modo, il rapporto costi-bene- riducela conducibilità elettrica a causa della separazione compositi a matrice termoplastica. I processi di lavora- lazione può essere raggiunta con basse quantità fi ci per le poliolefi ne in combinazione con nanoparticelle fi sica delCNT dallo strato isolante dei surfactanti. zione di ibridi organici-inorganici sono un campo di ridi grafene), schermaggio elettromagnetico (ad correttamente implementate offre enormi opportunità Vale la pena notareche la disperdibilità di un nanotubo nell'applicazione di tali nanocompositi. cerca che ha avuto un grande interesse negli ultimi anni esempio utilizzando cariche Fe2O3) o antibatteriche di carbonio è inversamente proporzionale all’aspect ratio

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del nanotubo. Mentre le proprietà meccaniche tendono per un controllo ottimale delle proprietà di questi nuovi cristallino (nel caso bulk) sono principalmente situati su guadagnato importanza come materiale nanostrutturato, a degradare con il crescere del diametro e la riduzione materiali, è molto importante ottimizzare il processo di piani basali, mentre con la riduzione di una delle tre sotto forma di nanocellulose. Questo termine copre la della lunghezza longitudinale, è stato osservato che la fabbricazione. In particolare, il miglioramento e l’appli- dimensioni spaziali a livello nano le proprietà sono de- gamma di materiali derivati dalla cellulosa con almeno capacità del nanotubo di trasmettere queste proprietà cazione di questi nanocompositi rispetto ad altri nano- terminate da piani di atomi che formano angoli e spigoli. una dimensione nel campo dei nanometri. Essa consiste alla matrice aumenta. È stato ipotizzatoche i nanotubi di materiali ibridi organici-inorganici (silice, ossidi metal- Gli atomi cosi allocati sono chimicamente altamente re- essenzialmente di nanoparticelle estratte chimicamente carbonio a parete doppia (Double Wall CNT - DWCNT) pos- lici, argille, etc.) dipendono da come effettivamente si attivi, supercatalitici e altamente polarizzabili, in con- (nanocristalli di cellulosa) o meccanicamente (nanofi - sano raggiungere un utile equilibrio tra disperdibilità e ottimizzano e si scalano i metodi di fabbricazione. Per fronto agli atomi su piani basali. brillati). miglioramento delle proprietà meccaniche ed elettriche. applicazioni specifi che, le nanoparticelle devono esse- Particolarmente interessanti sono il ferromagnetismo e Un secondo tema relativo all’implementazione di nano- re funzionalizzate superfi cialmente al fi ne di conferire il superparamagnetismo che caratterizza tutti i metalli tubi di carbonio in una matrice è la scarsa adesione in- maggiore selettività, specifi cità e reattività con le ca- (incluso i metalli diamagnetici come l’argento) determi- terfacciale. Le caratteristiche di superfi cie atomicamente tene polimeriche. Un’ulteriore area di indagine riguarda nato dalle ridotte dimensioni; il cromatismo osservato lisce e non reattive dei nanotubi di carbonio limitano la verifi ca della potenziale applicazione di queste nano- nel caso di nanoparticelle di argento, oro, rame e altri qualsiasi grado di legame interfacciale tra i nanotubi e particelle nel campo dei compositi polimerici biocompa- metalli a causa dell’assorbimento di plasmoni; la foto la matrice. Questo è mostrato nei test di rottura, in cui tibili e/o biodegradabili per applicazioni nell’ambito del e termoluminescenza; e infi ne l’attività super-catalitica. i nanotubi di carbonio sono stati estratti dal materiale packaging alimentare e del biomedicale e loro eventuali Molte di queste caratteristiche fi sico-chimiche uniche, epossidico e risultano ancora integri, limitando il loro effetti tossicologici. presenti nei metalli nanometrici rimangono inalterate effetto di rinforzo durante la prova. anche dopo l’incorporazione delle nano particelle nei Al fi ne di raggiungere un legame interfacciale tra la CNT Nanoparticelle metalliche e ceramiche polimeri (per esempio proprietà di trasporto ottiche, e la matrice, si deve creare un’interfaccia chimica che Particelle metalliche di dimensioni nanometriche hanno magnetiche, dielettriche e termiche). Quindi le nanopar- promuova il trasferimento di stress al materiale di rin- mostrato caratteristiche e proprietà interessanti che ticelle metalliche possono essere utilizzate per fornire forzo. Per produrre materiali compositi per applicazioni possono essere sfruttate per un certo numero di applica- funzionalità nuove ai polimeri ospitanti. Nei processi ex strutturali, la superfi cie dei nanotubi deve quindi essere zioni funzionali avanzate. Tuttavia, la diffi cile gestione situ, le nanoparticelle metalliche sono sintetizzate chi- funzionalizzata per creare gruppi reattivi. In defi nitiva, di queste nanoparticelle rappresenta un forte limite al micamente e le loro superfi ci sono passivate organica- per impartire le giuste proprietà ai CNT nella matrice è loro impiego. Infatti, i metalli di dimensioni nanome- mente. Le nanoparticelle cosi preparate sono disperse necessario effettuare il giusto allineamento. Molti stu- triche sono molto instabili, si aggregano rapidamente e in una soluzione di polimero o monomero liquido che 58 di hanno cercato di evidenziare le proprietà magnetiche possono essere ossidati dalla presenza di aria, umidità, viene poi polimerizzata. Per la comprensione dei mec- Figura 45: Modulo elastico vs resistenza a trazione delle nanoparticelle di 59 cellulosa rispetto ad altre classi di materiali (Fonte: engineering.purdue.edu). ed elettriche dei nanotubi di carbonio, al fi ne di creare SO2, ecc. canismi coinvolti nelle nuove proprietà dei compositi percorsi conduttivi. I metodi più comuni hanno previsto Pertanto, l’incorporamento di metalli nanoscopici in po- contenenti nanostrutture metalliche, la loro caratterizza- I materiali a base di nanocellulosa sono a emissioni zero, l’allineamento dei CNT, tramite la presenza di correnti limeri offre una valida soluzione ai problemi di manipolazione rappresenta un aspetto fondamentale. La maggior sostenibili, riciclabili e non tossici. Per questo sono de- elettriche o magnetiche, mentre le cariche sono sospese zione e di stabilizzazione. Inoltre, poiché i metalli subi- parte dei cluster metallici sono caratterizzati dalla riso- nominati nanomateriali “green”. in un mezzo viscoso. Di particolare interesse può essere scono notevoli cambiamenti di proprietà con la riduzione nanza plasmonica di superfi cie, che è una oscillazione Una caratteristica importante dei nanocristalli di cel- l’applicazione di correnti elettriche durante il trattamen- delle loro dimensioni, la loro incorporazione in compositi degli elettroni di plasma superfi ciali indotte dal campo lulosa è la loro elevata rigidità e morfologia allungata to, in modo tale da aumentare la viscosità del materiale. polimerici genera nuove funzionalità. Le nuove proprietà elettromagnetico; di conseguenza, la loro microstruttura (Figura 45). Tuttavia, le proprietà dei nanocompositi In questo modo, i CNTs migreranno verso l’anodo e cre- osservate nei metalli di dimensioni nanometriche (metal- può essere indirettamente indagato dalla spettroscopia polimerici rinforzati con nanocristalli di cellulosa sono sceranno verso il catodo, bloccando la posizione all’au- li mesoscopiche) sono determinate da effetti quantistici ottica (UV-vis spettroscopia). Negli ultimi decenni nel- governate principalmente dalla possibilità di forti inte- mentare del grado di polimerizzazione del materiale. Al- (come il confi namento elettronico e gli effetti di super- la letteratura scientifi ca è stata riportata la produzione razioni interparticellari attraverso legami idrogeno, che tre tecniche considerano la deformazione meccanica dei fi cie). Queste proprietà sono dipendenti dalle dimensioni di nanoparticelle di praticamente tutti i tipi di metalli, sono esasperati dall’effetto nano-scala derivante dalle networks termoplastici e l’infusione di resina epossidica e possono essere ottimizzate semplicemente cambiando ma i metalli più diffusi applicati nei nanocompositi po- loro dimensioni. La sfi da consiste quindi nel promuove- nei networks di nanotubi pre-allineati. la dimensione delle nanoparticelle. Effetti di superfi cie limerici sono l’argento, l’oro, il platino, il ferro, il rame, re la dispersione omogenea delle nanoparticelle cellulo- I risultati preliminari dimostrano l’esistenza di effetti si- diventano predominanti perché con la riduzione di alme- ecc, mentre le principali funzionalità sviluppate per na- siche evitando l’agglomerazione durante il processo di nergici quando lo stesso fi ller si presenta nelle due tipo- no una delle tre dimensione spaziali, la materia risulta nocompositi a matrice polimerica sono la conduttività, lavorazione, così da promuovere interazioni nanofi ller/ logie, micro- e nano-scala, in particolare nel migliorare sempre più costituita di atomi superfi ciali piuttosto di l’azione antibatterica, le proprietà magnetiche, l’azione matrice e allo stesso tempo promuovere le interazioni la rigidità, la resistenza, la conducibilità termica, la sta- quelli interni. catalitica, etc. fi ller/fi ller per consentire la formazione di un network bilità termica, l’infi ammabilità e la resistenza all’usura Come risultato, le proprietà della materia passano lenta- percolativo di nanoparticelle. Questi due requisiti sono di materiali compositi termoplastici. Nanocompositi CNT mente da quelle determinate dalle caratteristiche degli Nanocellulosa opposti per cui è necessaria un'approfondita attività di hanno una vasta gamma di potenziali applicazioni che atomi interni a quelli presenti sulla superfi ce. Inoltre, C’è stato un grande interesse per l’uso della biomassa ricerca, per la produzione di nanocellulosa su larga scala. vanno dalla medicina all’aerospazio, all’automobilistica la natura della superfi cie di un oggetto di dimensioni come fonte di energia rinnovabile e materiale per la com- ed elettronica. Alcune di queste applicazioni sono an- nanometriche differisce signifi cativamente da quella di ponentistica. Pur essendo il polimero naturale più dispo- cora in una fase iniziale di ricerca e sviluppo. Tuttavia, un oggetto massiccio. Atomi sulla superfi cie di un solido nibile sulla terra, è solo di recente che la cellulosa ha

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Grafene 6.4 SCENARIO ne del mercato degli imballaggi nel mercato globale dei nocompositi polimerici in termini di ricavi nel 2014 ed Attualmente il grafene viene utilizzato sottoforma di due nanocompositi. il mercato orientale è destinato a crescere con un CAGR classi di materiale: grafene monolayer puro (prodotto Mercato globale dei nanocompositi poli− Inoltre i nanocompositi sono largamente utilizzati nell’e- intorno al 23,8% superiore alle altre regioni geografi che con tecniche bottom-up partendo da precursori gassosi merici lettronica come elementi base per i circuiti elettronici, nel periodo 2015-2020. contenenti carbonio) e grafene nanoplatelets (prodotti Nel mercato dei nanocompositi polimerici, per il 2020 con tecnica top-down partendo da grafi te). I nanocom- è atteso un fatturato superiore ai 5.100 milioni, con un positi polimerici sono ottenuti principalmente utilizzan- CAGR signifi cativo nel periodo 2014-2020 (Figura 46). do la seconda tipologia di grafene (la cui produzione è meno costosa) e mostrano un trend in crescita sia negli Per quanto riguarda l’applicazione dei nanocompositi po- sviluppi tecnologici, sia nelle applicazioni industriali. limerici nei diversi settori industriali, si riporta di segui- Tuttavia, alcune sfi de chiave devono essere affrontate e to un’analisi di alcuni settori. risolte per realizzare appieno il potenziale di questa classe di nanocompositi, in particolare per quanto riguarda i Il mercato dei nanocompositi polimerici: metodi di sintesi, i costi dei processi e dei materiali e le analisi settori industriali applicazioni industriali. Ad esempio, se si considerano i L’automotive, l’elettronica, l’energia, la plastica e gli metodi di sintesi fi sici come la sonicazione, l’esfoliazione imballaggi sono i principali settori industriali in cui i e la scissione dell’ossido di grafene, il prodotto risultante nanocompositi polimerici sono impiegati per numerose può avere un ridotto aspect ratio, che può drasticamente applicazioni (Figura 74). Il settore automobilistico uti- degradare la proprietà di rinforzo, i legami e le proprie- lizza già i nanocompositi nella fabbricazione di molti tà termiche ed elettriche sia del grafene sia dei relativi componenti come il parabrezza, i pannelli porta, i corpi nanocompositi. Si prevede che, entro il 2020, il mercato proiettore e gli specchi retrovisore, le coperture nel model grafene aumenterà il CAGR del 60%. Questa notevole tore, ed altri ancora. crescita sta già impattando i settori di ricerca e sviluppo La domanda di componenti automobilistici sempre più in tutto il mondo. leggeri ha dato un ulteriore vantaggio ai nanocompositi Negli ultimi anni c’è stato un signifi cativo incremento polimerici per le loro proprietà meccaniche alto resisten- 60 della produzione su scala industriale di ossido di grafene, ziali ottenute con pesi inferiori rispetto ai tradizionali 61 e analogamente, di platelets di grafene (PNL) che hanno materiali come l’acciaio. L'utilizzo dei nanocompositi ottenuto un interesse come nanocariche per lo sviluppo polimerici permette all’industria automobilistica la ridi nanocompositi. La grafi te è relativamente convenien- duzione di peso di molti componenti e quindi del peso

te, è disponibile in abbondanza in tutto il mondo, ed complessivo del veicolo, raggiungendo una migliore ef- Figura 47: Quote di mercato dei nanocompositi in carico agli end-users industriali, 2013 & 2019 (Fonte: MarketsandMarkets). è la principale fonte (precursore) per la produzione di fi cienza del motore, una riduzione delle emissioni di CO2 grafene e di nanofi ller di grafene. Ciò è dovuto alle affi - e prestazioni superiori. Nel prossimo quinquennio l'in- nità dell’ossido di grafene e suoi derivati con la matrice dustria automobilistica può benefi ciare dell’utilizzo dei in particolare come superfi ci conduttive e applicazioni L’area geografi ca Asia-Pacifi co è il consumatore principa- polimerica, con conseguente incremento delle forze di nanocompositi polimerici in diverse nuove applicazioni high-end nel campo dell'elettronica e dei semicondutto- le di nanocompositi polimerici, seguita a livello globale interazione. Questo ha reso il grafene un nanofi ller pro- come nel motopropulsore, nel sistema sospensione e nei ri. Nel segmento energia, i nanocompositi trovano nume- dall'Europa. Nel 2014 l’Europa e l’Asia-Pacifi co insieme mettente ed in concorrenza con i nanotubi di carbonio. freni, nei sistemi di scarico e catalizzatori, nella lubrifi - rose applicazioni, come ad esempio nelle pale eoliche per hanno rappresentato più del 60% del mercato dei nano- cazione, nei pneumatici e parti di carrozzeria. la generazione di energia elettrica. compositi polimerici in termini di ricavi nel settore del I materiali nanocompositi a base di nanoar- L’automotive, l'imballaggio e l'elettronica sono stati i packaging. Il consolidamento dell’industria del packa- gille e di nanosilicati, per le loro proprietà principali settori di applicazione di nanocompositi a li- ging e il ruolo crescente dell’industria automobilistica e meccaniche e di barriera, la disponibilità a vello mondiale nel 2013, con il 51,4%, 22,5% e il1 3,8% dell’aerospaziale hanno contribuito alla posizione leader basso costo delle nanocariche e della loro del mercato. Entro il 2019, le quote di alcuni di questi della regione Asia-Pacifi co nel mercato globale. Inoltre semplice lavorabilità, hanno da subito at- settori dovrebbero leggermente cambiare, per l’ingresso i mercati della componentistica elettrica ed elettroni- tratto l’industria del packaging. Oggi l’indu- o il consolidamento di altri settori industriali (aerospa- ca nell’area dell’Asia orientale guidano il mercato delle stria del packaging rappresenta il secondo zio, tessile, ecc.) nella Figura 47 rappresentati dalla voce applicazioni dei nanocompositi. Nel periodo 2015-2022 mercato dei nano compositi. Lo sviluppo di Others. è previsto che la regione Asia-Pacifi co avrà la crescita materiali bio-polimerici naturali (polipropi- più rapida e consoliderà la sua posizione di leader del lene, cellulosa, ecc.) caricati con nanoargil- Il mercato dei nanocompositi polimerici: mercato entro il 2020, con lo sviluppo di nuove aree di le o nanosilicati, materiali biodegradabili o analisi per aree geografiche applicazione nel mercato elettrico e l'elettronica e auto- riciclabili, rafforzeranno in futuro la posizio- La regione Asia-Pacifi co ha dominato il mercato dei na- motive.

Figura 46: Il mercato dei materiali nanocompositi polimerici durante il periodo 2015-2020 (Fonte: MarketsandMarkets).

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circostanze.2 America 7 COMPOSITI POLIMERICI CON Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac MIGLIORATA RESISTENZA Il fuoco è storicamente considerato una problematica AL FUOCO sociale se associato al rischio di incendio. In età moder- FCC (CN) na, il rischio incendio è stato leggermente ridotto: oggi, Nanoargille Laviosa BYK (DE) 7.1 INTRODUZIONE Ube Industries (J) infatti, raramente si osservano gravi incendi in casa e I polimeri sono ampiamente utilizzati in svariate appli- molti di essi sono facilmente controllabili in quanto do- cazioni. Tuttavia, essendo infi ammabili in aria o ossige- Arkema (CDN) vuti a piccoli elettrodomestici (ad es. forni). Inoltre, nei Nanocyl (B) Hyperion Catalysis Nanotubi CNano (CN) no, come la maggior parte degli altri composti organici, Arkema (F) International (USA) luoghi pubblici ci sono i rivelatori di fumo, i segnali di In carbonio Showa Denko (J) il loro utilizzo può essere fortemente limitato. Infatti, Bayer (DE) OCSIAL (USA) uscita, gli sprinkler e molti altri sistemi di controllo an- se da un lato, rispetto ai materiali convenzionali, i ma- tincendio. Dunque, il fuoco in epoca moderna, ne deriva Eprui Nanoparticles & teriali polimerici sono più leggeri e presentano migliori Nanoparticelle American Elements (USA) che il fuoco come problema sociale è in calo, ma ciò Microspheres Co (CN) performance meccaniche, allo stesso tempo, rispetto ai Metalliche & Inframat (USA) è dovuto, principalmente, all’accresciuta consapevolez- ceramiche Nabond Technologies Co (CN) metalli o ai ceramici, presentano un rischio di incendio za del pericolo e del rischio di incendio e quindi della maggiore e di possibile rilascio di prodotti tossici. Come necessità di ritardo alla fi amma dei materiali promossa conseguenza di ciò, sono state sviluppate negli anni al- dagli esperti che si occupano quotidianamente di sicu- Nanocellulosa CelluForce (F) American Process (USA) Nippon Paper Group (J) cune specie chimiche (ritardanti di fi amma), allo scopo rezza antincendio. di limitare il rischio di incendio dei materiali compositi Il pericolo d’incendio è defi nito come la capacità di un di natura polimerica, attraverso l’inibizione dell'accensio- Graphenea (E) Applied Graphene Materials plc (USA) materiale di contribuire al fuoco di un incendio, che po- Haydale Limited (GB) Applied Nanotech,Inc (USA) ne e/o la riduzione della velocità di propagazione della Grafene Directa Plus XFNANO (CN) trebbe andare fuori controllo e causare danni.3 I mate- Advanced Graphene Grafoid (CDN) fi amma. L'uso di ritardanti di fi amma ha subito nel tempo Products Sp (PL) Graphene Frontiers (US) riali polimerici moderni si inseriscono nella vasta classe una signifi cativa evoluzione; recentemente, a causa di Il mercato geografico (fonte businesswire.com) è frammentato, ed è dominato dal Giappone laddove sono presenti grandi aziende chimiche, come Kuraray Co, Showa Denko, Ube di materiali infi ammabili a base di carbonio ed, in alcu- Industries, ecc.. La maggior parte dei produttori internazionali di nanocompositi ha collaborazioni a livello locale, con strutture per produzioni di nicchia. La nuove dinamiche problemi ambientali relativi all'utilizzo di alcuni tipi di di mercato dei nanocompositi (bassi margini, alti rischi e spese operative più alte) stanno ponendo una barriera indiretta all’ingresso di produttori dell’Europa e del Nord America ni casi, possono essere più infi ammabili dei materiali a nei mercati asiatici. L’applicazione commerciale e le economie di scala nei prossimi 3-5 anni condurranno a fusioni ed acquisizioni, e ad investimenti strategici da parte di ritardanti di fi amma (alogenati) ad elevate prestazioni, produttori americani ed europei in Cina, Singapore e Corea del Sud. I produttori di nanocompositi si stanno concentrando sullo sviluppo di nuovi prodotti (Showa Denko, Kuraray base naturale come il legno e cotone. Co etc), ed i produttori di nanotubi (Nanocyl) stanno nettamente diversificando la loro impronta nel mercato regionale (anche in Corea del Sud) in virtù della commercializzazione diversi paesi hanno preso coscienza della problematica delle tecnologie e la razionalizzazione dei prezzi, unitamente a collaborazioni strategiche con produttori internazionali di nanocompositi (Bayer) che sono dotati di competenze Il rischio incendio, invece, è defi nito come la capacità scientifiche (anche accademiche) per migliorare i prodotti e accrescere la produttività di applicazioni industriali nel lungo periodo. stimolando sempre più i ricercatori alla progettazione di di un materiale di prendere fuoco in una situazione par- prodotti maggiormente rispettosi dell'ambiente. 62 ticolare.4 Un metodo per minimizzare il rischio incendio 63 Esistono diversi metodi per analizzare il comportamento è provare ad evitare o ritardare l’accensione del materia- al fuoco di compositi: la misura del contributo in termini le ed abbassare la velocità di rilascio di calore quando l’accensione si è verifi cata. In particolare, i ritardanti di fi amma possono migliorare il comportamento in termini di reazione al fuoco delle materie plastiche. La combustione dei polimeri è dovuta alla decomposizione indotta termicamente (pirolisi) del polimero solido in frammenti più piccoli, che volatilizzano e, una volta me- scolati con l’ossigeno, bruciano. La combustione rilascia calore che, a sua volta, si irradia nella parte del mate- Figura 48: Alcune strumentazioni utilizzate nello studio del comportamento al fuoco dei materiali. riale incombusta: proseguono, così, i processi di pirolisi e combustione fi no a che la mancanza di calore/combu- di rilascio del calore del materiale in un possibile scena- stibile/ossigeno provoca l’estinzione del fuoco. Questa rio di incendio, la densità di fumo e la tossicità dei gas spiegazione è estremamente semplifi cata ma valida per emessi durante la combustione del materiale (al fi ne di quasi tutti i materiali polimerici. I polimeri termoplastici determinare il tempo disponibile per mettersi in salvo), hanno la tendenza a gocciolare e fl uire sotto l’effetto la propagazione della fi amma ed, infi ne, la capacità di un della fi amma, e, tale meccanismo, può portare a ulteriori materiale di trasmettere il calore. meccanismi di diffusione o propagazione della fi amma. I polimeri termoindurenti, invece, non hanno la tendenza 7.2 LO STATO ATTUALE a gocciolare, ma producono gas dalla pirolisi della super- La strategia di ritardo alla fi amma è adottata per fornire fi cie del campione in fase condensata. I processi chimi- protezione antincendio ai beni di consumo infi ammabili, co-fi sici che si verifi cano durante la decomposizione e nonché per mitigare lo sviluppo dell’incendio in svariate la combustione del polimero sono dettati dalla struttura

2 Morgan AB, Gilman JW. Fire and materials , 2013; 37: 259-279 3 NFPA 550 - Fire safety Concepts Tree. National Fire Protection Association: Quincy, MA, 2012 4 Di Nenno PJ, Drysdale DD, Bayler CL, Walton WD, Custer RLP, Hall JR, Watts JM. Society for ﬁ re protection Engineering Handbook. National Fire Protection I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 Association: Quincy, MA, 2008 compositi polimerici con migliorata resistenza al fuoco

chimica del polimero che brucia. In particolare, lo stu- dell'intero prodotto. Tuttavia, questo approccio, di facile mente melamminico e melamminico derivati ad del materiale e della temperatura in senso quantitativo, dio della chimica di decomposizione dei polimeri è molto implementazione, allo stesso modo può essere facilmen- esempio melammina cianurato, melamina polifo- in modo da ottenere informazioni maggiormente detta- importante per affrontare il rischio incendio mediante un te aggirato e, spesso, prevede l’utilizzo di sistemi di pro- sfato). Sono spesso utilizzati in combinazione con gliate sulla realizzazione di materiali futuri. La decom- approccio di ritardo alla fi amma. tezione che aumentano il peso fi nale delle strutture. ritardanti di fi amma a base di fosforo per migliorare posizione termica dei materiali sottoposti alla fi amma è Un approccio semplicistico utilizzato per studiare la de- Un altro approccio per affrontare la sicurezza antincendio l’effetto di ritardo alla fi amma; un argomento complesso che coinvolge effetti combinati composizione chimica di un polimero in relazione al ri- dei materiali polimerici in una vasta gamma di scenari di • altri prodotti chimici: utilizzo di fi bre sintetiche, di processi fi sici, termici e chimici. La comprensione di rischio di incendio è legato all'utilizzo di polimeri a bas- introduzione di nanoparticelle (argilla, nanotubi di questi processi e come interagiscono tra loro è essenziale so rilascio di calore quali poliammide (PI), polibenzossa- carbonio, silsesquiossani poliedrici-POSS, grafene), per comprendere la reazione al fuoco dei materiali com- zolo (PBO), polibenzimmidazolo (PBI) epolibenzotiazoli biomacromolecole e deposizione di (nano)-rivesti- positi. Modelli analitici ed agli elementi fi niti sono stati (PBZT). Questa metodologia di protezione antincendio è menti su substrati compositi. sviluppati per predire la risposta di materiali compositi piuttosto affi dabile ma tali polimeri, a bassa infi amma- I meccanismi di azione antifi amma dei ritardanti di a temperatura elevata ed in condizione di incendio. In bilità, sono a costo elevato e, quindi, il loro utilizzo è fi amma possono essere generalmente di tre tipolo- particolare, la possibilità di modellare accuratamente la limitato per ragioni economiche. gie: ritardo della fi amma in fase gassosa, ritardanti di risposta fuoco dei compositi ha diversi vantaggi impor- La terza opzione, ovvero l’utilizzo di additivi ritardanti di fi amma endotermici e ritardanti di fi amma che formano tanti. In primo luogo, i modelli possono essere utilizzati fi amma, è l'approccio maggiormente utilizzato. La ragio- residuo carbonioso (“char”). I ritardanti di fi amma pos- per valutare rapidamente la resistenza al fuoco ed indi- ne per cui questa è la soluzione più utilizzata è da ricer- sono essere classifi cati come segue: rizzare la progettazione di strutture composite innova- Figura 49: Diagramma schematico della decomposizione e combustione di un polimero. • ritardanti di fi amma in fase gas (es. alogeni, fosfo- tive. In secondo luogo, i modelli riducono la necessità ro, azoto): tali materiali riducono il calore liberato di condurre prove al fuoco costose, ed infi ne, possono schio incendio è quello di osservare la struttura chimica nella fase gassosa dalla combustione eliminando i essere utilizzati per comprendere ulteriormente il com- delle unità ripetitive del polimero e comprenderne il po- radicali liberi reattivi; portamento al fuoco di compositi polimerici tradizionali tenziale rilascio di calore. Uno studio condotto presso la • ritardanti di fi amma endotermici (es. idrossidi e nello sviluppo di nuovi materiali6. I benefi ci della mo- “Federal Aviation Administration” (FAA)5 ha evidenziato metallici, carbonati): questi materiali agiscono dellazione sono quindi signifi cativi, ma, ad ogni modo, che i materiali altamente alifatici (polimeri con legami in fase gassosa e fase condensata rilasciando gas la necessità di combinare l’analisi teorica con le prove di carbonio sp3) hanno un maggiore potenziale di rilascio Figura 50: Polimeri intrinsecamente a bassa infi ammabilità. sperimentali risulta essere essenziale per ottenere una non infi ammabili (H2O, CO2), che hanno l’effetto del calore rispetto ai materiali con carattere aromatico di diluire i gas che partecipano alla combustione comprensione dettagliata della risposta termica e del 64 (legami sp2). Tuttavia, la classifi cazione del rischio in- care nel costo mediamente basso e nella relativa facilità e raffreddare il polimero. La temperatura più bassa comportamento al fuoco dei materiali compositi. 65 cendio mediante l’esclusivo studio della struttura chimi- di integrare questa tecnologia in un polimero grazie alla del substrato polimerico rallenta la velocità di ca dei materiali può essere riduttiva e trascurare feno- vasta conoscenza sull’argomento. pirolisi. I ritardanti, inoltre, rilasciano un residuo 7.3 LE NUOVE TENDENZE meni come il rilascio del fumo, la tendenza a gocciolare Negli ultimi 30 anni, la maggior parte dei ritardanti di simile ad un materiale ceramico, che protegge il La sezione precedente ha consentito di defi nire l’attuale del materiale mentre brucia, il rilascio di gas corrosivi e fi amma ad alte prestazioni quali alogenati o a base di polimero sottostante; tecnologia di ritardo alla fi amma, mentre questa sezione tossici che risultano altresì importanti nella valutazione formaldeide sono stati vietati o limitati dall’utilizzo com- • ritardanti di fi amma che formano residuo carboniosi concentra sulle possibili nuove tendenze del ritardo del rischio di incendio. In base a quanto affermato, ai merciale per motivi ambientali e sanitari. I ritardanti di so “char” (es. intumescenti, nanocompositi): questi alla fi amma in termini di additivazione ai materiali, sofi ni della protezione antincendio, bisogna considerare fi amma privi di alogeni coprono oggi una varietà di pro- materiali operano in fase condensata, impedendo luzioni ingegneristiche, e bassa infi ammabilità intrinseca tutti gli aspetti della combustione del polimero: velocità dotti chimici comunemente classifi cati come: il rilascio di combustibile attraverso la formazione dei materiali. In particolare, ci sono tre forze trainanti di rilascio di calore e di fumo, integrità meccanica in • inorganici: questa categoria comprende principal- di carbonio non pirolizzabile (“char”) che assicura che possono mutare il concetto di ritardo alla fi amma caso di incendio, e comportamento del polimero in un mente idrossidi metallici come idrossido di allumi- isolamento termico sulla superfi cie del polimero. come inteso oggigiorno, ovvero: nuova chimica di ritardo particolare scenario di rischio di incendio. Esistono tre nio e idrossido di magnesio; Mentre la ricerca sperimentale fornisce informazioni alla fi amma per materie plastiche e compositi, le modifi - possibili approcci che consentono di defi nire la strate- • ritardanti di fi amma a base fosforo: includono qualitative per comprendere i meccanismi di ritardo alla che normative associate alle prove al fuoco ed i requisiti gia per ritardare o proteggere i materiali polimerici dalla fosfati, fosfonati e fosfi nati organici e inorganici, di sostenibilità. fi amma: approccio ingegneristico, utilizzo di polimeri in- così come il fosforo rosso, coprendo così una vasta trinsecamente a bassa infi ammabilità e, infi ne, utilizzo gamma di composti di fosforo con diversi stati di Nuova tecnologia di ritardo alla fiamma di ritardanti alla fi amma. ossidazione. Inoltre, recentemente, vi è un crescen- Nuove soluzioni ritardanti di fi amma sono costantemente Il primo approccio, sicurezza antincendio mediante un te interesse verso sistemi intumescenti che possono introdotte nel mercato mentre altre vengono accantona- approccio ingegneristico, è uno dei più economici da sviluppare un residuo carbonioso (“char”) espanso te, per diversi motivi, soprattutto di natura ambientale. implementare. Si basa su una soluzione che consente l’e- sulla superfi cie dei materiali polimerici durante la Tuttavia, vi è una varietà di sistemi chimici che funzio- Figura 51: Formazione del residuo carbonioso “char” e processo di intumescenza sclusione del polimero dallo scenario di rischio incendio combustione. La combinazione di ammonio polifo- (ovvero rigonfi amento del residuo carbonioso) (Fonte: http://polymer-additives. nano come alternativa ai sistemi alogenati. attraverso una protezione passiva dal fuoco (ovvero uti- sfato, dipentaeritritolo , e melammina è il sistema specialchem.com). Una possibile nuova area di sviluppo di sistemi di ritar- lizzando materiali posti a protezione di elementi struttu- ignifugo intumescente più utilizzato; fi amma dei vari tipi di sistemi ritardanti, alcuni modelli do alla fi amma può essere rappresentata dalla catalisi rali) o cambiando completamente la modalità di utilizzo • ritardanti di fi amma a base di azoto: sono tipica- numerici sono in grado di prevedere, invece, l’evoluzione chimica. Alcuni metalli di transizione a temperature ele-

5 Lyon RE, Takemori MT, Safronava N, Stolariov SI, Walters RN. Polymer 2009; 6 A.P. Mouritz, A.G. Gibson, Fire properties of polymer composite materials. 50: 2608-2617 Springer, 2006

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vate possono formare legami carbonio/carbonio stabili sviluppato, che si basa sull’estrazione e purifi cazione del fornire sicurezza antincendio passiva ad un materiale po- riciclo dei materiali ritardati alla fi amma è rappresentata termicamente e quindi l’utilizzo del catalizzatore può DNA dal salmone. Al momento, comunque, tali bioma- limerico. Queste sostanze chimiche sono progettate per dal fatto che gli additivi aggiunti al polimero tipicamen- provocare la reticolazione del polimero e formare “char” cromolecole sono state applicate esclusivamente ai tes- fornire resistenza alla fi amma ad un particolare polimero te non sono legati chimicamente al polimero stesso, ne termicamente più stabile. suti mediante un processo di impregnazione/aspirazione in un particolare scenario di rischio di incendio, e la loro consegue la libertà a diffondere durante le fasi di tritu- Un’altra area di sviluppo può essere rappresentata dall’u- (che rappresenta un tipico processo di lavorazione dei effi cacia è determinata da specifi che prove regolamen- razione o fusione. In particolare, se gli additivi diffon- tilizzo di precursori ceramica/vetro, che fondono in con- tessuti) o attraverso il metodo layer-by-layer, partendo tate. Molte delle prove sono del tipo “passa/non-passa” dono all’esterno del polimero, l’impatto ambientale dei dizioni di incendio per formare uno schermo protettivo di da soluzioni/sospensioni acquosee quindi sfruttando una progettate per simulare uno scenario di incendio specifi - ritardanti di fi amma deve essere considerato. Un modo ceramica/vetro sulla parte superiore del polimero. Poiché tecnologia signifi cativamente eco-compatibile. co. I nuovi orizzonti della ricerca sono indirizzati, invece, per affrontare la problematica relativa alla diffusione dei vetro e ceramica sono già nel loro stato di ossidazione Il meccanismo attraverso cui queste macromolecole sono a considerare l'infi ammabilità intrinseca di un materiale ritardanti di fi amma dal polimero a fi ne vita, quindi, è più elevato, non possono essere combusti ulteriormente in grado di conferire ai tessuti proprietà ignifughe è an- piuttosto che il comportamento in una prova specifi ca. garantire il legame chimico tra l’additivo ed il polimero e così sono in grado di fornire un adeguato livello di cora oggetto di indagine. Tuttavia, l'effi cacia antifi amma Alla luce di questa nuova visione del ritardo alla fi amma, piuttosto che la semplice miscelazione meccanica. Alla protezione ai materiali polimerici. La chiave per rendere di queste macromolecole eco-compatibil isembraessere possibili modifi che saranno apportate alle prove normate luce di questa considerazione, in futuro sono attesi no- questa tecnologia applicabile è riuscire a fondere con- attribuibile alla loro composizione chimica che, in se- ponendo quindi la centralità sull’infi ammabilità intrinse- tevoli sviluppi nella realizzazione di ritardanti di fi amma temporaneamente tali precursori inorganici a tempera- guito a riscaldamento o esposizione ad una fi amma, fa- ca dei materiali. Piuttosto che semplicemente rispondere reattivi. tura relativamente bassa (<400°C) in modo da essere in vorisce la formazione di un residuo carbonioso stabile e positivamente alle prove di tipo “passa/non-passa”, i Tuttavia, l'impiego di additivi nei polimeri, nonostante le grado di proteggere il polimero prima che lo stesso subi- protettivo, che limital o scambio di ossigeno e prodotti materiali compositi polimerici dovranno anche conferma- modifi che normative in materia ambientale, non può es- sca decomposizione termica vigorosa. volatili combustibili migliorando la resistenza alla fi am- re buone caratteristiche sotto l’azione di differenti fonti sere completamente bandito, anche perché alcune attivi- Un’altra tecnologia può essere rappresentata dall’ulterio- ma dei prodotti. di calore, ovvero, bassa infi ammabilità e scarsa predispo- tà (es. colorare i prodotti) non possono essere facilmente re sviluppo di ritardanti di fi amma in fase vapore. At- In particolare, il DNA mostra un comportamento unico sizione a contribuire allo sviluppo dell’incendio. realizzate senza l'utilizzo di additivi. Si attendono, quin- tualmente la tecnologia è dominata dai prodotti chimici e peculiare, in quanto contiene i tre prodotti chimici Per il settore trasporti, le normative al fuoco svolgono di, a breve termine, sviluppi anche nella semplice misce- alogenati, ma altri elementi hanno mostrato una buona principali di una formulazione intumescente nella stessa un ruolo importante nello sviluppo di materiali, e scenari lazione meccanica dei ritardanti di fi amma al polimero predisposizione all’attività ritardante di fi amma in fase molecola. L’intumescenza è il risultato di una combina- di incendio possono differire ampiamente a seconda del in modo da ottenere strutture (es. ritardanti di fi amma vapore, ovvero il fosforo, e alcuni metalli (stagno, ferro, zione di carbonizzazione e rigonfi amento che avviene settore applicativo. In alcuni settori, il tempo necessa- completamente miscibiliconil polimero, ritardanti di- manganese). Ad ogni modo, gli alogeni tendono ormai sulla superfi cie del polimero sottoposto a combustione rio alla fuga può essere breve mentre in altre più lungo. fi ammaincapsulati) tali che il ritardante di fi amma abbia ad essere sostituiti ed anche l’utilizzo del fosforo è li- e che protegge il materiale sottostante dall'azione del Queste differenze si rifl ettono nelle normative al fuoco. meno probabilità di diffondere dalla plastica nel tempo. 66 mitato, per cui le scelte di ritardanti di fi amma in fase calore o fi amma. L’intumescenza è considerata l'approc- Nei settori in cui è necessario un tempo abbastanza lun- 67 vapore disponibili sono molto scarse dal momento che cio più effi ciente in alternativa ai ritardanti di fi amma a go per mettersi in salvo, per esempio aerei e metropo- 7.4 SCENARIO anche quelli a base di metalli sono solo in via di sviluppo base di alogeni, in quanto è in grado di interrompere la litane, i requisiti relativi all’accensione e formazione di Il mercato dei ritardanti di fi amma non alogenati si pre- e ad oggi rappresentano esclusivamente una curiosità di combustione auto-sostenuta di un materiale polimerico. fumo sono molto stringenti, mentre nelle automobili i vede raggiunga globalmente i 2,01 milioni di tonnella- laboratorio. D’altro canto l’eliminazione completa di un Nel caso del DNA, i gruppi fosfato sono in grado di pro- requisiti sono molto più blandi. Ad ogni modo, le prove te entro il 2020, crescendo ad una velocità annuale del meccanismo di ritardo alla fi amma (ovvero in fase va- durre acido fosforico, gli anelli desossiribosio agiscono al fuoco possono solo simulare lo scenario di rischio di 7,3% 2014-2020 (fonte Radiant Insights,Inc). pore) sarebbe fortemente limitante per cui l’importanza come fonte di carbonio e agenti rigonfi anti (durante ilr incendio e non prevedere le prestazioni dei materiali in Le stringenti norme da parte degli organismi di rego- della ricerca in questo settore è tremendamente impor- iscaldamento possono disidratarsi formando “char” e ri- caso di un incendio reale. lamentazione, REACH & WEEE in Unione Europea, l’EPA tante. lasciando acqua) e le basi contenenti azoto (guanina, e CEPA negli Stati Uniti ed in Canada, contro l’utilizzo Un approccio innovativo che può essere sviluppato è adenina, timina e citosina) possono rilasciare ammonia- Requisiti di sostenibilità dei materiali poli− di ritardanti di fi amma che provocano effetti negativi l'utilizzo di bio-macromolecole come ritardanti di fi am- ca. I tessuti di cotone trattati con il DNA hanno raggiun- merici sull’ambiente, tendono a favorire la crescita del mercato ma. Bio-macromolecole quali proteine (proteine del to eccezionali caratteristiche di auto-estinzione. La sostenibilità e l'impatto ecologico dei materiali poli- dei ritardanti di fi amma non alogenati. Tale mercato è siero, caseina, idrofobine) e l’acido desossiribonucleico Allo stato attuale, un problema inerente all’utilizzo di merici negli ultimi anni stanno infl uenzando i requisiti di favorito, inoltre, anche da altri fattori quali emissione (DNA) hanno mostrato inattese caratteristiche antifi am- biomacromolecole come ritardanti di fi amma riguarda la ricerca e di prodotto. I prodotti che contengono polimeri di fumi e rilascio del calore. L’aumento della richiesta ma quando depositati su substrati cellulosici o sintetici, possibilità di trasferire questa tecnologia in larga scala, sono molto spesso disassemblati e, ove possibile, tutti i di materiali sicuri per l’edilizia accoppiata all’aumento come il cotone, poliestere o miscele cotone-poliestere.7 il che rappresenta un punto chiave per valutare il suo polimeri appartenenti a quel prodotto sono riciclati (tri- della spesa in infrastrutture nelle economie emergenti L'utilizzo di alcune di queste macromolecole (ad es. ca- ulteriore sviluppo industriale. Tuttavia, l'elevata effi cacia turati e fusi nel caso dei polimeri termoplastici). Quando quali Brasile, India, Cina e Russia fa si che si preveda una seine e sieroproteine) come ritardanti di fi amma rappre- di questi bio-trattamenti, associati al loro impatto am- un polimero non può essere riciclato, viene inviato all’in- richiesta molto elevata nei prossimi anni di ritardanti senta un vantaggio signifi cativo in termini di riciclo dal bientale, rappresenta, in ogni caso, un nuovo percorso ceneritore per il recupero energetico. Ci possono essere di fi amma nel settore costruzioni. La richiesta cinese di momento che possono essere considerate come scarti o per lo sviluppo di materiali ignifughi nel prossimo futuro. notevoli risparmi sui costi se i polimeri a fi ne vita pos- ritardanti di fi amma non alogenati, invece, è estrema- sottoprodotti dell'industria dei formaggi e del latte; d'al- sono essere riutilizzati o produrre energia; ciò può avere mente elevata a causa del fatto che il paese ha capacità tra parte anche l’utilizzo del DNA, nonostante il costo ele- Modifiche normative associate alle prove un’infl uenza sullo sviluppo di nuovi ritardanti di fi amma di manufacturing di prodotti fi niti molto elevata, e la vato, è diventato competitivo con quello di altri prodotti al fuoco o sull’esclusione di quelli che non possono essere ricicla- sostituzione dell’acciaio con la plastica, soprattutto nei chimici, grazie al metodo in larga scala recentemente L’utilizzo dei ritardanti di fi amma è legato al problema di ti o inceneriti in modo pulito. La problematica legata al trasporti, al fi ne di migliorare l’effi cienza dei consumi di

7 Lyon RJ. Alongi, F. Bosco, F. Carosio, A. Di Blasio, G. Malucelli, Materials Today, Vol. 17, Iss. 4, Pages 152-153

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carburante e le emissioni di CO2. 8 SMART TEXTILE di rilevare e reagire alle condizioni ambientali o stimo- L’industria delle costruzioni, come detto, risulta li provenienti da fonti meccaniche, termiche, chimiche, 8.1 INTRODUZIONE essere il segmento dominante per la richiesta di elettriche o magnetiche. In base alla tipologia delle fun- L’industria europea del tessile e dell’abbigliamento ha una ritardanti di fi amma non alogenati nei prossimi zionalità gli smart textile possono essere classifi cati in lunga tradizione di leadership in termini di innovazione, anni. Infatti, normative stringenti per salute, tre categorie: stile e creatività; e, nonostante la sempre più agguer- sicurezza ed ambiente nelle industrie di costru- • Tessuti Smart Passivi: la prima generazione di tessuti rita concorrenza globale e la rilevante delocalizzazione zione stabilite da REACH, EPA e altre agenzie di intelligenti è in grado di percepire solo le condizio- della produzione verso paesi con costo del lavoro bassi, regolamentazione creeranno nuove opportunità ni ambientali o stimoli presenti nell’ambiente. Essi continua a rappresentare uno dei principali settori indu- di crescita del settore. sono defi niti Smart Textiles di tipo passivo; striali in Europa con un fatturato nel 2015 di oltre 200 Infi ne, si prevede che il settore elettrico sarà • Tessuti Smart Attivi: la seconda generazione di tes- miliardi di euro e una forza lavoro totale di 2,3 milioni di quello in cui si avrà la più rapida crescita di ri- suti è completa di attuatori e di sensori.Gli attua- impiegati. La UE rappresenta il più importante protago- chiesta di ritardanti di fi amma, con una velocità tori agiscono direttamente o da un’unità centrale di nista nel commercio mondiale: il primo nell’esportazio- di crescita annuale di oltre 7,5% dal 2014 al controllo ai segnali rilevati dai sensori. I tessuti inne di materiali tessili e il terzo nell’abbigliamento. Con 2020. La crescita del mercato sarà dovuta alla telligenti attivi possono essere a memoria di forma, un totale di oltre 170.000 imprese nell’UE allargata, di domanda di materiali sicuri per tubi e cavi elet- camaleontico, traspirante, impermeabile (idrofi la/ cui circa il 96% costituito da PMI, esso rappresenta un trici accoppiata all'aumento delle infrastruttu- non poroso), in grado di accumulare calore, termo- variegato panorama industriale, che produce una miria- re di energia elettrica nei paesi BRICS (Brasile, regolazione, assorbimento di vapore, tessuti che si de di diversi prodotti di consumo e industriali, con un Russia, India, Cina e Sudafrica). adattano alle condizioni termiche e abiti riscaldati patrimonio di conoscenze inestimabile e una notevole elettricamente; specializzazione dei processi produttivi e delle relative • TessutiUltra Smart: i tessuti ultra smart rappresenta- tecnologie. no laterza generazione ditessutiintelligenti, in grado In Europa, a differenza di altri settori industriali, l’in- dipercepire, reagiree diadattarsialle condizioni am- dustria tessile e dell’abbigliamento è leader mondiale bientalio agli stimoli presenti nell’ambiente. I tes- nell’uso di tecnologie innovative di processo e di prodot- suti ultra smart consistono sostanzialmente di una to, includendo la creazione di nuove linee di tendenze e unità, che funziona come il cervello, con capacità di altre attività “non tecnologiche” d’innovazione. Inoltre, 68 elaborazione dei dati raccolti dai dispositivi senso- 69 è importante sottolineare che anche i produttori euro- riali e di decisione e attivazione di risposte idonee. pei dei macchinari tessili sono anch’essi leader a livello Figura 52: Mercato dei ritardanti di fi amma non alogenati in Nord America La ricerca e sviluppo di tessuti smart è ormai una realtà (Fonte: Radiant Insights). mondiale, e sono riconosciuti per la loro capacità nel- ed è il risultato di una collaborazione multidisciplinare lo sviluppo di soluzioni ingegneristiche all’avanguardia. attiva tra le tecnologie e i processi di tessuti tradizionali Dal punto di vista economico il settore tessile benefi cia conaltre branche della scienzacome la scienza dei mate- di un surplus nelle esportazioni con il resto del mondo. riali, la meccanica strutturale, la tecnologia dei sensori Questo è stato possibile grazie a rapidi incrementi di pro- e attuatori, le tecnologie di elaborazione avanzata, la duttività che hanno permesso di mantenere un livello di comunicazione, l’intelligenza artifi ciale, la biologia, ecc. competitività alto, valorizzato anche da nuovi prodotti, Una delle principali ragioni del rapido sviluppo dei tes- America in particolare nel settore emergente dei tessuti smart. Materiale Area Italia Europa Nord America Mena Apac suti intelligenti è stato l’importante investimento fat- Latina Questo nuovo mercato interessa end-user dei più diversi settori industriali, tra cui mezzi di trasporto, infrastrut- to dall’industria militare. Questo perché le forze armatura stradale, bonifi ca del suolo e ambientale, ingegneria te sono spesso impegnate in scenari operativi estremi: FCA (2) Sicomin (F) DuPont (USA) Quingdao undchem edile, attrezzature sportive, abbigliamento tecnico, di- condizioni meteorologiche avverse, mimetismo in diversi Resistenza al fuoco Ferrari Lamborghini (3) Etex group(1) (B) Westex (USA) ltd. (CN) Adler Group spositivi chirurgici e medicali. ambienti naturali, difesa da sostanze tossiche/velenose, protezione da proiettili d’arma da fuoco, da fendenti di 8.2 LO STATO ATTUALE arma bianca, fuoco, armi chimiche, ecc. Un’altra cate- (1) Etex Group commercializza spray e materiali intumescenti per proteggere dal fuoco edifici e impianti industriali. Tessuti intelligenti o e-textiles sono materiali che pos- goria di applicazione di interesse militare sono i dispo-

(2) Le fibre aramidiche DuPont sono intrinsecamente resistenti alla fiamma (Kevlar® and Nomex®). Inoltre, DuPont esegue un sitivi elettronici (sistemi di comunicazione, sistemi di trattamento chimico per resistenza al fuoco di fibre e tessuti. sono reagire o adattarsi agli stimoli esterni (meccanici, navigazione, sistemi di monitoraggio parametri vitali, (3) Westex produce del tessuto resistente al fuoco (UltraSoft®, UltraSoft AC® e Indura®). elettrici, termici o chimici) o la modifi ca delle condizioni ambientali. Gli stimoli possono includere cambiamenti di generatori di energia) embedded nell’abbigliamento. Le temperatura, umidità, fonti chimiche, campi elettrici o soluzioni per il settore militare hanno trovato poi ap- magnetici, PH, o stress. plicazione in altri settori come lo sport, la medicina, i Gli smart textiles vengono defi niti cometessuti in grado mezzi di trasporto, il tempo libero e perfi no l’alta moda.

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Sono stati studiati e progettati tessuti elettronici in gra- I tessuti intelligenti e interattivi trovano le loro appli- ancora da risolvere. L’attuale dimensione del mercato dei presenti puramente passivi a componenti integrati do di cambiare il colore e la forma in risposta al movi- cazioni in diversi settori: oltre al campo militare e della tessuti intelligenti e dei tessuti interattivi è relativamen- passivi/attivi e sistemi. mento/temperatura del corpo umano. Le fi bre composite difesa, anche nel fi tness e nell’assistenza sanitaria, il te modesta; tuttavia le prospettive future sono estrema- Fibre, nuovi materiali tessili e componenti elettronici che compongono questo abbigliamento sono costituite tempo libero, abbigliamento tecnico per ambienti spe- mente favorevoli. Le principali barriere da superare per miniaturizzati rendono possibile la preparazione di tes- da più strati di polimeri (Polimeri Electro-AttiviEAPs, ciali; ogni settore industriale ha sviluppato componenti raggiungere un mercato più ampio, con prodotti ad alto suti intelligenti, al fi ne di creare abiti smart realmente come i fi lm di poliuretano), che si intrecciano con i tes- specifi ci per l’applicazione fi nale. Alcuni dei componenti valore aggiunto e campi di applicazione diversifi cati, utilizzabili. Questi vestiti vengono indossati come abiti suti elettronici in grado di sfruttare l’energia generata comunemente utilizzati per realizzare tessuti intelligenti sono le seguenti: normali, fornendo aiuto in varie situazioni in base alle direttamente dal corpo umano. Quando la temperatura sono i sensori, i circuiti, i tessuti conduttivi realizzati • le industrie tessili e dell’abbigliamento non sono an- applicazioni progettate. Nel Figura 53 viene mostrata dello strato esterno del capo di abbigliamento è scesa da fi lati metallici e componenti elettronici vari (tessili cora suffi cientemente coinvolte; la roadmap tecnologica degli smart tessile nei prossimi suffi cientemente, il fi lm di poliuretano risponde in modo attivi e passivi). • i processi di produzione e l’usabilità dei dispositivi quindici anni. che il gap d’aria tra gli strati di abbigliamento diventi Gli smart textiles, applicati anche nei sistemi di rilascio non sono stati suffi cientemente sviluppati, né testa- più ampio realizzando così un miglior isolamento ter- di farmaci (drug delivery), sono di crescente interesse ti e né certifi cati; 8.4 SCENARIO mico. Viceversa quando la temperatura esterna risale il anche in termini di ricerca negli ultimi anni. Poiché i • la comunità della ricerca è frammentata. Gli smart textile si collocano all’interno del mercato glo- fi lm di poliuretano è capace di realizzare la deformazione materiali tessili sono caratterizzati da una struttura per- C’è sicuramente bisogno di nuove norme e regolamenti bale del tessile e dell’abbigliamento, attualmente stima- inversa riducendo la distanza tra i diversi layers ripristi- meabile e da aree estese, essi sono applicati nei sistemi a livello internazionale; quindi anche di un certifi cato to in circa 1.100 miliardi di dollari. L’Unione Europea è il nando lo scambio termico con l’esterno. di somministrazione dei farmaci in- ed ex-vivo. Le ricer- comune, di enti in grado di rilasciare certifi cazioni per più grande mercato di consumo con 350 miliardi l’anno, La protezione contro le variazioni termiche permette di che in corso sono nel campo di sistemi a rilascio lento le industrie tessili del tessuto intelligente e del prototi- mentre la Cina è il principale paese esportatore con 288 migliorare le condizioni di comfort e di sicurezza dell’u- basati su tessuti contenenti ciclodestrine sulle fi bre, fi - po/dispositivo per ogni applicazione; di un protocollo di miliardi di dollari l’anno. Paesi leader come gli USA, la UE tilizzatore. bre a scambio ionico e infi ne microparticelle e microfi bre validazione comune per il rilascio del certifi cato, di un e il Giappone sono concentrati esclusivamente su prodot- Queste nuove fi bre composite sono state defi nite “smart contenenti farmaci prodotte per elettrospinning. controllo di qualità durante la produzione. Allo stesso ti con più alto valore aggiunto legati a design, marketing clothes” e potrebbero rivoluzionare l’intero mondo della L’uso di tali tessuti può aiutare in caso di pioggia, in tempo, ulteriori sforzi dovrebbero essere dedicati ai tes- moda come lo conosciamo oggi. Tessuti in grado di cam- caso di manipolazione di materiali tossici in ambienti suti intelligenti e ai moduli core per i tessuti interattivi. biare colore sono stati sviluppati a livello di ricerca e già industriali e soprattutto in ambito militare. Questioni specifi che della tecnologia ancora aperte sono: hanno iniziato a catturare l’attenzione degli stilisti. Il materiale composito più rivoluzionario, utilizzato sia in • fi bre avanzate / polimeri progettati specifi camente Lo sviluppo con successo di tecnologie all’avanguardia di campo militare sia nella vita civile, è basato sulle fi bre di per l’electronic-tessile; 70 laminazione ha portato alla realizzazione di una varie- Kevlar (aramidiche). Cinque volte più resistente dell’ac- • packaging/cablaggio (per esempio il collegamento 71 tà interessante di membrane microporose o idrofi le. Tali ciaio, il Kevlar è fatto da fi bre a base di lunghe catene tessuto-cavi elastici compatibili con soluzioni di membrane sono costituite da polimeri e la loro struttura molecolari intrecciate strettamente. Questa griglia di fi - e-tessile-Hybrid dal tessile ai componenti fi sici dei può essere realizzata con uno o più strati (fi no al 6) bre può aiutare ad assorbire e dissipare l’energia prodot- sensori; requisiti funzionali di tessuti che incorpora- secondo le proprietà desiderate. Le membrane sono suc- ta da proiettili di piccole armi da fuoco. Il kevlar è anche no componenti fi sici elettronici; cessivamente depositate su tessuti tradizionali, al fi ne di resistente alla fi amma e agli agenti chimici: è quindi un • interfaccia tessile (connettori dal tessile aggiungere nuove proprietà alle loro superfi ci. I polimeri materiale ideale per applicazioni come giubbotti antipro- all›elettronica). Figura 53: Roadmap tecnologica degli smart textile (Fonte:Frost & Sullivan Analysis). utilizzati nelle membrane possono essere di varia natura iettile, caschi e guanti di protezione. Il Kevlar per lungo Sono necessarie anche ulteriori conoscenze su temi quali quali i bio-polimeri (generalmente cellulosa) o sintetici tempo sarà in prima linea negli ambienti ostili, scenari la biofi sica per lo sviluppo di modelli di interazione pel- e distribuzione. Mentre le attività produttive sono con- come il polifl uorocarburo o i poliuretani e loro derivati. di guerra, ordine pubblico e antiterrorismo. le-sensore, aspetti di elettrochimica e proprietà chimico- centrate in paesi quali la Cina, l’India e altri paesi in via Una delle principali applicazioni delle membrane è nel Un altro settore dove gli smart materials possono giocare fi siche della pelle (età, sesso, ecc.). di sviluppo (Bangladesh, Vietnam, Pakistan, Indonesia). campo dell’abbigliamento sportivo per la fabbricazione un ruolo da protagonista è l’abbigliamento in ambienti I microsistemi potrebbero contribuire in modo signifi - Il collegamento tra i produttori e gli utenti fi nali creato di indumenti traspiranti e impermeabili. Infatti, con un ove siano presenti materiali inquinati, gas e liquidi tos- cativo a un ulteriore potenziamento dello sviluppo di dai traders provenienti da Hong Kong, Corea del Sud e semplice sistema di membrane, i tessuti sono in grado sici. Quando un lavoratore deve operare in presenza di tessuti intelligenti e di sistemi di tessuti interattivi at- Taiwan è una caratteristica unica del settore globale del di eliminare il sudore all’interfaccia dell’indumento (tra- sostanze pericolose (dai gas tossici ai materiali radioat- traverso la R&S di sistemi intelligenti e funzionali che tessile e dell’abbigliamento. spirabilità) e di costituire un ottima barriera esterna per tivi) deve essere protetto adeguatamente, ma deve anche possono essere incorporati nel tessuto o completamente Tale settore è previsto in crescita secondo le stime di l’acqua (idrorepellenza). poter operare in condizioni confortevoli. trasformati in strutture tessili, dunque: indicatori economici e considerazioni geo-economiche. Un’altra applicazione di successo delle membrane di tes- • integrazione di componenti elettronici standard nei In particolare: suti intelligenti è l’effetto Lotus, che è il risultato di una 8.3 LE NUOVE TENDENZE tessuti, tra cui interconnessione e robuste interfacce • il fatturato aumenterà con un CAGR del 5% all’anno fi nitura idrorepellente (membrane o coating) che forni- L’integrazione delle tecnologie in un prodotto tessile (percorso importante per la commercializzazione dei per raggiungere un giro di affari di 2.100 miliardi sce repellenza ai prodotti contenenti acqua e anche a realmente smart è attualmente vicino alla soglia di im- tessuti intelligenti disponibili); entro il 2025; prodotti oleosi. Il risultato è che l’indumento non può plementazione di linee pilota di produzione. Per arrivare • integrazione di dispositivi a fi bra (esempio fi bre • il tasso di crescita dei paesi sviluppati rallenterà, essere sporcato, caratteristica che non trova affi nità con alla terza generazione dei tessuti intelligenti (ultra smart piezoelettriche, transistor su fi lati) in tessuto e mentre le grandi economie emergenti come la Cina nessun tessuto attuale. textiles) diverse questioni strategiche e tecniche restano tessuto, per guidare la transizione dai componenti e l’India saranno i principali motori della crescita;

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• le produzioni per l’esportazione passeranno in parte tezione civile, l’architettura, la sanità, lo sport e fi tness, dalla Cina ad altri paesi. Bangladesh e Vietnam sono moda e spettacolo, automotive. Figura 55: Il mercato globale degli smart textile nel due dei principali destinatari di questo cambiamen- periodo 2014-2020 (Fonte: to; Quote di mercato per aree geografiche Research&Markets). • il settore globalmente attirerà investimenti per un Il mercato degli smart textiles nel Nord America si pre- valore di 350 miliardi di dollari nel periodo 2012- vede mantenga una quotai mportante a livello mondiale 2025. nel periodo di previsione 2014-2020. L’area geografi ca Su scala mondiale il mercato dell’abbigliamento nel 2012 ha generato un fatturato complessivo nel 2013 di oltre il ha raggiunto i 1.105 miliardi di dollari, pari all’1,8% del 45% del totale mondiale, probabilmente a causa crescen- PIL mondiale. Si prevede che raggiungerà i 2.110 miliar- te domanda nei segmenti di utilizzo fi nale, come il set- di nel 2025, pari a un CAGR di circa il 5% all’anno per tore dei trasporti e l’assistenza sanitaria. Il basso costo il periodo di 2012-2025. I quattro principali mercati di delle materie prime e del lavoro nei paesi asiaticicome la consumo sono la UE-27, gli USA, la Cina e il Giappone; Cina, il Giappone e l’India ha trasformato l’area geogra- con una popolazione di circa un terzo di quella mondia- fi ca in un polo produttivo di tale tecnologia a scapito della regione europea. Quindi i fornitori chiave con sede nella regione Asia-Pacifi co sono alla ricerca di opportuni- tà tecnologiche da integrare nel loro portafoglio prodotti. Si prevede che il mercato degli Smart Textiles nell’area Asia-Pacifi co sia quello con la crescita più rapida con un Figura 55 è mostrato l’andamento del mercato europeo CAGR stimato di oltre il 25% all’anno nel periodo 2013- degli smart textiles per end-use nel periodo 2012-2020. 2020. Tuttavia, l’incremento del numero di attività di Nella tabella seguente sono riportate per area geografi ca R&S per tali tessuti, fi nanziati nell’ambito dei programmi le principali aziende del settore a livello mondiale riferiti dell’UE, sta rilanciando il settore industriale europeo. In agli smart textiles.

72 Figura 54: Mercato globale del tessile e dell’abbigliamento nel periodo 2012- 73 2025 (Fonte: Global Competitiveness, Wazir Advisors).

le, questi mercati rappresentano oltre il 75% del valore globale dell’abbigliamento. La UE-27 è attualmente il più grande mercato con un valore di 350 miliardi di dollari all’anno. Tuttavia, si prevede che la Cina diventerà il più grande mercato nel 2025 con un valore di 540 miliardi di dollari pari a un CAGR del 10% all’anno nel periodo di 2012-2025. Altri grandi mercati nella graduatoria sono rappresentati dal Brasile, India, Russia, Canada e Austra- lia. Si prevede che il mercato indiano avrà il più alto tasso di crescita con un CAGR del 12% annuo e un fatturato di 200 miliardi entro il 2025: in tal modo, l’India supererà il Giappone e il Brasile e diventerà il 4° paese nella graduatoria mondiale. Gli altri paesi rappresentano circa il 44% della popolazione mondiale, ma solo il 7% del mercato globale dell’abbigliamento.

Mercato globale degli smart textiles Il mercato globale degli Smart Textiles è stato valutato in 795 milioni di dollari nel 2014 e si prevede che raggiunga i 4,72 miliardi entro il 2020, con un CAGR del 33,58% tra il 2015 e il 2020 Figura 55. I principali campi di applicazione sono la difesa, la pro-

Figura 55: Il mercato globale degli smart textile nel periodo 2014-2020 (Fonte: Research&Markets).

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renature) sono state successivamente realizzate anche versioni -8 e -9. Nel suo programma Alenia Aermacchi è parti in composito senza l’impiego appunto di pre-preg, I COMPOSITI parti strutturali, dapprima le strutture secondarie ed in incaricata del progetto e della costruzione dello stabiliz- incluso resina e fi bra, producendo delle cataste di fi bra NELL'INDUSTRIA seguito anche quelle primarie. Anche nei materiali c’è zatore orizzontale e di due sezioni di fusoliera, la 44 e “secca” (preform) che viene successivamente impregnata stato un cambiamento; le prime applicazioni dei com- la 46, rispettivamente di 8,5 e 10 metri di lunghezza e con la resina. positi erano basate sulle resine fenoliche rinforzate con 5,5 metri di diametro. Lo stabilizzatore viene realizzato Il nome della tecnica di fabbricazione dipende dagli stru- La seconda parte del foresight è dedicata alle principali fi bra di vetro; nelle applicazioni aeronautiche le matrici mediante una tecnologia basata su quella “proprietaria” menti utilizzati a dal metodo di infusione. Se si utilizza applicazioni industriali dei compositi, dall’industria ae- fenoliche sono state sostituite da quelle epossidiche che precedentemente sperimentata sullo stesso tipo di com- uno strumento (stampo) nel quale viene collocato il pre rospaziale ed aeronautica a quella automotive, dal bio- sono state a loro volta irrobustite e la fi bra di vetro è ponente per l’ATR (mono pezzo, multi-longherone senza form, e successivamente si inietta la resina, questa tec- medicale alla produzione di energia eolica, dal navale stata sostituita dalla fi bra di carbonio. centine), che dimostra la capacità di Alenia Aermacchi di nica è denominata Resin Transfer Molding (RTM). alla difesa, dalle costruzioni all’industria elettronica ad Il Boeing 787 è un caso molto interessante per quantifi - proporre soluzioni originali anche per aeroplani che sono Il ruolo dell’automazione, sia in produzione (lay-up auto- alcuni nuovi settori emergenti. Ciascuna applicazione è care la crescita nel tempo delle applicazioni dei composi- al vertice della tecnologia attuale. Le sezioni di fusoliera matizzato ATL, automated fi ber placement AFP) che nel stata esaminata in un contesto globale, tenendo conto ti aeronautici. Il 787 è un aeroplano large body simile al sono costruite mediante la tecnologia automated fi ber controllo, crescerà in futuro, così come la costruzione di dello stato attuale e delle future necessità di innovazio- Boeing 767: entrambi sono stati considerati molto avan- placement (AFP) e vengono co-cured insieme ai correnti. strutture grandi e complesse. ne fi nalizzate a produrre dei miglioramenti nei processi zati nell’impiego dei compositi. Il primo volo del 767 è Ciò consente di costruire l’intera sezione irrigidita dai L’Airbus A380, infatti, è il primo aeromobileche possa di fabbricazione e nello sviluppo dei materiali compositi avvenuto nel 1981 e la sua percentuale di struttura rea- correnti con un solo ciclo di autoclave (one shot). vantare il cassone alare centrale in composito CFRP (Car- per lo specifi co settore industriale. A conclusione di ogni lizzata in composito era del 6 %. Il primo volo del 787 è Un nuovo impianto altamente automatizzato e dedicato bon Fiber Reinforced Plastic), che rappresenta un rispar- capitolo viene riportato uno scenario economico sul mer- avvenuto alla fi ne del 2009 e la percentuale di composito proprio alla produzione delle sezioni del 787 è stato rea- mio di peso di circa 1,5 ton rispetto alle più avanzate le- cato attuale e sulle tendenze future. è circa del 50 %. lizzato a Grottaglie - Monteiasi (Taranto). Alenia Aermac- ghe in alluminio. Nell’A380 il cassone alare centrale pesa chi inoltre, produce altri componenti di fusoliera del 787 circa 8,8 ton delle quali 5,3 sono in materiale composito. 9 AERONAUTICO 9.2 LO STATO ATTUALE realizzati mediante infusione di resina. Inoltre è stato adottato un progetto in unico blocco in 9.1 INTRODUZIONE La stessa ditta è coinvolta in ambito militare nella im- CFRP per la deriva e il timone, così come per lo stabiliz- La storia dell’evoluzione dei materiali compositi è forte- Italia plementazione di parti in composito (per es. AMX ed Eu- zatore e gli elevatori. Ma la sfi da principale è costituita mente legata alla storia dell’aeronautica. Infatti le ele- La ditta leader italiana per prodotti aeronautici ad ala fi s- rofi ghter). L’ala dell’Eurofi ghter (EFA) infatti è costruita proprio dalla dimensione dei componenti. L’impennag- vate proprietà specifi che dei materiali compositi, come sa è Finmeccanica (ex Alenia Aermacchi). Una gran parte mediante giunzione polimerizzata, con rivestimento pre- gio orizzontale in CFRP è prossimo all’apertura alare del per es. il rapporto tra le caratteristiche meccaniche e la della sua storia è proprio legata all’utilizzo dei compositi cured e longheroni polimerizzati e uniti al rivestimento A320. Come per il cassone alare centrale la dimensione 74 75 densità, li rendono molto interessanti per applicazioni advanced per la realizzazione di strutture aeronautiche, durante un unico ciclo in autoclave. delle parti giustifi ca l’uso intensivo della tecnologia ATL. aeronautiche poichè una riduzione del peso degli aero- ed essa gioca quindi un ruolo primario nel settore. Inoltre, le travi del pavimento del ponte superiore e la mobili consente vantaggi in termini di carico utile e/o Per il programma ATR (a partire dal 300mo aeromobile) Europa e resto del mondo paratia pressurizzata posteriore sono in CFRP. Per questi risparmio di carburante per carico trasportato per tratta. le strutture sono state costruite con materiali compositi Le resine termoindurenti e la polimerizzazione in auto- componenti sono state utilizzate differenti tecnologie Anche i costi di produzione rappresentano un aspetto selezionati e qualifi cati da Alenia Aermacchi e median- clave hanno rappresentato i pilastri dei compositi aero- come la Resin Film Infusion (RFI) e la Automated Fibre importante, pertanto la soluzione che consente un mi- te processi innovativi. Nello specifi co la deriva fi ssa è nautici dalla loro introduzione negli aeromobili. Tuttavia Placement (AFP). glioramento di entrambe, peso e costo, è certamente la stata realizzata con pannelli co-bonded ( giunzione di la prima decade di questo secolo ha visto un crescente Il bordo d’attacco alare fi sso così come i supporti secon- benvenuta. Qualora una soluzione comporti una diminu- rivestimento e correnti pre-cured ) effettuando la poli- interesse per i processi out-of-autoclave (OOA), che pro- dari in fusoliera sono realizzati in compositi termopla- zione di peso e un aumento del costo o viceversa (rispar- merizzazione dei pannelli e dello strato adesivo nello mettono produzioni più rapide a costi inferiori. mio nei costi e aumento di peso) l’optimum dovrà essere stesso ciclo di autoclave. Mentre lo stabilizzatore è stato Per quanto riguarda la tecnologia di fabbricazione la raggiunto mediante un opportuno fattore di conversione realizzato con architettura multi-longherone senza cen- maggior parte delle applicazioni aeronautiche sono ba- (valore economico dell’unità di peso risparmiata). Tutta- tine ottenuto da co-polimerizzazione (in un singolo ciclo sate sull’impiego di pre-pregs lavorati mediante lay-up via questa ottimizzazione peso-costo non può prescin- di autoclave) con una tecnologia brevettata di Alenia seguito da processi di insaccamento e autoclave. Recen- dere dal considerare per le varie soluzioni gli aspetti di Aermacchi. temente si è osservata una crescente diffusione di tecni- sicurezza (safety) e impatto ambientale. Alenia Aermacchi è stata impegnata anche nel program- che di automazione del lay-up (lay-up e posizionamento L’introduzione di questi nuovi materiali per le strutture ma Boeing 777 , nella costruzione di fl ap in composito, della fi bra automatizzati). aeronautiche è stato progressivo per i seguenti motivi: contribuendo con diverse innovazioni, incluso l’impie- Un aspetto considerevole è collegato ai cosiddetti pro- • requisiti di safety; go di nuovi pre-pregs (a controllo di fl usso) per le parti cessi “no pre-preg”; che consistono nel fabbricare le • acquisizione di maggiore conoscenza delle proprietà strutturali in sandwich. Infi ne vi è un signifi cativo coin- dei materiali; volgimento nel 787 Dreamliner. Questo aeroplano “wide • necessità di consolidare i processi di produzione e body” è il primo nella storia dell’aviazione civile con un conversione; utilizzo di circa il 50 % di composito polimerico nelle • necessità di stabilire dei metodi di progettazione. strutture. Il Boeing 787, che ha effettuato il suo primo volo alla fi ne del 2010, ha raccolto diversi ordini per le Partendo da parti scarsamente caricate (per es. le ca- Figura 58: A380 Principali applicazioni in CFRP e Termoplastici (Fonte: Airbus)

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 Figura 57: Andamento della richiesta di EADS di ﬁ bra di carbonio (Fonte Airbus) aeronautico

stici e ulteriori applicazioni dei termoplastici sono allo e $72/lb ($9 e $160/kg) possono offrire risparmi sostan- Il miglioramento di una proprietà può essere ottenuto studio come quelle dei rinforzi nel bordo d’attacco fi sso ziali se paragonati ai termoindurenti BMI e PI, aventi mediante l’aggiunta di materiali specifi ci, incluse le na- degli impennaggi fi ssi verticale ed orizzontale. La scelta prezzi che oscillano tra $42 e $400/lb ($92 e $880/kg). no-particellle come il grafene (si veda il capitolo relativo dei CFRP per le superfi ci mobili del bordo d’uscita alare ai nanocompositi). rappresenta ad oggi lo stato dell’arte. È previsto l’im- 9.3 LE NUOVE TENDENZE Tra le strutture con caratteristiche funzionali più interes- piego di RTM per le cerniere e le centine delle superfi ci Se da una parte il risparmio di peso è considerato il fat- santi e oggetto di programmi ricerca, vi sono quelle auto mobili qualora la forma dei componenti sia diffi cile da tore maggiore per l’uso dei compositi, dall’altra i costi dia/pro-gnostiche; in queste strutture, alcuni sensori, ottenere usando tecnologie convenzionali. dei componenti in composito devono essere ridotti fi no misurando caratteristiche fi siche (per es. la deformazio- Attualmente esistono tre tipi di termoplastici usa- ai livelli delle strutture metalliche convenzionali. Questo ne) evidenziano la presenza di difetti e/o danneggiati dall’industria aeronautica ed aerospaziale: il solfuro Figura 59: Confronto tra resistenza alla trazione normalizzata e prezzo del può essere ottenuto solamente mediante modifi che nei menti. Anche le strutture auto-riparanti rappresentano prodotto grezzo per polimeri termoindurenti e termoplastici (Fonte: Composites di polyphenylene (PPS), il polyetherimide (PEI) ed il Forecasts & Consulting LLC) materiali e nei processi di produzione. un’interessante opzione per il futuro (si veda il capitolo polyetheretherketone (PEEK). C’è stato e sussiste tuttora Attualmente la conoscenza del costo di una nuova tec- dei compositi smart). che ai cosiddetti FST fuoco/fumo/veleni e, tranne i PEI, interesse per altri tipi di fi bre (p.es. il Kevlar) e resine nologia è piuttosto scarsa. In generale, i fornitori offro- Per alcune zone o applicazioni specifi che, come le parti maggiore resistenza da un punto di vista chimico (i PEI termoindurenti (BMI, poli-immide) e diversi tipi di resi- no nuovi materiali a costi maggiori se confrontati con i calde vicino ai motori o per applicazioni supersoniche sono suscettibili all’attacco dei fl uidi anti-ghiaccio e ne termoplastiche, sia amorfe con alto Tg (PEI), e semi- materiali esistenti. Con l’aiuto di processi automatizzati (p.es. un nuovo aereo da trasporto supersonico) vi è all’assorbimento di umidità, il che ne limita l’impiego cristalline con alto Tm (PPS, PEEK, PEKK). Le sei classi di di produzione ci si aspetta di superare i vincoli esistenti interesse per i compositi con alta Tg. Questi compositi nelle parti esterne degli aeroplani). Inoltre i termoplasti- termoplastici più usati sono riportati di seguito: ottenendo una riduzione del costo delle strutture in com- sono ottenuti da resine termoindurenti come polyimmide ci dimostrano una shelf-life quasi infi nita a temperatura In questo ambito, molti polimeri termoplastici presenta- posito in modo da giungere ad una situazione competiti- o bismaleide e da resine termoplastiche, come si è detto, ambientale. Questo appare molto favorevole al confron- no prezzi del materiale grezzo paragonabili alle comuni va nel confronto con le strutture metalliche. eventualmente modifi cate al fi ne di ottenere un miglio- to di una shelf-life inferiore a sei Un aspetto importante è la multi-funzionalità; spesso le ramento della Tg. Continuous Continuous Continuous Continuous mesi in ambienti refrigerati come parti aeronautiche, oltre a requisiti di proprietà struttu- Per quanto riguarda i compositi termoindurenti, si stan- Resin Family Service Temp Service Temp Service Temp Service Temp (°C/°F) (°C/°F) (°C/°F) (°C/°F) avviene per i tipici materiali pre- no sviluppando nuovi processi: resin fi lm in- Thermoset Resins preg termoindurenti. fusion con full-hybrid-bulk, nuove strategie Phenolic (PH) 170 / 340 60+ 6.9 0.55 PEEK, PPS, PEI e PC dimostrano per co-cure, e fi ber placement avanzati con Epoxy (E) 180 / 350 60 - 240 9.7 0.34 diverse caratteristiche favorevoli avvolgimenti robotizzati. 76 Cyanate ester (CE) 180 / 350 60 - 180 7.4 - 13.2 0.38 - 0.45 per applicazioni sia in strutture I termoplastici si sono dimostrati partico- 77 aeronautiche che nei componen- Bismaleimide (BMI) 230 / 450 120 - 240+ 10.5 3.9 larmente effi caci per sostituire metalli nella ti di cabina. Sebbene i costi del Polymide (PI) 370 / 700 120+ 16.6 - cabina (fonte compositesworld.com). Diver- materiale grezzo per i termopla- si studi hanno dimostrato che il risparmio Thermoplastic Resins stici aeronautici possano, in al- Polycarbonate (PC) 120 / 250 9.4 0.33 di peso è superiore al 40-50%, in confronto cuni casi, essere superiori ai ter- all’alluminio, con una riduzione del 20% nei Polyphenylene sulfide (PPS) 240 / 464 13.5 0.5 moindurenti equivalenti, il costo < 20 costi. Inoltre, le eccellenti performance dal 0.8 Polytherimide (PEI) 200 / 390 6 del componente fi nito può essere punto di vista FST dei termoplastici, l’intrin- Polyetheretherketone (PEEK) 250 / 480 14 - 33 0.58 - 3.4 circa dal 20 al 40 % inferiore a seca durezza e la riduzione dei tempi di pro- causa dei minori costi di lavora- Figura 60: Situazione attuale e obiettivi per costo di strutture in composito (Fonte: Airbus) duzione li rendono i candidati ideali per le Tabella 4: Confronto tra resine termoindurenti e termoplastiche per uso aerospaziale (Fonte Composites zione, processo e assemblaggio. Forecasting and Consulting LLC) strutture interne. Inoltre i termoplastici offrono l’op- rali e di costo, devono soddisfare altri requisiti specifi ci: Ma le più recenti opportunità di impiego per zione di fondere o saldare sub-com- resine termoindurenti e con una resistenza alla trazione • alcune parti (come i pannelli di fusoliera) devono i TPC riguardano la sostituzione di componenti in fi bra ponenti stampati, il che può ridurre il peso dell’assem- paragonabile alle resine termoindurenti, quali: soddisfare requisiti acustici, infatti al fi ne di miglio- di vetro o di carbonio/resine fenoliche. In questo caso, i blaggio e la concentrazione degli sforzi eliminando la • Phenolics (PH) rare il confort dei passeggeri si deve ridurre la tra- polimeri termoplastici presentano delle soluzioni intrin- necessità di fastener e adesivi. • Epoxies (E) smissione del rumore nella fusoliera; secamente più robuste, con processi ridotti a frazioni del Per applicazioni ad alta temperatura, i polimeri in PPS, • Bismaleimides (BMI) • altre parti devono possedere una conducibilità elet- tempo richiesto dai termoindurenti e una riduzione del PEI e PEEK offrono anche una eccellente stabilità ter- • Cyanate esters (CE) trica (p.es. per migliorare il comportamento in caso 18% in densità unita a migliori caratteristiche FST. Da mica, proprietà critica presente in diversi programmi • Polyimides (PI). di fulmini o schermaggio elettromagnetico); un punto di vista della fabbricazione i termoplastici eli- militari, propulsivi e supersonici laddove il surriscalda- Il valore aggiunto che i termoplastici conferiscono al • è richiesta una sempre maggior resistenza agli agen- minano inoltre la produzione di gas di formaldeide e/o mento dovuto all’attrito aerodinamico può generare del- mercato aerospaziale diventa più evidente quando le cati atmosferici (come ad esempio l’umidità); vapore acqueo che si verifi cano nel processo di cure delle le temperature di impiego continuo che vanno oltre le ratteristiche delle resine pure vengono confrontate con i • è importante la resistenza al fuoco; resine fenoliche. caratteristiche dei termoindurenti a matrice epossidica costi del prodotto grezzo. • in casi specifi ci si richiede una “trasparenza” ai ra- Inoltre con i compositi termoplastici si può ottenere un (~180°C/~350°F). A queste temperature elevate, i ter- I compositi termoplastici presentano generalmente una dar, ecc. notevole risparmio implementando delle tecniche come superiore resistenza all’impatto, superiori caratteristi- moplastici PEEK e PPS, con prezzi che oscillano tra i $ 4

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ATL (automated tape lay-up) e automated fi ber placement (AFP) per produrre delle parti senza ulteriori processi in autoclave. Infi ne, altri vantaggi derivanti dai TPC sono una riduzione di costi e tempi sia nella fase di produzione e sia in quella di riparazione (saldatura). Il riciclo dei compositi sta avendo un’importanza sempre crescente. Per i compositi termoindurenti non c’è pos- sibilità di invertire il processo di crosslinking, per cui la tematica del riciclo è diversa se riguarda i materiali (sfrido di produzione) prima del ciclo di cura o successivamente alla cura (sfridi e scarti di produzione polimerizzati o parti di aeromobili a fi ne vita). Per il materiale polimerizzato il riciclo riguarda essenzialmente la fi bra, e si basa sull’eliminazione della resina, per esempio per pirolisi. Nel caso dei composito a matrice termoplastica è invece ipotizzabile un più facile riciclo attraverso spez- zettamento (grinding) del composito e processamento dei pellets a fi bra corta così ottenuti per iniezione o termoformatura. Come in altri settori, anche per il settore aeronautico, l’additive manufacturing ed in particolare lo stampag-

gio tridimensionale dei compositi sia termoplastici che Figura 61: Modifi che nel processo di produzione del composito vs. Airframe termoindurenti ha delle grosse potenzialità. Le prime Content. (Fonte: Composites Forecasts & Consulting LLC) esperienze mostrano che i termoplastici sono preferibili dal punto di vista del tempo di processo. La problema- solo parzialmente mantenute. Infatti gli studi condotti 78 tica che bisognerà risolvere riguarda il rinforzo, infatti fi nora hanno dimostrato che le proprietà di alcune resine 79 in questo momento la maggior parte degli studi sono termoplastiche come PEEK, PEKK e , con certe limita- indirizzate a compositi con cariche o fi bre corte. zioni, anche PEI e PPS, sono idonee per l’impiego aero- le lavorazioni. In alcune applicazioni infatti più del 90% potrebbe far cambiare notevolmente le stime di volumi e nautico. Ma il costo delle materie prime e quello di pro- del metallo iniziale si tramuta in scarto. mercato dei TPC. 9.4 SCENARIO duzione sono ancora troppo alti per giustifi carne l’uso, Quest’analisi dimostra come i compositi termoindurenti Come si è detto tuttavia degli ostacoli rimangono. La Come conseguenza dello “spostamento” nella curva di ef- nonostante il vantaggio di tempi di stoccaggio illimitati continueranno a guadagnare fette di mercato nell’indu- produzione di forme complesse con i termoplastici rinfor- fi cienza processi/costi, i termoplastici rinforzati appaio- a temperatura ambiente, e la facilità di riuso. I costi stria aerospaziale almeno fi no alla fi ne di questa decade, zati rappresenta una sfi da notevole. Per i componenti che no ora posizionati in modo idoneo per appropriarsi di una potrebbero essere ridotti mediante l’implementazione di a quel punto le linee di tendenza cominceranno ad essere richiedono dei compositi in PEEK e PEKK il costo delle parte signifi cativa del mercato dei materiali aerospaziali tecniche proprie dei termoplastici come la termoforma- parallele. materie prime può essere signifi cativamente superiore di in virtù di una importante distinzione. tura e la saldatura. All’incirca nello stesso periodo i compositi termoplasti- altri che utilizzano matrici rinforzate epossidiche o in A differenza dei termoindurenti, i termoplastici non ne- La distribuzione delle strutture in composito risulta ci dimostreranno un considerevole aumento. Durante il BMI. Inoltre, la maggior parte dei pre-preg in termopla- cessitano di crosslink (cure o polimerizzazione). Le ge- abbastanza paragonabile a quella del peso dei sistemi 2005, l’analisi ha rilevato che sono state fornite all’in- stico vengono forniti in fogli o lamine pre-consolidate. ometrie di questi polimeri si modifi cano facilmente in aerospaziali completi. Qualora considerati separatamen- dustria aerospaziale circa 923.000 lb (pari a circa 419 t) Di conseguenza questi devono essere pre-riscaldati a più presenza del calore suffi ciente e induriscono altrettanto te, in un intervallo di 10 anni le strutture e gli arreda- di componenti TPC. Con questo volume i compositi ter- di 400°F/205°C per essere pronti per la formatura, il facilmente mantenendo le stesse geometrie se raffredati, menti mostrano in totale degli andamenti che riguardano moplastici rappresentavano circa lo 0,6% delle strutture che avviene solitamente prima dello stampo, quindi si con velocità molto superiori a quelle di cure dei termoin- i compositi termoindurenti e termoplastici. Nel 2005 i totali (con tutti i materiali) e circa il 3,7% del totale dei tratta di un processo aggiuntivo. Ancora, i requisiti per durenti. Inoltre, essi mantengono la loro plasticità, il che compositi rappresentavano circa il il 15,5% in peso dei compositi trasportati. In meno di una decade, l’industria avere caratteristiche ottimali dei laminati spesso richie- signifi ca che riscaldandoli opportunamente possono es- componenti fi niti aerospaziali. Nel 2013 la percentuale aerospaziale ha incrementato la sua domanda di TPC di dono complessi strumenti di controllo termico. Alla fi ne sere deformati nuovamente. Questa caratteristica presen- era salita al 19 %. Nel tempo che il mercato raggiunge- circa il 400%. l’investimento risultante può essere maggiore di quello ta delle interessanti possibilità per tecniche di processo rà il prossimo picco, presumibilmente nel 2018-2019, i I progressi nella termoformatura, saldatura e giunzioni necessario per dei compositi termoindurenti: dunque so- dei compositi più veloci e innovative, se paragonate a compositi dovrebbero rappresentare il 25% del totale dei aprono lo scenario a nuove opportunità per i TPC nelle prattutto per piccoli volumi di produzione questo è uno quelle dei termoindurenti. componenti , pur continuando a costituire solo il 4% strutture secondarie e primarie, così come nei compo- scenario indesiderabile. Per le future applicazioni i termoplastici sono dunque degli acquisti totali di materie prime, a causa della no- nenti più voluminosi di cabina. In cinque anni tutto ciò I TPC tenderanno sicuramente a superare i compositi ter- candidati a mantenere le promesse del passato, fi nora tevole quantità di metalli che vengono eliminati durante

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Figura 63: Trends tecnologici ferimento ai lanciatori attualmente in servizio. L’Europa, per soddisfare i requisiti di 10 AEROSPAZIO alleggerimento dei sistemi Flyaway tramite ArianeSpace, offre la possibilità di lancio per dif- 10.1 INTRODUZIONE nel settore Aerospaziale. ferenti missioni e carico utile con i lanciatori riportati La ricerca e lo sviluppo nel settore delle strutture e dei nella seguente fi gura. materiali compositi avanzati costituiscono un elemento Questi lanciatori erano stati concepiti per differenti mis- fondamentale per il progresso delle tecnologie aerospa- sioni: in particolare Soyuz e Ariane 5, concepiti rispetti- ziali, essendo chiamati a trovare soluzioni alla necessità vamente nel 1966 e nel 1990, contengono poche parti in di riduzione del peso globale delle strutture aeronautiche materiale composito; al contrario il recente sviluppo di e spaziali, al mantenimento o addirittura al miglioramen- un lanciatore leggero quale Vega ha richiesto l’impiego, to delle loro caratteristiche, all’impatto di requisiti di laddove possibile, di tecnologie moderne come il CFRP safety sempre più stringenti. Questi materiali possono (carbon Fiber Reinforced Plastic). Avio SpA ha avviato fornire migliori proprietà specifi che rispetto alle leghe internamente lo sviluppo di CFRP prepreg, attraverso una metalliche comunemente usate e rappresentano dunque ricerca approfondita sia sui sitemi resina (alte perfor- dei buoni candidati per applicazioni low-weight. L’inte- mance termo-meccaniche e facilità di processo) sia sul ro processo di realizzazione di una struttura in grado di processo di impregnazione attraverso la realizzazione di soddisfare i requisiti aeronautici/aerospaziali è estre- un impianto pilota di prepreg tow e tape. mamente complesso in ciascuna fase e coinvolge il pro- I principali processi produttivi applicati nell’industria getto, l’analisi strutturale, la scelta dei materiali con le spaziale sono relativi ad una applicazione integrata e se- loro caratteristiche, l’adozione di nuove metodologie di parata di fi bra e matrice. progetto analitiche-numeriche e operative, fi no alla pro- Per quanto riguarda l’applicazione integrata di fi bra e totipazione e validazione. matrice i processi di impiego comune sono il lay-up ma- moindurenti. Il calore e la pressione dei metodi di lavo- Un aspetto molto importante sarà anche il riciclo e la In questo settore l’obiettivo dello sviluppo di materiali nuale di pre-preg (wet-wet), il fi lament winding e il tape razione dei TPC presentano una somiglianza con quelli riduzione/eliminazione di componenti chimici pericolo- è fare in modo che le nuove strutture durino più a lungo laying automatizzato (ATL). usati per i metalli piuttosto che quelli dei termoindu- si per la salute e per l’ambiente; per quanto riguarda il delle precedenti e che quelle esistenti durino più a lungo Per quanto riguarda l’applicazione separata di fi bra e ma- renti. Questo fatto ha rapidamente incoraggiato l’uso dei riciclo, i materiali naturali ed i termoplastici mostrano di quanto inizialmente previsto. Infatti, il costo molto trice, le tecnologie usate sono i processi di infi ltrazione TPC al posto di alluminio e titanio nella costruzione di una potenzialità interessante per ottimizzazioni future. elevato del progetto e dello sviluppo di un aeromobile 80 sotto vuoto (RTM, VA-RTM) su preformati dry costituiti da 81 supporti, contenitori e altre parti semplici. Nei prossimi La questione del riciclo “fi ne vita” avrà un crescente in- completamente nuovo implica che le strutture esistenti lay-up di strati multiassiali, avvolgimento cilindrici (non anni lo sviluppo della ricerca potrebbe ampliare il pano- teresse, a causa del crescente utilizzo di compositi nel e già pianifi cate debbano durare molto di più degli ae- ancora industrializzato) e preformati multi direzionali. rama delle forme e delle dimensioni - abbastanza presto velivolo. romobili del periodo della “guerra fredda”. Ciò genera un Nella seguente tabella è riportato un elenco di parti ed per infl uenzare i processi di selezione dei materiali per il aumento di richieste nello sviluppo di materiali, nelle equipaggiamenti realizzati in composito. prossimo A320 e Boeing 737. tecniche di ispezione e riparazione e nella loro affi dabi-

L’impiego delle stampanti 3D porterà un forte incremento lità e compatibilità ambientale. alla produzione e all’assemblaggio delle parti; una prima applicazione potrebbe essere la fabbricazione. 10.2 LO STATO ATTUALE Per analizzare la tecnologia dei materiali compositi relativa al mercato spaziale europeo è necessario fare ri- America Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac Figura 64: Lanciatori Europei. Boeing Co.(2) (USA) AVIC (2,4) (CN) Airbus (EADS Airbus Group)(1) (F/DE) Lockheed Martin (USA) BoeingTianjin Composite (2) (CN) Aeronautico Finmeccanica BAE Systems (GB) General Dynamics (USA) Embraer (BR) Mitsubishi, (J) Toray Ind.(3) (J) Northrop Grumman (USA) Airbus China (4) Bombardier (CDN)

(1) Un centro di sviluppo e test dell’ala, di recente annunciato da Airbus nel Regno Unito, fornirà lo spazio all’azienda ed i suoi partner per sviluppare nuove idee per una vasta gamma di applicazioni (fonte airbus.com). Questo impianto - che aprirà le porte nel 2017, sul sito esistente di Airbus Filton - sarà un centro avanzato per lo sviluppo e testing di grandi parti strutturali, ed ospiterà circa 300 ingegneri altamente qualificati. Inoltre, ci sarà una politica di "porte aperte" in cui organizzazioni esterne potranno confluire per utilizzare attrezzature e laborato- ri – fornendo, in questo modo, un beneficio che si va aldilà del solo Airbus. (2) I grandi investimenti in Cina di Boeing includono Tianjin Composite Co. Ltd a Tianjin (una joint venture con AVIC) e Boeing Shanghai Aviation Service Co. Ltd. (una joint venture con China Eastern Airlines e l’autorità di Shanghai Aeroporto). Boeing Tianjin è il più grande produttore aerospaziale a Tianjin e produce interiors e strutture composite per Boeing Commercial Airplanes. Boeing Shanghai è un (MRO) centro di manutenzione, riparazione e revisione con sede a Shanghai, in cui si eseguono manutenzione di linea, qualle pesante e le modifiche della cellula, oltreché gli aggiornamenti per interni, e sistemi di intrattenimento in volo. (3) Toray Industries Inc. (Tokyo, Giappone) ha annunciato il 9 novembre 2015 di aver firmato un accordo a lungo termine con The Boeing Co. (Seattle, WA, USA) per la fornitura di TORAYCA prepreg in fibra di carbonio per la produzione del nuovo velivolo Boeing 777X, estendendo l'accordo di fornitura esistente per il Boeing 787 Dreamliner. Il nuovo accordo estende l'accordo globale firmato nel novembre 2005 a partire da quest'anno. Il valore totale del gruppo Toray del preimpregnato fornirà per entrambi i programmi 787 e 777x per la durata del contratto 11 miliardi di dollari. (4) Joint venture tra Airbus e un consorzio cinese Tianjin Free Trade Zone (TJFTZ) e la China Aviation Industry Corporation (AVIC).

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10.3 LE NUOVE TENDENZE termica ed elettrica e minore umidità. Le future missioni spaziali richiedono strutture più gran- Le tendenze future nella tecnologia dei compositi in am- di (maggiore stabilità, requisiti di materiali infl atable/ bito aerospaziale, relativamente allo sviluppo dei mate- deployable). Per un numero limitato di missioni, si pre- riali, sono collegate alle fi bre (alto modulo, alta defor- vedono poi condizioni ambientali estreme di temperatura mazione e basso costo), alle resine (alte temperature, e radiazioni. termoplastici resistenti ed affi dabili) e agli adesivi (fi lm Le tecnologie legate ai serbatoi e alle strutture pres- sottile ad alta resistenza, reversibili). surizzate sono abilitanti sia per la propulsione che per Per quanto riguarda i processi di produzione, si studiano la realizzazione di moduli abitativi operanti nello Spa- nuove soluzioni per diminuire tempi e costi e migliora- zio, poiché avranno un’incidenza rilevante per le future re l’affi dabilità e le caratteristiche dei prodotti: polime- missioni in termini di massa e costi di produzione. La rizzazione (curing) out-of-autoclave congiuntamente a riduzione di massa si traduce, infatti, nella possibilità metodi automatizzati, processi 3D out-of-autoclave, po- di aumentare il carico pagante, fattore che a sua volta limerizzazione in ambiente spaziale e ri-ciclo di fi bre di determina una riduzione dei costi di missione. I materiali carbonio. L’obiettivo del riciclo è di stabilire una catena Tabella 5: Matrici chiusa per gli scarti di produzione, materiali complessi polymeriche usate compositi trovano nelle strutture dei lanciatori spaziali nell’industria spaziale. un campo ideale di applicazione grazie al miglioramento miscelati e per fi bre di carbonio riprocessate e idonee per delle prestazioni in peso rispetto a equivalenti strutture essere re-impiegate in vari prodotti. in metallo. Tale aspetto gioca un ruolo fondamentale sia A causa della sensibilità al danno e ai difetti, e soprat- negli stadi bassi, dove le masse inerti sono ingenti, sia tutto ai danni da impatto nascosti, il vero potenziale dei sulla parte alta del lanciatore, dove la riduzione di massa materiali compositi non è stato del tutto esplorato, con strutturale inerte si traduce in un immediato vantaggio un conseguente aumento di peso strutturale. I compositi in termini di capacità di trasporto. infatti sono tipicamente progettati per un carico ammis- Dimensioni e prestazioni dell’hardware sono in crescita sibile pari a circa il 33% del carico di rottura del matema la costruzione di compositi è limitata dalle dimen- riale puro, mentre per i metalli questo valore è del 60%. sioni e capienza delle strutture di produzione, come per L’inclusione di Structural Health Monitoring (SHM) nelle 82 esempio autoclave, fi lament winding, resin infusion, strutture in composito può diminuire molto queste incer- 83 high temperature curing. tezze e consentire una diversa e migliore progettazione Per migliorare le strutture è necessario progettare nuovi con strutture più leggere ed effi cienti. Tuttavia l’obietti- materiali compositi andando ad incrementare alcune pro- vo di questi miglioramenti può avere delle limitazioni. La prietà quali la rigidezza, la conducibilità elettrica e ter- riduzione delle sezioni strutturali può modifi care i com- mica anche attraverso l’utilizzo di fi bre avanzate. Inoltre, portamenti a rottura e introdurre fenomeni di buckling. per soddisfare le future richieste tecnologiche, dovranno Analogamente, il danno da fatica non viene attualmente essere migliorate le caratteristiche di giunzione e rivesti- ritenuto importante per le strutture in composito consi- mento dei compositi. La giunzione di materiali compositi derando carichi di progetto bassi, ma può costituire un può costituire una soluzione interessante per produrre ostacolo importante se si aumentano tali carichi. hardware più grande che non potrebbe essere realizza- Nei mezzi del futuro verrà usata una nuova fi losofi a di to mediante un singolo processo. Anche la tecnologia progetto per le strutture in composito, utilizzando le di rivestimento delle strutture (ad esempio i liner) deve informazioni ricevute dal “sistema” SHM in modo da svi- essere migliorata. Ciò comporta,ad esempio per i CFRP, la luppare progetti meno conservativi e considerando un deposizione di uno strato metallico su specchi di grandi approccio CBM (Condition Based Maintenance). Questi dimensioni e su antenne o rinforzi metallici per i serba- nuovi trend ridurranno sia il peso delle strutture rispetto toi. ai compositi convenzionali, sia i dispendiosi tempi di Le strutture in composito esibiscono una elevata sensi- “fermo macchina” per disassemblaggio ed ispezione di bilità ai danni da impatto (ad esempio urti accidenta- componenti. li durante le fasi di produzione o movimentazione) che Con le recenti scoperte nella tecnologia dei sensori, sem- possono produrre eventi catastrofi ci. pre più dati potranno essere raccolti da sensori disse- L’industria supporta molto le verifi che in orbita di nuo- minati nelle strutture, che monitorano le condizioni di vi materiali e i produttori di resine sono incentivati a carico e lo stato di effi cienza o eventuali danni. Que- sviluppare e produrre matrici con maggiore conducibilità sto conduce allo sviluppo di una tecnologia SHM con

Tabella 6: Impianti e componenti con materiali compositi rinforzati con ﬁ bre di carbonio (CFRP), vetro (GFRP) e aramidiche (AFRP) di un lanciatore spaziale. aerospazio

un incremento di capacità nel monitoraggio dei carichi rinforzate con resina polimerica avente proprietà Shape Per quanto detto c’è un forte interesse dell’industria ae- 10.4 SCENARIO e con una gestione dell’effi cienza delle strutture che Memory. Il particolare comportamento non lineare della rospaziale a ottenere dei miglioramenti per: I veicoli spaziali (orbitali e per il lancio) rappresentano comprende sia la diagnosi, sia il possibile rimedio del fl essione li rende i candidati ideali per cerniere e grandi • resine ad alte prestazioni (alta Tg) per sistemi un mercato importante nella crescita della prossima de- danno. È chiaro che delle strutture dotate di tale “sen- componenti strutturali. Una variante nella famiglia sha- preimpregnati; cade. sibilità” possiedono dei vantaggi rispetto alle strutture pe memory è rappresentata dai polimeri Magnetic Shape • nuove tecnologie per strutture secondarie (p.es. Escludendo la Soyuz, il mercato spaziale europeo riferito tradizionali a causa di una aumentata “consapevolezza”, Memory (integrati con particelle ferromagnetiche), la cui supporti) più complesse, economiche e con mag- alla massa totale dei compositi si aggira intorno alle 36 sicurezza (safety) ed affi dabilità, minimizzazione delle attivazione avviene mediante input magnetico. giore impiego di CFRP. Tali materiali impiegati an- t/anno, ipotizzando 18 t per Ariane, 12 t per Vega e 6 t operazioni di manutenzione e nuove multi-funzionalità. La sostituzione del metallo nei tradizionali anelli di ir- che per strutture non primarie e per altri accessori, per i satelliti. Strutture dotate di auto-diagnosi sono in grado di indi- rigidimento strutturale con compositi carbonio-epoxy contribuiranno a migliorare l’effi cienza (peso) delle La massa totale di fi bra di carbonio richiesta è dell’ordine viduare e monitorare le proprie condizioni di effi cienza in comporta generalmente un maggior costo di produzio- strutture spaziali e la competitività; delle 24 t/anno, ipotizzando 12,5 t per Ariane (produce qualsiasi ambiente e possono così determinare le azioni ne ed una riduzione di peso del 10-20%. Dunque molto • nuovi sistemi polimerici multifunzionali con proprie- 5 lanciatori all’anno), 8 t per Vega (2 lanciatori all’anno) da intraprendere per massimizzare prestazioni e attività, meno di quanto previsto dai moderni compositi in carbo- tà di conducibilità termica ed elettrica per ridurre la e 3,5 t per i satelliti. Il consumo dell’industria spaziale riducendo al minimo i rischi per la safety. Quindi, invece nio unidirezionali che sono caratterizzati da robustezza e presenza di cavetteria; europea di 24 t rappresenta meno dello 0,1% del consu- di stimare le incertezze ed i fattori di sicurezza in fase rigidezza specifi che pari ad almeno tre volte quello delle • materiali e strutture intelligenti (smart)quali ad mo mondiale. Questa stima non considera gli equipaggia- di progetto, un nuovo progetto con un idoneo sistema di corrispondenti leghe di alluminio, se caricate lungo le esempio gli shape memory alloys (SMA), i sistemi menti che vengono venduti per lanciatori non europei. SHM può condurre a disporre di strutture molto più affi - fi bre. Una ulteriore riduzione di peso e costo può essere piezoelettrici ed elettrostrittivi, i MEMS, i materia- Per il futuro, anche in funzione delle attività di Vega dabili senza lo svantaggio di sovraccarichi prudenziali. raggiunta nelle strutture in composito nelle quali: li magnetostrittivi, e fl uidi ed elastomeri elettro- e e del Vega “migliorato” e del nuovo lanciatore Ariane Un ruolo importante in questo scenario è giocato proprio a) i principali elementi strutturali possiedono la magneto-reologici. Le applicazioni dei materiali in- (Ariane 6 dev’essere sviluppato e qualifi cato nel 2020- dai materiali compositi, che offrono sia idonee caratteri- microstruttura unidirezionale dei materiali compositi; telligenti includono, oltre a pale di rotori e ali, le 2025) la massa di materiale composito in uso potrebbe stiche fi siche, sia ulteriori opportunità per la fabbricazio- b) la fabbricazione prevede processi completa- prese d’aria, gli ugelli, ampie strutture spaziali di- aumentare fi no a 100-150 t/anno. ne. In relazione ai componenti per rivestimento, alcuni mente automatizzati e strutture completamente integra- spiegabili e delle solide micro-astronavi; validi candidati sono i materiali Auxetici, il cui rapporto te. • compositi in grado di operare a basse temperature di Poisson negativo e la struttura cellulare garantiscono Tali condizioni sono soddisfatte dalle strutture anisogrid (ambiente spaziale) e resistenti alle micro-fratture; la possibilità di assorbire grandi deformazioni; la loro (grid anisotropo), che sono tra le più effi cienti nel re- • sistemi compositi basati su resine a bassa impregna- adozione a supporto di rivestimenti sottili appare come sistere a carichi di compressione e fl essione, tipici di zione di umidità per evitare distorsioni; 84 un’interessante applicazione anche se la loro giunzione una fusoliera. Possono essere ottimizzati la dimensione, • sistemi resistenti alle alte temperature per lanciatori 85 presenta delle sfi de a livello di progetto e produzione. lo spessore ed il numero dei rinforzi, l’inclinazione delle e veicoli di rientro (mattonelle ablative), al fi ne di I rivestimenti multi-strato sono un altro tentativo pro- eliche (che non deve essere necessariamente 30° come ridurre il peso della protezione termica; mettente: si basano sull’idea di concentrare la rigidezza nell’isogrid), per determinare la massa minima necessaria • incremento dell’automazione del lay-up, per ridurre Settore Anno 2011 2015 2020 all’interno di piccoli componenti che si intersecano l’un a sostenere i carichi, tenendo conto di eventuali danni. i costi di produzione e lo spreco di materiali costo- l’altro in modo da consentire la deformazione globale Le centine inclinate monodirezionali sopportano la com- si (scrap) , e consentire la fabbricazione di grandi della struttura. pressione e inducono una tensione sulla circonferenza strutture integrate senza superare le scadenze di Commercial Aircraft 4300 7910 13290 Altri interessanti candidati sono i materiali Shape Memo- nei rinforzi monodirezionali dell’anello, producendo un stoccaggio per i pre-preg (shelf-life); ry Materials (SMA): le leghe metalliche, opportunamente effetto simile all’azione della pressione interna che sta- • utilizzo di tecnologie out-of-autoclave (OoA) per Military fixed wing 500 770 1000 inserite nel composito, possono contribuire a sostenere bilizza la forma circolare, riduce la sensibilità della strut- strutture molto grandi; carichi e deformazioni notevoli; l’attivazione termica di tura alle imperfezioni geometriche ed aumenta il carico • incremento delle performance delle tecniche di Rotorcraft 370 400 460 questi materiali tuttavia, pone alcuni problemi in termini critico. Il rivestimento ora contribuisce all’azione degli structural health monitoring attive (ultrasuoni, medi contatto nell’interfaccia composito/polimerico della anelli, ma non è più l’elemento strutturale con carico pri- todi ottici, raggi X) e passive (risposte indirette di Business Aircraft 240 590 720 struttura ospite; anche il loro comportamento a fatica mario. Nonostante il notevole numero di studi, ad oggi tipo termico o acustico); General Aviation 600 1000 1250 dev’essere investigato nell’ambito aerospaziale. non esistono aeroplani che utilizzino questa tecnologia. • utilizzo di nuove tecniche di Structural Health Mo- Gli Shape Memory Polymers, analogamente, offrono la Una tecnologia in grado di realizzare tali strutture è rap- nitoring mediante lo sviluppo di pannelli compositi Jet engines 380 1660 1930 possibilità di recuperare una forma pre-impressa anche presentata dall’Anisogrid Wet Filament Winding (FW) che multifunzionali con proprietà intrinseche (sensori- con deformazioni fi no al 100%. Questi aspetti, unitamen- consiste nell’avvolgere delle fi bre wet nelle scanalature stiche ed attuazione) per il monitoraggio degli stati Space and launch 450 520 550 te ad un ampia possibilità di caratteristiche meccaniche ricavate nella parte in rilievo in gomma, alternando e tensionali e delle deformazioni. ottenibili in fase di progettazione e fabbricazione, ven- intrecciando fi li con traiettorie elicoidali e circolari. Una Carbon-Carbon 160 240 500 gono sfruttati per produrre componenti in honeycomb o volta che il rivestimento è stato avvolto, vengono so- schiuma, deformabili oltre la temperatura di transizione e vrapposti un fi lm per il distacco, con o senza piastra di rigidi a temperature più basse. Altri esempi sono gli Ela- supporto, ed uno strato pre-caricato per compattare il Tabella 7: Previsione della richiesta mondiale di Fibra di carbonio nel settore Aerospazio stic Memory Composites, compositi con fi bre tradizionali tutto nella successiva fase di curing a vuoto. (ton/anno)

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La scocca, le porte esterne, i carrelli, le porte interne, la America 11 FERROVIARIO Materiale Area Italia Europa Nord America Mena Apac cabina del conducente, i rivestimenti interni ed i sedili Latina 11.1 INTRODUZIONE sono le principali aree per la riduzione del peso, nel set- Hindoostan Technical Nel settore ferroviario, come in generale in tutta l’area Arianespace (F) tore trasporti, utilizzando materiali compositi. (2) Fabrics Ltd. Mumbai (IND) (1) Boeing Co. (USA) dei trasporti, risulta di grande importanza ridurre il peso Aerospaziale AVIO RUAG (CH) Toho Tenax Co. (3) (J) Lockheed Martin (USA) dei veicoli. Tale esigenza trova la massima espressione 11.2 LO STATO ATTUALE nel settore dei trasporti ad alta velocità - in cui la ri- (1) Avio è la principale azienda Italiana coinvolta nella realizzazione del vettore satellitare Vega, il più innovativo programma spaziale attualmente in corso I componenti strutturali, i materiali ed il design dei vei- duzione di peso si traduce in una maggiore velocità, ca- in Europa. Il programma è finanziato e gestito tramite l’ESA (European Space Agency). Avio e l’ASI, attraverso la società ELV (controllata rispettivamente coli ferroviari devono soddisfare requisiti meccanici e di del 70% e pacità di trasporto superiori e/o aumentato comfort dei del 30%) sono Prime Contractor per lo sviluppo, qualifica e produzione del lanciatore. Il 65% della produzione è effettuato in Italia (Colleferro, Roma). crash (statico e dinamico), vincoli di comportamento al Vega,alto 30 metri, è un lanciatore per satelliti della massa di 1.500 chili in orbita a 700 km (LEO), la configurazione comprende tre stadi a propellente passeggeri, pur mantenendo un buon bilancio energetico solido e uno stadio finale a propellente liquido. fuoco (EN 45545), funzioni di comfort e requisiti di ma- - e nel trasporto urbano e sub-urbano, dove la riduzione (2) Per più di 50 anni, i pesanti serbatoi criogenici in metallo hanno trasportato idrogeno liquido (LH2) e l'ossigeno necessario per veicoli di lancio nello nutenzione. Dati i requisiti delle specifi che tecniche, in spazio. di peso, invece, si traduce in un’accelerazione maggiore Ma in uno sforzo comune, NASA e The Boeing Co. (Chicago, IL, USA) hanno progettato, realizzato e testato un cryotank in composito che, se scalato fino particolare i requisiti in termini di resistenza meccanica, alle dimensioni attuali del sistema di lancio nello spazio, peserebbe il 30% in meno e con 25% in meno di costi rispetto ai sistemi a base di alluminio-litio e quindi, in una maggiore capacità in termini di fl usso fatica, sicurezza, stabilità dimensionale, tempo di vita oggi in uso, e in grado di permettere il trasporto di ben 1.400 kg di carico utile supplementare per l'orbita terrestre bassa. passeggeri/ora. Uno dei principali vincoli dei treni arti- (3) Toho Tenax Co. Ltd. (Tokyo, Giappone), l’azienda principale del gruppo Teijin focalizzata sulle fibre di carbonio e dei materiali compositi, ha annunciato ed aspetti economici, la scelta della resina di base dei colati è proprio il peso per asse che non deve superare dei piani per sviluppare il mercato dei tessuti in fibra di carbonio per l’industria dei compositi in India in collaborazione con Hindoostan Technical Fabrics materiali compositi è la resina epossidica. Ltd. (Mumbai, India), un produttore di fabric in carbonio e aramidica (fonte plastemart.com)). È la prima volta che Toho Tenax collabora con un produttore le 17 tonnellate per una velocità superiore a 250 km/h. tessile nel settore delle fibre di carbonio in India. In base all’accordo, Toho Tenax fornirà la sua fibra di carbonio (Tenax) a Hindoostan Tessuti Tecnici, per I materiali compositi che soddisfano i requisiti dettati la tessitura e la lavorazione. Inoltre, la riduzione di peso ha un enorme impatto sulla Le due società commercializzeranno congiuntamente i tessuti verso produttori indiani di materiali compositi rinforzati per i diversi segmenti industriali, dalle specifi che sono: compreso il settore trasporti, (aerospaziale e ferroviario), energia eolica, sport e tempo libero, attrezzature mediche, costruzioni e recupero edilizio ed riduzione del consumo di energia e sull’ambiente (ridu- elettronico. • resina epossidica/fi bre di vetro: soluzione a basso zione delle emissioni di CO e rumore) 2 peso Fino ad oggi, i materiali compositi non sono stati enor- • resina epossidica/fi bre di carbono: più svantaggio- memente utilizzati per gli elementi strutturali dei veicoli sa economicamente ma a basso peso ferroviari, ed, in generale, è stato applicato un approccio • resina poliestere/fi bre di vetro: meno dispendiosa multi materiale (materiali compositi, acciaio, allumi- ma anche meno effi ciente. nio). La sfi da relativa all’applicazione dei compositi è di La principale differenza risiede nella maggiore rigidità raggiungere la riduzione del peso a costi competitivi. I (un paio di volte) delle fi bre di carbonio rispetto alle vincoli costruttivi delle strutture ferroviarie sono sempre 86 fi bre di vetro. 87 stati fortemente legati all’industria metallurgica. L’at- Il comportamento dei compositi all’impatto della gran- tuale evoluzione nel settore ferroviario richiede, invece, dine è molto buono. La progettazione di tipo multima- che i veicoli ferroviari siano alleggeriti in tempi brevi, teriale consente di migliorare ulteriormente le proprietà ponendo l’attenzione verso tecniche basate sulla modu- meccaniche attraverso l’inserimento di stati a maggiore larità e l’utilizzo di materiali compositi. resilienza. Attualmente, vi è la possibilità di sfruttare ulteriormente Le normative di resistenza al fuoco, in passato, sono la capacità industriale di produrre componenti integrati state scritte affi nché materiali/componenti metallici e di dimensioni maggiori per interni, strutture ed ester- (eccetto i cavi) fossero conformi. La nuova normativa ni, attraverso l’utilizzo di materiali compositi intrinse- europea EN 45545 è stata strutturata, invece, tenendo camente resistenti agli agenti atmosferici ed al fuoco conto anche dell’utilizzo dei materiali compositi. Quan- aventi notevoli vantaggi sui metalli. do viene sottoposta al fuoco, una struttura in materiale

Figura 65: Pannello di carrozzeria di un tram leggero realizzato in composito Figura 66: Tipologie di strutture in composito leggero per applicazione termoplastico (Fonte: AnsaldoBreda). di interni ferroviari avente caratteristiche di resistenza al fuoco. (Fonte: euroguarco.com).

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composito termoindurente carbonizza senza fondere. Il Le specifi che per le vibrazioni ed il comfort fanno parte re il processo di ammodernamento. Il materiale rotabile del futuro dovrà sempre più sod- materiale composito brucia, al contrario del metallo, più degli studi di progettazione dinamico-meccanici. In par- Negli ultimi anni è iniziato il processo di alleggerimento disfare le richieste di elevata energia, basso peso, alta o meno a seconda della sua formulazione e della presenza ticolare, tali studi prendono in considerazione il modulo dei veicoli ferroviari, obiettivo conseguibile, in un futu- effi cienza ed basso costo del ciclo vita. Infatti, tale ma- di specifi ci prodotti ritardanti di fi amma. La combustione elastico, la densità del materiale e la geometria. Di soli- ro molto prossimo, mediante l’applicazione di soluzioni teriale è un fattore critico per quanto concerne la qua- genera anche gas tossici, che sono opportunamente clas- to, per ovviare ai problemi di vibrazione, viene utilizzata ibride (compositi/metalli). Nel medio termine, è ipotiz- lità, l’accessibilità dei servizi ferroviari, nonché per la sifi cati nella nuova normativa. una soluzione per l’isolamento acustico che consiste in zabile lo sviluppo di: competitività del settore. Per quanto concerne i processi di riparazione dei compo- confi gurazioni sandwich che integrano strati fonoassor- • elementi di carrozzeria totalmente in composi- I futuri progressi potenziali dei compositi nell’industria siti c’è una differenza minima tra i vari processi disponi- benti, a base di poliuretano espanso fl essibile. In tutti i to: scocche leggere ed aerodinamiche costituite ferroviaria possono essere così riassunti: bili. Ad oggi è possibile effettuare: casi la geometria è importante quasi quanto la tipologia al 100% da materiali compositi in modo da ridurre i materiali avanzati, come i compositi, leghe metalliche • piccole riparazioni: righe o danni superfi ciali a causa del materiale utilizzato. drasticamente il consumo di energia. Un’ulteriore leggere o nano-materiali possono migliorare il materiale della luce e degli impatti localizzati. In tal caso, la Anche la carrozzeria è importante poiché continuamente strategia prevede una migliore integrazione dei sot- rotabile e dell’infrastruttura ferroviaria, rendendolo più differenza tra i processi è poco rilevante. La ripara- esposta ad agenti atmosferici e a sbalzi di temperatura tosistemi ferroviari, che porta a processi produttivi leggero, più resistente e resiliente. Tuttavia, l’introduzione consiste nell’aggiunta di resina e nella levi- (-25°C +50°C), nell’arco di una vita di 30-40 anni. Que- meno complessi, una manutenzione e processi di zione di tali materiali pone sfi de in termini di processi di gatura dopo indurimento. Questa tecnica è anche sto aspetto non è rilevante quando i materiali sono a riparazione più semplici con ricadute positive sui certifi cazione che richiedono una evoluzione del quadro utilizzata per danni molto localizzati (ad esempio un base epossidica o poliestere e dotati di trattamenti anti- costi di gestione; normativo vigente. Tale questione deve essere esaminata foro di alcuni millimetri); corrosione, indipendentemente dalla natura delle fi bre di • soluzioni innovative per interni dei treni: design in- scrupolosamente in modo da comprendere quali eventua- • riparazioni di medie dimensioni: danni più gravi rinforzo. novativo di interiors che permettano l’introduzione li modifi che dovranno essere fatte; dove i primi strati di fi bre sono danneggiati per di- I costi sono un altro elemento importante. I clienti, di servizi a bordo in grado di fornire un valore ag- Innovativi processi industriali. Esiste un fi lone di inno- versi centimetri. In questo caso, le differenze tra infatti, tendono ad evitare costi supplementari legati giunto e migliorare alcuni aspetti legati al comfort vazione legato ai materiali ed ai processi (nano-materiali i processi diventano evidenti. Gli interventi di ri- all’utilizzo di materiali compositi, anche se essi compor- dei passeggeri, come l’accessibilità, il rumore e le multifunzionali, processo di stampa 3D, robotica avanza- parazione devono essere obbligatoriamente effet- tano la riduzione di costi dei processi di assemblaggio vibrazioni; ta) che può consentire un aumento della richiesta e ga- tuati a mano e, di conseguenza, le caratteristiche e della manutenzione. Il fattore economico è, quindi, • sistemi intelligenti di accesso: soluzioni avanzate rantire ulteriori aumenti di produttività in tutti i settori meccaniche ottenute non saranno le stesse di quelle determinante per decidere se utilizzare o meno materiali per l’imbarco autonomo delle persone a mobilità ri- e le aree geografi che. Ad esempio, le innovazioni come di un laminato ottenuto mediante processo automa- compositi. Secondo queste considerazioni, è necessario dotta ed ottimizzazione del fl usso dei passeggeri. la stampa 3D possono offrire una soluzione a lungo ter- tizzato. Quindi, se una struttura è stata progettata migliorare i seguenti aspetti: Sistemi di ingresso con migliorate caratteristiche di mine per la sostituzione di pezzi di ricambio nel settore 88 e dimensionata tenendo conto delle caratteristiche a) tecnologia per i materiali di base: il processo effi cienza energetica e migliorate prestazioni termi- ferroviario; 89 dei laminati ottenuti mediante l’ausilio di un mac- di formatura del pre-impregnato può essere integrato da che ed acustiche con impatto positivo sul comfort le bio-resine e le fi bre naturali di rinforzo. Anche se an- chinario, la riparazione è diffi cile, a meno che non una tecnologia di tipo RTM; dei passeggeri. cora in via di sviluppo, possono soddisfare i requisiti di sia accettato uno spessore supplementare nella zona b) il costo del lavoro; I produttori di compositi sono chiamati a svolgere un infi ammabilità, fumo e tossicità per applicazione inter- riparata; c) il costo dei materiali; ruolo importante nell’ambito di un sistema effi ciente di ne, esterne e non strutturali in ambito ferroviario; • danni elevati: un elemento che viene seriamente d) i costi di produzione, grazie all’automazione di nano/micro compositi a matrice polimerica caricata con danneggiato per diversi metri può essere rimosso e una gran parte del processo produttivo. grafene o nano cellulosa. Tali sistemi possono assicurare sostituito mediante processi di formatura, RTM, in- Per un lungo periodo di tempo, i materiali compositi sono multifunzionalità con integrata protezione al fuoco, alla fusione e stampaggio a contatto. stati utilizzati esclusivamente per parti non soggette a polvere, agli impatti ed all’umidità. carichi meccanici o per componenti semistrutturali. Per quanto riguarda le applicazioni strutturali, è necessario 11.4 SCENARIO un ulteriore sviluppo delle tecnologie e fi no ad ora, solo PPer quanto concerne il mercato nel settore ferroviario, in pochi casi, sono stati utilizzati componenti strutturali l’analisi copre diversi segmenti, da treni ad alta velocità realizzati con materiali compositi. a veicoli urbani. L’alta velocità è un segmento di mercato altamente in- 11.3 LE NUOVE TENDENZE novativo e di successo ed è spesso la scelta preferita per La futura generazione dei treni passeggeri richiederà i viaggi fi no a 4 ore e per distanze fi no ai 700 km. La necessariamente lo sviluppo di soluzioni innovative e maggior parte dei servizi a lunga percorrenza, invece, si modulabili per interiors più confortevoli e attraenti, per effettuano con la combinazione di alta velocità e linee componenti strutturali critici, per sistemi di controllo/ convenzionali: per i collegamenti in questo segmento, i comando in ambienti cabina, così come di metodologie Figura 68: Elaborazione grafi ca degli interni di un treno del futuro totalmente trasporti ferroviari sono in concorrenza soprattutto con in composito (Fonte: www.carbodydesign.com). di progettazione fl essibili ed affi dabili. Allo stesso tem- le compagnie aeree e con gli autobus a lunga percor- po, devono essere sviluppate soluzioni innovative per approvvigionamento in maniera integrata con i costrut- renza. aumentare le aspettative di vita del veicolo o semplifi catori di veicoli e gli operatori. Il servizio ferroviario regionale è la spina dorsale del tra-

Figura 67: Verniciatura e riparazione di resine fenolica e poliestere rinforzata con ﬁ bre di vetro. (Fonte railway-technology.com).

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sporto pubblico locale, ma è un segmento molto sensi- della Commissione europea (2011). Il livello contenuto 12 AUTOMOTIVE D'altra parte, i materiali compositi hanno costi gene- bile alla concorrenza dei servizi di auto e autobus priva- dei costi esterni generati dal trasporto merci su rotaia ralmente superiori rispetto ai metalli, come l’acciaio e 12.1 INTRODUZIONE ti. All’interno di questo segmento di mercato, tuttavia, dovrebbe portare alla scelta di tale modalità per il tra- l’alluminio. Il principale ostacolo nell’applicazione di materiali leg- l’infrastruttura ferroviaria esistente non viene utilizzata sporto di grandi quantità di prodotti e ridurre l’impatto geri è il loro costo elevato, quindi attualmente le mag- in tutto il suo potenziale mediante politiche di pieno ambientale. Infatti, il trasporto ferroviario è la modalità 12.2 LO STATO ATTUALE giori case costruttrici stanno dando priorità alle attività sfruttamento del territorio e di trasporto più sostenibile. più ecologica per il trasporto merci, con emissioni di CO Le tecnologie di produzione di componenti in materiale 2 di riduzione dei costi, attraverso lo sviluppo di nuovi I servizi ferroviari sono per lo più gestiti in base a con- e consumo di energia per tonnellata-chilometro molto composito, utilizzate inizialmente nel settore automo- materiali, tecnologie di formatura e processi produttivi. tratti di servizio pubblico e, a volte, condividono infra- contenute rispetto al trasporto merci su strada e navale. bilistico, sono state mutuate da altri settori, come ad Tuttavia nel settore dei trasporti la riduzione del peso strutture con i servizi di traffi co nazionale. Si prevede che il mercato dei compositi nel settore ferro- esempio quello aeronautico e navale, che tipicamente risulta ancora il mezzo più effi cace per ridurre il consu- Le reti ferroviarie in aree urbane e suburbane svolgono viario raggiunga una crescita annua di oltre l’ 8,5% tra il hanno dei volumi produttivi molto bassi, a differenza mo di carburante e quindi la generazione dei gas serra. un ruolo di primo piano nelle politiche di trasporto delle 2015 e il 2020, in modo tale da raggiungere un valore di di quelli richiesti dalla produzione di serie nell’industria È stato stimato che, nell’arco di un anno, per ogni 10% grandi città, sostenendo la viabilità degli agglomerati mercato globale di oltre $ 1 miliardo entro il 2020. dell’auto. di peso eliminato dal peso totale di una vettura, il ri- urbani. Questo segmento di mercato ferroviario rispon- La richiesta di materiali compositi come componenti di Le motivazioni che hanno inizialmente trainato l'introdu- sparmio di carburante si aggira intorno al 7%. Questo de alle esigenze quotidiane della popolazione ed è la interni ferroviari è in forte crescita in virtù dell’elevato zione dei materiali compositi nel settore automobilistico signifi ca che per ogni chilogrammo di peso ridotto in migliore alternativa per l’utilizzo dell’auto privata nelle rapporto resistenza meccanica/peso dei prodotti. sono da ricercarsi nei seguenti fattori: un veicolo, vi è una riduzione di circa 20 kg di anidride aree congestionate ed inquinate. Tale segmento copre L’Europa e l’Asia rappresentano il mercato principale dei • miglioramento delle prestazioni delle vetture (grazie carbonica. Per raggiungere strutture sempre più leggere, diversi gruppi di sistemi, ciascuno dei quali ha il suo compositi per applicazione in ambito ferroviario e nel alla riduzione di peso) senza dover compensare la rigidità, le case automobili- ruolo a seconda dei fl ussi pedonali da servire ed a se- 2014 hanno rappresentato oltre il 60% della richiesta • immagine (vetture tecnologicamente avanzate e so- stiche stanno sostituendo materiali come l’acciaio e l’al- conda della condivisione o separazione dal traffi co stra- totale di compositi per il ferroviario. Ci sono moltepli- fi sticate) luminio con i materiali compositi polimerici e schiume dale e ferroviario principale. I principali sotto-segmenti ci richieste nel mercato Asia-Pacifi co legate all’aumento • tecnologie di produzione adeguate per bassi volumi nel mercato delle vetture sportive. sono: tram, che non sono separati dal traffi co stradale e della produzione di componenti ferroviari. La richiesta produttivi. È ben noto che i materiali compositi strutturali hanno pedonale; metropolitana leggera, parzialmente protetta globale dei compositi in ambito ferroviario potrebbe, Tali driver sono tipici di vetture ad alte prestazioni, nel caratteristiche meccaniche simili ai materiali metallici, dal traffi co stradale; metropolitane, che sono completa- inoltre, ulteriormente aumentare con lo sviluppo di ul- settore corse e in quello delle granturismo, laddove il co- tipicamente utilizzati nella produzione di automobili, ma mente separate (e sono anche note come sotterraneo o teriori tecnologie oggi emergenti. Attualmente, l’utilizzo sto variabile (materiali + lavorazioni) non è un parametro con una densità inferiore. Così l’applicazione dei materiali metropolitana); e ferrovie suburbane/metropolitane re- del composito è in aumento nei treni ad alta velocità e di primaria importanza. compositi fornisce un notevole vantaggio, in termini di 90 gionali, che offrono servizi condivisi e non con il traffi co questa tendenza può essere estesa anche ai treni a media 91 peso del prodotto fi nito. In Figura 67 è mostrata la po- ferroviario a lunga distanza. velocità. tenziale riduzione di peso di parti come la carrozzeria, Il trasporto ferroviario delle merci è un elemento fon- ottenibile mediante l'utilizzo di leghe leggere e polimeri damentale nella realizzazione di un sistema di trasporto rinforzati in fi bra di carbonio, anziché in acciaio. sostenibile, come previsto dal libro bianco dei trasporti

America Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac

ALSTOM (F) Hexcel (USA), Figura 70: Ferrari F40. Voith (DE) PCT Ferroviario Bombardier (CDN) Hitachi (J) Stratiforme (F) Dubai (UAE) as supplier La prima applicazione industriale nel settore automobili- TRB (GB) stico è stata quella della carrozzeria della Chevrolet Cor- vette, realizzata in plastica rinforzata con ﬁ bre di vetro, presentata alla stampa nel 1953. Per il vantaggio delle varietà di forme ottenibili con i compositi, sono state sviluppate anche applicazioni con costi industriali più bassi, adeguati alla produzione di massa, ma su componenti di ﬁ nizione o semi-strutturali, ovvero non vincolati alla sicurezza. L’evoluzione dei materiali e delle loro tecnologie di pro- Figura 69: Riduzione peso ottenibile con diversi materiali (Fonte: Audi). duzione, insieme con quella delle normative ed esigenze di prodotto (prime fra tutte quelle sulla sicurezza passi-

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va), ha condotto ad una serie di applicazioni, con solu- to) realizzata in CF multiaxial con tecnologia pro- di dei consumi), a causa delle nuove regolamentazioni zioni tecniche spesso innovative. prietaria RTM Lambo internazionali. Come riportato dal grafi co di Figura 75, Tali soluzioni tecniche sono notevolmente differenziate • rinforzi laterali della monoscocca in CF realizzati con nei diversi continenti il livello delle suddette emissioni fra loro, in funzione dell’applicazione, su strutture intere tecnologia braiding. dovrà subire una riduzione drastica nel 2020 e negli anni o parti di strutture. L’Alfa Romeo 4C (Figura 73) è stata realizzata con: a seguire. Ad esempio, le tecnologie di realizzazione fi nora più uti- • scocca (parte superiore) e parti mobili in GFSMC a Tale trend riveste un’importanza ancora maggiore sul lizzate nel settore spaziano dall’hand lay-up (con cura bassa densità mercato, per l’aumentata sensibilità dei clienti verso il in autoclave), al RTM (Resin Transfer Moulding), al SMC risparmio sui consumi. Per ridurre i consumi e l’emissio- (Sheet Molding Compound), con performance strutturali ni, una delle strade da percorrere (oltre alla riduzione decrescenti. degli attriti aerodinamici e meccanici, alla tipologia ed Si riportano alcuni casi recenti di un impiego rilevante effi cienza del motopropulsore e degli impianti a bor- dei materiali compositi su autovetture. do veicolo, eventualmente con il recupero di energia), L’Alfa Romeo 8C Competizione (Figura 71) è stata realiz- è indubbiamente quella dell’alleggerimento, ottenibile zata con: mediante l’impiego di materiali alternativi, come i com- • scocca (parte superiore) completamente in fi bra di Figura 74: BMW i3 e dettaglio della monoscocca. positi. Quindi è ancora la riduzione del peso ad assumere un’im- tecnologia RTM. portanza primaria, ma con un obiettivo diverso: minimiz- A differenza delle realizzazioni precedenti, la scomposi- zare i consumi e le emissioni, anziché di massimizzare le zione della monoscocca è simile a quelle in acciaio e i prestazioni. componenti sono incollati fra loro (Figura 74 in basso). Queste urgenze rappresentano una forte spinta per una maggiore diffusione delle applicazioni dei materiali com- Un altro esempio di applicazione dei materiali compositi, positi sui futuri modelli di vettura: le vetture sportive meno esteso, ma comunque per vetture dai volumi pro- con struttura in composito non rimarranno l’unica ap- duttivi medio-alti, è dato dalla struttura della BMW serie plicazione industriale dei compositi nel settore auto, ma 7 del 2016: tale esempio è particolarmente signifi cativo dovranno essere affi ancate, nei prossimi anni, da vetture 92 per la progettazione multi-materiale della struttura, an- ad elevati volumi produttivi (> 25.000 vetture anno). 93 cora prevalentemente metallica (alluminio e acciaio), ma A riprova delle crescente attenzione delle case automo- con numerosi componenti in composito, quali: longheri- bilistiche verso la riduzione dei consumi attraverso l’al- ne e traverse tetto, rinforzi montante centrale e poste- leggerimento, si inizia ad osservare per la prima volta riore, tunnel. Figura 73: Alfa Romeo 4C e la sua monoscocca realizzata completamente in FC con tecnologia ‘Pre-preg’. Nel breve-medio periodo, è lecito attendersi più applicazioni di questo tipo, che non stravolgano architettura e • telaio completamente in CF con tecnologia 'pre-preg‘ processi di assemblaggio del veicolo, rispetto a soluzioni Figura 71: Alfa Romeo 8C Competizione e tipologia dei materiali utilizzati. • struttura sedile in composito ibrido Fibre di carbone “full-composite”, più adeguate per modelli di nicchia. e fi bre di vetro (CF+GF). carbonio (Carbon Fibre, CF) con tecnologia 'pre-preg‘ Fra le vetture con struttura in composito, attualmente 12.3 LE NUOVE TENDENZE

• porte in CF (con barre antintrusione in acciaio) sul mercato, una di quella che prevedono volumi produt- Figura 76: Trend pesi dei modelli di vetture (Fonte: PSA). • cofano motore in CF + honeycomb tivi elevati è la BMW i3 (Figura 73, in alto), a trazione Impatto delle normative • strutture sedile in CF elettrica. Fino ad oggi la principale motivazione dell’utilizzo dei un’inversione nella tendenza, consolidatasi negli ultimi La Lamborghini Aventador (Figura 72) è stata costruita Tale vettura è la dimostrazione di come sistemi di propul- compositi è stato l’incremento delle performance del vei- decenni, di un continuo incremento nel peso delle vet- con: sione diversi da quelli tradizionali non siano un limite, colo, e sta per essere sostituita da altre esigenze, prima ture, come visualizzato nel graﬁ co di Figura 76 (Fonte:

• cellula centrale dell’abitacolo (sia il telaio che il tet- ma addirittura una spinta in più all’adozione dei materia- fra tutte il contenimento delle emissioni di CO2 (e quin- PSA). li compositi: l’alleggerimento della carrozzeria assume maggiore im- Nuove sfide tecnologiche portanza, proprio per compensare Il passaggio da produzione di piccola serie alla l’aggravio di peso dovuto al pacco produzione di massa dei compositi nel mercato batterie. La struttura della BMW i3 dell’auto non potrà semplicemente tradursi in un è caratterizzata da una cellula abi- trasferimento tecnologico dei materiali compositi tacolo completamente in CF con da settori di nicchia, come quello del racing e

Figura 72: Lamborghini Aventador e il suo telaio realizzato in FC

Figura 75: Nuove regole per le emissioni di CO2 ﬁ no al 2020.

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delle top car, a quello delle vetture di grande serie, ma dei termoindurenti, per ottenere cadenze produttive il cosiddetto overmolding, al fi ne di ottimizzare il Il costo dei materiali, quali le fi bre di carbonio, è molto apre la strada a una serie di nuove sfi de tecnologiche, di elevate, ma con materiali strutturali (sia GF che CF); trade off tra prestazioni strutturali e costi del manu- elevato, se confrontato con quelli dei tradizionali metal- cui si riporta nei paragrafi successivi: ad esempio, il processo CBS della Gurit consente di fatto Figura 77. li, ma di fondamentale importanza è il costo totale del a) tecnologie vs volumi produttivi medio-alti ottenere superfi ci di classe A, stabili fi no a 200°C, e Negli ultimi anni si sta diffondendo l’utilizzo del braiding prodotto, che tiene conto anche degli investimenti, le b) competitività costi del prodotto fi nale quindi compatibili con i processi di verniciatura au- (Figura 78), di notevole interesse sia per le prestazioni lavorazioni, eventuali integrazioni di componenti, ecc. c) tecniche di giunzione tomotive, con produzioni fi no a 40.000 pezzi/anno strutturali, che per la possibilità di automazione/elevati La parola chiave per ottenere una drastica riduzione del d) esigenze di recycling / ecocompatibilità • nuovi laminati termoplastici, da formare mediante volumi produttivi. costo del prodotto è l’innovazione di processo, come ri- e) strumenti e metodi per Controllo / Repairing riscaldamento e Compression Molding, per coniugare Con tale tecnologia si realizzano intrecci di fi bre (da sot- portato da diverse fonti (Figura 79 - 80 - 81). f) design / Know How vs ottimizzazione strutturale elevate prestazioni meccaniche dei termoinduren- toporre a impregnazione, per esempio mediante RTM, e le e di progettazione. ti con l’elevata capacità produttiva e per migliorarne cura), principalmente per la produzione di strutture travi c) Tecniche di giunzione gli aspetti di riciclabilità formi a sezione chiusa. L’introduzione dei compositi nell’automotive rende ne- a) Tecnologie vs volumi produttivi medio− • tecnologie di stampaggio per compositi polimerici Il supporto (core) utilizzato per intrecciare le fi bre viene cessario lo sviluppo di tecniche di giunzione diverse da alti che migliorino il processo di riempimento e compat- sfi lato alla fi ne del processo di curing, tranne nel caso di quelle tradizionali, per assemblare fra loro parti in com- In luogo delle tecnologie tipiche delle produzioni a bas- tamento del materiale. Ad esempio un’opportunità forme particolari (discontinuità fra le sezioni). posito, o parti in composito con parti in materiali diversi si volumi (mutuate dai settori aeronautico, navale e ra- molto interessante consiste nel poter condizionare (per esempio acciaio, alluminio, ecc.). cing), case costruttrici e centri di ricerca si trovano a dinamicamente gli stampi per poter ridurre gli spes- b) Competitività dei costi del prodotto Tale specifi cità può avere un impatto notevole sul pro- dovere sviluppare tecnologie più adeguate ad una produ- sori, i tempi ciclo, migliorare le linee di giunzione, cesso produttivo dell’industria componentistica, ma an- 100 zione industriale vera e propria (alti volumi). ridurre la quantità di materiale utilizzato ed avere che su quello dei costruttori di auto, per esempio nel 90 Occorre passare: un aspetto estetico superfi ciale di altissima qualità caso in cui si prevede di realizzare l’intera scocca in ma- • da elevata manualità ad elevata automazione (evitando così successivi trattamenti di verniciatu- 80 teriali compositi. • da bassa produttività ad elevata produttività. ra) 70 Per le giunzioni di tipo adesivo, sono di grande impor- Occorre quindi perseguire i seguenti obiettivi operativi: • tecnologie di additive manufacturing (stampa 3D), 60 tanza la preparazione delle superfi ci ed il controllo del • riduzione tempo ciclo basate su nuovi materiali nanocaricati. 50 processo. • riduzione costi dei materiali • hybrid molding, in cui si abbina il Compression Mol- Nel design delle zone di giunzione, occorre inoltre pre- 40 • riduzione tempi e costi di lavorazione ding di termoplastici a fi bre continue l’injection venire i fenomeni di corrosione galvanica, a causa della 94 Il settore dei compositi è caratterizzato da una notevole molding di materiale termoplastico (eventualmente 30 differenza di potenziale fra i diversi materiali, per es. fra 95 differenziazione delle tecnologie di produzione, ognuna rinforzato con fi bre corte) fuso nello stesso stampo, 20 la fi bra di carbonio e l’acciaio. con i suoi pro e contro, più o meno adeguata in funzione 10 Il mondo dell’industria, in collaborazione con Università dell’applicazione. e centri di ricerca, sta sviluppando nuovi materiali e so- Oggi l’utilizzo di tecnologie di processo, come la pultru- luzioni tecnologiche, quali: sione e il fi lament winding, è limitato alla produzione di Figura 79: Vision delle possibili riduzioni dei costi produttivi (Fonte: SGL). • nuovi adesivi strutturali forme semplici. • giunzioni meccaniche con inserti metallici annegati Le tecnologie per la produzione di serie di particolare nel composito, fi n dalla fase di laminazione (per i interesse per la loro fl essibilità e potenzialità nella ridu- quali sono disponibili anche kit di riparazione) zione del tempo di ciclo sono: • saldatura a induzione (solo per compositi a matrice a) resin transfer molding - RTM (compositi ter- Figura 77: Hybrid molding. termoplastica) moindurenti) • saldatura laser (solo per compositi a matrice termo- b) compression molding (compositi termoplastici e plastica). termoindurenti) Su queste, si stanno studiando svariate soluzioni per ot- d) Esigenze di recycling/ecocompatibilit timizzarne il processo, fra cui: L’introduzione dei compositi nelle produzioni di massa, • nuove resine a bassissima viscosità per RTM e “fast nonostante i vantaggi che può dare sulla riduzione delle Figura 80: Vision delle possibili riduzioni dei costi produttivi (Fonte: Audi). curing” per processi RTM e Compression Molding (ri- emissioni, è frenata dalle problematiche di eco-compati- duzione tempo ciclo) bilità, sia per il grande dispendio energetico per produrre • tecnologie di High Pressure RTM (che consente note- materiali come le fi bre di carbonio sia, soprattutto, per voli riduzioni del tempo ciclo, a prezzo di limitazioni la riciclabilità dei materiali a fi ne vita. nelle dimensioni massime del manufatto) Gli aspetti di riciclabilità, di cui occorre tenere conto • ottimizzazione del processo di Compression Molding per l’omologazione del prodotto, sono particolarmente rispetto al tradizionale Sheet Molding Compound critici, nel caso dei compositi a matrice termoindurente.

Figura 78: Il processo di Braiding automatizzato.

Figura 81: Vision delle possibili riduzioni dei costi produttivi (Fonte: HBW-Gubesch).

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Una soluzione di interesse è rappresentata dall’utilizzo test, termografi a IR) 12.4 SCENARIO di CF. L’ancora elevato costo dei componenti in compo- di materiali intrinsecamente più adeguati ad essere ri- • allo sviluppo di tecniche innovative, fra cui la she- sito di carbonio ha fi nora limitato il loro uso principal- ciclati, quali compositi a matrice termoplastica e self arografi a e la termografi a IR “closed loop”, che non Dimensioni del mercato globale e nazio− mente a vetture di lusso. Comunque i veicoli industriali reinforced plastics. necessitano di contatto tra mezzo di indagine e nale (18%), gli sport motoristici (15%) e gli autobus (13%) Si sta inoltre sviluppando il fi lone dei materiali “green” manufatto, e consentono tempi di ispezione molto Data la diversifi cazione delle soluzioni tecnologiche e danno un contributo notevole ai ricavi totali generati dal da fonti rinnovabili, come i biopolimeri ed i compositi ridotti dei materiali compositi utilizzati nell’automotive (re- settore dei veicoli su gomma. con fi bre naturali. • alla defi nizione di strategie di controllo (sia in pro- lativamente ai quali, non tutti interpretano allo stesso Un’altra soluzione per ridurre l’impatto ambientale (ma duzione che in esercizio) / intervento, in funzione modo la defi nizione di compositi), non è facile avere anche i costi di produzione) è il riutilizzo degli sfridi di del tipo di prodotto da immettere sul mercato (per dati complessivi sulle dimensioni del mercato specifi co. lavorazione dei compositi per applicazioni con prestazio- es. della sua diffusione e della fascia di prezzo) Il CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) è considerato ni meno importanti. • all’addestramento di personale specializzato per dia- un materiale composito chiave in molti settori dell’indu- Parallelamente, si stanno mettendo a punto diverse tec- gnosi / riparazione. stria automobilistica per le potenzialità applicative nel- nologie di riciclaggio, basate su: la riduzione delle emissioni di CO2, nell’alleggerimento • incenerimento, con o senza sfruttamento del calore f) Design/know how vs ottimizzazione strutturale e nella mobilità elettrica. L’uso di CFRP nelle prodotto, per la produzione di energia strutturale applicazioni automobilistiche è ancora in una fase inizia- • triturazione, riutilizzando il materiale ottenuto per L’industria dell’auto ha consolidato un know how nella le e rappresenta un eccellente opportunità per il futuro cementi o in altre applicazioni progettazione e simulazione strutturale con i materiali - anche se questo dipende anche da ulteriori riduzioni • pirolisi, con cui si carbonizza la matrice polimerica tradizionali, quali l’acciaio e l’alluminio. signifi cative dei costi da ottenere nel caso di compo- sfruttando il gas prodotto o olio di pirolisi per la Per un dimensionamento ottimizzato con i composi- nenti realizzati con CFRP. Nel 1980, le prime applicazioni produzione di energia e il restante rinforzo che non ti è necessario acquisire un’approfondita comprensione in fi bra di carbonio, come l’albero di trasmissione, co- Figura 83: Panoramica delle strategie di alleggerimento (Fonte: Frost & Sullivan). carbonizza può essere riutilizzato per sistemi in cui del comportamento statico e dinamico di tali materiali minciarono ad essere adottati al di fuori del settore mo- si richiedono prestazioni inferiori. (peraltro molto diversifi cati), che tenga conto delle loro torsport e si consolidarono in piccole produzioni di serie. tecnologie di produzione e della loro anisotropia, avva- Compositi in fi bre di carbonio sono oggi utilizzati in una e) Strumenti e metodi per controllo/repai− lendosi degli strumenti e dei metodi di testing fi sico e vasta gamma di applicazioni strutturali e di carrozzeria ring virtuale (con relativa modellazione). 96 Nei componenti in materiale composito, sia in fase di Il rischio da evitare è quello del cosiddetto “black me- 97 produzione sia durante la missione del prodotto, posso- tal”: la progettazione con il composito fatta con lo stes- no generarsi difettosità di vario tipo (porosità, cricche, so approccio e gli stessi archetipi dei metalli. delaminazioni, ecc.), che possono intaccarne l’integrità La fi liera dell’industria è attualmente impegnata, in col- strutturale e quindi le prestazioni fi nali. laborazione con gli enti di ricerca, in attività di speri- Spesso tali difettosità non sono visibili dall’esterno, e mentazione sul comportamento strutturale del materiale quindi occorre fare ricorso a tecniche di controllo non di- (in differenti condizioni ambientali e di carico) e sui re- struttivo (per es. ultrasuoni, coin tap test, termografi a), lativi metodi di simulazione. analogamente a quanto avviene in aeronautica. Inoltre, sono stati introdotti sul mercato nuovi tool di La specifi cità della missione del prodotto automotive, simulazione multi-scala (ad esempio il Digimat della e- Figura 84: Previsioni delle strategie di alleggerimento (Fonte: Frost & Sullivan). che non è sottoposto ai rigidi protocolli di manutenzione Xstream), per una progettazione del materiale composito periodica del settore aeronautico, comporta comunque vs le caratteristiche richieste, prima ancora della consue- Stima di crescita del mercato globale e altre criticità nell’affrontare la problematica delle difet- ta progettazione strutturale con simulazioni / ottimiz- nazionale nel periodo 2015−2020 tosità durante la vita del veicolo, per non parlare della zazioni FEM. Per tutto quanto fi nora mostrato, è da attendersi un diffusione worldwide del prodotto, che viene utilizzato Solo un approccio integrato della progettazione di ma- sensibile incremento nell’utilizzo di materiali compositi Figura 82: Il fatturato (in milioni di dollari) dei materiali compositi in fi bra di da clienti comuni, e non da personale specializzato teriale / processo / architettura del prodotto può con- carbonio realizzato nel settore veicoli su strada e ripartito nei diversi segmenti nelle vetture dei prossimi anni, principalmente per fare (Fonte: Acmite Market Intelligence). Per i controlli di produzione, per le operazioni di ripri- sentire un utilizzo ottimale dei compositi con vantaggi fronte alle esigenze di contenimento delle emissioni di

stino di un assemblaggio, sostituzione o riparazione di in termini di prestazioni, di materiale utilizzato e costo - dai freni in ceramica rinforzata con fi bra di carbonio ai CO2. Per valutare la potenziale crescita occorre fare una un componente danneggiato (con costi ragionevoli), è fi nale. crash-box, dalla monoscocca agli interni abitacolo, ecc. serie di ipotesi, non solo sulle evoluzioni tecnologiche, necessario lo sviluppo di nuove soluzioni tecniche, stru- Gli sforzi e gli investimenti in R&De tecnologie su mate- Con circa 2.205 milioni di dollari di fatturato, il mondo ma anche sulle strategie che potrebbero essere adottate menti idonei e metodi codifi cati. riali, strumenti e metodi di produzione e design prece- dei veicoli su gomma è il mercato più importante per i dai costruttori, che variano a seconda del posizionamen- Oggi si assiste: dentemente descritti sono accompagnati da nuove colla- materiali compositi a base di fi bre di carbonio. La sola to sul mercato dei loro prodotti. • al miglioramento delle tecniche di controllo non di- borazioni / aggregazioni all’interno della fi liera di R&D / industria delle vetture di serie genera il 46% per cento A tal proposito, si riportano la panoramica e le previsioni struttivo consolidate (per es. ultrasuoni, coin tap produzione / riciclaggio dei compositi. del fatturato del produttori di materiali compositi a base fi no al 2020 estratte da uno studio della società di con-

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sulenza Frost&Sullivan (Figura 83 e Figura 84). cazione della domanda e nel posizionamento temporale to ed industrializzando nuovi processi Passare da valutazioni qualitative a quantitative, soprat- dei picchi nella domanda stessa, ma tutte convergono di produzione idonei ad i volumi pro- tutto considerando la situazione evolu- sull’attesa di un incre- duttivi delle vetture di serie (30.000- mento esponenziale, 50.000 vetture/mese). a partire dal 2020 (o Si ritiene che la discontinuità tecno- anche prima, in alcuni logica necessaria per fare tale salto casi), anno in cui sa- nella curva di crescita del mercato ranno obbligatorie le possa essere il passaggio dal CFRP ulteriori restrizioni sul- (a matrice termoindurente) al CFRTP

le emissioni di CO2 nei (Carbon Fiber Reinforced Thermopla- mercati occidentali. stics), poiché: Una di queste stime • i rapidi processi di trasforma- prevede per il 2020 una zione della matrice termoplastica pos- domanda di 130.000 t/ sono portare ad una drastica riduzione anno fi bre di carbonio, dei tempi ciclo attuali, garantendo, con una crescita an- Figura 87: Scenario e sua evoluzione nel tempo del mercato dei materiali compositi nel campo auto motive. nel caso di matrici rinforzate con tes- nuale di mercato fi no suti, pari o addirittura superiori pre- al 15% (Fonte: Sora- racchiusi all’interno dei due seguenti “estremi”: stazioni meccaniche; ia, P., Silvestre, T.P.: • quelli “tradizionali” di “prepreg hand lay-up” e suc- • la matrice termoplastica consente la “saldabilità” di Figura 85: A sinistra: Domanda globale di fi bre di carbonio (Fonte: Soraia e Silvestre); a destra:Stima Recycling carbon fi bre componenti tramite tecniche che non necessitano di della domanda di fi bra di carbonio nel settore automotive (Fonte: Composites Marktbericht 2013). cessiva cura in autoclave/pressa per bassi volumi reinforced polymers for produttivi, (con un limite massimo tecnologico di apporto aggiuntivo di materiale; structural applications: 15-30 pezzi/giorno a seconda della complessità del • è possibile realizzare componenti dalla geometria tiva e frammentata del mercato dei compositi applicati al Waste management, Ausgabe 31, London 2010). Tale componente), architetture complesse e tendenzial- complessa tramite l’aggiunta di nervature/costole settore automotive (che non ha pochi costruttori leader stima, visualizzata nel grafi co di Figura 85 a sinistra, è mente monolitiche, con caratteristiche altamente di irrigidimento con la sovra-iniezione di materia- con programmi di sviluppo a lungo termine, che determi- coerente con quanto previsto, per il solo settore automo- strutturali e/o estetiche “carbon look”, ottimizza- le (stesso polimero o compatibile), eventualmente 98 99 nano il trend dell’intera fi liera, come accade per il settore tive, dalla pubblicazione Composites Marktbericht 2013 zione spinta dei pesi e presenza di strutture san- (Figura 85, a destra). dwich con honeycomb e particolari complessità de- I ricavi sono attesi in crescita del 7% l’anno fi no al 2018 rivanti dalla necessità di usare molteplici tipologie prima di accelerare a ca. 12%. Entro il 2022, si preve- di tessuti nello stesso componente; de un fatturato globale annuo del mercato del carbonio • l’HP - RTM (High Pressure Resin Transfer Molding), intorno ai 4,9 miliardi di dollari (Fonte: Acmite Market PCM (Prepreg compression molding), SMC (Sheet Intelligence), corrispondenti a 20.000 tonnellate di fi bra Molding Compound), per volumi produttivi medi di carbonio. In questo modo le applicazioni automotive (fi no a 200-300 pezzi/giorno), componenti geome- dovrebbero quindi salire al secondo posto davanti alle tricamente semplifi cati ed assemblati successiva- turbine eoliche e dietro alle costruzioni nella classifi ca mente tramite incollaggio o fi ssaggio meccanico, dei segmenti di mercato. buon rapporto prestazioni/peso, ma meno spinto rispetto a quello ottenibile con le tecnologie tra- Potenziali breakthrough tecnologici: nuo− dizionali. vi prodotti che possono determinare una Da parte del mercato automotive la domanda di com- discontinuità sulla crescita del mercato ponenti realizzati in materiale composito è in continuo Nel grafi co sotto (Figura 87) è sintetizzato lo scenario aumento, in quanto le migliori proprietà in termini di complessivo e le sue evoluzioni prevedibili nel tempo del rapporto prestazioni/peso rispetto ad i materiali metalli- mercato dei compositi nel mondo automotive, in funzio- ci tradizionali da una parte vanno incontro alla richiesta Figura 86: Stima dell’evoluzione del fatturato dei materiali compositi in fi bra di ne della qualità e complessità raggiungibile del compo- di riduzione dei consumi per le autovetture a combu- carbonio nel settore automotive (in milioni di dollari) (Fonte: Acmite Market Intelligence). nente e dei volumi produttivi (funzione dei segmenti di stione, e dall’altra rappresentano per le auto elettriche mercato). o ibride una possibilità di contenimento dell’incremento aeronautico), è un esercizio tutt’altro che facile. Come sintetizzato sopra, gli scenari possibili, allo stato peso legato alla presenza delle batterie. Figura 88: A sinistra: Traversa plancia; a destra: Triangolo della sospensione (Fonte: Adler). Comunque, sono disponibili diverse stime di mercato, attuale, sono prevalentemente nell’ambito dei compositi L’obiettivo a medio lungo termine è dunque quello di che differiscono fra loro nel perimetro, nella quantifi - a matrice termoindurente, ed i processi realizzativi sono rispondere a tale richiesta di mercato, mettendo a pun-

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rinforzato con fi bra corta, nella stessa postazione di portaoggetti, ecc.), in questo caso con fi bre non 13 NAVALE 13.2 LO STATO ATTUALE stampaggio del componente (e dunque con riduzio- continue (lunghe o corte) di carbonio/vetro, o fi bre 13.113 INTRODUZIONE Come anticipato nel paragrafo precedente, i compositi ne ulteriore dei tempi ciclo); naturali, o ”mat” di carbonio riciclato; Sebbene la maggior parte delle navi e delle strutture fi brorinforzati (FRP) sono utilizzati nella costruzione di • l’aspetto costi-materia, che ad oggi è un elemen- • strutture multi-materiale, con componenti o rinfor- marittime sono attualmente costruite in acciaio, negli imbarcazioni da qualche decennio: le piccole imbarcazio- to svantaggioso rispetto ai materiali in uso, potrà zi in composito, integrati in una scocca metallica. ultimi anni è sempre più indagato l’utilizzo di materiali ni da diporto e da lavoro sono realizzate soprattutto con essere superato conseguentemente all’aumento di più leggeri. Fino ad ora sono stati ampiamente utiliz- materiali compositi e vi è un crescente uso di materiali domanda di materiale nel mercato da una parte e Scenario a lungo termine (4-8 anni): zati un’ampia varietà di compositi fi brorinforzati (FRP) compositi nelle navi da guerra. Per le navi commerciali alle effi cienze di produzione dello stesso su larga • telai strutturali ; strutturali in modalità single skin o sandwich per la co- più grandi, invece, le norme limitano o vietano seve- scala dall’altra. • componenti di carrozzeria (cofano, rivestimento struzione piccole e medie imbarcazioni artigianali ed in ramente l'uso strutturale di materiali polimerici. Queste Altro fattore da non sottovalutare che muove il mercato a tetto, porte e portellone, paraurti, ecc.). particolare quelle sportive (alta velocità), dimostrando, norme rimandano all’Organizzazione marittima interna- favore delle matrici termoplastiche rispetto alle termoin- Infi ne, si ritiene che a fronte di questo fabbisogno così, le ottime performance dei materiali compositi an- zionale8 (IMO) SOLAS (Salvaguardia della Vita Umana in durenti è l’aspetto di riciclabilità e riutilizzo a fi ne vita tecnologico da parte dell’industria automobilistica, che in ambiente marino. Inoltre, gli FRP hanno recente- Mare) e le restrizioni sono legate alla combustibilità. del componente. la risposta da parte dei futuri programmi di ricerca & mente fatto la loro comparsa sulle grandi navi a causa SOLAS infatti, richiede materiali strutturali non infi am- In quest’ottica, in aggiunta ai tessuti in fi bra di carbo- sviluppo dovrebbe avvenire soprattutto nei seguenti della sempre maggiore richiesta di riduzione di peso per mabili e rispondenti a diverse altre normative europee e nio, per i componenti con requisiti strutturali più bassi, ambiti: aumentare la velocità delle navi. nazionali. troveranno sempre più spazio le applicazioni con fi bre • miglioramento delle caratteristiche termo-mecca- Nel settore delle costruzioni navali, la riduzione di peso, Tuttavia, un’unità del gruppo IMO sta attualmente la- naturali (riciclabili ed “ecosostenibili” perché il processo niche delle matrici termoplastiche a basso costo o dello scafo e della sovrastruttura, permette di aumentare vorando per sviluppare delle linee guida per l’utilizzo di produzione ha dei consumi energetici molto più bassi riduzione costi di produzione delle matrici altamen- il carico utile a parità di velocità e potenza, riducen- di FRP in strutture navali che permetterà di facilitare rispetto a quelli della fi bra di carbonio) o con “mat” di te prestazionali ad oggi esistenti ma di utilizzo in do il consumo di carburante e consentendo di avere una la valutazione di nuovi progetti a seguito del processo carbonio riciclato. ambito esclusivamente aeronautico; piattaforma operativa più stabile ed effi cace. Gli studi di di revisione del Regolamento. Le navi sono soggette a Si ritiene che la domanda di sviluppo tecnologico nel- • riduzione dei consumi energetici per la produzione fattibilità per la costruzione di sovrastrutture navali in specifi ci standard di sicurezza e devono essere costruite la produzione di componenti in materiali composito della fi bra di carbonio per riduzione dei costi della composito per le navi da guerra hanno avuto inizio nei in accordo alla normativa SOLAS. nell’ambito automotive per elevati volumi produttivi, si materia prima e per eco-sostenibilità del processo; primi anni 80. Da allora c’è stato un crescente interesse rivolga, a seconda dell’orizzonte temporale, principal- • tecnologie di produzione del semilavorato “compo- per l’uso di materiali compositi a causa della crescen- Scenario normativo (fuoco) mente ai seguenti componenti: sito” per migliorare l’adesione matrice/rinforzo e te domanda di incrementare la quantità trasportabile di L’obiettivo principale della convenzione SOLAS (Safety 100 101 dunque le caratteristiche meccaniche del prodotto olio combustibile e avere una maggiore resistenza o per Of Life At Sea) adottata dall’IMO (International Maritime Scenario a breve termine (1-3 anni): fi nito; ospitare più ampi sistemi di combattimento. Due esempi Organization) è quello di specifi care gli standard mini- • componenti strutturali (traversa plancia, triangolo • riciclo della fi bra di carbonio/utilizzo di fi bre che mostrano l’importanza del risparmio di peso deri- mi per la costruzione, delle attrezzature e l’operatività sospensione, strutture sedili, supporto motore, naturali per riutilizzo/riciclabilità degli sfridi e dei vante dall’utilizzo di materiali compositi sono: la fregata delle navi, in accordo con la loro sicurezza. Le norme traversa sospensione anteriore e posteriore, tralic- prodotti che arrivano a fi ne vita; francese “La Fayette”, che ha un hangar per elicotteri della Convenzione sono applicabili a tutte le navi che cio di supporto batterie..) per i quali è necessario • sviluppo di materiali (matrice, fi bra e combinazione in FRP sulla poppa di una sovrastruttura d’acciaio e la effettuano viaggi internazionali ad eccezione delle navi prevedere l’utilizzo di rinforzi in tessuto con fi bra dei due) e di processi (automatizzati), in ottica di sovrastruttura più hangar tutte in composito delle due da guerra, navi da carico con meno di 500 tonnellate di di carbonio o vetro (per soluzioni più economiche); riduzione tempi ciclo e fattibilità tecnologica anche nuove fregate DDG-1000 della Marina Militare USA. Que- stazza lorda, navi senza mezzi di propulsione meccanica, • componenti semi-strutturali (pannelli porta, di componenti dalle geometrie complesse/grandi ste applicazioni ibride, derivanti da navi da guerra, di- navi da pesca, navi di piacere che non sono utilizzate per rivestimento portellone portellone, vani/sportelli dimensioni. ventano importanti per la progettazione di navi commer- il traffi co commerciale. Il SOLAS è strutturato in una se- ciali leggeri, come i traghetti ad alta velocità e le navi rie di capitoli e regole al fi ne di chiarire gli aspetti della Ro/Ro, dove una struttura in acciaio e FRP è in grado di sicurezza a bordo delle navi. L’uso dei materiali compositi America Materiale Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac competere con strutture in alluminio. L’integrazione di polimerici nelle navi è ancora estremamente limitato ed parti strutturali in composito nella struttura in acciaio di è dovuto non solo a fattori economici o di processo, ma Audi (DE) una nave richiede innanzitutto l’esistenza di sistemi di anche a limitazioni legate alla reazione del materiale in FCA BMW (DE) giunzione acciao/composito forti, affi dabili e durevoli. caso di incendio (emissione di fumi e sostanze tossiche). Ferrari Lamborghini GM (USA) Automotive Benz (DE) Ford (USA) Toyota (J) Queste tipologie di giunti ibridi sono utilizzati da molti In ambito navale tale problema è molto critico. Infat- Adler Group Renault (F) anni nel settore aerospaziale e automobilistico. ti, la presenza di un incendio a bordo non sempre è un

evento eccezionale, bensì altamente probabile in alcuni scenari operativi (guerra). Nel campo delle imbarcazioni Sulla scia della leggerezza per l’automotive, le carbofibre verranno impiegate sempre di più nelle automobili. Attualmente, BMW, Benz, Ferrari, Lamborghini, General Motors, Ford e altri costruttori sono già coinvolti nel settore dei materiali in da diporto, lo scafo e la sovrastruttura sono spesso rea- carbofibre. lizzati interamente in FRP con soluzioni anche soﬁ sticate La nuova SGL e BMW collaborano per impiegare la fibra di carbonio nella struttura principale della BMW i3, i8 e di tutta la nuova serie 7. Il mercato globale dei compositi in carbofibra per l’automotive si aggira intorno ai $ 58 miliardi nel 2015, e e costose, che prevedono l’utilizzo di ﬁ bre di carbonio. per i prossimi anni ci si aspetta che il rateo di crescita rimanga costante attorno al 30% (prnewswire.com). Ciò è possibile perché, in questo caso, non è richiesto il

8 IMO è un’agenzia delle Nazioni Unite responsabile di “safe, secure and efﬁ - cient shipping on clean oceans”

Figura 89: Stiletto, U.S. Navy’s, costruito interamente in I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 epossidica rinforzata con ﬁ bre di carbonio (Fonte: M Ship Co). navale

rispetto della regola SOLAS. Nel caso specifi co di appli- no dei limiti dimensionali pari a circa 290 m di lunghezza I substrati per il livellamento dei pavimenti in matrice Diversi prodotti di albero in composito sono dispo- cazioni con caratteristiche estetiche e di leggerezza per e 32 m di larghezza, per poter essere in grado di passare polimerica hanno una grande estensione a bordo del- nibili sul mercato certifi cati dalle maggiori società imbarcazioni da diporto, l’uso di materiali compositi è attraverso lo stretto del Canale di Panama. La maggior le navi; la più utilizzata è la resina poliuretanica ed il di classifi cazione quali ABS, Lloyd Register, RINA, quasi obbligato. Negli altri casi, i regolamenti limitano parte dei porti impone dei limiti simili. Quindi, l’unico substrato è realizzato utilizzando due differenti materie DNV. L’uso di questi sistemi a bordo (attualmente più signifi cativamente le applicazioni di compositi a bordo. modo per aumentare la capacità di carico delle navi da prime per il riempimento e la fi nitura del prodotto. Il costosi di quelli tradizionali) avviene solo in caso di Paratie non strutturali (di classe A e B) sono costitui- crociera è quello di aumentare l’altezza e di conseguen- riempimento è una resina bicomponente epossidica- po- necessità ed in particolare: per contenere il peso, te da pannelli piani e occupano grandi spazi a bordo e za la massa sopra la linea di galleggiamento, con con- liuretanica e la fi nitura è costituita da un sottile strato migliorare la fl essibilità d’asse, ridurre il numero di potenzialmente sono realizzabili per mezzo di sandwich seguente impatto sulla stabilità della nave. I materiali di resina poliuretanica (con fi nitura superfi ciale persona- cuscinetti e la dimensione della sala macchine; compositi. Le regole Solas richiedono che le paratie sia- strutturali leggeri consentono di avere una sovrastruttu- lizzata per le proprietà estetiche). • tubazioni e serbatoi in composito: i sistemi di tu- no sviluppate secondo i requisiti della parte 3 del codice ra più grande con maggiore capacità. Altri esempi che dimostrano l’utilizzo di materiali com- bazione ed i serbatoi in materiale composito sono FTP - Procedure di prova del fuoco: l’integrità di classe positi nella costruzione navale sono: realizzati utilizzando resina epossidica rinforzata “A” e “B” delle costruzioni deve essere raggiunta con • piscina in composito: una grande nave da crociera con fi bra di vetro mediante processi di fi lament win- materiali non combustibili. Agli adesivi utilizzati nella dispone di tre grandi piscine sui ponti superiori e ding. La certifi cazione dei prodotti avviene ad opera costruzione del provino, invece, non è richiesta l’incom- altre piscine di medie dimensioni nei ponti inferiori. dei più grandi istituti di classifi cazione ed il loro bustibilità; tuttavia, ai fi ni del Codice, essi devono avere Le nuove piscine consistono essenzialmente in lami- utilizzo è riconosciuto in impianti di medio/bassa una limitata propagazione della fi amma. Stando a que- nati di PVC ed epossidica rinforzata con fi bra di ve- pressione per collegamenti e tubazioni. Le tubazioni sta normativa, è vietato l’utilizzo di materiali compositi tro. Queste confi gurazioni consentono un risparmio in materiale composito sono molto più costose delle polimerici per la costruzione paratie classifi cate A e B. di peso (circa 7 tonnellate per una piscina grande) e tradizionali metalliche e vengono introdotte solo per Negli ultimi anni, tuttavia, il regolamento SOLAS II-2/ permettono di personalizzare la forma della piscina, poter risparmiare peso. Regolamento 17, “Alternative design and arrangements”, di integrare allestimenti e minimizzare l’effetto di Una delle più importanti applicazioni dei materiali com- consente di utilizzare una nuova metodologia per la corrosione dovuto alla ruggine. Il limite principale positi a bordo delle navi militari riguarda i defl ettori di progettazione e le modalità di sicurezza antincendio: in all’introduzione a bordo nave di piscine in composi- fi amma, utilizzati per deviare le fi amme di propulsione Figura 90: Porte di nave interamente in materiale composito (Fonte: sostanza, è permesso un approccio alternativo di pro- vabocomposites.nl). to è dovuto alla diffi coltà di standardizzare il design dei missili proteggendo le strutture navali. Infatti, du- tezione al fuoco che consenta di raggiungere un livello e la forma (su richiesta del proprietario), per ammor- rante il lancio, nella fase di massima pressione, le strut- equivalente di sicurezza antincendio come prescritto per La resistenza alla corrosione è uno dei vantaggi dei com- tizzare l’investimento dovuto al costo degli stampi; ture esposte alla fi amma raggiungono la temperatura di 102 tutti i tipi di nave. positi rispetto all’acciaio in ambiente marino. Inoltre, • fumaiolo in composito: il fumaiolo rappresenta l’e- degradazione, ma gli strati interni contribuiscono a re- 103 Gli obiettivi delle norme di sicurezza antincendio devo- per i militari, è di estremo interesse la possibilità di in- lemento distintivo di una nave o di una società. E sistere alla sovrapressione, deviare il fl usso e proteggere no essere utilizzati come riferimento nel confronto tra globare nella struttura nuove funzionalità “intelligenti” proprio la forma complessa di alcuni fumaioli, può lo scafo. Il defl ettore fi amma, 4mx2m con un peso com- il livello di sicurezza fornito dal design alternativo ed i riducendo ad esempio la tracciabilità magnetica, radar e essere realizzata utilizzando materiali compositi. plessivo di circa 500 kg, sono realizzati con resine polie- requisiti richiesti in fase di progettazione. In particolare infrarossi. Le migliorate proprietà di isolamento termico L’ultima generazione di fumaioli è stata realizzata stere ignifughe rinforzate con fi bra di vetro. La struttura sono possibili due modi per verifi care l’equivalenza dei e acustico dei FRP sono signifi cative in molte applica- in vetroresina con il processo di hand-lay-up per ot- viene realizzata partendo da preimpregnati processati in requisiti: zioni, ad esempio nei balconi delle navi da crociera dove tenere un risparmio di peso e conseguenti benefi ci autoclave e rinforzati con tecniche hand--lay-up. • il confronto diretto tra la sicurezza antincendio di sono un problema i ponti termici, le pareti della cabina in termini di stabilità della nave. Tuttavia, come già La cupola di protezione dei sonar (sonar dome) nelle navi un progetto alternativo con uno di riferimento, in cui il passaggio di rumore deve essere ridotto al mi- sottolineato in precedenza essendo manufatti a ti- militari è una struttura integralmente in materiale com- • il confronto tra design alternativo ed i criteri nimo. ratura limitata, è oneroso il costo degli investimenti posito che ne assicura la trasparenza acustica e il funzio- espliciti che rappresentano il livello di sicurezza Inoltre, si possono aggiungere ritardanti di fi amma alle iniziali (stampi); namento del sonar. La cupola è fatta di resina epossidica prescritto dalla normativa. matrici polimeriche, al fi ne di migliorare la resistenza in • albero in composito: l’albero di trasmissione in com- rinforzata con fi bre di vetro (lunghezza 8 metri, altezza La scelta del metodo per verifi care la sicurezza antincen- condizioni di incendio dei componenti. posito è generalmente realizzato in resina epossidica 3 metri e larghezza 4,2 metri) con un peso complessivo dio è legata alla valutazione delle incertezze introdotte Nelle grandi navi da crociera si segnalano pochissime ap- rinforzata con fi bre di vetro o carbonio e ricoperto di circa 6,5 tonnellate. Sono utilizzati per la produzione dal nuovo design. plicazioni dei materiali compositi: i box dei servizi igie- da un sottile strato di materiale che limita la pro- dei sonar dome dei processi che permettono un accurato nici in GFRP (glass fi ber reinforced polymers) e i siste- pagazione della fi amma (protezione antincendio). controllo dimensionale e dei materiali opportunamente Materiali compositi per lindustria navale mi di copertura delle piattaforme. Infatti, tra i prodotti Questa soluzione offre vantaggi in termini di peso selezionati per poter garantire lo spessore del compo- La riduzione di peso tipicamente associata alla sostitu- utilizzati a bordo, una grande nave da crociera monta (-30% rispetto all’albero in acciaio e -15% rispet- nente fi nale e le proprietà meccaniche al laminato. zione dei materiali tradizionali con compositi polime- fi no a 1700 box per wc, in poliestere autoestinguente to all’acciaio tubolare) e in termini di installazione La protezione balistica delle strutture, attrezzature e del rici, ha implicazioni diverse per le navi. Naturalmente rinforzato con fi bre di vetro e realizzati con un processo (buona compensazione del disallineamento statico). personale è di solito di due tipologie: risparmio di carburante è un vantaggio, ma nonostante il hand-lay-up, di sei tipi e dimensioni differenti, a secon- Il fi lament winding assicura una distribuzione uni- • integrata: si utilizzano armature di acciaio specia- prezzo fl uttuante del petrolio, l’aumento del carico utile da della cabina. Il peso totale (di tutti i box) è pari a forme di resina e fi bre. Inoltre, la disposizione delle le (per esempio ArmoxTM) caratterizzato da elevata derivante dalla leggerezza delle strutture è più attraente 1.000 tonnellate, e la parte in composito (la struttura fi bre può essere progettata in maniera tale da ot- durezza, elasticità e resistenza allo snervamento a ed ha ritorno economico più rapido. Le grandi navi han- esterna) è pari a circa il 50% del peso totale. timizzare il comportamento di fl essione torsionale. trazione;

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 navale

• pannelli add-on: pannelli di protezione di tipo fi bro- metallo-composito offre molti vantaggi rispetto ad altre Negli ultimi tempi si stanno sviluppando soluzioni leg- • miglioramento della qualità percepita grazie alle ceramico che vengono aggiunti alle strutture esi- tecniche di assemblaggio, quali ad esempio la saldatura gere costituite da materiali compositi espansi per la sofi niture stenti. o la bullonatura. I principali vantaggi della giunzione stituzione dei sistemi di isolamento termico tradizionali • strumenti progettuali per la previsione delle Con riferimento alle soluzioni “add-on”, sono già repe- adesiva sono la riduzione del peso della struttura e la (basati sulla di lana di roccia) nelle paratie delle navi. prestazione dei materiali nelle primissime fasi di ribili sul mercato: la tipica soluzione fi bro-ceramica è fl essibilità di poter unire materiali diversi, che consen- Le prestazioni di isolamento termico di tali soluzioni sviluppo. costituita da due materiali il ceramico che rompe il pro- tono al progettista di scegliere il materiale più adatto innovative sono valutate mediante l’utilizzo di modelli iettile riducendolo in frammenti, e il materiale fi broso per ogni parte della struttura. Adesivi in composito termici e termomeccanici (FEM). 13.4 SCENARIO che decelera ed intrappola i frammenti. Questa tipologia multifunzionali, additivati con nanoparticelle, possono I materiali compositi hanno un elevato potenziale appli- Il mercato globale legato all’utilizzo dei compositi in di pannelli è realizzata con resina fenolica e rinforzo in migliorare la resistenza al fuoco e ridurre le vibrazioni cativo nel settore navale militare, ma con limitazioni in ambito navale si stima possa raggiungere un valore di fi bra aramidica. ed il rumore nei giunti incollati. Inoltre producono l’iso- caso di incendio e di esplosione. In particolare, sono sta- oltre 4,5 miliardi di dollari entro il 2020 (fonte prnew- lamento galvanico, un fattore importante nella riduzione ti realizzati componenti delle navi in strutture sandwich swire.com). I materiali compositi sono utilizzati nella 13.3 LE NUOVE TENDENZE del fenomeno della corrosione quando si assemblano me- in resina vinilestere rinforzata con fi bre di vetro mono e realizzazione di scafi , pontili, sedili, motoscafi per lo sci Le tecnologie dei compositi sono in rapida crescita anche talli diversi. Infi ne, un fattore molto importante legato bidirezionali, balsa ed isolamento in lana di roccia, ed, nautico, imbarcazioni sportive, alberi e altri componenti in nuovi mercati, compresa la cantieristica navale, dove è all’incollaggio rispetto alle altre tecniche di giunzione, è inoltre, laminati a base di resine epossidiche e fi bra di strutturali di imbarcazioni da diporto. necessario approfondire alcune questioni legate alla du- la possibilità di avere una migliore capacità di carico tra- carbonio. Per quanto concerne le problematiche di re- In questo settore, il mercato dei compositi è in crescita rata e alla riparabilità. D’altro canto, si sta studiando l’u- sportato, in quanto le sollecitazioni sono distribuite più sistenza al fuoco ed all’esplosione si stanno studiando grazie alla grande richiesta di barche a vela e yacht di so di materiali compositi polimerici per realizzare strut- uniformemente rispetto alla saldatura o alla bullonatura. soluzioni migliorative per quanto concerne il design ed i lusso. Si prevede nei prossimi anni un’ulteriore crescita ture navali leggere e con bassi consumi di carburante Riguardo al miglioramento delle prestazioni idrodinami- giunti di collegamento. In particolare, è stata sviluppata correlata alla disponibilità di investimento nel settore e di conseguenza basse emissioni di agenti inquinanti. che, i materiali compositi possono essere utilizzati per una metodologia di progettazione alternativa in grado di degli yacht privati. Un’ulteriore fonte di crescita del mer- Inoltre, i compositi potrebbero offrire notevoli vantaggi realizzare sovrastrutture avanzate quali container di navi assicurare ai materiali protezione al rischio d’incendio. cato sarà legata ai progressi tecnologici nell’ambito dei anche in termini di riduzione dei costi di manutenzione e balconi di navi da crociera. I materiali compositi ed i Inoltre, è stato effettuato uno studio apposito legato ai materiali riciclabili e multifunzionali e in virtù delle nuo- e riparazione delle navi. processi utilizzati per queste applicazioni sono: giunti al fi ne di ottenere una buona resistenza struttu- ve tecniche di produzione automatizzata. Future attività di ricerca riguardano la realizzazione di • compostiti a matrice epossidica rinforzati con fi bre rale alle esplosioni interne, con prestazioni simili alla Per quanto riguarda l’innovazione tecnologica legata strutture ibride in cui i materiali compositi vengono uti- di vetro processati mediante hand lay-up e sacco strutture in acciaio. Infi ne, sono in corso recenti studi ai materiali, ad oggi, sono prevalentemente utilizzati i lizzati per riparare o rinforzare componenti metallici e da vuoto; sulla realizzazione di alberi multifunzionali realizzati in- compositi rinforzati con fi bre di vetro rispetto ai compo- 104 per realizzare strutture navali con una migliore resa idro- • compostiti a matrice vinilestere rinforzati con fi bre teramente in materiale composito. I materiali allo studio siti in fi bra di carbonio perché più convenienti dal punto 105 dinamica. di vetro processati mediante sacco da vuoto per la progettazione di tali alberi sono: resina epossidica di vista economico. Ad ogni modo, i compositi in fi bra di Per il rinforzo e la riparazione di componenti metallici, • soluzione Sandwich (vetro/epossidica e PVC) pro- rinforzata con fi bra di vetro o di carbonio (con differenti carbonio sono attualmente utilizzati nella realizzazione attualmente si utilizza un metodo che prevede la sosti- cessati mediante hand lay-up e sacco da vuoto; pesi e di diverse tipologie) e core in poliuretano. Si pre- di barche a vela e imbarcazioni ad idrogetto. tuzione dell’acciaio danneggiato e la saldatura di rinforzi • soluzione Sandwich (vetro/vinilestere e balsa) lavo- vede, nel breve periodo, di poter istallare alberi in com- Alcune problematiche che bisognerà superare per con- locali. Una soluzione alternativa è offerta dalle patch in rati mediante tecnica del sacco da vuoto; posito con diverse tipologie di sensori incorporati (al- sentire un ulteriore sviluppo del mercato dei compositi in composito, con le quali, però, sono stati riscontrati vari • soluzione Sandwich incollata (acciaio / PVC). tezza 15m e carico di 20t), su navi di 80m di lunghezza. ambito navale sono rappresentate dalle norme stringenti inconvenienti tecnici, operativi ed economici. Le patch L’applicazione della nanotecnologia rappresenta un’altra Ulteriori future necessità di ricerca legate ai materiali legate all’utilizzo dello stirene in Europa, dall’alto costo in composito per la riparazione offrono i seguenti van- promettente strada percorsa dalla ricerca nel settore na- compositi e alle relative tecnologie di manufacturing, di produzione di materiali compositi in fi bra di carbonio, taggi: vale. In particolare possono essere identifi cate un gran per il settore navale, riguardano: dai problemi di riciclaggio e dalle operazioni di manu- • nessuna lavorazione a caldo (tipo saldatura); numero di applicazioni nanotecnologiche interessanti: • miglioramento delle qualità vibro-acustiche dei tenzione. • basse concentrazioni di stress (dovute alla saldatu- • nanorivestimenti, ovvero rivestimenti superfi ciali mezzi (utilizzo di sistemi compositi multifunzionali I paesi che offrono le maggiori opportunità di mercato ra); funzionalizzati per ottenere specifi che proprietà; per la compartimentazione interna nave, assem- per la costruzione di imbarcazioni in composito sono la • applicabili in situ e con riduzione/eliminazione del • trattamenti superfi ciali di metalli con nanostrutture blaggio mediante adesivi polimerici in grado di Cina, la Corea del Sud e alcune regioni oceaniche. L’Asia fermo nave; che forniscono proprietà super-idrofobiche e super- smorzare vibrazioni) presenta sicuramente la velocità di crescita del mercato • riduzione di peso. oleofobiche per realizzare superfi ci autopulenti ed • ottimizzazione del comfort termico dei compositi più alta in ambito marino. I materiali compositi ed i processi che vengono utilizzati escludere la formazione di ghiaccio; per la riparazione/rinforzo sono: • fi ller nanoconduttivi per realizzare rivestimenti • FRP carbonio/resina epossidica mediante hand-lay- aventi proprietà schermanti per potenziali applica- up ed infusione sotto vuoto; zioni militari (radome, albero integrato, sovrastrut- • FRP carbonio/vinilestere mediante hand-lay-up e ture, ecc). infusione sotto vuoto; • Prepreg carbonio/resina epossidica. L’utilizzo di giunti adesivi per realizzare strutture ibride

Figura 91: Compositi espansi sviluppati dal CNR IPCB nel’ambito del progetto IMAST COCET I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 (PON02_3206086). difesa

14 DIFESA me deve essere costruito con materiali che garantiscano mentre le temperature nella camera di combustione dei raffreddamento; buone prestazioni meccaniche e che attenuino in minima motori dei missili o dei razzi possono raggiungere valori • maggiore resistenza alla corrosione; 14.1 INTRODUZIONE parte il segnale elettromagnetico trasmesso o ricevuto dai 2.000°C ai 3.000°C. I materiali compositi, in parti- • minori requisiti in termini di manutenzione, mag- I materiali compositi polimerici promettono cambiamen- dall’antenna. In altre parole, il radome deve essere tra- colare i compositi carbonio-carbonio o le forme allotro- giore semplicità nell’esecuzione delle riparazioni; ti tecnologici rivoluzionari per una vasta gamma di ap- sparente alle onde radar o radio operative dell’antenna e piche di carbonio, sono i più utilizzati in assoluto per le • miglioramento delle prestazionidella missionea plicazioni e piattaforme militari. Le nuove tecnologie per opaco alle altre frequenze. applicazioni di schermatura del calore, a causa della loro causa di una capacità di carico più elevata; essere incorporati all’interno delle piattaforme che sono I radome possono essere costruiti in forme diverse (sfe- eccezionale resistenza chimica e termica. • facilità di integrazioniall'internodello shelter. direttamente rilevanti per l’arena difesa includono: rado- rica, geodetica, planare, etc.) e, a seconda della partico- Le strutture missilistiche sono elementi estremamente Rispetto ai shelter in metallo o parzialmente in compo- me selettivi in frequenza, barriere termiche, protezioni lare applicazione, sono realizzati con differenti materiali importanti nell’industria aerospaziale. Esse devono avere sito, le postazioni interamente in composito sono più balistiche, l’invisibilità ai radar, la sensoristica distribui- costruttivi (fi bra di vetro, tessuto rivestito in PTFE, ecc). alta resistenza meccanica e resistenza al fuoco per sop- leggere, più facili da trasportare, più coibenti, più dure- ta, la produzione e gestione dell’energia, strutture e ma- Quando è adottato nei velivoli ad ala fi ssa, il radar è portare le severe pressioni laterali e il carico termico. voli, e non soggette a corrosione. Inoltre, in termini di teriali intelligenti, elasticità e robustezza, ecc. posto nella parte anteriore della fusoliera poiché comu- L’ugello, il condotto di scarico del motore a propellente prestazioni, i shelter all-composite offrono una maggiore Anche le nanotecnologie avranno un impatto sui sistemi nemente è utilizzato per il rilevamento di altri velivoli o solido, dà la spinta per il movimento del missile-proiet- stabilità e resistenza, insieme a una protezione balisti- aerospaziali a fi ni militari che si occupano di informazio- delle condizioni meteorologiche nello spazio aereo d’in- tile. Durante il volo del missile, l’ugello sperimenta cor- ca intrinseca e isolamento elettrico dovuta ai materiali ne e di elaborazione dei segnali, l’autonomia operativa e teresse. Quindi il naso della fusoliera spesso serve come renti a getto (jet fl ow) ad alta temperatura e pressione. scelti. Questi vantaggi si traducono in una serie di van- l’intelligenza. Sostanziali vantaggi sono attesi da questi radome. Dal momento che anche un lieve degrado nella struttura taggi di costo del ciclo di vita, tra cui una riduzione dei nuovi materiali che comprendono sistemi stealth (invisi- Sulle macchine ad ala rotante (elicotteri) e velivoli ad dell’ugello danneggia gravemente le prestazioni del mo- costi di trasporto, minori costi di riscaldamento/raffred- bilità), nuovi sistemi di interfaccia, strutture leggere per ala fi ssa ove vi siano presenti sistemi di trasmissione tore, l’integrità strutturale è la preoccupazione princi- damento, i costi di sostituzione più bassi e minori costi lo sviluppo di veicoli senza equipaggio miniaturizzati e satellitare per la comunicazione oltre la linea di mira, i pale durante il periodo di funzionamento degli ugelli. Il di manutenzione. autonomi (UAV) e sistemi di telecomunicazione. radome spesso appaiono come bolle sulla fusoliera. Ol- liner è il sistema di rivestimento all’interno dell’ugello a I materiali compositi consentono lo sviluppo di materiali tre alla protezione, i radome servono a dare un profi lo formare la barriera di isolamento meccanico e termico. Il Finestre elettromagnetiche selettive in innovativi che forniranno le basi per la progettazione e aerodinamico al sistema di antenna, riducendo così la fl usso del fl uido ad alta temperatura nel profi lo interno frequenza lo sviluppo di nuove proprietà e strutture che porteran- resistenza (o drag) aerodinamica. del sistema degli ugelli crea un’impennata delle solleci- Una superfi cie selettiva in frequenza (FSS) è una super- no ad un incremento delle prestazioni, una riduzione dei Oggi il radome rappresenta un elemento chiave per i tazioni termo-meccaniche attraverso la sezione trasver- fi cie polimerica sottile, dove è ripetuta n volte una cella costi di manutenzione, e funzionalità avanzate (ad es. Seeker, dispositivi per l’individuazione di sorgenti onde sale del liner. Questo erode la gola dell’ugello e allarga la elementare con un pattern metallico opportunamente superfi ci selettive in frequenza e materiali radar assor- 106 elettromagnetiche nella banda RF. zona della sezione della gola. Questo fenomeno provoca progettato per rifl ettere, trasmettere o assorbire campi 107 benti). Attualmente è in corso lo sviluppo di nuovi materiali una riduzione della spinta e l’effi cienza operativa dell’u- elettromagnetici in funzione della frequenza. come i ceramici e i compositi per poter operare anche in gello. Il tasso di erosione del sistema composito dipende In questo senso, un FSS è un tipo di fi ltro ottico o fi l- 14.2 LO STATO ATTUALE condizioni di velocità supersonica. dalla capacità di isolamento termico dello strato char tro ottico con mesh metallico nei quali il fi ltraggio si Nei prossimi paragrafi sono descritte le principali appli- ablativo. Un tasso di diminuzione minima della super- realizza grazie alla regolare ripetizione della cella ele- cazioni ad oggi sviluppate basate sui materiali composi- Barriere termiche fi cie dello strato di char mostra una migliorata capacità mentare (generalmente metallico, ma a volte dielettrico) ti, alternativi ai materiali tradizionali, con ulteriori inte- Un altro settore applicativo, dove i materiali composi- ablativa nella schermatura termica. È riportato in let- sulla superfi cie polimerica della FSS. Superfi ci selettive ressanti opportunità di prodotto: la multifunzionalità. In ti, per le loro migliori caratteristiche termo-meccaniche teratura che i compositi in fi bra di carbonio impregnati in frequenza sono state più comunemente usate nella particolare le principali potenziali applicazioni dei mate- esibite, stanno costantemente sostituendo i metalli e le con resina fenolica sono utilizzati comunemente come banda radio (frequenza dello spettro elettromagnetico) riali compositi nei settori della difesa sono: radome, bar- leghe metalliche, è rappresentato dalle barriere termi- materiali ablativi per i rivestimenti degli ugelli dei razzi e trovano impiego in applicazioni diverse come i radome riere termiche, shelter (o postazioni tattico-logistico), e che. L’applicazione con successo dei materiali compositi per la protezione dalla fi amma e all’alta velocità erosiva per antenne radar realizzati con metamateriali moderni. fi nestre elettromagnetiche selettive nel settore aerospaziale, dove sono richieste condizioni dei fl uidi. Questi ambienti di lavoro estremi richiedono Le superfi ci selettive in frequenza sono indicate sempli- operative estremamente severe dal punto di vista termi- rivestimenti degli ugelli ad alta integrità strutturale con cemente come superfi ci periodiche e sono un analogo Radome co, ha comportato un'esplorazione estensiva di materiali degrado minimo. 2-dimensionale dei nuovi sistemi in 3D periodici deno- Un radome (parola composta dalle parole radar e dome) ablativi con costi economicamente vantaggiosi. Nei vei- minati cristalli fotonici. è una struttura usata per proteggere un'antenna a mi- coli spaziali la schermatura termica ad alte ed altissi- Shelter (postazione tattico−logistico) I fabbisogni di ricerca richiesti per sviluppare tutte le croonde (ad esempio i radar) senza però compromettere me, sia all’interno o all’esterno, è diventato un elemento Gli shelter (postazioni tattico-logistico) progettati in potenzialità di questi metamateriali sono qui di seguito le prestazioni del sistema radar. L’obiettivo del radome è essenziale. La schermatura termica all’esterno protegge composito hanno acquisito, rispetto a quelli tradizionali riassunte: proteggere le superfi ci dell’antenna dalle condizioni me- principalmente il materiale strutturale dal riscaldamento in metallo o ibridi, molti vantaggi in termini di superiori • sviluppo di materiali polimerici con caratteristiche teorologiche avverse o da attacchi ostili e nascondere cinetico, mentre l’isolamento interno protegge i sottosi- prestazioni e qualità, e di costi di manutenzione durante EM includendo inclusi appropriati fi ller (micro- e alla vista di occhi indiscreti le apparecchiature elettro- stemi e aiuta a mantenere il coeffi ciente di dilatazione il ciclo di vita, in dettaglio: nano particelle) niche dell’antenna. Inoltre il radome protegge lo stesso termica basso. Per i veicoli spaziali al reingresso iper- • minore rapporto peso/resistenza meccanica; • sviluppo di materiali compositi per fi nestre elet- personale addetto al fi ne di evitare che venga colpito ac- sonico, la temperatura esterna dovuta al riscaldamento • maggiore valore di resistenza termica con con- tromagnetiche selettive in frequenza ad elevate cidentalmente dalle antenne in rapida rotazione. Il rado- cinetico può aumentare al massimo fi no a circa 500°C, seguente risparmio di energia di riscaldamento/ prestazioni termo-meccaniche e con geometrie

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 difesa

complesse; I metamateriali sono materiali ingegnerizzati artifi cial- Quasi tutte le nuove tecnologie hanno potenziali limiti loro spessore è paragonabile alla lunghezza d'onda della • sviluppo e implementazione superfi ci selettive in mente che offrono molti vantaggi esclusivi rispetto alle o barriere al loro pieno sfruttamento; per i metamateria- radiazione usata dalle caratteristiche del sistema in esso frequenza FSS basate su metamateriali con matrice loro controparti convenzionali in quanto hanno proprietà li, queste limitazioni includono larghezze di banda con contenuto. La forma deve essere tale da coprire l'anten- polimerica e fi ller metallico che può essere defi nite che non sono disponibili in natura. Le proprietà acquisite perdite e materiali adatti a tutti le lunghezze d'onda, e na, e contemporaneamente il più possibile conforme alle geometricamente al fi ne di mostrare le proprietà di dipendono dalla struttura delle disomogeneità introdotte le perdite di fabbricazione. La larghezza di banda è stata caratteristiche geometriche del sistema, ad esempio le selettività in frequenza nelle bande di interesse; in essi e non dalla loro composizione. Alcune delle sin- incrementata utilizzando materiali sintonizzabili mentre esigenze aerodinamiche, nel caso di applicazioni aero- • sviluppo di processi di realizzazione di fi nestre golari proprietà offerte da metamateriali sono l’indice di le perdite sono state ridotte con mezzi con guadagno nautiche e aerospaziali. ibridi elettromagnetiche con l'inserimento di uno rifrazione negativo e la capacità di modifi care il cammi- attivo. L'impatto di metamateriali sulle potenziali appli- • Sviluppo di processi di produzione di fi nestre ibri- strato conduttivo FSS tra strati polimerici rinforzati no ottico delle onde luminose nella direzione desiderata. cazioni è notevolmente migliorato dai progressi ottenuti di elettromagnetici con l'inserimento di uno strato con fi bre; A causa di tali proprietà, i metamateriali rappresentano con la combinazione dei suoi costituenti. conduttivo FSS. • saminare la possibilità di integrare in materiali un’opportunità per una lunga lista di potenziali applica- In sintesi le tecnologie applicate al radome del futuro • Sviluppo e implementazione di FSS con matrice poli- compositi elementi sensibili a segnali specifi ci per zioni che comprende le antenne piane, i sistemi di occul- sono le seguenti. merica che possono essere defi nite geometricamente il monitoraggio della struttura. tamento, le superlenti, gli assorbitori elettromagnetici e o Superfi ci selettive in Frequenza FSS basate sui metama- per dimostrare la proprietà di selettività in frequen- Nella defi nizione e lo sviluppo di future competenze è i laser in fi bra ottica che diversamente non sono realizza- teriali za nelle bande di interesse. fondamentale prendere in considerazione gli obiettivi bili con i materiali tradizionali presenti in natura. Le superfi ci selettive in frequenza (FSS) sono state og- o Materiali compositi per fi nestre selettive di onde elet- strategici per quanto riguarda: Le antenne e gli assorbitori saranno i primi ad essere getto di intense ricerche per più di quattro decenni per tromagnetiche • la riduzione dei costi durante il ciclo di vita del sviluppati, ingegnerizzati e commercializzati. Le anten- le loro potenziali applicazioni come fi ltri spaziali nel ran- • Sviluppo di materiali compositi per fi nestre selettive prodotto; ne basate sui metamateriali differiscono dalle antenne ge delle microonde e fi ltri ottici. Superfi ci selettive in in frequenza di onde elettromagnetiche ad elevate • modularità: dal sistema alle tecnologie necessarie; convenzionali sia in termini di prestazioni sia di dimen- frequenza sono di solito costituite da patch metalliche prestazioni termo-meccaniche e di geometria com- • identifi cazione delle tecnologie innovative per la sioni. Esse offrono una direttività elevata e sintonizza- organizzate in maniera periodica con geometrie arbitra- plessa. riduzione dei costi; bile, un’effi cienza operativa sintonizzabile, nonché una rie o loro geometrie complementari aventi elementi con • Acquisizione di know how sulla tecnologia di hand • trasferimento di tecnologie per applicazioni non migliore larghezza di banda e una maggiore potenza ir- aperture simili alle superfi ci con patch all'interno di uno lay-up. militari (duplice uso). radiata, irradiando quasi il 95% del segnale di ingresso e schermo metallico. Queste superfi ci possono presentare • Sviluppo del processo RTM. nel contempo mantenendo le dimensioni un quinto della rifl essione o trasmissione totale, patch e aperture, ri- • Valutazione di soluzioni alternative per il trattamen- 14.3 LE NUOVE TENDENZE lunghezza d'onda incidente ad esso. Gli assorbitori sono spettivamente in prossimità delle risonanze dell’elemen- to delle superfi ci compatibili con i requisiti norma- 108 materiali artifi ciali progettati specifi camente per fermare to. Il passo più importante nel processo di progettazione tivi attuali e futuri nelle seguenti tematiche: pulizia 109 Nuove tecnologie per Radome Supersonici la trasmissione e la rifl essione di radiazioni elettroma- di un FSS desiderata è la corretta scelta degli elementi delle superfi cie, trattamenti protettivi, verniciatura. Per i nuovi progetti a medio e lungo termine, gli obiettivi gnetiche. Gli assorbitori progettati utilizzando i metama- costituenti l’array. Il tipo di elemento e la geometria, o Nuove tecnologie meccaniche per prodotti strategici per i radome ad uso missilistico sono richieste teriali sono conosciuti come assorbitori metamateriali. Il i parametri del substrato, la presenza o assenza di su- • Sulla base dell'analisi dei requisiti operativi attuali superiori proprietà meccaniche, l’operatività in tutte le tasso di assorbimento degli assorbitori metamateriali è per-strati e il distanziatore inter-elemento determinano e future, identifi cazione delle soluzioni tecnologiche condizioni meteorologiche avverse, in particolare mag- molto alto rispetto alle loro controparti convenzionali. generalmente la risposta in frequenza complessiva della e dei materiali che ampliano l’operatività dei sistemi giore resistenza alla corrosione dovuta alla pioggia. Ma Questa tecnologia ha trovato un’applicazione interes- struttura, come la sua larghezza di banda, la funzione di come la riduzione dei pesi, l’incremento delle presta- ci sono già molte applicazioni utilizzate in Europa che sante e promettente come sistema di occultamento (o trasferimento, e la sua dipendenza dall'angolo di inci- zioni strutturali, riduzione dell'impatto ambientale necessitano ancora di materiali compositi per radome tecnologia stealth) rispetto ai sistemi radar. Infatti i denza e di polarizzazione. con fonti di energia rinnovabile subsonico. Uno scenario futuristico molto interessante materiali assorbitori sono in grado di rendere gli ogget- Sebbene concettualmente simile ad un fi ltro a microonde • Struttura del missile di tipo Stealth. potrebbe essere rappresentato dallo sviluppo di un rati totalmente o parzialmente invisibili in alcuni range classico, un fi ltro spaziale è intrinsecamente molto più o Processi di fabbricazione Additivi & Microlavorazioni dome in grado di selezionare direttamente le frequenze dello spettro elettromagnetico. Nell’ottica, lenti basate complicato. Prima di tutto, un fi ltro classico ha soltanto I processi additivi, che generano le parti in modo stratifi - d’interesse oppure da una superfi cie FSS, da installare sul sui meta materiali (denominate superlenti per le loro una coppia di terminali in ingresso e in uscita e solo la cato, hanno più di 15 anni di storia. Ad oggi questi pro- radome per rinforzare le caratteristiche elettromagneti- proprietà otiche) possono raggiungere risoluzioni oltre il frequenza in ingresso viene modifi cata mentre la risposta cessi non sono utilizzati esclusivamente per la prototi- che e per protezione (Figura 92). Entrambe le soluzioni limite di diffrazione ossia risoluzione maggiore di quella in uscita viene registrata. Un fi ltro spaziale, d'altra parte, pazione. Infatti negli ultimi anni le attenzioni del mondo sono basate dei microscopi ottici ordinari. ha il campo incidente in grado di raggiungere diversi an- industriale si sono focalizzate su questa tecnologia per la sull’uso dei Oltre a queste applicazioni, i metamateriali mostrano angoli di incidenza e di polarizzazioni. Questo fatto ha un produzione su volumi anche se l'impatto economico è an- metamateriali. che una crescita promettente in applicazioni ottiche e profondo effetto sulle proprietà di trasmissione; in breve, cora modesto. I principali vantaggi sono risposta veloce microonde. Poiché la densità dei metamateriali è bassa la curva di trasmissione cambierà radicalmente se non è e riduzione sensibile dei costi in fase di prototipazione, rispetto alle loro controparti convenzionali, i componen- progettata in maniera accurata. Le forme e le confi gura- perché il processo riduce al minimo le attività di setti, i dispositivi e i sistemi sviluppati con i metamateriali zioni che possono essere scelte per gli elementi FSS sono up affrontando direttamente i modelli ingegneristici 3D. possono essere più leggeri e miniaturizzati, migliorando limitate solo dalla fantasia del progettista. Esso è uno strumento molto potente per realizzare super- nel medesimo tempo le prestazioni fi nali del componen- Come nel caso delle fi nestre elettromagnetiche, i rado- fi ci complesse. Comunque sono necessari ancora ulteriori te/del sistema. me sono realizzati con dielettrici con basse perdite, e il studi per valutare l’affi dabilità industriale, le proprietà

Figura 92: A sinistra schema della struttura FSS da integrare su radome; a destra prototipo di Radome in composito polimerico con superﬁ cie selettiva in frequenza FSS (Fonte: progetto IMAST FUZI, PON02_00029_3148467).

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meccaniche che questo processo può raggiungere e i facilities di pianifi cazione tattica e eventualmente con- HW Tactical Operation Centre (o Centro • sistemi di protezione balistica. vantaggi economici che si possono ottenere sui prodotti dotte autonome riconducibili all'arma, per aumentarne Operativo Tattico) Radome, antenne e materiali multifunzionali con capacità standard. Questo processo è in grado di realizzare sistemi l'effi cacia e la capacità di operare in ambienti naturali L’obiettivo principale è quello di sviluppare un Centro di assorbimento/selezione di RF con catene cinematiche ad alta precisione, come antenne sfi danti e molto rischiosi. Operativo Tattico con questi elementi distintivi: Il mercato globale delle antenne radar, trasduttori, ra- su montaggi a sospensione cardanica. Le tematiche tecnologie che potranno supportare la re- • Materiali compositi innovativi per la parte struttu- dome e materiali multifunzionali RF è stimato intorno ai o Fabbricazione elettrochimica alizzazione di nuovi e competitivi prodotti di Mission rale con le seguenti proprietà: 17,7 miliardi di dollari nel 2014 e si prevede nel prossimo La fabbricazione elettrochimica (EFAB-Electrochemical Planning & Control sono la rappresentazione del terri- - alte prestazioni e basso peso quinquennio di registrare un CAGR del 6,27% per rag- FABrication) è un nuovo processo, identifi cato come torio, immagini fotografi che, carte topografi che, la rap- - multifunzionalità: funzioni balistiche giungere i 25,5 miliardi di dollari di fatturato nel 2020. Solid Free Form (SFF), economico e che offre l’oppor- presentazione 3D dell’ambiente, l’evoluzione della piat- - multifunzionalità: RF assorbente/selezione Le regioni geografi che di maggior crescita saranno l’Asia- tunità di realizzare prototipi o produzione di massa di taforma di calcolo, la gestione banca dati, protocolli di integrata Pacifi co e il Medio Oriente. Tuttavia alcuni paesi come parti o meccanismi funzionali nella meso- e microsca- comunicazione, la gestione delle informazioni, sistemi • Design degli interni con caratteristiche ergonomi- la Corea del Sud, Giappone, Emirati Arabi Uniti, Arabia la. EFAB genera un intero stato contemporaneamente, a informativi. che Saudita e Israele mostreranno un livello di crescita del differenza dell’approccio in serie come la maggior parte Le aree in cui vengono monitorate tecnologie emergenti • Applicazionedi materiali Green mercato più elevato per tutto il periodo di previsione dei processi del tipo SFF. Sulla base dell’elettrodeposi- includono: considerato. zione, EFAB consente la realizzazione di strati ultrasot- • schermi e sistemi per la fornitura di display 3D Lanciatori Le antenne, i trasduttori e i sistemi radome saranno una tili (2-10microns, o anche submicron) che minimizzano • capacità della piattaforma di calcolo ed elaborazione I lanciatori di nuova generazione dovranno possedere le priorità nel mercato del Medio Oriente e nell’Asia Paci- scalini, e genera forme ben defi nite, strutture metalliche • una più ampia disponibilità di immagini satellitari seguenti caratteristiche: fi co, a causa delle crescenti tensioni militari nelle due con densità adeguate che possono essere omogenee e commerciali • innovativi sistemi PSU di raffreddamento a condu- regioni e il crescente mercato degli aeromobili commer- isotrope. La larghezza caratteristica minima è approssi- • una più ampia disponibilità di rappresentazione del zione per i lanciatori, ciali. I sistemi di antenna, trasduttori e radome si stanno mativamente di 25 micron, e può essere ulteriormente territorio commerciali • nuovo pannello di controllo remoto evolvendo rapidamente e sono attesi nuovi sviluppi tec- ridotta. Il processo EFAB può essere utilizzato per la fab- • una più ampia disponibilità di dati cartografi ci com- • applicazioni di nuovi materiali per miglioramento nologici in grado di creare nuove e migliori opportunità bricazione di micromacchine e Micro Electro-Mechanical merciali prestazioni e capacità stealth sul mercato. Per quanto riguarda il mercato USA ed EU è Systems (MEMS), che offre vantaggi signifi cativi rispet- • instradamento automatico e defi nizione di compor- • defl ettori di gas esausti ad alta pressione. prevista per entrambi una leggera diminuzione per i tre to ai processi attuali: ad esempio, vera geometria 3-D, tamenti per sistemi autonomi prodotti di riferimento. Questo declino non è da impu- compatibilità con la tecnologia IC, bassi investimenti di • estrazione oggetti 3D. I canister (o rampe di lancio) tarsi a una minore spesa sui bilanci dei ministeri della 110 111 capitale, e automazione dei processi. A lungo termine, è probabile che i requisiti per il Mission Gli obiettivi principali di ricerca per le rampe di lancio difesa dei paesi occidentali, ma alla maggiore spesa in Come la microlavorazione del silicio, questa nuova tecno- Planning and Control saranno più focalizzati (o poten- possono così riassumersi: regioni come l'Asia-Pacifi co e il Medio Oriente. logia è un processo batch che concretizza la produzione zialmente estremamente fl essibili). Ci sarà la necessità di • sviluppo di sistemi innovativi Nel settore della Difesa, nel prossimo periodo 2015-2020 di massa di dispositivi complessi e ad alta integrazione una pianifi cazione molto dettagliata in anticipo dell’uti- • nuove protezioni ambientali avranno un ruolo sempre più importante anche i meta- con bassi costi. lizzo delle armi e anche di rapida riprogrammazione degli • applicazione di materiali “green”. materiali, tra i quali i materiali compositi rappresente- obiettivi dei missili, anche quando questi sono in volo. ranno un’importante opportunità. Mission Planning & Control Tali operazioni dovranno assicurare la massima garanzia Radome Sebbene i materiali artifi ciali siano stati scoperti mol- Mission Planning & Control è una tecnologia emergente. di successo della missione e la loro attuazione sarà ne- Principali obiettivi di ricerca per i radome sono: to tempo fa, signifi cativi sviluppi e ricerche sulla loro Essa consta degli strumenti necessari per supportare la cessariamente subordinata al consenso da parte dei po- • sviluppo di materiali innovativi con migliori pro- sintesi sono stati avviati solo negli ultimi dieci anni a pianifi cazione del pre-lancio dei missili, la ri-programma- litici di alto livello. prietà termiche (alta temperatura), elevate proprie- causa della indisponibilità delle tecnologie necessarie. zione della rotta e la reimpostazione della piattaforma. tà meccaniche, ecc.) Oggi ricercatori di tutto il mondo stanno portando avanti Gli strumenti hardware necessari per l’attuazione delle Nuova generazione di prodotti basati su • nuove tecnologie di manufacturing a basso costo attività di ricerca e sviluppo relativi a questo concetto tre azioni sono simili. materiali compositi per la realizzazione di Radome ibridi. con incoraggianti segnali positivi; tuttavia, saranno an- L'aspettativa in questa area di business, è una più ampia I materiali compositi avranno un grande impatto nella cora necessari dai 5 ai 10 anni per realizzare tutto il integrazione del campo di battaglia e la capacità di ri- prossima generazione di prodotti per la difesa, in parti- Console Low Cost & Calculator loro potenziale. posizionare tempestivamente la missione tenendo conto colare nelle seguenti : • studio di una nuova architettura di console che L'intera gamma di metamateriali è stata usata in diverse della conoscenza diretta dello scenario. Per come stanno • HW Tactical Operation Centre (o Centro Operativo sarà molto compatta e facile da installare in piccoli applicazioni quali l’aerospaziale e la difesa, la medicina, evolvendo le nuove tecnologie missilistiche, il Mission l’ottica, la sensoristica, e le telecomunicazioni. Il merca- Tattico) shelters o mezzi navali di limitate dimensioni. Planning & Control sta assumendo il ruolo di parte della • Lanciatori to dei metamateriali è stato segmentato in base al tipo soluzione della progettazione complessiva del sistema in • Canister (o rampe di lancio missilistiche) di applicazione: elettromagnetico, terahertz, fotonica, 14.4 SCENARIO quanto l'operatore è più coinvolto nella catena di co- • Radome sistemi tunabili, sistemi non lineare, e superfi ci selettive I prossimi prodotti in cui i materiali compositi avranno mando e le missioni richiedono una maggiore agilità e • Low Cost Consoles & Calculator. in frequenza (FSS). Il mercato è destinato a crescere con un grande impatto sono i seguenti: tempestività di attuazione. un CAGR del 41,25% per raggiungere i 643 milioni di • radome e antenne In futuro le capacità disponibili forniranno maggiori dollari entro il 2025. Di queste tipologie applicative, il

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settore elettromagnetico è quello in più rapida crescita guardare il corpo da minaccie esterne. Il DPI protegge il mentare le possibilità di crescita per l’industria dei si- e in un prossimo futuro, come parte di uno sforzo di mo- e il più grande in termini di consumo globale, con una corpo dai rischi che implicano offese fi siche, elettriche, stemi di protezione balistica nella regione. Nel 2020 il dernizzazione, equipaggiamenti e materiali di supporto quota di mercato attuale del 40% ed entro il 2025 al 45% termiche, da sostanze chimiche tossiche, e da rischi bio- fatturato complessivo previsto per l’Europa si aggirerà logistico. (Figura 93). logici. Il DPI nel settore della difesa può essere ulterior- intorno ai 2,27 miliardi di dollari con una quota di mer- Il mercato dei sistemi di protezione balistica nel Medio mente suddiviso in armatura cato sostanzialmente costante intorno al 25% (Figura Oriente ha registrato un fatturato pari a 0,47 miliardi di morbida, armatura rigida, e co- 94). dollari alla fi ne del 2013 e continuerà a crescere con un pricapo protettivo. I giubbotti L’Asia Pacifi co e il Medio Oriente dovrebbero essere le re- CAGR del 3,75% fi no al 2020, raggiungendo un fatturato antiproiettile soft sono usati gioni di crescita chiave nel mercato dei materiali balisti- pari a 0,57 miliardi di dollari con una quota di mercato in servizi di ordine pubblico per proteggere da proiettili di calibro regolare e da attacchi all’arma bianca; giubbotti rigidi, che comprendono rinforzi di tipo rigido, sono utilizzati in situazioni ad alto rischio per le forze dell’ordine (antiterrorismo), unità tattiche di pronto intervento e soldati in combattimento; infi ne i copricapo protettivi, consistono principalmente nei caschi di alta qualità, realizzati in materiali Figura 93: Valore del mercato dei metamateriali per tipologia tecnologica, nel periodo 2015-20125 (in milioni di dollari) (Fonte: MarketsandMarkets Analysis). balistici come il kevlar e fi bra aramidica, che possiedono eccellenti proprietà di arresto e 112 Le Protezioni Balistiche frammentazione dei proiettili. La corazza dei veicoli con- 113 Il mercato delle protezioni balistiche può essere segmen- siste nella blindatura utilizzata principalmente in veicoli tato in due tipi di protezione: dispositivi di protezione militari per sostenere l'impatto con schegge, pallottole, personale e pannelli per veicoli. I dispositivi di protezio- missili o mine, proteggendo l’equipaggio all'interno del Figura 95: Mercato globale dei sistemi di protezione balistici per regione geografi ca nell’anno 2013 e 2020 (Fonte: MarketsandMarkets). ne individuale (DPI) sono costituiti da indumenti pro- veicolo da attacchi ostili. tettivi, caschi, occhiali, e altri allestimenti atti a salva- L’America del Nord (Stati Uniti e Canada) rappresenta 12 con il 40% la quota maggiore del mercato delle protezioni balistiche (fatturato di 3,16 miliardi ci. La regione Asia Pacifi co ha rappresentato nel 2013 il sostanzialmente invariata (5%). I paesi del Medio Orien- di dollari) come mostrato in Figura 93. Le con- 19% del mercato globale con un fattore di 1,50 miliardi te stanno procedendo all’aggiornamento dei loro veico- 10 tinue minacce interne ed esterne alla sicurez- dollari. Il fatturo nel 2020 è previsto raggiungere i 2,11 li corazzati; quindi, insieme alla regione APAC, il Medio za individuale in questa regione creeranno un miliardi di dollari con una quota di mercato invariata Oriente dovrebbe acquisire nei prossimi anni una quanti-

8 forte aumento della domanda di vetture com- (Figura 95). Le Forze Armate delle Filippine si prevede tà signiﬁ cativa di veicoli blindati. merciali blindate che andranno ad alimentare acquistino armi per un valore di 97,6 milioni di dollari, Il mercato dei sistemi di protezione balistica Latino- la richiesta di pannelli balistici. Nel prossimo 6 quinquennio, il mercato nordamericano dovrebbe crescere con un CAGR del 5,17% e raggiungere un fatturato di 4,24 miliardi di dollari en- America 4 Settore Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac tro il 2020 con una quota intono al 38%. Nel 2013 l’Europa aveva una quota di mercato EADS (F&DE) Cytec Solvay group (USA), Paxford comp. (GB) Lockheed (USA), Mitsubishi (J) 2 del 26% del mercato totale con un fatturato Difesa Finmeccanica BAE Systems (GB) Boeing (USA) ETS-Lindgren(1) (India) intorno al 2,06 miliardi di dollari. Le continue MBDA (F) General Dynamics (USA) Northrop Grumman (USA) minacce terroristiche e le missioni di pace at- Raytheon (USA) 0 tualmente in corso, agevoleranno l’acquisto di (1) ETS-Lindgren sta aprendo (aprile 2015) uno stabilimento in India per produrre dei pannelli per schermaggio RF (Radio Frequency). veicoli blindati, così come continuerà ad au-

Figura 94: Mercato globale dei sistemi di protezione balistici, per area geograﬁ ca, nel 2013, 2014 e 2020 (Fonte: MarketsandMarkets).

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Americano ha raggiunto gli 0,40 miliardi di dollari (quo- 15 COSTRUZIONI • elevato rapporto resistenza meccanica/peso: poiché ta del 5%) nel 2013 e continuerà a crescere con un CAGR tali materiali sono forti e leggeri ed hanno elevata 15.1 INTRODUZIONE del 4,94% fi no al 2020. L’America Latina raggiungerà nel resistenza direzionale a causa dell’anisotropia; L’edilizia è uno dei settori applicativi più rilevanti per i 2020 un fatturato di 1,02 miliardi di dollari con una • corrosione e resistenza alle intemperie: questa ca- compositi polimerici. Materiali compositi polimerici rin- quota del 9%. Si prevede che i paesi dell'America Latina ratteristica è importante per preservare le strutture forzati (RPC) sono da tempo utilizzati nelle costruzioni continuino a modernizzare le loro forze armate nel corso dal deterioramento; in applicazioni non strutturali, quali guarnizioni e rive- dei prossimi anni, con priorità per l'aviazione, la marina, • stabilità dimensionale (in condizioni variabili di stimenti. Negli ultimi anni, inoltre, tali materiali sono altra elettronica e le capacità di guerra informatica. temperatura, umidità, stress, etc.): la vasta gamma stati utilizzati anche in applicazioni primarie portanti. L’Africa rappresenta attualmente il 4% del mercato glo- di materiali disponibili consente la progettazione I potenziali vantaggi dei materiali consistono in elevata bale dei sistemi di protezione balistica con un fatturato di un materiale FRP, tale da presentare un'ottima resistenza specifi ca, elevata rigidità, durabilità modula- di 0,32 miliardi di dollari. Vi è una minaccia duratura di resistenza ai danni a lungo termine derivanti da bile, buone prestazioni a fatica, fabbricazione versatile e fazioni paramilitari e di insurrezione in Africa, che è il agenti ambientali quali umidità, radiazioni ultra- minori costi di manutenzione. I compositi polimerici rin- motivo per cui la regione dovrebbe continuare ad aumen- violette, attacco chimico, carichi dinamici, cicli forzati vengono utilizzati in applicazioni come adegua- tare la domanda di DPI e veicoli blindati. Il continente di gelo e disgelo e deterioramento delle proprietà mento sismico delle strutture, rinforzo alternativo per Africano è atteso a una conferma di crescita positiva del dei materiali attraverso invecchiamento fi sico. Ad il calcestruzzo e, in rari casi, in strutture interamente mercato, con una domanda trainata principalmente dal ogni modo, l’utilizzo di compositi in applicazioni fi bro-rinforzate. Tuttavia, ad oggi il numero di applica- Sud Africa. Il mercato dei sistemi di protezione balistici di ingegneria civile è attualmente limitato ad un zioni strutturali primarie dei RPC nel settore edile rimane dovrebbe raggiungere gli 0,41 miliardi di dollari entro la periodo di tempo relativamente breve in quanto la relativamente basso a causa di una serie di problema- fi ne del 2020 con una crescita del CAGR del 4,77% e una piena consapevolezza della loro resistenza all’am- tiche che rallentano la loro applicazione, quali costo, quota di mercato invariata. biente ancora non è ben chiara; resistenza al calore e mancanza di normative standard Nella tabella seguente sono riportati i maggiori player a • geometrie complesse: l’utilizzo di programmi di dell'industria e di progettisti con esperienza nella realiz- livello mondiale nella produzione e commercializzazione progettazione e tecnologie di realizzazione dei zazione di costruzioni civili in materiali compositi poli- di prodotti per la difesa. compositi avanzate consentono lo sviluppo di geo- merici: allo stato, dunque, l’applicazione di tali materiali metrie complesse; è ancora svantaggiosa rispetto all’utilizzo di materiali da • elevata resistenza all’impatto: l’elevato peso costruzione tradizionali. 114 molecolare delle matrici polimeriche determina la 115 resistenza meccanica e alcune proprietà come la 15.2 LO STATO ATTUALE resistenza all’impatto; L’utilizzo di materiali compositi fi bro-rinforzati in appli- • proprietà meccaniche modulabili: i materiali FRP cazioni portanti critiche è relativamente raro. L’utilizzo offrono al progettista una maggiore versatilità più comune nel settore edile è inerente alla riparazione rispetto ai materiali tradizionali attraverso la li- delle strutture esistenti. I compositi sono anche utiliz- bertà di ingegnerizzare il materiale. Ciò può essere zati come sostituto per l’acciaio in cemento armato, e, in effettuato variando la tipologia di fi bre e resina e rari casi, per produrre nuove strutture civili. I principali l'orientamento e la posizione delle fi bre di rinforzo vantaggi dei polimeri fi bro-rinforzati (FRP) per applica- al fi ne di produrre strutture con una combinazione zioni edili sono: di caratteristiche meccaniche quali la resistenza, leggerezza: i potenziali benefi ci derivanti dal peso • rigidità, durabilità, impatto e fatica per una parti- ridotto delle strutture includono la possibilità di colare applicazione. produrre strutture e componenti più grandi, ridotti Permane invece uno svantaggio importante, inerente alle costi di trasporto e di montaggio e ridotte dimen- prestazioni al fuoco Infatti, quando i compositi sono sioni di sottostrutture e fondamenta;

I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 Figura 96: Sviluppo di polimeri ﬁ bro-rinforzati per il settore edile. costruzioni

esposti a temperature elevate, superiori a 300 °C, la ma- cazioni industriali, chimiche e petrolifere in mare aperto, invece, la lastra composita è legata ai lati delle travi ver- suscettibili ad attacchi di alcali a causa della reattività trice organica decompone rapidamente e sprigiona calo- torri di trasmissione di energia elettrica, strutture mari- ticali, o un preimpregnato è avvolto intorno ai loro lati. della fi bra di vetro stessa (dovuta alla presenza di silice re, fumo e volatili tossici; quando le fi bre organiche come ne, come dighe marittime e parafanghi. I potenziali be- Il punto critico per l’applicazione del sistema di rinforzo nel vetro). Compositi in fi bra di carbonio, invece, non aramide o polietilene sono utilizzate come rinforzo, an- nefi ci offerti dai materiali FRP sono l'elevata resistenza e in FRP alla struttura in cemento o acciaio è il vincolo assorbono liquidi e sono quindi resistenti a tutte le for- che loro decompongono e contribuiscono al rilascio di rigidità specifi ca, durabilità, buone prestazioni a fatica e dell’adesivo. Il successo dell’utilizzo dei FRP per il po- me di penetrazione di alcali o solventi. I nanocompositi calore e fumo. Inoltre, alcuni composti rammolliscono e riduzione dei costi a lungo termine. Molte delle applica- tenziamento delle strutture dipende dalla qualità ed in- a base di argilla sono in grado di ridurre la velocità di vanno incontro a distorsione anche a temperature infezioni esistenti sono di natura sperimentale ed hanno lo tegrità del giunto e dall'effi cacia dell'adesivo utilizzato. permeazione delle soluzioni saline nel polimero e quindi riori, intorno ai 100°C-200°C, con conseguente instabi- scopo di dimostrare la possibilità di utilizzo dei materiali Inoltre, al fi ne di migliorare l'adesione tra cemento o ac- ritardare l'attacco alla fi bra di vetro delle soluzioni al- lità ed eventualmente collasso delle strutture portanti. compositi in fi bra in alcune applicazioni. Ciò fornisce in- ciaio e FRP, è possibile eseguire una modifi ca superfi ciale caline. Questa proprietà estremamente svantaggiosa dei FRP è formazione sull’ipotesi di successo dell’applicazione dei utilizzando, per esempio, un agente di accoppiamento o I nanocompositi a base di nanotubi di carbonio mostra- la ragione principale per l'applicazione poco frequente di compositi in termini di prestazioni strutturali, ma non silani. no proprietà elettriche che consentono l’utilizzo come tali materiali nel settore delle infrastrutture. offre informazioni signifi cative sulla performance fi nan- I compositi termoplastici a base di polipropilene (PP) sensori. In particolare, i nanotubi di carbonio dispersi L'applicazione principale dei compositi fi bro-rinforzati è ziaria. stanno trovando crescente impiego nel settore edile in nel materiale polimerico possono essere applicati alla nel cemento armato con FRP e in strutture completa- I metodi tradizionali di riabilitazione ed adeguamento quanto hanno caratteristiche superiori al legno classico. superfi cie di una struttura o, ad esempio, aggiunti ad un mente in FRP. I materiali rinforzati con fi bre di carbonio sismico delle strutture utilizzano calcestruzzo o lamiere Al momento sono utilizzati principalmente nella realizza- pannello pre-fabbricato e sono in grado di fornire pro- hanno una durabilità elevata e possono essere considera- di acciaio esterne per ristabilire o migliorare le proprietà zione di prefabbricati e per i pannelli sandwich di rivesti- tezione ad agenti atmosferici e monitoraggio costante ti come una possibile soluzione al problema della corro- strutturali come resistenza meccanica e duttilità. Negli mento esterno. I compositi termoplastici sono riciclabili delle condizioni operative della struttura in tutta la sua sione delle armature in acciaio, un fattore primario nella ultimi anni, il numero di richieste di utilizzo di FRP come ed a ridotto impatto ambientale. In generale, comunque, superfi cie. ridotta durabilità delle strutture in calcestruzzo. Altri strato superfi ciale che protegge e/o migliora la risposta tutte le strutture in FRP hanno una maggiore effi cienza Questa soluzione tecnologica ha attirato un notevole vantaggi dei tondini in FRP consistono in una maggiore degli elementi strutturali è in forte aumento. I materia- energetica, isolamento termico e acustico, in quanto la interesse da parte del mondo accademico, di enti gover- velocità e facilità di movimentazione e nell’impedimento li compositi sono solitamente legati esternamente alla conducibilità termica e acustica dei polimeri è più bassa nativi e industrie per il monitoraggio dell’integrità strut- della propagazione delle onde radio e nel disturbo dei struttura in forma di “tows” (fasci di fi bre), tessuti, piat- rispetto ad acciaio o altri metalli. turale (SHM degli edifi ci), ad esempio per i casi di eventi campi elettromagnetici. ti, nastri e camice. I vantaggi offerti dai compositi in L'elevato costo dei materiali FRP è un fattore che ne sismici. In effetti, lo scopo del SHM è rilevare i danni I tondini in FRP per il cemento armato sono realizzati in queste forme includono la capacità di legarsi ai substrati impedisce un maggiore utilizzo, ma, quando soluzioni iniziali e monitorare successivamente lo sviluppo di tali fi bra continua (vetro, carbonio e aramide) incorporata in e di seguire forme complesse. I compositi offrono anche avanzate tenderanno ad ottimizzare i costi del ciclo di danni utilizzando sensori strutturalmente integrati per 116 matrice (termoindurente o termoplastico) mediante pul- un potenziale vantaggio rispetto ai materiali tradiziona- vita della costruzione e la conservazione nel tempo dei fornire informazioni utili ad un intervento effi cace al fi ne 117 trusione o processi di avvolgimento. li isotropi come l’acciaio consentendo il miglioramento materiali, il costo di questi materiali risulterà inferiore a di preservare l'integrità strutturale degli edifi ci. La sfi da Un piccolo numero di nuove strutture portanti nelle della resistenza meccanica senza aumentare la rigidità quello dei materiali tradizionali. è di creare una rete di sensori distribuiti nella struttura opere di ingegneria civile sono state realizzate princi- e viceversa. del materiale composito sviluppando materiali compositi palmente con materiali FRP. Queste includono composti Il potenziamento delle strutture può essere a fl essione 15.3 LE NUOVE TENDENZE multifunzionali che possono agire come sensori di defor- L'andamento futuro dei materiali compositi FRP per l’in- mazione. gegneria civile sarà rappresentato da un lato dalla com- Poiché le prestazioni in termini di reazione al fuoco dei binazione con i materiali tradizionali e, dall’altro, dalla materiali FRP sono scadenti, le tendenze future in ambi- realizzazione di nuovi edifi ci interamente in composito. to edile prevedono lo sviluppo di compositi ad alte pre- In particolare, sono stati effettuati alcuni studi sugli ele- stazioni basati su materiali termoplastici avanzati (PEEK, menti strutturali per ponti ed edifi ci in composito, ma, il PES) o termoindurenti. Inoltre, i materiali FRP possono mercato in questione è in lenta espansione: al momento essere modifi cati mediante matrici nanocomposite costi- sono state realizzate in FRP esclusivamente passerelle e tuite da specifi ci polimeri ritardati alla fi amma, al fi ne di piccoli ponti autostradali. controllare il tempo di accensione, velocità di rilascio del Nel prossimo futuro, i nanocompositi (nano-piastrine, calore, emissione e tossicità dei fumi. nanotubi e nanosfere) avranno un ruolo importante. I Dal punto di vista tecnico, la necessità di norme e codi- silicati chimicamente trattati (argille) possono essere ci dettagliati per i materiali FRP deriva dalle loro diffe- combinati con materiali a matrice polimerica per forma- renti proprietà fi siche e meccaniche rispetto ai materiali re nanocompositi con conseguente miglioramento delle da costruzione convenzionali. Lo sviluppo di norme per Figura 97: Tondini in FRP Figura 98: Strato di polimero rinforzato con fi bre di carbonio utilizzato per la riabilitazione delle strutture in calcestruzzo (Fonte: schnellcontractors.com). proprietà meccaniche, termiche e di barriera. Inoltre, i l'utilizzo di rinforzi FRP con strutture in calcestruzzo è materiali compositi sono spesso utilizzati in contatto in corso e si prevede che continui nei prossimi anni. per coperture pedonali curve, ponti carrai, impalcature o a taglio. Nel primo caso, una lastra rigida in materiale con il calcestruzzo e l'elevato valore di pH della solu- Quest’attività nasce da esigenze immediate di ottenere di ponti, guardrail che assorbono energia, coperture di rinforzato con fi bre di carbonio (CFRP) è legato all’intra- zione porosa di cemento (12-13pH) genera un problema materiali economicamente vantaggiosi per la riparazione torri di raffreddamento, piattaforme di accesso per appli- dosso della trave. Nel caso del potenziamento di taglio, legato alla durata dei compositi in fi bra di vetro che sono e la messa a norma di strutture che sono obsolete, degra-

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date, o situate in zone sismiche. isolante in resina plastica schiumata (core) e uno strato 16 BENI CULTURALI 16.2 LO STATO ATTUALE La prestazione degli edifi ci quando soggetti ad esplosio- esterno di cemento alleggerito o FRP. Il core (general- Nel settore delle costruzioni e dei beni culturali, i mate- 16.1 INTRODUZIONE ni è una problematica crescente e maggiormente all’at- mente schiuma fenolica o nanocomposito termoplastico) riali compositi e, in particolare, le nanotecnologie stanno L’Europa possiede uno dei più ricchi e variegati patrimo- tenzione dopo gli ultimi eventi mondiali. Molti vecchi agisce come una protezione al fuoco non strutturale e fornendo un notevole impulso all'innovazione dei proces- ni storico-culturali del mondo. Con i suoi monumenti, edifi ci, che possiedono mura non-rinforzate, presentano contribuisce a mantenere la temperatura costante e l’i- si e dei prodotti tradizionali. Inoltre, alcune importanti centri storici, siti archeologici e musei, esso attira ogni una bassa capacità di fl essione e rottura fragile e, quin- solamento acustico dell’edifi cio. applicazioni di rilevante interesse architettonico inter- anno milioni di visitatori. Inoltre, questo patrimonio è di, hanno una bassa resistenza ai carichi fuori dal pia- nazionale, stanno contribuendo alla loro diffusione. At- una componente importante dell'identità individuale e no. Per migliore questa caratteristica, negli ultimi anni, 15.4 SCENARIO tualmente, le applicazioni più promettenti a tal riguardo collettiva dell’Europa. Infatti, sia l’aspetto materiale che sono stati utilizzati materiali fi bro-rinforzati, che però Nel settore civile, i compositi polimerici rappresentano sono i rivestimenti con coating nanostrutturati. Insieme quello immateriale dei beni culturali, contribuiscono alla mancanza di duttilità allo stato fi nale. Soluzioni future una parte del mercato globale, relativa a quelle applica- alle proprietà comunemente richieste ai materiali per il coesione dell'Unione europea svolgendo un ruolo fonda- possono essere rappresentate da sistemi ibridi che ac- zioni in cui il peso ridotto può consentire ad i materiali recupero dei beni culturali (stabilità nel lungo termine, mentale nel processo di integrazione e creazione di lega- coppiano l’elevata resistenza meccanica degli FRP alla fi bro-rinforzati di competere con il cemento o l’acciaio resistenza agli agenti atmosferici, buona adesione con il mi tra i cittadini. duttilità di alcuni sistemi di resina (ad esempio poliurea) ad esempio nei ponti levatoi. Pertanto, non è facile per substrato, trasparenza, sostenibilità del processo di pro- Oltre al naturale invecchiamento dei materiali, tale pa- che possiedono un allungamento fi no al 400%. Queste l’ingegneria civile progettare una struttura prevedendo di duzione, etc.), i nanocompositi introducono funzionalità trimonio culturale è esposto ad altre minacce quali il soluzioni possono garantire resistenza all’impatto e suf- utilizzare questi nuovi materiali ed ottenere un positivo aggiuntive quali ad esempio l'auto-pulizia, la fotocata- cambiamento climatico, l'inquinamento, l'urbanizzazione fi ciente deformazione delle pareti rinforzate, dissipan- rapporto costi/performance. lisi, la resistenza all'acqua e al fuoco, la resistenza ai crescente, il turismo di massa, la negligenza umana, atti do energia senza collassare completamente. In questo Per quanto concerne il mercato globale dei compositi per graffi e proprietà antibatteriche. di vandalismo e perfi no il terrorismo. Si tratta di una modo, i compositi rinforzati con le fi bre di vetro (GFRP) il settore edile è attesa una crescita annua del 7,1% tra Per tale motivo, in questi anni, le nanotecnologie stanno risorsa fragile e non rinnovabile, gran parte della quale è possono proteggere infrastrutture aeroportuali contro il 2015 ed il 2020. Nel 2014 il mercato ha raggiunto un entrando rapidamente nel settore dei beni culturali. Tut- stata irrimediabilmente perduta nel corso dell'ultimo se- azioni dannose ed eventuali calamità naturali senza di- valore di circa $40 miliardi ed è previsto un aumento a tavia, va sottolineato che la maggior parte della ricerca colo. La tutela del patrimonio culturale nei confronti del sturbare, però, le comunicazioni radio (i materiali GFRP fi no a $55 miliardi entro il 2020 (fonte transparencymar- è stata rivolta a materiali tradizionali quali cemento e cambiamento globale sta diventando, quindi, una grande sono radio-trasparenti). ketresearch.com). metallo. Inoltre, attualmente sono disponibili sul merca- sfi da per le istituzioni europee e tutti i soggetti interes- Le applicazioni future dei compositi in edilizia riguarda- to molti prodotti basati su nanotecnologie, per il legno, sati inclusi i cittadini. È, dunque, necessario ricercare no, inoltre, sistemi ibridi schiumati cemento/polimero il calcestruzzo, il vetro e per la protezione dei metalli. nuove strategie e metodologie per la sua salvaguardia in grado di migliorare l’isolamento termico ed acustico Il legno è uno dei materiali di costruzione più diffuso, dal degrado. 118 degli edifi ci. In particolare, è possibile realizzare pannel- con caratteristiche estetiche e strutturali che lo rendono 119 L'iniziativa di programmazione congiunta JU dell'UE, sul li prefabbricati in composito che includono un pannello unico. Per questo il patrimonio architettonico-culturale Patrimonio culturale e cambiamenti globali (JPI-CH) è basato sul legno è un settore importante (pavimenti, un'iniziativa innovativa e collaborativa di ricerca che ha tetti, ponti, ecc.) su cui le nuove tecnologie possono l’obiettivo di ottimizzare e coordinare i programmi di ri- intervenire. Ovviamente la conservazione e/o recupero America cerca nazionali per consentire un uso più effi ciente ed Settore Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac deve essere effettuato con interventi che rispettano la effi cace delle poche risorse fi nanziarie presenti, sfruttare concezione originaria. In tale prospettiva, alcuni rive- Sigma Aldrich (USA) Toray (J) le sinergie ed evitare duplicazioni. Con diciassette Stati DuPont (USA) Teijin (J) stimenti, basati su nanocompositi, possono migliorare le MAPEI membri ed otto paesi osservatori, tale iniziativa aiuterà Costruzioni Ardea Sistemi Krempel Group (DE) Ashland (USA) Kuraray (J) prestazioni e la funzionalità del legno, estendendo la sua Innegra Technologies (USA) Kolon Industries (ROK) ad identifi care, indirizzare e affrontare le sfi de della ri- stabilità, che è spesso un fattore che ne limita l’utilizzo. cerca, non solo per proteggere il patrimonio culturale, I nanomateriali sono, di solito, incorporati nel rivesti- ma anche per favorire la futura crescita economica e l’oc- mento, che può essere un mezzo acquoso, organico o cupazione dell'Europa. polimerico. L’elevato rapporto superfi cie/massa assicura che anche una piccola percentuale in peso di carica può migliorare signifi cativamente le caratteristiche chimico- fi siche e termiche del rivestimento. Ad esempio un rivestimento nanocomposito protettivo, a base di resina epossidica con nanoparticelle TiO2, può aumentare la resistenza alla radiazione ultravioletta, preservando l'aspetto ed i colori originali del legno, in accordo con le richieste che provengono dal settore dei beni culturali. Inoltre, le nanoparticelle di TiO2, possono essere utilizzate nei rivestimenti di superfi ci lapidee e possono

Figura 99: Legno fossile restaurato utilizzando della resina cianoacrilato (Fonte: I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 lem.ch.unito.it). beni culturali

di impregnazione della struttura in legno che utilizza- nel campo della conservazione di beni culturali sono i multifunzionali ad alte prestazioni, con bassi costi di no specifi che tecniche di vuoto. I ritardanti di fi amma gel, utilizzati sia per operazioni di pulizia che per la con- manutenzione e durevoli nel tempo. possono inoltr, fornire isolamento termico, assorbire il servazione dei manufatti. Grazie al loro elevato rapporto Il monitoraggio del patrimonio edilizio e storico-cultura- calore circostante generato da reazioni endotermiche, o superfi cie-volume, i nanogel possono essere idrolizzati le, è un argomento di grande interesse che prevede l’im- aumentare la conducibilità termica del legno al fi ne di per formare xerogel 3D, e migliorare così, per manufatti piego di dispositivi sensoristici basati sulle nanotecno- dissipare il calore dalla superfi cie del legno. in legno o pietra, le proprietà meccaniche e di resistenza logie (ad es MEMS). Questi dispositivi hanno il vantaggio La durabilità del calcestruzzo, invece, dipende fortemen- all'acqua, al fuoco e agli attacchi microbici o di inset- di raccogliere le informazioni e di conservarle in situ, con te dalla struttura dei pori. In particolare la distribuzio- ti. Il principale utilizzo dei gel è quello per la pulizia conseguente miglioramento dell'effi cienza del processo ne dei pori e la struttura che ne deriva determinano le delle opere d'arte: la procedura per le superfi ci vernicia- di gestione, manutenzione e ripristino. Tali tecnologie proprietà di trasporto dei principali agenti nocivi (ac- te si basa sull’azione meccanica o di solventi organici possono soddisfare le crescenti esigenze di sicurezza, la qua, ioni e gas) che possono causare il deterioramento per eliminare lo sporco superfi ciale. Sfortunatamente, richiesta di sensori con maggiore sensibilità e specifi ci- mediante un attacco fi sico e/o chimico. Ad oggi, diver- la penetrazione del solvente negli strati di vernice può tà, l’esigenza di una minore dissipazione di potenza e se strategie possono essere applicate per estendere la rigonfi are o scolorire i componenti organici della verni- di un monitoraggio da remoto a costi più bassi e tempi

Figura 100: Principali campi di applicazione di coating nanocompositi per vita utile delle strutture cementizie. Una soluzione per ce (principalmente sostanze polimeriche), causando una inferiori. La nanotecnologia è una forza trainante per il trattamento dei legni (Tanja Marzi et al. Nanostructured materials for la protezione dei nuovi manufatti ed il consolidamento diminuzione della stabilità della stessa. Negli ultimi due lo sviluppo di sensori avanzati, non solo nello svilup- protection and reinforcement of timber structures: A review and future challenges, Construction and Building Materials (2015), 119-130). di strutture esistenti prevede, come per il legno, l'uso decenni, sono stati condotti degli studi sui gel per evita- po di materiali intelligenti su dimensioni nanometriche di trattamenti superfi ciali o rivestimenti polimerici con re questi effetti. D’altro canto i gel offrono una serie di (nanotubi, nanofi li, etc.), ma anche nella combinazione anche essere incorporati in polimeri ad alte prestazioni e elevate proprietà barriera e idrofobicità. In base alla ti- vantaggi rispetto ad altri agenti in virtù della possibilità delle loro prestazioni con circuiti integrati (IC), micro e cementi per ottenere una superfi cie attiva contro l'inqui- pologia di formulazione, questi trattamenti possono atti- di controllare l’evaporazione del solvente, di controllare nano-ottiche, sistemi microelettromeccanici (MEMS), che namento e la contaminazione microbica. vare specifi ci meccanismi di azione classifi candosi come la penetrazione dello stesso all'interno del manufatto. portano a più alti livelli di integrazione e trasformazione Un altro aspetto importante nel settore delle costruzioni sigillanti (formano una barriera sulla superfi cie del cal- I gel sono in genere caratterizzati dalla presenza di un più effi cace ed alla trasmissione dei segnali dei sensori. e della tutela del patrimonio culturale è la sicurezza an- cestruzzo) e sono a base di resine poliuretaniche, acri- polimero (principalmente un acido acrilico) che funge da Per quanto riguarda i nuovi materiali, un’altra sfi da è tincendio, che può essere ottenuta applicando opportuni liche ed epossidiche, sostanze “pore-liner” idrofobiche agente gelifi cante. Altri componenti sono cosolventi, de- quella di fornire la standardizzazione ed i protocolli ap- rivestimenti nanostrutturati con proprietà di ritardanti che circondano i pori della superfi cie del calcestruzzo tergenti ed enzimi che ne migliorano la funzionalità di plicativi di materiali avanzati per la conservazione dei di fi amma. Infatti, se riscaldato, il legno subisce una impedendo il trasporto di acqua (a base di silani, si- pulizia. Beni Culturali, al fi ne di trasformare i nuovitali materiali degradazione termica e la combustione genera gas, va- 120 lossani e polimeri fl uorurati) e sostanze pore-blockers Recentemente, sono stati messi a punto dei nanosensori in sistemi fruibili che possano rivelarsie competitivi ri- 121 pori, catrami e soprattutto char. Al fi ne di migliorare la che penetrano all’interno del cemento e occludono i pori basati su nanocompositi per il monitoraggio dell'umidi- spetto agli ai attuali (e tradizionali) materiali di restau- resistenza al fuoco, i legni sono trattati con ritardanti di (silicati liquidi). tà relativa e della temperatura in condizioni ambientali ro. fi amma che possono essere sia rivestimenti che sistemi Un altro materiale, il cui utilizzo è in rapida diffusione controllate. Tali sistemi sono stati sviluppati per la rea- L'obiettivo da perseguire nel futuro è, quindi, quello di lizzazione di dispositivi prototipali da utilizzare nell’am- defi nire e validare degli standard, dei protocolli applica- bito della conservazione delle opere d’arte nei musei. tivi e delle misure di sicurezza legate all'utilizzo di materiali avanzati per la conservazione dei Beni Culturali: 16.3 LE NUOVE TENDENZE 1) la qualità dei nuovi materiali deve essere stan- Come anticipato nel paragrafo precedente, i rivestimen- dardizzata, attraverso una piena conoscenza delle carat- ti nanocompositi possono migliorare le prestazioni dei teristiche fi sico-chimiche, la messa a punto di processi manufatti in legno o calcestruzzo, per la tutela del pa- controllabili e riproducibili e la conseguente organizza- trimonio culturale, ma alcuni prodotti e/o trattamenti zione dei materiali in diverse classi, ciascuna delle quali disponibili sul mercato, spesso sono altamente tossici destinata ad una applicazione specifi ca. Tale processo di per l'uomo e per l'ambiente. Nasce quindi la necessità di standardizzazione dei materiali permetterà di ridurre i sviluppare nuovi prodotti non tossici per l’uomo. costi di produzione e di applicazione garantendo la qua- Inoltre, è stato osservato su scala di laboratorio, che lità degli interventi ed aumentando la competitività dei nuovi adesivi e resine nanostrutturate consentono di nuovi materiali; incrementare le performance di questi materiali. Alcu- 2) bisogna defi nire nel dettaglio dei protocolli ap- ni esempi riguardano il miglioramento delle proprietà di plicativi per ogni classe di materiali. Le istruzioni scritte isolamento termico e del comportamento fotovoltaico o devono essere esaustive, ma anche semplici. Le proprie- attraverso l’integrazione di sistemi di monitoraggio di- tà dei materiali ed i protocolli applicativi devono essere rettamente all'interno del composito. Con l’inclusione dei perfettamente compatibili con le caratteristiche fi sico- nanomateriali nei manufatti del settore delle costruzioni, chimiche dei manufatti artistico/storici che saranno trat- è possibile ottenere una nuova generazione di materiali tati, evitando l'alterazione delle proprietà dei substrati;

Figura 101: Coating polimerico idrorepellente per la protezione di strutture lapidee dalla degradazione e corrosione atmosferica I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 elettronica

3) protocolli e misure devono riguardarein tutte le che nel futuro, queste nuove tecnologie avranno un peso 17 ELETTRONICA TFT Organico (OTFT) - I transistor costituiscono la base fasi del processo di innovazione (dalla produzione all’uso sempre maggiore, e la combinazione della modellazione di ogni circuito elettronico, sia analogico che digitale. 17.1 INTRODUZIONE dei nuovi materiali), bisognerà garantire la piena sicu- 3D con la realtà virtuale garantirà agli utenti, un’inte- Esistono molti differenti tipi e disposizioni di transistor Da oggi e per il futuro gli ambienti saranno sensibili alla rezza del personale (produttori, utenti fi nali) riducen- razione ed una fruizione dei contenuti sempre migliore. organici. La più compatibile con i processi stampati su presenza delle persone ed in grado di soddisfare le loro do al minimo l'impatto ambientale dei nuovi materiali. substrato fl essibile è la confi gurazione top gate: un pri- richieste, mediante l’impiego di vari sensori invisibili di- Pertanto, i protocolli applicativi che saranno predisposti 16.4 SCENARIO mo strato di materiale conduttivo viene applicato per stribuiti negli stessi ambienti. Tali dispositivi conosce- dovranno contenere norme di sicurezza e indicazioni di Considerando le affi nità delle tecnologie dei materiali costituire i due elettrodi e viene applicato sopra un fi lm ranno le loro stesse condizioni, potranno riconoscere gli tossicità ambientale. compositi nel recupero edilizio connesso ai beni culturali sottile semiconduttivo. Lo strato successivo è il fi lm die- utenti, adattandosi alle loro esigenze e anticipandone i e al settore costruzioni, per la quota di mercato relativa lettrico che separa l’elettrodo gate e i fi lm semicondut- bisogni senza una intermediazione intellettiva. Le tecnologie dell'informazione e della comunicazione ai compositi fi bro-rinforzati FRP, si rimanda la capitolo tori. In questo schema a drain interdigitata, la confi gu- In altre parole, degli ambienti basati sul concetto di In- (ICT) sono sempre più utilizzate nei progetti sui beni “Costruzioni”. razione degli elettrodi sorgente permette operazioni a telligenza Ambientale. Nel mondo dell’intelligenza am- culturali: i siti web, i musei virtuali e le piattaforme in Nella tabella seguente sono riportate altre aziende leader frequenze più alte. bientale possono essere evidenziate cinque applicazioni cui sono archiviati e pubblicati i documenti, offrono, at- nella produzione di prodotti chimici che trovano impiego Memorie & Microcontrollori - Uno degli aspetti fondamen- principali, ciascuna di esse essendo guidata da aspetti tualmente, dei servizi per la gestione e la divulgazione anche nel settore dei beni culturali. tali della moderna tecnologia è la disponibilità di me- della società: dei contenuti storico-culturali. È facilmente prevedibile, morie integrate con microcontrollori. L’elettronica stam- • Salute pata consente di collocare dei chip di memoria su strati • Mobilità /Trasporti fl essibili che possono essere direttamente integrati nei • Security (difesa)/ Safety (incolumità) prodotti e negli imballaggi di consumo e le cui attività • Comunicazioni possono essere controllate da microcontrollori organici. • Educazione /Svago. America Radio Frequency IDentifi cation (RFID) - Le etichette Settore Area Italia Europa Nord America Mena Apac Questa è solo una lista breve, e probabilmente incomple- Latina stampate degli RFID hanno come ambito di utilizzo in ta, lista ma possiamo considerare questi aspetti come le spazi con aree economicamente sensibili, specialmente Sigma Aldrich (USA) spinte che infl uenzeranno le nostre economie nel futuro. per i prodotti di largo consumo che vanno dalla protezio- DuPont (USA) L’elettronica stampata basata sull’elettronica organica/ Beni Culturali Ardea Sistemi ne elettronica del marchio, biglietteria e anti-contraffa- polimerica può aiutare a superare alcune sfi de e può es- zione fi no all’automazione e alla logistica quali sono ad sere considerata come una chiave tecnologica basata su 122 esempio i codici intelligenti sui contenitori dei prodotti. 123 nuove applicazioni e sull’uso di nuove applicazioni nella Organic Light-Emitting Diodes (OLED) - Gli OLED consi- produzione dell’elettronica. I nuovi settori di applicazio- stono essenzialmente di almeno tre strati differenti, un ne possono essere ottenuti combinando nuovi materiali e elettrodo superiore, uno inferiore ed uno strato organico costi effettivi, con processi di produzione su ampia sca- semiconduttore ed elettroluminescente in mezzo. Al pas- la. L’elettronica organica/polimerica è sottile, leggera, saggio di corrente tra gli elettrodi il materiale elettrolu- fl essibile ed eco-compatibile e consente la produzione minescente emette della luce, permettendo agli OLED di e l’integrazione diretta di un’ampia gamma di prodotti essere usati sia come display che come sorgenti di luce, elettronici in processi produttivi a basso costo (reel-to- dischiudendo delle applicazioni completamente nuove reel). come lampade e display grandi, sottili e fl essibili. Esistono diversi esempi di promettenti settori appli- Thin and Flexible Displays (TFD) - L’elettronica stampata cativi, basati sul processo di nuovi e diffusi materiali sta spianando la strada a nuove classi di display sottili elettrici conduttori e semi-conduttori, inclusi: imballag- e fl essibili inclusi gli OLED come display a “pixel” e gli gi intelligenti, transponder per radio frequency identifi - OTFT come selettore di transistor. I primi display OLED cation (RFID) a basso costo, display arrotolabili, celle sono già stati introdotti sul mercato , più sottili e bril- solari fl essibili, dispositivi diagnostici e giochi mono-uso lanti della maggior parte degli schermi attuali. Gli OTFT e batterie stampate sono stati sviluppati come transistor di selezione nei supporti dei display sottili e fl essibili. Essi preparano la 17.2 LO STATO ATTUALE strada ad applicazioni come giornali elettronici e display Il settore organico/polimerico è una piattaforma tec- estraibili di cellulari. Sono in fase di sviluppo dei Display nologica che è basata su materiali organici conduttori, OLED e OTFT combinati. semiconduttori e con altre funzionalità. Per dimostrare Large-area lighting (LaL) - Gli OLED possono essere pro- le necessità delle varie applicazioni sono state scelte al- dotti su grandi superfi ci per emettere un ampia gamma cune applicazioni signifi cative. di colori. Le lampade OLED permetteranno delle nuove

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soluzioni per l’illuminazione, superando gli impianti esi- risponde alle attuali necessità di cure in ambienti dome- tipo CMOS, dato che questo è uno standard per sistemi mogeneità dei materiali costituiscono un fattore dovuto stenti basati su lampade convenzionali relativamente stici e in viaggio e di prodotti per la salute ed estetici elettronici convenzionali. In questo contesto assumono alle proprietà intrinseche dei materiali. piccole e assumendo la forma di pareti oppure di fogli più effi caci, affi dabili che siano più semplici da usare, importanza non solo molecole organiche o i polimeri, Tensione di impiego - Per i dispositivi mobili alimentati molto sottili e fl essibili. non invasivi, eco-sostenibili, automatici e più sicuri. Ed ma anche i nano materiali, e altre soluzioni stampabili da batterie, fotovoltaici o a radio frequenza, è essenziale Fotovoltaico Organico (OPV) - Le celle del fotovoltaico è altresì rispondente all’invecchiamento della popolazio- inorganiche e altri materiali come nano tubi in carbo- che la tensione di impiego sia bassa (<10 V). organico convertono la luce in energia elettrica. Lo sche- ne e alla mancanza di personale e strutture per cure con- nio, nano-silicio, ossido di zinco, altre nano particelle Effi cienza - L’effi cienza nella conversione di luce in elet- ma è simile a quello dei dispositivi OLED ma lo strato venzionali. Questa nuova tecnologia porta una crescente e il grafene. Oltre ai materiali devono essere ottimizzati tricità e viceversa è un parametro chiave per celle foto- dei semiconduttori è ottimizzato per l’energia solare. Il varietà di impieghi dagli impianti ai cerotti cutanei in- i processi, dato che l’elettronica stampata richiede in- voltaiche e fotodiodi o OLED, così come lo è l’effi cienza livello di effi cienza è più basso delle celle convenzionali telligenti, ai radio frequency identifi cation (RFID) e interfacce di alta qualità e macchinari che garantiscano energetica dei circuiti in molte applicazioni, soprattutto (silicio), ma il vantaggio dell'OPV è che può essere pro- volucri intelligenti. L’interfaccia umana è migliorata con stabilità di produzione in termini di dispersione e riso- in quelle mobili che devono essere anche leggere. dotto su larga scala a basso costo e per grandi superfi ci. suoni, immagini in movimento, grafi ci luminescenti, e luzione degli schemi. In molte applicazioni, soprattutto Prezzo - Sebbene molte applicazioni abbiano l’obiettivo Ci si aspetta che l’effi cienza arrivi al 10% con una vita così via. Altre funzionalità raggiunte, in ambiti comple- nei display e nel fotovoltaico, è fondamentale la qualità di rappresentare delle nuove applicazioni per nuovi mer- utile da 8 a 10 anni. tamente differenti, sono il rilascio automatico di farmaci dei vari strati che costituiscono delle barriere. Inoltre cati piuttosto che la sostituzione, i costi devono essere Batterie stampate e Supercapacitori - Le batterie stampa- e l’anti-contraffazione. I molteplici benefi ci sono ovvi. è essenziale l’ottimizzazione dei circuiti per creare una bassi. Per alcune applicazioni, come i display avvolgibili, te cominciano ad apparire e potrebbero essere impiegate Nella sperimentazione di un farmaco la registrazione di nuova classe di prodotti per il mercato, soprattutto per si può accettare un costo maggiore rispetto ai display per diversi dispositivi stampati tra quelli citati. Poten- quale pillola è stata rimossa e quando e il tracciamento l’integrazione di altri dispositivi stampati. rigidi convenzionali, per altre applicazioni, come per es. zialmente sono molto sottili, fl essibili e potrebbero es- del processo aiuta i pazienti ad agire meglio (guarire In defi nitiva, l’elettronica stampata costituisce una piat- gli imballaggi, il fattore essenziale è proprio un basso sere stampate insieme ad altri dispositivi aventi la stessa prima) e riduce la quantità di dati errati. taforma tecnologica completamente nuova che associa costo. tecnologia di produzione. Tuttavia, attualmente le batte- Smart System Integration and Smart Objects - I materiali dei materiali progettati per svolgere nuove funzioni e Di seguito vengono brevemente discusse le barriere per rie stampate costano più di molte tradizionali pile a bot- ed i processi usati nell’elettronica stampata consento- combinazioni di funzioni, a processi che non richiedono le sfi de principali che potranno essere superate solo tone, di conseguenza il loro impiego è ristretto a quelle no a diversi dispositivi elettronici di combinarsi in una costosi substrati cristallini ed equipaggiamenti comples- mediante delle nuove conquiste. Un aspetto comune di applicazioni dove la fl essibilità è veramente importante. maniera che non era possibile con l’elettronica conven- si. tutte le generazioni di prodotti è l’aumento della com- Un settore dove le batterie stampate - o a fi lm sottile- zionale. Diversi dispositivi come una cella solare o una Questo può comportare una produzione caratterizzata plessità e dimensionamento dei circuiti logici. sembrano avere un futuro è nella prossima generazione batteria, un circuito logico, una rete di sensori, una me- da un elevato rendimento con milioni di pezzi a setti- In alcuni casi le applicazioni includono milioni di transi- di smart card, che avranno delle batterie integrate (la moria ed un display possono essere integrati su un unico mana, e la possibilità di integrare delle funzionalità di stor, altre uniscono differenti dispositivi elettronici come 124 maggior parte delle smart card oggi utilizzano come fon- strato fl essibile in un singolo processo produttivo. Tali alto livello in un unico schema produttivo in cui sistemi circuiti, alimentatori, sensori, display e interruttori. Al 125 te di energia l’induzione - come le etichette RFID - o il combinazioni sono destinate a fare il loro ingresso in wireless, stoccaggio energetico, microfl uidi, stick medici contempo la produzione dei wafer non sarà più redditizia contatto con il lettore). molte applicazioni, dai contenitori intelligenti, ai senso- stampati, sensori olfattivi e con altre funzionalità speci- nel lungo periodo, per un certo numero di applicazioni e Sensori Molecolari - L’elettronica organica/polimerica può ri mono-uso ed a nuovi giochi elettronici. fi che per diagnosi a livello molecolare, sistemi di calcolo, dovranno essere usati processi completamente stampati essere progettata per essere sensibile a particolare gran- L’elettronica stampata è una nuova piattaforma tecno- registrazione e gestione di dati sono solo alcuni degli o ibridi. dezze fi siche come la temperatura, l’umidità, la pressione logica che ha la potenzialità di espandere le proprie esempi. Dunque si rendono necessari dei progressi nelle seguenti e anche per riconoscere delle analita chimiche o biochi- caratteristiche in molte applicazioni convenzionali e al Sfi de principali - La riuscita di ogni applicazione o pro- aree: miche. Ciò rende possibile creare dei sensori fl essibili a contempo di aprire la strada a nuovi settori e possibilità. dotto dipenderà dal soddisfacimento di un numero di • materiali; una mobilità maggiore di 5-10 cm2/Vs rap- bassissimo costo che possono essere resi ultrasensibili e Questo è particolarmente vero laddove vi sia una richie- parametri che descrivono la complessità o la prestazio- presenta un importante progresso perché consente il cui meccanismo di transduzione può essere eseguito sta di elettronica con sistemi sottili, fl essibili, leggeri e ne del prodotto (parametri dell’applicazione). In questo delle applicazioni più complesse. Oltre ai polimeri per mezzo di segnali elettrici. Dei sensori medici mono- a basso costo e caratterizzati da frequenze operative li- senso sono state identifi cate alcune sfi de principali che questo include molecole piccole e materiali inorga- uso economici possono anche essere prodotti per l’anali- mitate alla frazione di MHz. L’elettronica stampata è una possono essere raccolte da nuove scoperte. nici semiconduttori, come i nano materiali e nuovi si di fl uidi e odori, per esempio per testare il livello degli tecnologia ancora giovane caratterizzata in questa fase Complessità del dispositivo - La complessità del circuito sistemi ibridi, che possano essere processati con sol- zuccheri nel sangue o controllare la presenza di alcol e da materiali completamente nuovi, con caratteristiche (per es., il numero di transistor) e la quantità di diversi venti atossici. I materiali inoltre devono presentare droghe, o nell’industria alimentare per garantire l’integri- intrinseche ancora inferiori a quelle dei materiali con- componenti (come p.es. il circuito, l’alimentazione, in- una maggiore stabilità ambientale per funzionare in tà degli alimenti. venzionali inorganici come silicio e rame (conducibilità, terruttori, sensori, display) integrati hanno un’infl uenza ambienti più “diffi cili” e per ridurre le limitazioni Salute - L’elettronica a fi lm sottile stampata porta molti mobilità e vita operativa in generale). fondamentale sull’affi dabilità e sulla resa produttiva. più vincolanti; benefi ci nelle cure mediche ed estetiche anche a bas- Frequenza operativa del circuito - Al crescere della com- • dimensioni dei dispositivi; analogamente a quanto so costo, se non addirittura mono-uso, e in altri casi 17.3 LE NUOVE TENDENZE plessità delle applicazioni (per es., della capacità di si è visto con il silicio, è necessario una risoluzione aumenta molto la funzionalità. Spesso, ciò rende possi- Le attività future nel settore dell’elettronica polimerica, memoria) diventano necessarie delle velocità di switch di circa 10 µm o inferiore. Inoltre sono necessarie bile la creazione di nuovi dispositivi come gli impianti quindi, dovranno essere focalizzate sull’ottimizzazione maggiori. nuove strategie per i controlli di qualità, alta pro- auto-alimentati che non necessitano la sostituzione di di materiali e processi in modo da fornire nuove solu- Durata /Stabilità/omogeneità/Affi dabilità - La durata duttività nella caratterizzazione elettrica dei dispo- una batteria. La sostituzione di una batteria mediante zioni per migliorare le caratteristiche dei prodotti fi nali. (operativa e di stoccaggio), la stabilità ambientale e la sitivi, per una produzione conveniente a basso costo intervento chirurgico causa il 3% dei decessi. Tutto ciò Un aspetto è lo sviluppo di una tecnologia elettronica resistenza nei confronti di altre sostanze e solventi, l’o- e su larga scala;

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• regole di progettazione dei circuiti complessi che essere costantemente sorvegliate e la roadmap dovrà es- integrati in superfi ci trasparenti e siano sempre compatibili con una vasta gamma sere rivista periodicamente. fl essibili. Ciò consentirebbe di di- di materiali e con processi di stampa industriali. Tra il 2013 al 2023 IDTechEx prevede una crescita del sporre ovunque di sensori energetica- Inoltre, devono essere sviluppati dei circuiti tipo mercato totale dell’elettronica stampata, fl essibile e or- mente autonomi per la realizzazione CMOS. Infi ne, sono di grande importanza sistemi a ganica da $ 16,04 a $76,79 miliardi. La maggior parte tanto attesa dell’internet-of-things, bassa tensione di alimentazione e alta frequenza.. di questa crescita è attribuita agli OLED (organici ma di sensori web multi-connessi, con non stampati) e all’inchiostro conduttivo usato per molte applicazioni domestiche intelligenti, 17.4 SCENARIO applicazioni. D’altra parte l’elettronica arrotolabile (rol- per procedimenti industriali, moni- Nella Figura 102 è riportata la roadmap dell’Associazione lable), memorie e circuiti logici e sensori a fi lm sottile toraggio ambientale, cura della per- dell’Elettronica Organica (OE-A) per le applicazioni dell’e- rappresentano segmenti molto più piccoli ma con grandi sona, ecc.; analogamente, importare lettronica organica. Per ciascuno dei cinque raggruppa- potenzialità come testimoniato dalla R&S. le funzionalità di dispositivi mobili e menti, sono riportati i prodotti che sono sul mercato, e I materiali portatili su fi lm fl essibili, trasparenti quelli che vi entreranno nel breve (2014-2016), medio I materiali attivi utilizzati nell’elettronica organica/ e deformabili porterà a nuovi fattori (2017-2020) e lungo periodo (2021+). Un tale schema polimerica devono possedere proprietà di conduttività, di forma, nuova vestibilità, nuove in- per forza di cose non è dettagliato. La fi gura prevede una semiconducibilità, luminescenza, elettrocromia ed elet- terfacce utente e nuovi paradigmi di panoramica ad ampio raggio per l’intero settore dell’elet- troforesi ed essere selezionati accuratamente, dato che interazione per i dispositivi portatili Figura 103: Previsioni di mercato per tipologia di component (US $ billions) (Fonte: IDTechEx). tronica organica e stampata così come ottenuta da spe- le condizioni operative e gli scambi con i diversi strati intelligenti. Questo offrirà inedite op- cifi che roadmap. L’elenco dei prodotti rifl ette il punto di infl uenzano le prestazioni del dispositivo. sticamente aumentata negli ultimi anni, anche se è an- portunità per prodotti e servizi nella vista attuale. Esperienze precedenti di nuove tecnologie I semiconduttori organici vengono usati in dispositivi cora molto inferiore a quella del silicio cristallino. comunicazione, neigiochi, nei mezzi di comunicazione, dimostrano che è più probabile essere sorpresi da appli- attivi come OLED, OPV, diodi e transistor. Le molecole D’altronde si registra un crescente interesse per i mate- nell’intrattenimento, nei social network, nello sport e cazioni impreviste, e ciò quasi certamente accadrà nel piccole, i polimeri amorfi e i polimeri semi-cristallini riali inorganici: ZnO, ITO e altri materiali come nanotubi benessere.I conduttori stampabili possono essere metal- nuovo e vivace settore dell’elettronica organica. Dunque, possono essere considerate le 3 classi principali. in carbonio o nanofi li. Più recentemente il grafene, un lici, ossidi di metalli, organici o basati su nano strutture in questo settore le tecnologie ed il mercato dovranno La mobilità di carica dei semiconduttori organici è dra- foglio 2D monoatomico di atomi di carbonio, ha richia- in carbonio. I conduttori organici trasparenti dimostrano mato molta attenzione dimostrando diverse proprietà ancora delle conducibilità inferiore a ossidi metallo come che consentono il suo potenziale impiego come mate- ITO ma le loro prestazioni sono in continuo miglioramen- 126 riale con una mobilità molto elevata. Tra le altre sono to e stanno diventando più competitivi. 127 state valutate le sue applicazioni nei transistor, sensori, Recentemente, sono stati fatti progressi signifi cativi nei conduttori trasparenti e supercapacitori. Dall’applicazio- conduttori inorganici trasparenti, con materiali a solu- ne di nuove soluzioni basate sul grafene per l’elettroni- zione lavorabile come i nanotubi in carbonio, grafene e ca stampata ci si aspetta dei benefi ci in termini sia di gli inchiostri basati su nano materiali (p.es. nanofi li in costi, sia di caratteristiche e prestazioni. Per esempio, argento) che dimostrano una eccellente conducibilità e soluzioni avanzate di elettronica fl essibile possono por- trasparenza oltre a migliorare le caratteristiche meccani- tare a sensori miniaturizzati, a basso costo e monouso che dell’ITO. I conduttori metallici stampabili, che sono in commercio da molti anni come paste d’argento per serigrafi a per numerose applicazioni, hanno continuato a svilupparsi con progressi negli inchiostri nanostrutturati e nei precursor ink, nella sostituzione dell’argento con il rame, con progressi nella sinterizzazione fotonica, e miglioramenti nella loro formulazione che ha condotto a inchiostri conduttivi deformabili. I dielettrici sono materiali passivi usati in dispositivi attivi e passivi. I termoplastici, i polimeri termoindurenti possono essere polimerizzati

Figura 102: Roadmap delle applicazioni di elettronica organica (Fonte: OE-A 2013). Figura 104: Roadmap della mobilità delle cariche nei semiconduttori per i sistemi elettronici polimerici e per i sistemi basati su silicio amorfo e policristallino.

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termicamente o mediante UV. I dielettrici (spessore e costo per consentire prodotti per grandi superfi ci e/o più 18 BIOMEDICALE loro leggerezza e multifunzionalità, essere utilizzati per costante dielettrica) possono giocare un ruolo estrema- robusti e con una maggiore libertà di progetto. la realizzazione di attrezzi medici, impianti ortopedici, 18.1 INTRODUZIONE mente importante nelle prestazioni dei dispositivi e ciò è Tra i fi lm polimerici, i poliesteri (PET, PEN) sono i più sistemi diagnostici (MRI) e anche per applicazioni di in- Nel settore biomedico, così come in molti altri setto- stato particolarmente studiato negli OTFT, la cui interfac- usati oggigiorno nell’elettronica organica polimerica. gegneria tissutale e drug delivery. ri, l’Italia e in generale l’Europa devono fronteggiare la cia semiconduttore dielettrico è critica per una mobilità I biopolimeri sono prodotti attraverso processi naturali competizione sempre più stringente da parte dei grandi ottimale e per il rapporto acceso/spento. Aree di mercato (es. fermentazione di batteri), che consentono la reazio- stati confederati (es. USA e Cina). Al contrario di questi Materiali per incapsulazione vengono spesso richiesti per Secondo la IDTechEX Research i fornitori principali di ne di unità monomeriche fi no a formare il polimero. Le paesi, l’Europa è una fucina di nazioni molto differenti proteggere i sistemi elettronici organici da agenti am- elettronica stampata e di beni di consumo consistono fonti sono risorse rinnovabili ed i biopolimeri naturali tra di loro. Questo comporta dei vantaggi, poiché cia- bientali in modo da garantire una durata operativa e in in più di 100 organizzazioni a livello mondiale. La mag- più utilizzati sono largamente presenti in natura nella scuna delle nazioni apporta una diversità di eredità cul- magazzino suffi ciente. gior parte di queste sono basate in Europa, le altre sono forma di proteine (es. collagene, gelatina, elastina), aci- turale e di approccio alla progettualità che si rifl ette in I materiali attivi vengono adoperati come materiali sen- ditte US e asiatiche, all’incirca nella stessa proporzione. di nucleici e polisaccaridi (es. chitosano, alginato, ecc.). un arricchimento della proposta scientifi ca e dell’innova- sibili a analiti chimici o biochimici. Questi materiali sono All’interno dell’Europa, la Germania è la sede del maggior Tra di essi si distinguono gli amidi, formati da amilosio zione creativa. D’altro canto, questa diversità può essere progettati per risultare sensibili a determinati parametri numero di costruttori, rispetto ad altri paesi europei. e amilopectina, diffusissimi poiché prelevabili da diverse fonte di discontinuità e di disallineamento nella stra- fi sici. La loro conducibilità, resistività e capacità cam- Per i processi dell’elettronica stampata più emergenti, fonti quali il grano, il riso, il granturco e la patata. tegia innovativa che si intende perseguire. I materiali biano in funzione dell’analita. Questo processo dev’es- come quelli che riguardano i compositi come la stampa Altro biopolimero naturale è la cellulosa, ingrediente compositi polimerici, ed in particolare i nanocompositi, sere reversibile e con un’alta sensibilità alle molecole di inkjet, o sistemi speciali applicati all’elettronica stampa- fondamentale delle pareti cellulari di tutte le piante. costituiscono un'importante area tecnologica in grado di analita per ridurre la sensibilità incrociata. ta, come gravure e fl exo, il mercato è ridotto ma cresce Si tratta di un polisaccaride complesso con morfologia foraggiare l’innovazione anche per il settore biomedicale. La maggior parte dei dispositivi elettronici organici e rapidamente. cristallina. Una cellulosa chimicamente pura può essere stampati usa substrati fl essibili e potenzialmente a basso prodotta utilizzando batteri ed è caratterizzata da una 18.2 LO STATO ATTUALE alta resistenza meccanica. Nel settore biomedicale, i materiali polimerici ed in par- Al contrario, i polimeri sintetici sono il frutto di reazio- ticolare i compositi offrono una serie di soluzioni tecni di polimerizzazione le cui condizioni possono essere nologiche in grado di impattare su diversi ambiti appli- opportunamente controllate al fi ne di modulare le pro- cativi: dai sistemi per il drug delivery, ai device per uso prietà delle catene (ad es., linearità, peso molecolare, esterno (cateteri, abbigliamento), agli impianti chirur- etc). Moltissimi polimeri sintetici sono impiegati in am- gici (materiale per la sutura, adesivi e tessuti sigillanti, 128 bito biomedicali per differenti applicazioni in relazione 129 reti chirurgiche), alle protesi ortopediche, alla chirurgia alle specifi che proprietà in termini di biocompatibilità e vascolare e cardio-vascolare, alla chirurgia ricostruttiva biodegradazione come l’acido polilattico (PLA), il polibu- ed estetica, all’oftalmologia (lenti a contatto o impianti tilene succilato (PBS), il policaprolattone, il polietilene. intraoculari), odontoiatria e neurochirurgia. L’acido polilattico (PLA) è un poliestere alifatico costituito dall’unità funzionale acido lattico. Il monomero Polimeri per uso biomedicale può essere ottenuto da fermentazione batterica dal mais In ambito biomedicale possono essere utilizzate diverse (amido) o zuccheri ricavati da fonti rinnovabili. Il poli-ε- tipologie di polimeri di origine naturale (o biopolimeri) caprolattone, o PCL, è un poliestere sintetico biodegra- e di origine sintetica per la realizzazione di compositi dabile, ottenibile dalla polimerizzazione a ring-opening polimerici. del ε-caprolattone, in presenza di un catalizzatore. È I polimeri utilizzati in ambito biomedicale possono esse- dotato di buone caratteristiche di biocompatibilità, di re biodegradabili (es. acido polilattico, policaprolattone) un'elevata stabilità termica. In virtù delle sue discrete Figura 105: Distribuzione geografi ca dei maggiori produttori di elettronica organica o non biodegradabili (es. polietilenglicole) e grazie alla

America Settore Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac

STMicro Hexion (DE) Hexion Inc. (USA) Elettronica HITACHI (J) electronis BASF (DE) Huntsman (USA)

Tabella 8: Applicazioni di amido e sue miscele.

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additive es. tecniche di prototipazione, tecniche parecchiature di diagnostica medica, in virtù della loro elettrofl uidodinamiche, tecniche sol-gel); radiotrasparenza (assorbono bassi livelli di energia ra- • polimeri naturali ed idrogeli compositi per l’incap- diante), in quanto minimizzano l’attenuazione del se- sulamento di cellule viventi ed,in particolare, lo svi- gnale e rendono così possibile acquisire immagini chia- luppo di tessuti ibridi per la rigenerazione di tessuti re delle parti del corpo analizzate. Inoltre, le proprietà duri (es. ossa, ostrocondrale, denti) tessuti molli meccaniche di tali strutture sono tali da permettere di (es. pelle, disco intervertebrale, tessuto pulpare/ supportare il peso del paziente, contenendo gli spessori gengivale), e tessuti elettrofunzionali (es. nervi, della struttura. tessuti muscolari e cardiaci); Nel settore farmaceutico/biomedicale i polimeri biocom- Tabella 9: Applicazioni della cellulose e dei suoi composti. • sistemi compositi iniettabili: in virtù della possibi- patibili vengono utilizzati nella messa a punto di sistemi proprietà meccaniche, è molto utilizzato per applicazioni ali per mimare le proprietà chimico-fi siche, elettriche e lità di iniettare il materiale nella zona di interesse, terapeutici a rilascio intelligente, mirato cioè ad una par- per il tessuto muscolo-scheletrico. biologiche dei tessuti. Negli ultimi anni, sono emerse (es. fratture ossee, difetti), il polimero può essere ticolare patologia ovvero operante con una specifi ca mo- Il polibutilene succinato (PBS) è un estere alifatico pro- diverse nuove applicazioni per gli idrogeli, nell’inge- combinato con fasi inorganiche (es. cementi com- dalità d’azione. Il risultato fi nale può essere ad esempio dotto dalla condensazione dell’acido succinico e l’1,4- gneria cellulare, immunomodulazione, terapie cellulari e positi) o molecole bioattive (es. carrier nanoparti- un device costituito da un materiale avanzato in grado di butandiolo. Può essere prodotto, oltre che con la raffi - ricerca sul cancro. Molte di queste applicazioni richie- cellari) per la realizzazione di sistemi in grado di garantire la biodisponibilità di un farmaco incorporato in nazione del petrolio, anche attraverso la fermentazione dono la presenza di funzionalità multiple da assegnare auto-organizzarsi nella struttura desiderata attraver- esso. Il fi ne ultimo di un sistema terapeutico è, quindi, batterica. Quest’ultimo metodo presenta enormi vantag- al network polimerico al fi ne di promuovere interazioni so una procedura minimamente invasiva, eliminano il raggiungimento di una biodisponibilità (ossia frazione gi rispetto alla sintesi chimica, in quanto utilizza fonti dinamiche tra materiale e cellule. la necessità di interventi chirurgici ripetuti. di farmaco somministrato che raggiunge la circolazio- rinnovabili e consuma meno energia. Un ampio range di innovazioni, nel settore dei nano- Nell’ambito della riparazione tissutale, i compositi poli- ne sistemica senza subire alcuna modifi cazione chimi- Il bio-polietilene (PE) può essere prodotto per disidra- compositi, delle micro e nanotecnologie ed ingegneria merici prevalentemente utilizzati sono caratterizzati da ca rispetto al totale somministrato), la quale dipende tazione dell’etanolo generata dalla fermentazione batte- biomolecolare, ha portato alla progettazione di nuovi una matrice polimerica a base di polietilene (PE), po- strettamente da svariate proprietà chimico-fi siche della rica. Attualmente il bio-PE prodotto in scala industriale polimeri multifunzionali. Differenti nanofi ller, di origine liuretano (PU), politetrafl uoroetilene (PTFE), poliacetato molecola da somministrare (es. lipofi lia, legame alle pro- dal bioetanolo deriva dalla canna da zucchero, ma può organica (es. poliesteri iperramifi cati, dendrimeri, ecc) (PA), polimetilmetacrilato (PMMA), polietilentereftalato teine del sangue, ecc.). Uno studio effi ciente di messa essere anche ricavato da barbabietole da zucchero, mais, ed inorganica (CNTs, grafene, fosfati di calcio, silicati, e (PET), silicone (SR), polisulfone (PS), polieteretercheto- legno, grano, granturco e altri scarti vegetali attraverso metalli/ossidi metallici), sono stati utilizzati per la re- ne (PEEK), rinforzati con fi bre di carbonio o vetro. Tra 130 opportuni ceppi microbici che sono in grado di fermen- alizzazione di nanocompositi a matrice polimerica per questi, è possibile individuare diverse combinazioni di 131 tare tali materie prime. È utilizzato per la produzione di ottenere sistemi ibridi multifunzionali. In questo caso, materiali che trovano impiego nella realizzazione di pro- contenitori di acqua per usi medici nonchè per alcune le nanoparticelle interagiscono fi sicamente o covalente- tesi artifi ciali quali le protesi d’anca/ginocchio, la re- componenti per le protesi d’anca (es. cotili) nella versio- mente con le catene polimeriche conferendo nuove fun- alizzazione di mezzi di osteosintesi (es. placche, viti), ne ad elevato peso molecolare. zionalità ai nanocompositi in termini di proprietà mec- protesi articolari e mastoplastica. In questo ambito, è Nell’ambito dei polimeri per uso biomedicale, è possi- caniche, elettromagnetiche, ottiche, che diventano così possibile annoverare anche compositi a memoria di for- bile identifi care la sottoclasse degli idrogeli ovvero di dei biomateriali avanzati da applicare in differenti ambiti ma (Shape Memory Polimers - SMP)a matrice poliureta- polimeri altamente idrofi lici in grado di assorbire ele- biomedici o biotecnologici. nica da inserire nei vasi sanguigni, attraverso un inter- vate quantità di acqua, conservando la propria struttura Nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti e della medicina vento mininvasivo, che, opportunamente stimolati con tridimensionale. Tali sistemi sono in grado di swellare rigenerativa, la realizzazione di nanocompositi è princi- un laser, cambiano la propria forma e rimuovono mecca- (rigonfi are) e trattenere porzioni signifi cative di acqua, palmente rivolta allo sviluppo di: nicamente l’occlusione (es coaguli di sangue o trombi). se collocati in soluzioni acquose, e sono i candidati ide- • scaffold compositi ottenuti con nuove tecnologie I compositi polimerici rinforzati con fi bre di vetro sono ampiamente utilizzati anche per la realizzazione di ap-

Figura 107: Letto porta-paziente in composito polimerico rinforzato, per risonanza magnetica (Fonte: G-Scan di Esaote).

a punto di un sistema terapeutico deve dunque tenere conto delle problematiche strettamente legate alla chimica farmaceutica (stabilità, biodisponibilità, ecc.) e di quelle legate ai materiali compositi (cinetiche di rilascio, biocompatibilità, tollerabilità, ecc.). Gli smart materials, ed i nanocompositi in generale, giocano, quindi, un ruolo molto importante nel drug de-

Figura 106: Esempi di stent (supporti tubolari) realizzati con polimeri a memoria di forma (C. M. Yakacki et al. Biomaterials, 2007, 28, 2255).

Tabella 10: Applicazioni biomediche del PLA e sue miscele - PLGA: acido polilattico-co-glicolico; PCL: policaprolattone; CaP: fosfati di calcio; HA: idrossiapatite; Polietilene UHMWPE; PBS e sue miscele I MATERIALI COMPOSITI | FORESIGHT | 2015 − 2020 biomedicale

livery. Ad esempio, sistemi polimerici biodegradabili e biomateriali e i costi di produzione. Infatti, l’economia gie giocheranno un ruolo molto importante. Nuove tec- In conclusione, alcune future sfi de tecnologiche riguar- biocompatibili (a base di biopolimeri naturali sensibili di scala sarà uno degli ostacoli alla produzione di bio- nologie come la stampa 3D e l’elettrofi latura troveranno deranno lo sviluppo di: al pH) sono utilizzati per veicolare farmaci nel tratto di- monomeri e biopolimeri da fonti rinnovabili. La costru- ampio margine di impiego nell’ambito della chirurgia ri- • nanocompositi per la rigenerazione controllata di gerente, garantendo un rilascio lento e controllato delle zione di impianti su larga scala può essere diffi cile per generativa e ricostruttiva per la realizzazione di nuovi tessuti (cardiovascolare, ortopedico); molecole attive. la mancanza di esperienza nelle nuove tecnologie e nella scaffold avanzati per il rilascio controllato di biomole- • compositi polimerici (biocompatibili) con proprietà Un’altra importante funzione che i nanocompositi pos- valutazione del bilancio domanda/offerta. Per rendere cole e farmaci. Ad oggi, sono in corso molte ricerche strutturali per sistemi protesici; sono rivestire è quella antibatterica, antivirale e anti- queste nuove tecnologie economicamente sostenibili, che mirano alla realizzazione di sistemi multifunzionali • sintesi/modifi ca chimica di nuovi polimeri biocom- micotica, che si ottiene inserendo ad esempio nella ma- sarà importante sviluppare: usando additivi su scala nanometrica quali ad esempio i patibili; trice polimerica nanoparticelle di argento. Utilizzando, • nuovi metodi produttivi a più alta resa e costi ri- CNTs. Ad esempio matrici a base di polimeri naturali (es. • idrogeli polimerici e compositi per modelli biologici invece, altri tipi di nanoparticelle inorganiche (oro, sedotti, gelatina) o sintetici (es. policaprolattone) possono esse- in vitro; miconduttori e materiali magnetici), si possono attivare • nuovi ceppi/enzimi microbici, re rinforzati con fasi conduttive di origine organica (es. • compositi con proprietà elettromagnetiche per la funzioni fotoacustiche, fototermiche o fotodinamiche da • processi vantaggiosi di downstream per il recupero polianilina, PVP) o inorganica (CNTs a parete multipla, stimolazione cellulare durante i processi di rigene- usare per esempio per la terapia ipertermale. dei prodotti di origine biologica. grafene) per generare nanocompositi in grado di stimo- razione; Per il futuro appaiono molto interessanti le poliammidi lare l’attività pulsante di cardiomiociti associata alla • sistemi iniettabili biofunzionalizzati; 18.3 LE NUOVE TENDENZE ed i poliesteri con un alto differenziamento nelle pro- frequenza del battito cardiaco, nonché alla formazione • enviromental responsive polymers per rilascio “on L’utilizzo di polimeri nel settore farmaceutico e biomedi- prietà fi nali per l’utilizzo in applicazioni biomediche. Con di strutture sarcomeriche allineate con maggiore capaci- demand” di farmaci e biomolecole; co è consolidato da oltre dieci anni. Tuttavia in passa- riferimento ai polimeri sintetici, sono attualmente in via tà di condurre segnali elettrici. Risultati di questo tipo, • nuove tecnologie additive (i.e., rapid prototyping, to, a causa della convenienza del prezzo del petrolio e di sviluppo additivi in grado di aumentare la performance legati all’utilizzo di nuovi biomateriali compositi e nuove electrofl uidodynamics) per la realizzazione di scaf- dei suoi derivati, i biomateriali non rappresentavano la strutturale e funzionale dei biomateriali. D’altro canto, nanotecnologie, sono stati conseguiti prevalentemente folds per la medicina rigenerativa; prima scelta. In tempi più recenti alcuni fattori, come nonostante tali polimeri siano già prodotti su larga sca- su scala di laboratorio, dimostrando di essere in grado • nuove tecnologie per la realizzazione di micro/ la limitazione e l’incertezza dell’approvvigionamento del la, vi sono ancora diversi fattori che devono essere otti- di mimare/supportare alcune tra le funzioni più impor- nanocarriers per uso diagnostico e terapeutico: petrolio, le questioni relative all’impatto ambientale e mizzati per la loro sostenibilità a lungo termine, durabi- tanti dei tessuti biologici. Ciononostante, il loro utilizzo nanoparticelle funzionalizzate (con molecole o gli sviluppi tecnologici hanno accelerato lo sviluppo dei lità ed uso sull’uomo. Ad esempio, per i polimeri naturali nell’uomo non è prevedibile nel breve termine, a causa anticorpi) per la distruzione selettiva di tessuti biopolimeri e di nuovi prodotti a base di essi. Muoven- si prevede che si creerà una concorrenza di materie prime della necessità di indagare ulteriormente i problemi di patogeni mediante irraggiamento termico o elettro- dosi su questo trend, la prima generazione di tecnologie con l’industria alimentare man mano che la richiesta glo- citotossicità legati all’utilizzo delle fasi in relazione alle magnetico; 132 si è concentrata su risorse alimentari, come granturco, bale di cibo ed energia aumenterà. Inoltre, molte delle quantità introdotte. • biosensori per la detection di molecole in piccole 133 amido, riso, ecc. per produrre biomateriali. In occasione tecnologie sviluppate a livello di laboratorio dovranno Le attuali ricerche sono anche orientate allo sviluppo di concentrazioni. dell’accendersi del dibattito dell’equilibrio cibo/energia, essere approfondite e validate, per poter essere applicate nuovi biosensori polimerici sempre più affi dabili, conte- il focus della tecnologia si è spostato, oggi, sui derivati in ambito biomedicale sull’uomo. In aggiunta, soluzioni nenti nuove tipologie di enzimi, in grado di monitorare 18.4 SCENARIO della cellulosa, in particolare sugli scarti di alberi e car- che prevedono l’uso di compositi polimerici per impianti parametri fi siologici a partire da basse concentrazioni Si prevede che il mercato globale dei compositi polime- ta. Questa tecnologia rappresenta il driver attuale della medici sono continuamente aggiornate con l’obiettivo di di molecole specifi che (glucosio, colesterolo, lattosio e rici per applicazioni biomediche, raggiungerà nel 2020 ricerca e rappresenterà il futuro dei materiali compositi sviluppare prodotti in grado di avere una vita più lunga urea, ecc.). i 17 miliardi di dollari. In particolare, si prevede un in- applicati al settore biomedico. Le sfi de future includo- ed evitare, ad esempio nel caso delle protesi artifi ciali, I produttori di dispositivi medici richiedono oggi plasti- cremento della richiesta di devices medici realizzati con no la gestione delle materie prime, la performance dei la sostituzione chirurgica dopo pochi anni dall’impianto. che più resistenti e leggere. Molti dispositivi monouso ed smart materials e tecnologie innovative in sostituzione Le future tendenze nella progettazione impianti utilizzano polimeri, sia come componenti strut- di sistemi convenzionali basati su metallo o vetro. di biomateriali avanzati sono sempre più turali che come rivestimenti per migliorare le funziona- I dispositivi medici monouso costruiscono una parte orientate verso lo sviluppo di nanocompo- lità dei materiali quali ad esempio la biocompatibilità. molto importante dell'industria dei device medici. Pro- siti funzionali stimulo-responsivi. Questi Soluzioni tecnologiche innovative basate sui polimeri, gettati e realizzati per essere gettati una volta termi- biomateriali mostrano cambiamenti signi- infatti, svolgono un ruolo signifi cativo nel facilitare al- nato il loro utilizzo, sono essenziali nello svolgimento fi cativi nella loro proprietà fi siche, chi- cune funzioni quali la diagnosi di malattie ed il tratta- di qualsiasi procedura medica in ospedale. Negli ultimi miche o biologiche reagendo in maniera mento utilizzando specifi ci dispositivi medici. I polimeri anni, il mercato di tali sistemi usa e getta è stato in con- intelligente alle condizioni ambientali. Ad come il cloruro di polivinile (PVC), polipropilene (PP), tinua crescita e le tendenze attuali prevedono una forte esempio nuovi studi riguardano la realiz- Polisulfone (PS) e policarbonato (PC), LDPE (Low Den- crescita nel futuro. Infatti, le economie emergenti (che zazione di impianti biodegradabili intra- sity Polyethylene), HDPE (polietilene ad alta densità), stanno modernizzando le proprie infrastrutture sanitarie) gastrici in grado di combattere l’obesità, Polietilene ad ultra alto peso molecolare (UHMWPE) e richiedono sempre più prodotti ad elevata effi cienza ed rigonfi ando in maniera controllata nello idrogel con silicio sono utilizzati (e vengono continua- effi cacia per la prevenzione delle infezioni. La crescente stomaco e fornendo, così, al paziente, una mente ottimizzati) per la fabbricazione di dispositivi me- presenza di strutture sanitarie nei paesi in via di svilup- sensazione di sazietà. dici monouso. po e la crescita della popolazione geriatrica nei paesi Inoltre, i processi legati alle nanotecnolo- sviluppati sono, quindi, i principali driver della crescita

Figura 108: Nanocompositi per applicazioni biomediche (adattato da Gaharwar, A. et al. (2014), Nanocomposite hydrogels for biomedical applications. Biotechnol. Bioeng., 111: 441-453).

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del mercato globale dei dispositivi medici monouso. bio-compatibili, resistenti alla corrosione, inerti chimi- 19 NUOVI SETTORI l’effetto barriera dell’imballaggio alimentare “attivo” e Il mercato è segmentato in sistemi polimerici monouso camente, a basso costo e con una densità paragonabi- dello smart packaging. 19.1 IMBALLAGGIO (PACKAGING) per la somministrazione dei farmaci, per patologie re- le a quella degli organi umani. Alcuni dei prodotti più Le tecnologie connesse al packaging alimentare hanno spiratorie, per la dialisi, per applicazioni di laboratorio, comunemente utilizzati sono cateteri, maschere, set di Additivi nanometrici l’obiettivo di conservare la freschezza e l’integrità dei per la cura delle lesioni da decubito, per le forniture di infusione, fi ltri, cannule, guanti chirurgici, tubo di aspi- Gli additivi nanometrici hanno il compito principale di cibi, e forniscono alle aziende soluzioni economiche ed sterilizzazione, e altri utilizzi diagnostici. Il mercato di razione, bottiglie per fl uidi, siringhe, pinze, packaging migliorare le proprietà meccaniche e di barriera dei po- effi cienti per confezionare i loro prodotti. tali dispositivi abbraccia una grande varietà di subforni- fi lms, valvole, connettori tubi e urina e sacche di raccol- limeri cui sono aggiunti, ma particolari nanostrutture tori, che va dai produttori di prodotti cardiovascolari e ta del sangue (fonte medisourceasia.com). possono svolgere ruoli specifi ci legati all’imballaggio 19.1.1 LO STATO ATTUALE ortopedici, ai sistemi per la cura delle ferite ai materiali alimentare. Ad esempio, quando dispersi nelle matrici I polimeri principalmente utilizzati nell’industria dell’im- di consumo (usa e getta). polimeriche, le nanocariche possono interagire con il ballaggio alimentare sono il polietilene tereftalato (PET), I produttori di dispositivi medici richiedono sistemi com- cibo e/o con l’ambiente circostante, svolgendo così del- il polietilene ad alta densità (HDPE), il cloruro di po- positi polimerici ad alte prestazioni meccaniche oltre che le funzioni attive o intelligenti nell’ambito dei sistemi livinile (PVC), il polietilene a bassa densità (LDPE), il di imballaggio. Tali funzioni, nei sistemi di packaging polipropilene (PP) ed il polistirene (PS). Nell’ambito del alimentare, si traducono nell’incremento della sicurezza packaging alimentare, ogni polimero è utilizzato per e della stabilità alimentare e relativa generazione di in- specifi che applicazioni, in base alle sue proprietà. Ad formazioni sullo stato di un prodotto. Nei nanocompositi esempio, il PET ha una buona resistenza a trazione ed polimerici, di solito, le interazioni polimero/fi ller sono un buon carico di snervamento oltre ad essere traspa- molto più forti rispetto ai compositi tradizionali. Ad rente dopo il processo realizzativo, ma si scioglie molto esempio la dispersione uniforme di nanocariche in una facilmente, ed è quindi ideale per la conservazione di matrice polimerica, produce una vasta area di interfac- bevande fredde che richiedono un materiale robusto per cia matrice/fi ller, che limita la mobilità della matrice e contenere il liquido evitando interazioni chimiche con il ne migliora le proprietà termomeccniche (temperatura di prodotto. L’HDPE è, invece, usato per i coperchi dei con- transizione - Tg) e le proprietà barriera. Il rapporto tra tenitori o per le bottiglie per alimenti come il latte, in la dimensione più grande e quella più piccola in un fi ller, cui è comunque necessario utilizzare un materiale forte, rappresenta una importante proprietà, nota come aspect ma non è richiesta la trasparenza. Infatti, l’HDPE è uno 134 ratio. I fi llers con elevato aspect ratio hanno un’elevata 135 dei polimeri più economici in termini di materia prima superfi cie specifi ca che si traduce in un miglior effetto e processo realizzativo e viene spesso utilizzato quando di rinforzo. Oltre agli effetti diretti delle nanocariche, c’è la trasparenza non è un fattore fondamentale. Il PVC è una regione di interfaccia che circonda ciascun fi ller, in comunemente usato come involucro trasparente a causa cui si ha una ridotta mobilità delle cariche e che genera del basso costo e della capacità di allungarsi, oltre ad una soglia di percolazione nel composito che svolge un essere facilmente estrudibile in fogli. L'LDPE è utilizzato, ruolo importante nella gestione delle proprietà dei nano- invece, per i sacchetti di conservazione degli alimenti compositi. A parità di quantità di fi ller introdotta, una perché presenta dei costi molto bassi ed ha una grande riduzione delle dimensioni delle particelle produce un capacità di allungamento, oltre ad avere ottime proprietà aumento del numero dei fi ller, che quindi si avvicinano barriera. Il PP è utilizzato per i contenitori rigidi, come tra loro; pertanto, gli strati di interfaccia, delle particelle ad esempio biberon, tazze e ciotole, in virtù della sua adiacenti, si sovrappongono, alterando in modo signifi - elevata resistenza meccanica, anche se è leggermente cativo le proprietà di bulk del sistema. più costoso di altri polimeri. Il PS è comunemente usato I nanoclays (o nano argille) sono i nanofi llers più stu- nelle tazze e nei vassoi della carne o delle uova, nei quali diati, grazie alla loro elevata disponibilità, basso costo, è richiesta una certa rigidezza accoppiata ad una buona buone prestazioni e buona processabilità. Le argille dei resistenza al calore. nanocompositi sono in genere delle piastrine bidimen- Gli additivi nel packaging vengono solitamente utilizzati sionali con spessori molto piccoli (circa 1 nm) e diversi per incrementare le proprietà meccaniche o di barriera micron di lunghezza. L’interazione tra i silicati ed i po- del composito. Gli additivi possono avere dimensioni mi- limeri può produrre due tipi di sistemi nanocompositi: i cro o nano e sono aggiunti alla matrice polimerica con nanocompositi intercalati, che derivano dalla penetra- obiettivi diversi e specifi ci. Infatti, la scelta dell’additivo zione delle catene polimeriche nella regione di interstra- dipende da ciò che sarà richiesto al prodotto fi nale. In to dell’argilla e producono una struttura multistrato or- particolare, ci sono rinforzi nanometrici che migliorano dinata con alternanza di strati polimero/inorganico ed i

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nanocompositi esfoliati, che comportano un’ampia pene- passiva, ma è in grado anche di interagire con il cibo Imballaggio alimentare intelligente (Smart essere risolte e riguardano sia i problemi ambientali che trazione del polimero, con una delaminazione degli strati in qualche modo, ad esempio rilasciando delle sostan- food packaging) le funzionalità trasferibili alle materie plastiche usate di argilla dispersi casualmente nella matrice polimerica. I ze (agenti antimicrobici o antiossidanti) o eliminando Un sistema di imballaggio alimentare intelligente può nell’imballaggio. nanocompositi esfoliati mostrano le migliori proprietà in alcuni agenti (come l’ossigeno o il vapore acqueo). Le essere deﬁ nito come un sistema che “percepisce” alcune I problemi potenziali del PP e del PVC, ed in particolare virtù delle ottimali interazioni argilla-polimero. L’argilla conseguenze di tali interazioni sono di solito un miglio- proprietà dell’alimento confezionato e attiva dei mec- il passaggio degli additivi dalla pellicola agli alimenti in più utilizzata è la montmorillonite (MMT), la cui formula ramento della stabilità alimentare. canismi per registrare e trasmettere informazioni sullo condizioni di alta temperatura, costituisce un grave peri-

generale è Mx (Al4-xMgx) Si8O20 (OH)4. Gli organoclay, I sistemi di packaging alimentare con effetto antimi- stato della qualità o della sicurezza del cibo. In questo colo per la salute umana che può essere affrontato attra- derivanti dall’interazione delle argille con composti or- crobico hanno avuto un ruolo sempre più importante contesto, si possono inserire dei nanosensori nei mate- verso o la sostituzione del materiale o imponendo delle ganici, hanno trovato importanti applicazioni come na- da quando è stato dimostrato che aiutano a controllare, riali di imballaggio in grado di reagire ai cambiamenti restrizioni sui tipi di additivi che si possono utilizzare nocompositi polimerici. Ad esempio negli organoclay si riducendola, la crescita di organismi patogeni e micror- ambientali (ad esempio temperatura, umidità relativa, nel packaging alimentare. Queste restrizioni dovrebbero osservano ottime proprietà barriera, grazie all’effetto di ganismi sulle superfi ci alimentari. I sistemi nanocom- esposizione all’ossigeno), alla degradazione o alla conseguire le norme FDA (Food and Drug Administration). In incremento della tortuosità del percorso diffusivo per i positi antimicrobici sono particolarmente interessanti, taminazione microbica dei prodotti durante la fase di questo modo si potrebbe prevenire, ad esempio nel forno permeanti, dovuto alla presenza delle cariche. poiché i materiali su nanoscala, hanno un alto rapporto stoccaggio. Le date di scadenza alimentari sono stimate a microonde, il rilascio di sostanze nocive negli alimenti superfi cie-volume rispetto ai loro omologhi microscala. prendendo in considerazione le condizioni di distribu- a contatto con i sistemi di packaging. Eventuali modifi - L’argento è ben noto per la sua forte tossicità nei con- zione e stoccaggio, cui si suppone il prodotto alimen- che al materiale possono prevedere l’utilizzo di plastica fronti di una vasta gamma di microrganismi, infatti, le tare possa essere esposto. Tuttavia, tali condizioni non termicamente resistente, anche se in genere costa molto nanoparticelle di argento, attraverso diversi meccanismi sono spesso quelli reali. Per esempio, gli alimenti che di più dei polimeri di normale utilizzo in ambiente packa- svolgono un’effi cace azione antimicrobica: aderiscono richiedono una catena del freddo sono spesso esposti a ging. È inoltre sempre più importante utilizzare sistemi alla superfi cie cellulare, producendo la degradazione dei sbalzi di temperatura. I micropori o i difetti nella tenu- polimerici che siano riciclabili/biodegradabili a fi ne vita. lipopolisaccaridi e la formazione di buche nelle membra- ta dei sistemi di packaging possono esporre i prodotti Nel futuro, gli smart material saranno sempre più pre- ne cellulari; penetrano all’interno delle cellule batteriche alimentari ad elevate concentrazioni di ossigeno. I na- senti negli imballaggi alimentari. In particolare, si trat- danneggiandone il DNA; rilasciano ioni Ag+, che hanno nosensori integrati nei sistemi di confezionamento ali- terà di sistemi reattivi basati sull’elettronica polimerica un effetto antimicrobico, attraverso la dissoluzione delle mentare possono rilevare quelle variazioni che inducono (printed electronics) e sistemi self-immolative.

nanoparticelle d’argento. Il biossido di titanio (TiO2) è il deterioramento nei cibi o gli agenti patogeni e quelli La printed electronics utilizza metodi di stampa a basso ampiamente utilizzato come agente disinfettante foto- chimici contaminanti, e permettere, così, di eliminare la costo (ad esempio la serigraﬁ a, l’inkjet) per deposita- 136 catalitico nei rivestimenti superﬁ ciali. La fotocatalisi del necessità di date di scadenza poco accurate, fornendo in re dei circuiti elettrici sui substrati polimerici. Esempi 137

Figura 109: Percorso tortuoso di un agente permeante attraverso un TiO2, che promuove la perossidazione dei fosfolipidi pre- tempo reale lo stato di freschezza del cibo. di tali tecnologie nell’ambito dell'industria alimentare organoclay (Nielsen's model). senti nelle membrane cellulari microbiche viene utilizza- I polimeri biodegradabili sono costituiti da compositi riguardano i sistemi di identiﬁ cazione a radiofrequenza ta per disattivare i batteri patogeni legati agli alimenti naturali come i polimeri a base di amido, il polilatta- (RFID) e i nasi elettronici. Le etichette RFID sono sempre I nanorinforzi a base di cellulosa (CNR) sono materia- nella pellicola di imballaggio. Anche le nanoparticelle to (PLA) e altre sostanze presenti in natura, sono par- più una valida alternativa ai comuni codici a barre grazie li interessanti per la preparazione di nanocompositi a di chitosano mostrano un’attività antibatterica, che può zialmente o completamente biodegradabili e potrebbero alla loro capacità di integrare una vasta gamma di infor- basso costo, leggeri e ad alta resistenza meccanica. La essere attribuita alle interazioni tra il chitosano carico essere utilizzati nel packaging alimentare. Tuttavia, ci mazioni digitalizzate. cellulosa viene sintetizzata da organismi viventi (prin- positivamente e le membrane cellulari cariche negativa- sono delle problematiche legate ai polimeri biodegrada- L’altra tecnologia riguarda i sistemi elettrochimicamente cipalmente piante) sottoforma di microﬁ brille (o nano- mente. bili, quali la diminuzione delle performance meccaniche attivi per il monitoraggio del cibo, noti come nasi elet-

fi bre), che sono fasci di molecole allungate stabilizzati L’ossigeno (O2) partecipa a diverse forme di deteriora- e le complesse tecniche di lavorazione, che restringono il tronici: sono basati su piccoli sistemi di semiconduttori da legami ad idrogeno. Le nanofi bre di cellulosa possono mento alimentare. Le reazioni dirette di ossidazione, campo d’uso dei biopolimeri e ne rendono più costosa la (anche polimerici) e consentono di rilevare molecole bio- essere aggiunte ai fi lm polimerici per ridurre la permea- infatti, provocano reazioni di imbrunimento e irrancidi- produzione. Nel futuro l’ottimizzazione dei sistemi biologiche attraverso i cambiamenti nella massa del senso- bilità al vapore acqueo (WVP). Come per le nanoargille, mento del sapore. Il deterioramento dei cibi dovuto ad degradabili ed il loro utilizzo, potranno contribuire alla re, nella conduttanza o nelle proprietà ottiche (fonte So-

la presenza di nanocellulosa aumenta la tortuosità del un’azione indiretta del O2, invece, include la prolifera- risoluzione dei problemi ambientali generati dai packa- zer e Kokini, 2009). Tali dispositivi sono stati utilizzati percorso diffusivo dei permeanti, abbassando la permeazione di microrganismi aerobici. L’incorporazione di sca- ging polimerici. principalmente per rilevare gli odori e la presenza di gas

bilità del polimero. vengers, agenti cacciatori di O2 (ad esempio il TiO2) nei La gelatina è un polimero biodegradabile che può essere associati al deterioramento dei prodotti. sistemi di imballaggio alimentare, può abbassare i livelli ottenuto dalla pelle di suini, bovini, o pesci. Alcuni studi Nel futuro potranno essere realizzati su larga scala (fonte

Imballaggi alimentari attivi (active food di O2, e viene utilizzata in molte applicazioni. hanno mostrato che il peso molecolare e la composizio- Basu et alter, 2014), su substrati fl essibili, del sensore packaging) Un’altra strategia legata all’utilizzo di additivi nel packa- ne aminoacida della gelatina di pesce sono direttamente elettrochimico per il detecting di batteri e microrganismi I sistemi di imballaggio alimentare convenzionali pro- ging è l’immobilizzazione dell’enzima che prevede l’ag- correlate alle proprietà meccaniche e barriera. di grande interesse nel confezionamento di prodotti in teggono in maniera passiva il cibo, vale a dire, agiscono giunta di enzimi quali la lattasi o la riduttasi (del co- atmosfera modifi cata. come una barriera tra il cibo e l’ambiente circostante. lesterolo) ai sistemi di imballaggio fornendo un valore 19.1.2 LE NUOVE TENDENZE Un altro tipo di materiale avanzato con potenziali ap- Invece, un imballaggio alimentare attivo può essere de- aggiuntivo ai prodotti alimentari e rispondendo alle esi- Nell’ambito del packaging alimentare ci sono delle pro- plicazioni nel packaging alimentare è costituito da ma- fi nito come un sistema che non solo agisce da barriera genze di quei consumatori con defi cit enzimatici. blematiche che necessitano di ulteriori studi per poter teriali self-immolative. I polimeri self-immolative sono

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una nuova forma di polimeri programmabili che possono pre più bio-oriented. Inoltre, il diffuso divieto di utilizzo 19.2 ARREDAMENTO essere attivati da diverse tipologia di stimoli. Sono codi sacchetti di plastica sta avendo effetti benefi ci sulla L’utilizzo dei materiali compositi offre opportunità uni- stituiti da una serie di monomeri dotati di una specifi ca produzione di materie plastiche biodegradabili e compo- che e creative nella progettazione di nuove forme di ar- unità terminale che, se viene scissa, provoca la depoli- stabili. Tuttavia, nonostante i recenti progressi che sono redamento in termini di forme, tessitura e applicazioni merizzazione testa-coda del polimero. Questi materiali stati fatti sulle bioplastiche per il packaging, ci sono innovative. I designer di arredamento hanno reagito ra- possono essere utilizzati come sensori (ad alta sensibi- ancora degli inconvenienti che potrebbero impedirne una pidamente alla comparsa dei materiali compositi, sedotti lità) o come un meccanismo di attivazione per il rilascio più ampia commercializzazione in applicazioni alimentari dalla loro leggerezza, cromaticità, facilità di tessitura in di composti nel reactive packaging (imballaggi reattivi). e di confezionamento delle bevande: tra questi, il costo forme complesse e accessibilità, poiché per alcuni siste- Non sono attualmente utilizzati nel packaging alimen- elevato delle bioplastiche rispetto alla plastica derivan- mi la sperimentazione richiede strumenti molto semplici tare a causa del processo di sintesi molto complesso e te dal petrolio, la bassa disponibilità di materie prime, e poco onerosi. costi elevati. nonché problemi di prestazioni, qualità/consistenza e Da circa quindici anni l’industria dei compositi sta vi- densità. vendo una rivoluzione legata all’automazione e alla ve- 19.1.3 SCENARIO L’Europa è il più grande mercato delle bioplastiche per locizzazione dei processi di produzione, all’incremento Il mercato globale della plastica per il settore dell’im- l’imballaggio, con circa un terzo del consumo mondiale dell’utilizzo di matrici termoplastiche, alla disponibilità ballaggio ha buone prospettive di crescita nel periodo (2015). di potenti strumenti di progettazione e simulazione, alla 2015-2020, con una previsione del CAGR del 21% ed un riduzione del delta tra il costo delle fi bre di vetro e quel- Figura 111: Sgabelli in composito fi brorinforzati (Matter-Made, New York, Fonte: valore di mercato nel 2020 pari a circa 5,9 miliardi di le di carbonio (passato da un fattore 50 nei primi anni moorheadandmoorhead.com). dollari(fonte smitherspira.com). '90 a circa 10 nel 2015): tutti fattori che hanno portato Tale crescita è stata stimolata anche da un aumento all’ingresso sempre maggiore dei compositi in diverse ed infi ne si applica un gelcoat per rendere il manufatto della domanda per smart materials legati alle tecnolo- applicazioni, incluso il settore dell’arredamento. Inoltre, lucido. gie per l’imballaggio alimentare in ambiente controllato di recente nel mondo dei materiali avanzati per la pro- Anche i compositi rinforzati con fi bre naturali sono uti- e sistemi per il monitoraggio di tempo e temperatura. gettazione di arredamento hanno fatto il loro ingresso i lizzati per la progettazione di mobili, in quanto possono I proprietari dei grandi marchi e le aziende di vendita biocompositi, in cui le fi bre naturali sono processate con potenzialmente sostituire il legno in molte applicazioni. al dettaglio prevedono un focus maggiore sul packaging matrici polimeriche sintetiche o biopolimeri. I compositi ottenuti con lino e fi bre di canapa, esempi ecosostenibile, che sta già spingendo la richiesta del di materiali compositi a base biologica, offrono com- 138 mercato verso le bioplastiche. Altri fattori che trainano 19.2.1 LO STATO ATTUALE binazioni uniche di proprietà tecniche e non tecniche, 139 il mercato sono la disponibilità di nuove tecnologie in Gli aspetti tecnici entrano a far parte dell’idea progettua- che affascinano i progettisti: le eccellenti proprietà grado di ampliare l’offerta e lo sviluppo di soluzioni sem- le fi n dalle fasi iniziali della progettazione e del design. meccaniche, come la rigidità e la resistenza sono state Infatti, tali aspetti sono strettamente connessi al con- associate ad una migliore capacità di smorzamento del- cetto di design del prodotto: forma, colore, sensazione le vibrazioni. Quest’ultima capacità non viene utilizzata tattile, percezione, riferimenti ad altri prodotti e aspetti solo per aumentare il controllo ed il comfort di alcuni sociali. L’impatto ambientale è solo uno dei vari aspetti articoli sportivi, ma anche per creare strumenti musicali emersi in questi ultimi anni, come il paese di origine, le con prestazioni acustiche in grado di rivaleggiare con gli strumenti classici di legno, migliorandone la stabilità al Figura 110: Consumo globale di bioplastiche per ilpackaging, per area condizioni di lavoro delle diverse parti della catena del geografi ca, 2015 (Fonte: Smithers Pira). valore, ecc. Tutti gli aspetti tecnici e non tecnici dei ma- variare della temperatura e dell’umidità. teriali giocano un ruolo nella scelta del materiale e nella fase di progettazione, con un peso diverso a seconda 19.2.2 LE NUOVE TENDENZE delle specifi che di ciascun prodotto. Con riferimento alle Future applicazioni tecnologiche per l’arredamento sono caratteristiche tecniche, le proprietà meccaniche sono rappresentate dai materiali autoriparanti, smart textiles spesso le più ricercate. e additive manufacturing. America I compositi a fi bra di carbonio hanno una resistenza alla Il progettista di interni è sempre alla ricerca della bellez- Settore Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac trazione superiore all’acciaio pur pesando solo una fra- za. Ma ci sono alcune problematiche che possono falsare Sigma Aldrich (USA) zione del suo peso. Negli ultimi anni alcuni designer di questa bellezza: le crepe ed i graffi . I rivestimenti autori- DuPont (USA) (1) arredamenti di fascia alta hanno scelto il composito in paranti sono un’applicazione emergente delle nanotecno- Packaging Multisorb Technologies (1) (USA) Amcor Limited fi bra di carbonio (prepreg) per la sua raffi natezza, leg- logie nell’arredamento del futuro, che potrà autoripararsi Sealed Air Corporation (1) (USA) (AUS) gerezza, resistenza ed aspetto distintivo. Il processo più da crepe o graffi sui mobili recuperando l’aspetto lucido utilizzato per la produzione di articolo di arredamento in originale.

(1) Aziende specializzate in soluzioni per l’active packaging inclusi gli assorbitori di ossigeno, soluzioni per packaging in atmosfera composito è il sacco a vuoto. Inoltre, per migliorare la ﬁ - La maggior parte dei materiali, soprattutto i tessuti, uti- modificata MAP ed indicatori di tempo-temperatura (TTIs) per sistemi di food packaging. nitura, vengono rimosse le rughe e appiattite le superﬁ ci lizzati nella progettazione di interni, sono multidiscipli-

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nari e direttamente connessi ai settori del design, della • termoplastici contenenti microdispersioni di gomme 19.3 ENERGIA EOLICA peso ridotto, la forza e la resistenza alla corrosione. Tipi- tecnologia e dell’architettura. Gli smart textiles possono EPDM (Ethylene-Propylene Diene Monomer) Il legame tra il successo ottenuto dalla tecnologia di camente, le gondole sono realizzate in materiale compo- essere ottenuti aggiungendo grafene o nanotubi di car- • trattamenti di opacizzazione degli stampi tramite generazione eolica e lo sviluppo e l'utilizzo di materiali sito caricato con fi bra di vetro. bonio alla matrice polimerica aumentandone la condut- laser o plasma compositi per parti di turbine è stato evidente fi n dal- Le pale in composito rappresentano l’applicazione più im- tività elettrica. • superfi ci ad alto gloss ottenute combinando diversi le prime fasi di installazione e utilizzazione dell'energia portante di una turbina eolica e le loro proprietà spesso Le nuove tecniche di additive manufacturing sono una materiali ed utilizzando processi di stampaggio eolica. Infatti nelle turbine eoliche, la vita delle pale in determinano le prestazioni e la vita della turbina stessa. tecnologia in crescita nell’ambito delle produzioni rapi- innovativi materiale composito è risultata di gran lunga superiore a In realtà, il componente a più alto costo di una turbina de di prototipi. Per esempio il metodo di sinterizzazio- • effetti stilistici che ricordano materiali naturali quella delle pale in acciaio. eolica è proprio il rotore. Ma le percentuali di avaria delle ne laser selettivo (SLS) e la poliammide caricata con il quali legno, cuoio, sughero utilizzando compositi Entro i prossimi due decenni, l'obiettivo di molti pae- pale eoliche sono dell'ordine del 20% in un periodo di vetro, possono essere utilizzati per la realizzazione di contenenti fi bre naturali. si industrializzati è il raggiungimento dell’indipendenza tre anni e questo è certamente un valore inaccettabile. sedie, tavoli e altre tipologie di mobili (Trabecula). Le energetica dai combustibili fossili. Questo signifi ca uno Aumentare l'affi dabilità e la durata delle pale eoliche è particelle di poliammide in polvere vengono sinterizzate 19.2.3 SCENARIO sviluppo tumultuoso del settore delle energie rinnovabili. quindi fondamentale per i costruttori di turbine eoliche. con l’energia laser che solidifi ca gli strati del materiale Gii arredamenti in composito costituiscono una parte del L’Unione Europea ha fi ssato un obiettivo del 20% del pro- Una pala eolica è costituita da due gusci (lato aspirazio- all’interno dei modelli. mercato globale dell’arredamento di lusso per il quale prio fabbisogno energetico coperto da fonti rinnovabili ne e lato pressione), uniti tra loro ed irrigiditi da una o Un aspetto importante per i compositi nell’industria si prevede una crescita con un CAGR del 4.1% nel quin- entro il 2020. Al fi ne di raggiungere il 20% dell'energia più lamine strutturali (shear webs) che collegano i due dell’arredamento sono la brillantezza e l’omogeneità del quennio 2015-20209, per un valore globale nel 2020 pari elettrica da fonti rinnovabili entro il 2020, la capacità gusci (shell) superiore e inferiore della pala o in alter- colore. Infatti, gli attuali trend indicano che superfi ci a circa 27 miliardi di dollari (fonte researchandmarkets. di produzione elettrica da energia eolica off-shore della nativa con un longarone scatolato (box beam), carenato polimeriche composite, opache ed uniformi vengono per- com). UE dovrà essere aumentata di almeno due ordini di gran- con i due gusci. Il longarone scatolato allocato all’in- cepite dal cliente di elevata qualità tecnica, resistenza dezza rispetto all’attuale. Gli elevati volumi di produzio- terno della pala è incollato ai due gusci. La Figura 112 all’usura, robustezza e solidità. Per evitare la verniciatura ne di energia eolica, necessarie per il raggiungimento mostra lo schema della sezione della pala con i diversi sono allo studio nuove soluzioni (anche per il settore di questo obiettivo, richiedono l'installazione e l'uso di approcci. automotive) che prevedono l’utilizzo di: grandi turbine eoliche (> 8 MW) in parchi eolici con po- tenze installate di diverse centinaia di MW. In questo 19.3.1 LO STATO ATTUALE caso, con le tecnologie attuali, i costi di manutenzione, La turbina eolica è un sistema complesso costituito da

140 141

America Settore Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac

KEDO DuPont Arredamenti Mast Elements (USA)

Figura 112: Schema del proﬁ lo di una pala eolica (Fonte: TWI).

riparazione e sostituzione di turbine eoliche danneggiati più componenti in cui le pale della turbina formano ele- potrebbero essere enormi. menti strutturali chiave per conseguire la più alta gene- Solo materiali dalla elevata resistenza alla fatica e rigi- razione possibile di energia elettrica. A causa delle loro dità, come i materiali compositi, sono in grado di soddi- dimensioni, le turbine eoliche sono costose da fabbri- sfare pienamente tali esigenze. care e, poiché devono avere una lunga durata (da 20 a Tra tutte le parti della turbina-generatore eolica (rotore, 25 anni), è estremamente importante che le pale siano mozzo, cambio, generatore, gondola, torre, ...), i mate- ben progettate, anche con l’ausilio di approcci di design riali compositi sono oggi utilizzati nelle pale eoliche che innovativo. La più grande sﬁ da per i progettisti di pale compongono il rotore e nella gondola (o navicella) ove eoliche è l’utilizzo di materiali innovativi che possano sono alloggiati il generatore, il cambio, il mozzo, ecc. favoriere rilevanti risparmi sui costi realizzativi, e fornire I principali requisiti per queste strutture, che forniscono prestazioni migliori con una riduzione del peso. protezione dalle intemperie per i componenti, sono il Le ﬁ bre oggi disponibili sul mercato per lo sviluppo di

9 http://www.researchandmarkets.com/research/t3wttb/global_luxury

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prodotti compositi sono fi bre di vetro (E- e S-vetro), fi - trica, ma anche devono combattere una battaglia interna Attualmente l’industria eolica produce le pale utilizzando teriali compositi innovativi, alternativi alla tecnologia bre di carbonio (IM- e HS-carbonio), fi bre aramidiche, al settore eolico per incrementare la quota di mercato la tecnologia dei termoindurenti: matrici polimeriche ter- termoindurente, con prestazioni superiori agli attuali per fi bre di acciaio, fi bre naturali (fi bre di juta, fi bre di cana- e conseguire economie di scala. Entrambe le battaglie moindurenti (resine poliestere o epossidiche) rinforzate soddisfare i requisiti sfi danti proposti dalle future pale pa, di lino fi bre, ecc.). Le attuali pale delle turbine sono si riducono alla necessità di migliorare i vantaggi eco- con fi bre di vetro o di carbonio. Quando si realizzano le eoliche. realizzate con fi bra di vetro o di carbonio. Il vantaggio nomici della generazione eolica attraverso una maggiore pale con i materiali termoindurenti, gli inconvenienti più I progettisti sono alla continua ricerca di soluzioni pro- signifi cativo associato con le fi bre di vetro consiste in capacità di cattura dell’energia dal vento. Ciò ha spinto ricorrenti sono: le emissioni di stirene (resine poliestere) gettuali innovative, che siano in grado di aprire nuo- più elevate deformazioni a rottura con resistenza accet- i diversi costruttori a progettare e realizzare sistemi con durante il processo di fabbricazione (mediante tecniche ve opzioni architetturali per usufruire di tutti i bene- tabile. Considerando che le fi bre di carbonio esibiscono dimensioni delle pale del rotore per i sistemi terrestri e di infusione sotto vuoto); e i problemi di costo delle fi ci derivanti dall’utilizzo di nuovi materiali compositi. valori molto elevati di forza in trazione e compressione offshore sempre più grandi come mostrato nella Figura resine epossidiche. Un altra criticità si presenta al fi ne L’industria eolica è motivata a studiare nuovi materiali rispetto ad altri rinforzi in fi bra (fi bre di vetro, ma hanno 113. vita, nel caso di pale realizzate con materiali termoindu- compositi meno costosi con prestazioni più elevate, bas- l'inconveniente di valori molto bassi di deformazione a Le turbine offshore di nuova generazione si stanno muo- renti, il riciclaggio rappresenta un ulteriore problema. Un sa densità, maggior tempo di vita, semplicità di lavo- rottura. Un altro requisito importante per il rinforzo è vendo rapidamente da taglie di 3÷5 MW a taglie da 8÷10 altro svantaggio è la riparazione o unione di compositi razione, e riciclabilità a fi ne vita. Infatti questi fatto- l’uso di una resina compatibile con i trattamenti super- MW e valori superiori, in cui la lunghezza delle pale termoindurenti, che è possibile solo con adesivi speciali. ri sono abilitanti alla realizzazione di pale eoliche con fi ciali della fi bra. I trat- Questo signifi ca che la selezione dei polimeri per la rea- prestazioni aerodinamiche ottimali, riduzione dei pesi, tamenti superfi ciali della lizzazione di pale è diventato un fattore economico im- riduzione del degrado dei materiali durante la loro fase fi bra con la resina sono portante per l’industria eolica di oggi. La lunghezza delle operativa, incremento del ciclo di vita e, infi ne, minor necessari per proteggere pale è in aumento e il costo fi nale del sistema turbina impatto ambientale . la fi bra contro l’umidità è anche molto elevato. In questo contesto critico, l’in- La scienza dei materiali compositi può contribuire in e attacchi di fl uidi reat- dustria ha la necessità di trovare un polimero che costi maniera signifi cativa allo sviluppo dei turbo-generatori tivi. Un corretto accop- meno e che abbia la processabilità simile a quella dei po- eolici (WTG, Wind Turbo Generator) per diversi motivi. In piamento chimico tra limeri termoindurenti e un rendimento migliore rispetto primo luogo, i materiali compositi di nuova generazione fi bre e resina migliora la ai materiali delle pale attuali. avranno proprietà meccaniche superiori come la resisten- bagnabilità della super- Nonostante la maturità acquisita e l’accettazione dei za specifi ca e la rigidità. Nel breve-medio termine la lun- fi cie della fi bra a sfavore compositi termoplastici in diverse applicazioni industria- ghezza delle pale e la potenza dei WTG potranno essere dei polimeri utilizzati per li, è importante non promuovere acriticamente le loro incrementate, come anche una riduzione dei costi opera- 142 la trasformazione, e crea aspettative nel caso di grandi applicazioni strutturali. tivi dei sistemi WTG è attesa in ragione di una maggiore 143 forti legami tra la fi bra e Ad esempio, è facile sottovalutare i problemi derivanti affi dabilità dei materiali. La riduzione delle dimensioni la resina. Poiché è ne- dai processi di fabbricazione da applicare a pale eoli- fi siche dei componenti / sistemi potrà abilitare la produ- Figura 113: Nei due decenni precedenti, l’industria delle turbine eoliche ha drammaticamente trasformato le dimensioni dei cessario realizzare un sistemi eolici offerti per soddisfare le necessità del mercato (Fonte: Composite Market Reports). che che superano i 100m di lunghezza. Molti ricercatori zione su volumi con garanzia di qualità del prodotto fi nito. trasferimento effi cace stanno cercando di migliorare le linee guida di proget- Il design della pala della turbina eolica è prevalentemen- delle sollecitazioni tra le fi bre e la matrice, migliore è il per entrambi i sistemi onshore e offshore superano re- tazione delle pale eoliche, di incrementare le prestazioni te guidato dal carico a fatica, quindi buone prestazio- legame tra il polimero di interfaccia (resina) e le fi bre di golarmente gli 80 m. Come le pale si allungano, l’idea di del polimeri termoplastici e di ridurre le temperature di ni a fatica sono assolutamente da perseguire nella fase rinforzo, è superiori saranno le prestazioni in termini di convertire parti strutturali della pala da fi bre di vetro a processo con l’aggiunta di particelle speciali come nano- di ottimizzazione e progettazione. All’incremento delle resistenza alla compressione e resistenza alla fatica. Per fi bre di carbonio signifi cativamente più rigide e leggere fi ller, ecc. al fi ne di sostituire i termoindurenti attuali, dimensioni della turbina, cresce anche il loro carico a i polimeri termoindurenti con le fi bre di vetro e di car- comincia ad avere un senso, nonostante che il costo ini- usufruendo dei benefi ci connessi con l’uso dei materiali fatica. Nel funzionamento, le pale sono soggette ad un bonio è già stata raggiunta una compatibilità chimica; ziale sia maggiore. La fi bra di carbonio già ha dimostra- termoplastici in termini di emissioni nulle di stirene, di carico multiassiale (carico aerodinamico, gravità, ecc). con i materiali termoplastici, lo studio per le due fi bre to di essere una tecnologia abilitante per produttori di processabilità, di riciclabilità, e di saldabilità. Inoltre Allo stato attuale, la progettazione a fatica si basa solo è ancora in fase di sviluppo. Nel tema dei rinforzi, gli turbine. Infatti alcune aziende hanno adottato già anni i materiali termoplastici, a parità di peso, offrono una su prove monoassiali, e fattori di tipo catastrofi co sono ultimi sviluppi riguardano la messa a punto di rinforzi la fi bra di carbonio, applicandola in parti strutturali se- maggiore resistenza rispetto ai termoindurenti, dunque considerati e vengono presi in considerazione i soli ef- ibridi come tessuti ibridi di vetro-carbonio. Dalla com- lezionati delle pale e sfruttandone i vantaggi delle pale è possibile ridurre il peso degli elementi aerodinamici fetti multiassiali. Metodi più sofi sticati sono necessari binazione di fi bre di vetro e fi bre di carbonio, con mix più leggere per tutto il sistema della turbina. Pale più riducendo in tal modo il peso fi nale della torretta e i per tenere conto dei fattori di stress di natura multidi- ottimizzati per le applicazioni con materiali compositi, si leggere richiedono componenti di turbine e torri meno costi del suo trasporto. rezionale. ottengono una migliore resistenza alla fatica e maggiori robusti, quindi il risparmio in cascata sui costi dell’intero Tuttavia, in diversi territori operativi dove le condizioni deformazioni alla rottura. sistema giustifi ca il costo aggiuntivo della fi bra di carbo- 19.3.2 LE NUOVE TENDENZE ambientali e meteorologiche siano particolarmente seve- Sin dalla sua nascita, l'industria eolica ha dovuto com- nio. Le turbine ri-progettate (considerando anche la fi bra Nel presente scenario di mercato, l’industria eolica ha la re (condizioni termiche al di sotto dello zero, con pre- petere con altre forme di produzione di energia elettrica di carbonio nella realizzazione delle pale) risultano più necessità di ampliare ulteriormente il proprio portafo- senza di ghiaccio e neve per lunghi periodi), aree deser- rinnovabili. I produttori di sistemi di generazione eolica leggere e, in virtù di ciò, l’intero costo del sistema risul- glio prodotto estendendolo dalle applicazioni on-shore a tiche (temperature elevate), in mare aperto (condizioni non solo devono affrontare la battaglia della competiti- ta minore rispetto ad un sistema con le pale realizzate quelle off-shore. Naturalmente questo implica lo studio di illuminazione a rischio e zone ricche di agenti chimici vità con altre tecnologie di produzione di energia elet- interamente in fi bra di vetro. di nuove soluzioni architetturali e l’applicazione di ma- corrosivi) coinvolgono differenti set di requisiti che por-

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Oltre alle innovazioni di prodotto e di processo, è fonda- tare le sfi de di prestazioni e benefi ciare del boom del mentale nella produzione di alta qualità che i componen- mercato. Questo può essere possibile solo se si instaura ti con volumi elevati siano prodotti in modo economica- una effi cace cooperazione tra gli scienziati dei materiali, mente vantaggioso. i produttori di materie prime, i produttori di macchine Mentre agli inizi il wet lay-up è stato il principale me- utensili e i leader di mercato dei sistemi di generazione todo di produzione delle pale eoliche, oggi le imprese, eolica. con il know-how necessario, stanno utilizzando metodi avanzati di processo come i pre-impregnati. 19.3.3 SCENARIO Tali processi di nuova generazione dovrebbero consentire Il mercato delle turbine eoliche è al secondo posto come un migliore controllo dei difetti durante la fabbricazione settore industriale in termini di consumo in fi bra di car- delle pale in termini di vuoti, distacchi, danni da impat- bonio dietro al settore delle costruzioni. to, variazione di densità, variazione resina, fi bre rotte, La capacità globale di energia eolica si sta espandendo disallineamento delle fi bre, rughe, crepe della resina, va- ininterrottamente dal 2005 (Figura 116) e ha raggiunto riazioni della cura, inclusioni e umidità. un totale di approssimativamente di 318 GW nel 2013. Oggi, le turbine eoliche operano in una vasta gamma di La produzione di energia elettrica di ogni turbina eolica Figura 114: Prestazioni vs Produttività di diversi processi di lavorazione con materiali compositi (Fonte: Hexcell). luoghi e condizioni geografi che che si estendono dal de- è una funzione quadratica del suo diametro del rotore serto caldo con tempeste di sabbia al freddo, ghiacciai, per cui i produttori sono sotto pressione per sviluppare terà i materiali ad affrontare sfi de uniche. Anche la ve- anticorrosione, minimi ritiri, ecc); climi nevosi e artici. Le turbine eoliche operano dalla rotori di diametro sempre più grandi e leggeri. Nel 1985, locità del vento in diverse regioni pone diversi livelli di • Materiali e processi compositi termoplastici; terraferma fi no al mare, a causa delle migliori risorse eo- il diametro medio del rotore era di soli 15 metri con una diffi coltà di carico e di erogazione di potenza, in modo • Nuovi processi produttivi per aumentare la produ- liche marine. Il livello di prestazione richiesto per que- produzione media inferiore a 1 MW. Nel 2013, le turbine che la differenziazione del prodotto diventa essenziale. zione (fi gura 114) ste regioni e requisiti di progettazione è elevata (fi no al eoliche avevano un diametro del rotore di 100 m di me- Di conseguenza, le aziende dovranno sviluppare prodotti • Applicazione di tecnologie automatizzate per ab- 95%), e la durata del servizio è di 20-25 anni. Ciò innal- dia e una producibilità media di 2,5 MW. Queste turbine di tipo custom per soddisfare le esigenze e le diverse breviare i tempi ciclo, aumentare la precisione za la sfi da dei nuovi materiali a una nuova dimensione eoliche multi-megawatt stanno aumentando la domanda richieste dei clienti. Sotto un certo livello di prestazioni, e ripetibilità: processi Tape Automated Layup (ATL) che supera anche i requisiti dell’industria aeronautica. vi è una più ampia scelta di materiali disponibili, ma, in o Automated Fiber Placement (AFP) (Figura 115); I parametri chiave che infl uenzeranno il costo dei ma- 144 generale, le pale hanno necessità di compositi avanzati • Processi di giunzione con materiali compositi; teriali compositi in futuro nella catena del valore 145 (come quelli in fi bra di carbonio) che sono in grado di • Tecniche di misura sofi sticate, ispezione, prova e dell›energia eolica sono i seguenti. soddisfare le esigenze applicative più estreme. strumenti di controllo qualità; • Materiale: fi bre low cost, preimpregnati avanzati Le principali esigenze delle applicazioni e le sfi de poste • Analisi non distruttive e test di affi dabilità; con riduzione degli step di processo e materiale core dal settore eolico sono così riassumibili: • Test avanzati di previsione vita e analisi di materia- compatibili con le nuove resine / preimpregnati • Sviluppo di materie prime da parte dei fornitori per li compositi; • Linee di produzione: automazione-nastro e posizio- soluzioni di sistema cost-effective; • Sistemi di monitoraggio strutturale. namento della fi bra secca, processi automatizzati • Fibre e materiali a matrice ad alte prestazioni: per garantire tempi di ciclo brevi con precisione e multiassiali, multistrato / tessuti di rinforzo/ qualità rinforzi UD; • Tecniche di lavorazione: esecuzione a secco in 2D/3D Figura 116: Capacità in GW di turbine eoliche installate (Fonte: AVK). • Pre-impregnati avanzati per produrre sezioni spesse • Metodi di progettazione: metodologia di progettazio- di buona qualità eliminando la necessità di ne integrata PLM e rivestimenti durevoli di fi bre di carbonio in quanto è l'unico materiale adatto compattazione; • Altre tematiche: automazione in ispezione / qualità per la costruzione di pale del rotore con una lunghezza • Sviluppo di nuovi materiali di base che sono: garantita e rivestimenti resistenti nel tempo. di 40 a 50 m. 1. Pre-preg compatibili, In conclusione, quella composita è una tecnologia chia- Nel 2013, il mercato dell'energia eolica ha utilizzato 2. Adatti a processi di infusione di resina con ve che permette che migliorare direttamente le future circa 6.700 tonnellate di fi bra di carbonio e i materiali caratteristiche di basso assorbimento, capacità delle turbine eoliche, in termini di minori costi compositi con fi bre di carbonio hanno registrato un fat- 3. Maggiore stabilità termica, energetici per la produzione di massa a causa di carichi turato pari a circa. 1,8 miliardi di dollari US. Tuttavia, la 4. Resina epossidica rinforzata con nanotubi di ridotti, maggiore potenza, peso ridotto e una maggiore domanda di fi bra di carbonio nel settore era inferiore al carbonio con caratteristiche meccaniche Figura 115: Evoluzione della produzione delle pale eoliche delle turbine. affi dabilità. Questo incoraggia l’uso di nuovi prodotti e fabbisogno registrato nel 2012 (10.000 t). Ad esempio, analoghe a quelle con fi bra di vetro ma ottenute di processi innovativi nel tema dei compositi nelle appli- nel 2013 solo 35 GW di nuova capacità di generazione di con metà del peso; Un ulteriore problema posto dalle grandi dimensioni del- cazioni di turbine eoliche, quali i nanomateriali, materia- energia eolica è stata installata in tutto il mondo contro • Rivestimenti speciali termoplastici con una maggio- le pale delle turbine è legato alla logistica da affrontare li biodegradabili, materiali resistenti ai fulmini, materiali i 45 GW installati nel 2012 (Figura 117).Le ragioni di re durata nel tempo (resistente all’usura, e risolvere. autopulenti e materiali a basso costo, al fi ne di affron- questo fenomeno vanno ricercate nel costante e basso

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cipalmente dal passaggio settore dell’energia eolica, dove vale la pena notare che dei combustibili fossili i livelli di fatturato sempre di più dipendono dai servizi alle energie rinnovabili post-vendita. Per altri, come Siemens e GE, il settore e la conseguente espan- delle turbine eoliche rappresenta solo una parte degli sione associata degli im- interessi nella generazione di energia elettrica. Le azien- pianti eolici. de coinvolte nell’eolico possono dividersi per missione Gli analisti prevedono in due gruppi: alcune sono orientate allo sviluppo di ricavi per i compositi a tecnologie all'avanguardia, spingendo gli sviluppi sullo base di fi bre carbonio per sfruttamento dei venti a basse velocità, in alta quota, circa 4 miliardi di dollari in climi freddi e offshore in mari profondi; altre si sono entro il 2022. Le nuove concentrate sul basso costo e l’economicità attraverso turbine multi-megawatt, una progettazione ben collaudata ed economie di scala con pale del rotore mai nella fase realizzativa. prima realizzate vengono sviluppati e utilizzati in Figura 117: Capacità installata di turbine eoliche per paese in GW (Fonte: AVK). entrambi i parchi eolici offshore e on-shore. Ad esempio, le turbine eoli- livello di automazione e nei ritardi accumulati nella co- che con una potenza di 7 struzione di parchi eolici off-shore a causa di diffi coltà MW e una lunghezza della pala del rotore di 83,5 m sono fi nanziarie e tecniche. divenuti operativi nel Mare del Nord a partire dal 2015. Questo settore è dominato da tre grandi economie na- Secondo Fraunhofer IWES, turbine con una potenza di zionali: la Repubblica popolare cinese ha ampliato in 20 MW e pale del rotore più lunghe dovrebbero divenire modo signifi cativo la sua capacità negli ultimi anni e America una realtà entro il 2020, utilizzando, come l'ultimo ae- Settore Area Italia Europa Nord America Latina Mena Apac ha portato il totale installato a 91 GW nel 2013, quasi il reo commerciale con il 50% di materiale alta tecnologia, 146 30% della capacità eolica globale; la Cina è seguita dagli una percentuale maggiore di carbonio nelle strutture di Vestas (DK) Goldwind (CN) 147 USA con 62 GW e dalla Germania con 34 GW di capacità supporto dei rotori per garantire la stabilità e pesi ac- Siemens (DE) United Power (CN) Enercon (DE) Ming Yang (CN) (Figura 118). cettabili. GE Energy Energia Eolica Gamesa (E) Envision (CN) Nei prossimo quinquennio per le turbine eoliche è pre- Nella tabella seguente sono indicati i principali produt- (USA) Nordex (DE XEMC (CN) vista una crescita media annua del 9,7%, trainata prin- tori a livello mondiale di turbine eoliche Suzlon (IND) per la generazione di energia elettrica. Per la preparazione della tabella sono stati esaminatii datiprovenienti da Make Consulting, BTMNavigantediWindpowerM onthly,divisionedati della WindpowerIn- telligence. Collettivamente, queste aziende hanno installato sistemi per circa 270GW di potenza eolica, circa i tre quarti del totale mondiale, e nel 2014 hanno installato altri 35GW. Le loro turbine vanno da sistemi vecchi da 20 kilowatt ai nuovi modelli da multi-megawatt. Alcuni, come Vestas ed Enercon, sono aziende focalizzate nel

Figura 118: Andamento del fatturato (in milioni di dollari) nel segmento delle turbine eoliche, periodo 2013-2014 (Fonte: AVK).

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