Processo pultrusione dei compositi: resine e rinforzi

La pultrusione è un processo continuo nel quale fibre, tessuti e altri rinforzi vengono impregnati con un sistema di resina, trascinati attraverso una matrice riscaldata e polimerizzati durante l’avanzamento.

Il risultato del processo dipende dall’equilibrio tra impregnazione dei rinforzi, viscosità e reattività della resina, temperatura della matrice e velocità della linea. La scelta dei materiali deve quindi essere effettuata considerando il comportamento dell’intero sistema produttivo.

Mascherpa affianca le aziende nella selezione di sistemi epossidici ARALDITE®, tessuti di rinforzo SAERTEX® e materiali ausiliari per la pultrusione dei materiali compositi.

Che cos’è la pultrusione?

La pultrusione è un processo utilizzato per produrre in continuo componenti in materiale composito con sezione trasversale costante.

I materiali di rinforzo vengono:

• alimentati da bobine;
• impregnati con un sistema di resina;
• trascinati attraverso una matrice riscaldata. 

All’interno della matrice i materiali compositi assumono la geometria prevista e la resina polimerizza. Il materiale solidificato continua quindi ad avanzare lungo la linea e può essere tagliato alla lunghezza necessaria.

La produzione di tubi, barre, aste e profili pultrusi rappresenta il risultato del processo. Dal punto di vista produttivo, il passaggio decisivo è però la gestione coordinata di rinforzi, sistema di resina per compositi e condizioni di polimerizzazione.

Come funziona il processo di pultrusione

Gli impianti di pultrusione integrano alimentazione continua dei rinforzi, impregnazione, matrice riscaldata e sistema di traino.

Ogni fase influenza quella successiva. Modificare il tipo di tessuto, la quantità di fibra, la viscosità della miscela o la velocità di avanzamento può cambiare il comportamento del composito lungo tutta la linea.

Alimentazione dei rinforzi

Il processo inizia con l’alimentazione dei rinforzi, generalmente forniti in bobine.

Possono essere utilizzati:

• fibre continue;
• nastri;
• tessuti unidirezionali;
• tessuti multiassiali.

Tipo di fibra, peso superficiale e orientamento devono essere definiti in relazione alle caratteristiche richieste al componente. Un rinforzo unidirezionale concentra le fibre lungo una direzione principale. Una struttura multi assiale combina invece più orientamenti per rispondere a sollecitazioni provenienti da direzioni differenti.

Impregnazione con il sistema di resina per compositi

I rinforzi vengono successivamente impregnati con il sistema di resina per compositi.

Le principali configurazioni comprendono:

• Impregnazione in bagno aperto: i rinforzi attraversano il bagno di resina prima di entrare nella matrice.
• Impregnazione mediante camera di iniezione: l’impregnazione avviene attraverso un sistema chiuso integrato nella linea.

In entrambi i casi, la miscela deve penetrare correttamente tra le fibre prima che inizi la polimerizzazione. Per questo motivo sono particolarmente importanti:

• viscosità;
• capacità di impregnazione;
• durata in vaso;
• reattività;
• compatibilità con i rinforzi.

Non viene selezionata solamente una resina di base, ma un sistema composto da resina, indurente ed eventuale accelerante.

Formatura e polimerizzazione

Una volta impregnati, i rinforzi entrano nella matrice riscaldata.

Durante il passaggio:

• I materiali vengono raccolti nella configurazione prevista.
• Il materiale composito assume la sezione della matrice.
• La temperatura attiva la reazione del sistema epossidico.
• Il materiale passa progressivamente dallo stato liquido a quello solido.

La reazione deve iniziare e svilupparsi nel punto corretto della matrice. Una polimerizzazione troppo anticipata può interferire con l’impregnazione e con l’avanzamento. Una reazione insufficiente può invece portare il materiale a uscire dalla matrice senza il grado di conversione necessario.

Traino continuo

Il materiale polimerizzato viene trascinato all’esterno della matrice da un sistema meccanico.

La velocità di traino deve essere coordinata con:

• reattività del sistema di resina;
• temperatura della matrice;
• geometria del componente;
• quantità e configurazione dei rinforzi;
• tempo necessario alla polimerizzazione.

La continuità del processo permette di produrre senza aprire e richiudere lo stampo dopo ogni componente.

Quali materiali vengono utilizzati nella pultrusione

La pultrusione combina principalmente:

• Una matrice polimerica, ottenuta attraverso il sistema di resina per compositi.
• Un rinforzo fibroso, costituito da fibre, nastri o tessuti.
• Eventuali materiali ausiliari integrati nella configurazione produttiva.

Per Mascherpa, le famiglie di prodotto più direttamente collegate al processo sono:

• sistemi epossidici ARALDITE®;
• tessuti e nastri in fibra di vetro;
• tessuti e nastri in fibra di carbonio;
• tessuti multiassiali e unidirezionali SAERTEX®;
• nastri peel ply Diatex.

Sistemi di resina per pultrusione

Il sistema di resina impregna le fibre e costituisce la matrice del materiale composito dopo la polimerizzazione. Per la pultrusione sono disponibili sistemi epossidici con indurenti amminici o a base di anidride. 

Le differenti combinazioni consentono di intervenire su:

• viscosità;
• durata in vaso;
• velocità di reazione;
• temperatura di transizione vetrosa;
• condizioni di polimerizzazione;
• velocità produttiva.

I sistemi con indurenti a base di anidride possono combinare una lunga latenza a temperatura ambiente con una polimerizzazione più rapida alle temperature della matrice. Questa caratteristica permette di mantenere il sistema lavorabile durante l’impregnazione e di attivare la reazione durante il passaggio nella matrice riscaldata.

Rinforzi in fibra di vetro

La pultrusione in fibra di vetro può utilizzare fibre continue, tessuti unidirezionali, multiassiali e nastri.

I rinforzi SAERTEX® possono essere configurati variando:

• peso superficiale;
• orientamento delle fibre;
• numero degli strati;
• architettura complessiva;
• formato del materiale.

La scelta dei nastri in fibra di vetro deve essere collegata alla direzione dei carichi, alla geometria e alla capacità del sistema di resina di impregnare la struttura fibrosa.

Rinforzi in fibra di carbonio

La fibra di carbonio per pultrusione può essere utilizzata sotto forma di fibre continue, tessuti unidirezionali, multiassiali o nastri.

Anche in questo caso non è sufficiente scegliere il tipo di fibra. Devono essere valutati insieme:

• orientamento;
• quantità di rinforzo;
• peso superficiale;
• sistema epossidico;
• condizioni di impregnazione;
• profilo di polimerizzazione.

La pultrusione in carbonio richiede quindi una progettazione coordinata tra fibra, resina e parametri della linea.

Nastri peel ply

Tra i materiali ausiliari disponibili per la pultrusione rientrano anche i nastri peel ply Diatex.

Il formato continuo consente di alimentarli lungo la linea insieme agli altri materiali previsti dalla configurazione produttiva. La scelta del tessuto peel ply deve considerare:

• materiale del nastro;
• larghezza;
• compatibilità con il sistema di resina;
• modalità di inserimento nella linea;
• requisiti della specifica applicazione.

Non tutti i peel ply presentano le stesse caratteristiche. Il prodotto deve quindi essere valutato insieme agli altri materiali del processo.

Come scegliere una resina per pultrusione

La scelta delle resine per pultrusione deve partire dalle condizioni effettive della linea, non da un singolo valore riportato nella documentazione tecnica.

Viscosità e impregnazione

La viscosità influenza la capacità della miscela di penetrare tra le fibre. Un sistema a bassa viscosità può favorire l’impregnazione, ma deve essere valutato in relazione a:

• quantità di rinforzo;
• struttura del tessuto;
• metodo di impregnazione;
• temperatura di lavorazione;
• velocità della linea.

La sola viscosità non è quindi sufficiente per stabilire l’idoneità del sistema.

Durata in vaso

La durata in vaso indica per quanto tempo il sistema rimane lavorabile nelle condizioni definite.

Nella pultrusione può essere necessario mantenere la miscela stabile durante l’alimentazione e l’impregnazione, evitando che la reazione inizi prematuramente. I sistemi a elevata latenza sono sviluppati proprio per combinare lavorabilità a temperatura ambiente e reazione alle temperature della matrice.

Gel time e reattività

Il gel time aiuta a valutare la velocità con cui il sistema perde la propria fluidità alle condizioni di prova.

La reattività deve essere compatibile con la velocità della linea. Alcuni sistemi permettono inoltre di combinare indurenti differenti per regolare il comportamento della miscela e adattarlo al processo.

Temperatura di transizione vetrosa

La temperatura di transizione vetrosa, o Tg, permette di distinguere sistemi destinati a differenti requisiti termici.

Sono disponibili soluzioni con Tg:

• standard;
• medio-alta;
• elevata;
• regolabile attraverso la configurazione del sistema e il ciclo di cura.

Il valore di Tg deve essere letto insieme a viscosità, reattività, condizioni di polimerizzazione e prestazioni meccaniche.

Velocità della linea

La velocità raggiungibile dipende dall’interazione tra:

• sistema di resina;
• temperatura;
• tempo di permanenza nella matrice;
• geometria;
• spessore;
• rinforzi utilizzati.

I valori ottenuti in condizioni di prova sono utili per confrontare i sistemi, ma devono essere verificati sulla configurazione produttiva reale.

Sistemi di resina ARALDITE® per il processo di pultrusione

La gamma ARALDITE® comprende sistemi epossidici sviluppati per differenti condizioni di pultrusione. Le formulazioni si distinguono per viscosità, durata in vaso, gel time, velocità di lavorazione, temperatura di transizione vetrosa e caratteristiche richieste al materiale composito.

La scelta deve partire dalle condizioni della linea e dall’obiettivo applicativo. Sono disponibili sistemi per processi standard, produzioni ad alta velocità, requisiti termici elevati, resistenza all’acqua e agli agenti chimici o proprietà ritardanti di fiamma.

Tessuti e nastri SAERTEX® per pultrusione

SAERTEX® sviluppa tessuti unidirezionali e multiassiali in fibra di vetro, carbonio e aramide, configurabili per differenti processi dei materiali compositi, compresa la pultrusione.

La struttura del rinforzo può essere definita in funzione di:

• tipo di fibra;
• peso superficiale;
• numero degli strati;
• orientamento;
• direzione dei carichi;
• sistema di resina;
• processo produttivo.

Tessuti unidirezionali

Nei tessuti unidirezionali, le fibre sono concentrate prevalentemente lungo una direzione. Questa configurazione permette di orientare il rinforzo nella direzione principale del carico e di sfruttare le proprietà delle fibre lungo l’asse previsto dal progetto.

Tessuti multiassiali

I tessuti multiassiali combinano strati con orientamenti differenti. Tipo di fibra, quantità e disposizione degli strati possono essere adattati alle esigenze del componente e del processo.

Velocità della linea e controllo della polimerizzazione

Aumentare la velocità di un impianto non significa semplicemente incrementare la forza di traino. Durante il passaggio nella matrice, la resina attraversa differenti stati:

• rimane fluida durante l’impregnazione;
• raggiunge la zona di gelificazione;
• aumenta progressivamente il proprio grado di conversione;
• solidifica prima dell’uscita dalla matrice.

Per definire i parametri devono essere considerate:

• temperatura della matrice;
• temperatura sulla superficie del composito;
• temperatura al centro;
• posizione della zona di gelificazione;
• grado di conversione;
• velocità di avanzamento.

Gli strumenti di simulazione dedicati alla pultrusione permettono di mettere in relazione il profilo di cura con la velocità della linea, supportando la selezione del sistema e la definizione dei parametri di processo.

Perché integrare la scelta di resina e rinforzo

Un sistema di resina può presentare valori adeguati di viscosità, Tg e gel time, ma non risultare automaticamente adatto a ogni linea.

Allo stesso modo, un tessuto può offrire l’orientamento richiesto ma presentare caratteristiche che modificano l’impregnazione o la quantità di resina necessaria.

La selezione deve quindi considerare congiuntamente:

• metodo di impregnazione;
• architettura del rinforzo;
• viscosità;
• durata in vaso;
• reattività;
• temperatura della matrice;
• velocità di traino;
• proprietà richieste al materiale composito.

È questa integrazione a rendere il sistema coerente con il processo produttivo.

Domande frequenti sul processo di pultrusione

Il supporto Mascherpa nella pultrusione dei compositi

Mascherpa affianca le aziende nella selezione dei materiali destinati al processo di pultrusione.

Le soluzioni comprendono:

• sistemi epossidici ARALDITE®;
• tessuti unidirezionali SAERTEX®;
• tessuti multiassiali SAERTEX®;
• nastri in fibra di vetro;
• nastri in fibra di carbonio;
• peel ply.

L’analisi parte dalle condizioni della linea e mette in relazione sistema di impregnazione, rinforzi, temperatura, velocità e prestazioni richieste.

In questo modo la scelta non viene basata su un singolo prodotto o parametro, ma sulla compatibilità tra materiali e processo di pultrusione. Ogni linea presenta condizioni specifiche.

Contatta gli esperti Mascherpa per valutare sistemi ARALDITE®, rinforzi SAERTEX® e materiali ausiliari per il tuo processo di pultrusione.