Polimeri autoriparanti per compositi per aeroplani
I materiali autoriparanti richiedono una manutenzione minima e hanno la capacità di riparare le proprie micro crepe e spaccature. Sono diventati il santo Graal per l’industria aerospaziale. HIPOCRATES ha permesso di portare il loro uso un passo più vicino seguendo la sua missione di progettare compositi autoriparanti a base di epossidi. Hanno basato questi nuovi materiali autoriparanti su resine già ampiamente usate, in modo che potessero essere semplicemente incorporati negli attuali metodi di produzione aerospaziale. Materiali compositi polimerici laminati sono usati in varie parti degli aeroplani, come per esempio i propulsori del motore, la fusoliera e i componenti interni, e formano a volte micro crepe. Le micro crepe però sono un grande problema e riducono la resistenza dei materiali. Finora le riparazioni richiedevano un intervento manuale, ma lo sviluppo di materiali polimerici auto-riparanti negli ultimi dieci anni potrebbe cambiare le cose. I meccanismi di autoriparazione sono già stati studiati per il cemento, l’asfalto, gli idrogel e i polimeri biomedici. “La strategia costituisce un percorso promettente per allungare la vita dei componenti polimerici,” dice la coordinatrice di HIPOCRATES, la dott.ssa Sonia Flórez di TECNALIA a San Sebastián, in Spagna. Progettare materiali compositi polimerici autoriparanti per l’industria aerospaziale è stato difficile dice Flórez, “ci sono diversi limiti pratici che devono essere superati”. Tra questi la velocità di riparazione, la stabilità del processo e i materiali e i costi di produzione. “Una fase critica è la compatibilità di queste tecnologie con gli attuali metodi di lavorazione e fabbricazione,” aggiunge. Per fare questo, HIPOCRATES ha trasportato conosciuti processi chimici di autoriparazione in sistemi di resina epossidica già comunemente usati nei compositi aerospaziali e ha sviluppato metodi per incorporare le tecnologie di autoriparazione in tecniche di lavorazione esistenti. Il progetto HIPOCRATES ha studiato due diverse strategie di autoriparazione. Una prevede di incapsulare le micro-crepe. Flórez spiega, “Microcapsule contenenti agenti autoriparanti vengono aggiunte al mix di polimeri compositi, in cui è già stato sparso un catalizzatore che inizia la reazione. Quando si forma una micro crepa, le capsule si rompono e rilasciano l’agente riparante, il quale viene a contatto con il catalizzatore. La reazione di polimerizzazione che ne risulta chiude la crepa e impedisce un ulteriore allagarsi della stessa.” HIPOCRATES è riuscito a portare questa strategia un passo più avanti sviluppando un sistema di autoriparazione con “microcapsula tutto in uno” che è completamente autonomo. Il catalizzatore invece di essere sparso nella matrice di resina, è racchiuso dentro il guscio delle capsule in una concentrazione maggiore, in modo che la reazione di riparazione possa avvenire con più efficienza. Il secondo metodo consiste nell’usare polimeri reversibili. “Questi materiali contengono legami interni, i quali invertiranno il danno e chiuderanno la crepa dopo aver ricevuto uno stimolo interno come calore, radiazione o induzione elettrica,” dice Flórez. Questo comportamento si può ottenere usando vari polimeri reversibili e HIPOCRATES ne ha sintetizzato e testato due che sono compatibili con i sistemi epossidici e possono essere fatti a partire da materie prime commerciali economiche. I materiali progettati da HIPOCRATES sono stati testati in dimostratori su piccola scala simulando il tipo di impatti ad alta velocità cui sono sottoposti gli aeroplani a causa, per esempio, di collisioni con uccelli, detriti o grandine. È stato testato l’effetto di compressione sui materiali riparati per vedere se si sarebbero delaminati e spezzati. Un’analisi con ultrasuoni dei nuovi materiali testati ha mostrato che il danno dell’impatto e della compressione poteva essere alleviato usando materiali autoriparanti. “L’incorporazione di capsule ha fornito una certa protezione dall’iniziale impatto meccanico, dopo la riparazione però entrambe le strategie hanno mostrato una maggiore resistenza alla compressione rispetto a prima,” spiega Flórez. I nuovi materiali hanno mostrato una resistenza superiore del 5-10 % alle forze di compressione, il che rende i materiali riparati resistenti al tipo di impatti che prima della riparazione avrebbero causato un danno. I nuovi compositi progettati nell’ambito del progetto HIPOCRATES devono ancora essere sottoposti a ulteriori test prima di poter essere usati in applicazioni reali, ma il team del progetto spera che nei prossimi cinque anni questi materiali autoriparanti possano contribuire a ridurre i costi degli aeroplani fornendo un’alternativa a costosi collaudi e riparazioni manuali.
Parole chiave
HIPPOCRATES, polimeri autoriparanti, materiali compositi, resina epossidica, microcapsule, compositi aeronautici
