Sistemi epossidici per compositi: processi e applicazioni

Quando si parla di resine epossidiche per materiali compositi, concentrarsi esclusivamente sulla resina di base non è sufficiente per individuare la soluzione più adatta.

Il comportamento durante la lavorazione e le caratteristiche raggiungibili dopo l’indurimento dipendono dal sistema epossidico, cioè dalla combinazione tra resina, indurente ed eventuali acceleranti.

Una stessa resina può quindi essere utilizzata all’interno di sistemi differenti, modificando parametri come viscosità, tempo di vita, gelificazione, ciclo di cura e temperatura di transizione vetrosa. Per questo la scelta dei sistemi epossidici per compositi dovrebbe partire prima di tutto da una domanda: con quale processo verrà realizzato il componente?

La gamma Huntsman Araldite® comprende sistemi epossidici formulati per:

• laminazione manuale;
• stampaggio a compressione;
• RTM;
• infusione;
• processo di avvolgimento
• pultrusione. 

Sistemi di resina per compositi con caratteristiche differenti in funzione delle condizioni produttive e delle prestazioni richieste.

Cosa sono i sistemi epossidici per materiali compositi

Un sistema epossidico utilizzato nella produzione di materiali compositi non coincide con la sola resina.

La formulazione può comprendere:

• resina epossidica;
• indurente;
• eventuale accelerante.

La combinazione dei diversi componenti determina il comportamento del sistema durante la lavorazione e le caratteristiche raggiungibili dopo l’indurimento. È questo il motivo per cui due sistemi basati sulla stessa resina possono essere indicati per processi produttivi differenti.

Perché la stessa resina può dare origine a sistemi epossidici differenti

L’esempio della resina Araldite® LY 1564 permette di comprendere concretamente questo principio.

Abbinata all’indurente XB 3403, la formulazione presenta un lungo tempo di vita e una bassa viscosità. Caratteristiche che la rendono perfetta per processi come la laminazione manuale e per l’infusione.

Nel sistema Araldite® LY 1564 / ARADUR® 3486, il profilo cambia. Il sistema mantiene un lungo tempo di vita e una bassa viscosità, ma risulta altamente raccomandato per l’infusione e raccomandato anche per altri processi.

Con ARADUR® 5003-1 cambia nuovamente il comportamento: il sistema presenta un tempo di vita di 42-52 minuti, un gel time di 6-8 minuti ed è altamente raccomandato per stampaggio a compressione e RTM.

La resina di partenza è la stessa, ma cambiano indurente, caratteristiche del sistema e processi per i quali la formulazione risulta maggiormente indicata. È quindi più corretto parlare di selezione del sistema epossidico che di semplice scelta della resina.

Quali parametri considerare nella scelta dei sistemi epossidici

Il processo rappresenta il primo filtro, ma non è sufficiente da solo.Due sistemi epossidici utilizzabili nello stesso processo possono infatti presentare caratteristiche molto differenti. La selezione deve quindi mettere in relazione le condizioni produttive con i parametri della formulazione.

Tempo di vita dei sistemi epossidici

Il tempo di vita indica la finestra durante la quale il sistema mantiene una lavorabilità compatibile con le condizioni specificate. La durata necessaria cambia in funzione della lavorazione e delle dimensioni del componente.

Un manufatto di piccole dimensioni può essere impregnato in tempi relativamente contenuti. Su strutture molto più grandi, invece, il sistema deve restare lavorabile abbastanza a lungo da permettere alla resina di raggiungere tutte le aree previste prima che l’avanzamento della reazione interferisca con il processo.

Questo aspetto assume particolare importanza nei processi di infusione, filament winding e nelle lavorazioni continue.

Tempo di gelificazione (gel time)

Il gel time descrive il tempo necessario, nelle condizioni di prova indicate, affinché il sistema epossidico raggiunga la gelificazione e perda progressivamente la propria capacità di fluire.

Non deve essere confuso con il tempo di vita: i due valori descrivono aspetti collegati ma differenti della reattività del sistema. In un processo di infusione, ad esempio, la resina deve riuscire a percorrere il manufatto e impregnare i rinforzi prima che la gelificazione impedisca il completamento del flusso.

Viscosità della miscela dei sistemi epossidici

La viscosità influenza il comportamento del sistema di resina durante impregnazione, iniezione e scorrimento attraverso i rinforzi.

Nei processi liquidi è quindi un parametro essenziale, ma non deve essere valutato isolatamente. Una viscosità ridotta può favorire l’impregnazione, ma la formulazione deve contemporaneamente offrire tempo di vita, reattività e ciclo di indurimento compatibili con la geometria del componente e con il processo utilizzato.

Ciclo di indurimento nei sistemi epossidici

Ogni sistema epossidico prevede determinate condizioni di polimerizzazione. Temperatura e durata del ciclo devono essere compatibili con il processo produttivo, con l’attrezzatura disponibile e con le caratteristiche che si vogliono raggiungere sul pezzo.

Araldite® LY 3031 / ARADUR® 3032, ad esempio, è un sistema a rapido indurimento formulato per la produzione in serie mediante stampaggio a compressione, con un ciclo di 30 secondi a 140 °C.

Temperatura di transizione vetrosa

La Tg, temperatura di transizione vetrosa, è uno dei parametri utilizzati per distinguere sistemi destinati a differenti requisiti termici.

Avvicinandosi e superando la zona di transizione vetrosa, il materiale polimerico modifica progressivamente il proprio comportamento e perde parte della rigidità caratteristica dello stato vetroso. La Tg deve quindi essere valutata in relazione alla temperatura prevista durante l’utilizzo del componente, senza separarla dal ciclo di cura necessario per raggiungerla. 

All’interno della gamma Araldite® sono presenti sistemi epossidici con valori di Tg molto differenti, da formulazioni nell’ordine dei 70-80 °C fino a sistemi che superano i 200 °C, destinati a requisiti applicativi differenti.

Sistemi epossidici per laminazione manuale

Nella laminazione manuale la resina viene applicata e distribuita sui rinforzi durante la costruzione del laminato. Il sistema deve permettere all’operatore di completare correttamente impregnazione e stratificazione prima che l’avanzamento della reazione riduca la lavorabilità.

Per questo Huntsman comprende formulazioni caratterizzate da tempi di vita estesi. 

• Araldite® LY 3505 / Indurente XB 3403 è altamente raccomandato per la laminazione manuale e viene descritto come sistema ad alta latenza. Presenta un tempo di vita di 600-720 minuti e una viscosità della miscela di 300-400 mPa·s.
• Araldite® LY 1564 / Indurente XB 3403 è altamente raccomandato per questo processo e combina un tempo di vita di 870-1050 minuti con una viscosità di 150-230 mPa·s.

Non esiste quindi un unico sistema per laminazione manuale: la scelta dipende dai tempi operativi, dalla geometria del componente, dai rinforzi e dalle prestazioni richieste.

Sistemi epossidici per stampaggio a compressione

Lo stampaggio a compressione può richiedere logiche molto diverse, soprattutto quando l’obiettivo è aumentare la produttività e ridurre il tempo ciclo.

La gamma Araldite® comprende sistemi epossidici formulati specificamente per produzioni rapide.

• Araldite® LY 3031 / ARADUR® 3032 raccomandato da Huntsman per lo stampaggio a compressione ed è descritto come un sistema a rapido indurimento per la produzione in serie.
• Araldite® LY 3508 / ARADUR® 3475 combina invece rapido indurimento ed elevata tenacità ed è indicato per la produzione in serie di compositi.

In questi processi il sistema epossidico deve quindi essere valutato mettendo in relazione tempo di formatura, temperatura dello stampo, velocità di reazione e prestazioni finali.

Sistemi epossidici per RTM

Nel Resin Transfer Moulding i rinforzi vengono posizionati nello stampo e la resina viene successivamente trasferita all’interno della cavità. Diventano quindi centrali la capacità del sistema di fluire attraverso la preforma e il controllo della reazione durante riempimento e indurimento.

Araldite® LY 1564 / ARADUR® 5003-1 è uno degli esempi più chiari: il sistema è raccomandato per RTM e stampaggio a compressione, presenta un tempo di vita di 42-52 minuti e viene caratterizzato come molto veloce. Altri sistemi permettono invece di lavorare con finestre temporali più ampie o di raggiungere Tg superiori. 

La corretta formulazione deve essere scelta considerando geometria, spessore, struttura della preforma, pressione, temperatura e tempo necessario al completo riempimento dello stampo.

Nel processo RTM Light la resina viene analogamente trasferita all’interno di uno stampo chiuso, ma con una configurazione assistita dal vuoto e a bassa pressione di iniezione. Anche in questo caso la corretta gestione del flusso è determinante per impregnare i rinforzi e ottenere il laminato previsto.

Sistemi epossidici per infusione sottovuoto

Nell’infusione i rinforzi vengono posizionati sullo stampo a secco e la resina viene successivamente richiamata attraverso il laminato grazie alla depressione creata dal sistema del vuoto. Durante questa fase la miscela deve rimanere sufficientemente fluida e lavorabile per raggiungere l’intera superficie e impregnare i rinforzi prima della gelificazione.

È proprio qui che il rapporto tra viscosità, tempo di vita e gel time diventa particolarmente evidente.

Araldite® LY 1564 / ARADUR® 3486 è perfetto per l’infusione. Il sistema presenta una viscosità di 200-300 mPa·s, un tempo di vita di 560-620 minuti e un gel time di 33-43 minuti nelle rispettive condizioni di prova.

Il dimensionamento della finestra di processo dipende anche dal manufatto. Un’infusione di piccole dimensioni può essere completata rapidamente. Su uno scafo o su un’altra struttura di grandi dimensioni, invece, il fronte di resina deve percorrere distanze maggiori e il sistema deve rimanere lavorabile per tutto il tempo necessario al completamento dell’impregnazione.

Per questo la selezione non può essere basata esclusivamente sulla viscosità più bassa o sulla Tg più elevata.

Sistemi epossidici Araldite® nell’infusione dello skiff Alba

Un’applicazione concreta dei sistemi epossidici nell’infusione è lo skiff Alba del Revel Sailing Team, realizzato attraverso un processo di infusione sottovuoto. 

Per la laminazione dello scafo è stata utilizzata Araldite® LY 5052 MBC, resina epossidica Huntsman a bassa viscosità fornita da Mascherpa, impiegata con rinforzi Saertex in lino e vetro e un’anima 3D Core in PET riciclato e riciclabile. 

La formulazione è stata scelta all’interno di un progetto orientato anche alla riduzione dell’impatto dei materiali, grazie all’impiego di ingredienti derivati da biomassa e alla certificazione REDcert².

Sistemi epossidici per filament winding

Nel filament winding le fibre vengono avvolte attorno a un mandrino secondo angoli definiti. In questo processo le fibre vengono impregnate con il sistema epossidico durante la lavorazione. Il comportamento della formulazione deve quindi restare stabile durante l’impregnazione e l’avvolgimento, per poi consentire la corretta polimerizzazione del componente.

La gamma Huntsman Araldite® comprende diversi sistemi epossidici indicati per il filament winding.

Araldite® LY 1564 / ARADUR® 917-1 / Accelerante 960-1, ad esempio, è spesso scelto per il processo di avvolgimento e per la pultrusione. Altre formulazioni consentono di modulare Tg, viscosità, latenza e ciclo di indurimento in relazione alle caratteristiche del componente.

Il filament winding è particolarmente utilizzato nella produzione di componenti assialsimmetrici e sistemi a pressione, dove orientamento delle fibre, impregnazione e sistema epossidico devono essere progettati come elementi dello stesso processo.

Sistemi epossidici per pultrusione

La pultrusione è un processo continuo nel quale fibre e altri rinforzi vengono impregnati con il sistema di resina e trascinati attraverso una matrice riscaldata. La formulazione deve mantenersi lavorabile durante alimentazione e impregnazione, ma deve anche reagire con velocità compatibile con il passaggio all’interno della matrice.

Questo rende particolarmente importante combinare:

• tempo di vita sufficientemente lungo;
• viscosità adatta all’impregnazione;
• gelificazione e reattività compatibili con la velocità della linea;
• ciclo termico adeguato;
• Tg e prestazioni coerenti con il componente.

Araldite® LY 3585 / ARADUR® 917-1 / Accelerante DY 080 è consigliato per la pultrusione. Huntsman indica un tempo di vita superiore a 48 ore e un gel time di 15-20 secondi a 180 °C.

È un esempio efficace di come una formulazione possa combinare una lunga lavorabilità nelle fasi iniziali con una reazione molto più rapida quando viene raggiunta la temperatura necessaria durante il processo.

Quale sistema epossidico utilizzare per ogni processo

Sistemi epossidici liquidi, preimpregnati e adesivi: quali differenze

I sistemi epossidici utilizzati nei compositi non appartengono tutti alla stessa famiglia applicativa.

Huntsman distingue infatti tra:

• sistemi formulati per processi liquidi;
• sistemi formulati per preimpregnati;
• leganti epossidici per preforme RTM;
• adesivi per assemblaggi strutturali;
• adesivi per assemblaggio e riparazioni.

Questa distinzione è importante anche quando si analizzano processi come il debulking.

Il debulking è una fase di compattazione utilizzata soprattutto nella lavorazione di laminati e materiali preimpregnati. In questo caso il focus non è quindi la selezione di uno dei sistemi liquidi descritti nei paragrafi precedenti, ma la gestione della compattazione e dei materiali impiegati nel ciclo di laminazione.

Separare correttamente queste famiglie permette di evitare di considerare equivalenti sistemi sviluppati per processi ed esigenze differenti.

Applicazioni dei sistemi epossidici nei materiali compositi

I sistemi epossidici per materiali compositi sono utilizzati in diversi settori industriali.

• Nell’aerospaziale e nella difesa, i compositi vengono utilizzati quando è necessario combinare contenimento del peso, prestazioni meccaniche e requisiti specifici di produzione, manutenzione e riparazione. All’interno della gamma, Araldite® LY 5052 / ARADUR® 5052 è un sistema qualificato per il settore aerospaziale.
• Nell’automotive, le applicazioni citate comprendono sistemi a pressione, molle a balestra, scocche, ruote e alloggiamenti delle batterie. Qui la scelta del sistema deve conciliarsi anche con produttività e ripetibilità dei processi.
• Nel settore della marina, i materiali compositi trovano applicazione dalle imbarcazioni da diporto agli scafi da competizione e alle imbarcazioni di grandi dimensioni, dove leggerezza e prestazioni meccaniche devono convivere con condizioni operative severe.
• Nello sport, peso, resistenza, flessibilità e comportamento a fatica sono parametri determinanti per applicazioni come sci, racchette, archi e biciclette.

Non esiste quindi un unico sistema epossidico destinato a un singolo mercato, ma formulazioni da selezionare in funzione dell’interazione tra processo, componente e prestazioni richieste.

Come scegliere il sistema epossidico più adatto

Il percorso corretto parte dal componente e dal processo.

Occorre prima definire come verrà prodotto il manufatto, quali tempi di lavorazione sono disponibili, quali temperature possono essere raggiunte e quali caratteristiche deve mantenere il componente durante l’utilizzo.

A quel punto è possibile confrontare i sistemi attraverso parametri come:

1. compatibilità con il processo;
2. tempo di vita;
3. gel time e reattività;
4. viscosità;
5. ciclo di indurimento;
6. Tg richiesta;
7. proprietà meccaniche e di frattura;
8. requisiti specifici dell’applicazione.

Il sistema con il valore più elevato in una singola colonna non è necessariamente quello più adatto. La formulazione deve funzionare correttamente nel processo reale considerato nel suo complesso.

Domande frequenti sui sistemi epossidici

Il supporto Mascherpa nella scelta dei sistemi epossidici per compositi Araldite®

La varietà delle formulazioni disponibili permette di adattare i sistemi epossidici a processi e requisiti molto differenti, ma rende altrettanto importante una corretta fase di selezione.

Mascherpa supporta le aziende nell’individuazione dei sistemi Araldite® più coerenti con il processo produttivo, i rinforzi utilizzati, le condizioni di lavorazione e le proprietà richieste al componente.

L’obiettivo non è individuare una resina sulla base di un singolo dato tecnico, ma costruire una combinazione coerente tra sistema epossidico, processo produttivo e applicazione finale.

Contattaci per valutare il sistema Araldite® più adatto al tuo processo di produzione dei materiali compositi.