“RIAPPROPRIARSI DEI MATERIALI”: L'IBRIDAZIONE
Gli ibridi (p.es. materiali compositi) possono
essere utili per colmare le differenze tra le
proprietà dei materiali, nel caso si desiderino
valori precisi di determinate proprietà.
Si può avere ibridazione a diversi livelli: macroibridazione,
micro-ibridazione,
nanoibridazione.
La difficoltà nella creazione di ibridi è che
raramente danno delle proprietà ottenibili come
“media ponderata” delle proprietà dei materiali
iniziali, per cui bisogna sempre verificare
empiricamente (con prove) quali siano le
proprietà dell'ibrido ottenuto
Esempio di media ponderata: se il modulo elastico a trazione delle fibre di vetro è 45 GPa,
e quello di una resina poliestere è 2 GPa ed abbiamo un composito con 60% di fibre di
vetro e il resto (40%) poliestere, in teoria (in condizioni ideali) il composito avrebbe un
modulo elastico uguale a: 45*0.6+2*0.4 = 27.8 GPa
ESEMPIO DI USO DI SCARTI: IBRIDO DI CERNIT E
POLISTIRENE DA STOVIGLIE MONOUSO
Il Cernit è un’argilla polimerica termoindurente, di origine petrolchimica,
con una certa affinità con la bachelite (resina fenolica)
Valorizzazione come bracciali
Temperature di processo simili tra i due materiali
che facilitano la formazione di un’interfaccia
USO DI SCARTI DI LEGNO TRUCIOLARE
DA MOBILI A FINE VITA E LATTICE DI GOMMA
Seggiolino multifunzionale
(seat-back)
ALTRI IBRIDI CON SCARTI CELLULOSICI
Cellulosa da alghe rosse
Compositi con fibre di cellulosa da giornali
Resina epossidica con pula di farro
(presenza anche di silicio)
Estrazione cellulosa animale (whisker di tunicina: sx)
dalle corazze dei tunicati (qui Diazona violacea: dx)
Bioresina
(olio di lino)
con crusca di riso
AUTOPRODUZIONE DEGLI IBRIDI (macro)
HEDERA
Compatibilità
e
complementarità
Lo sviluppo e l’autoproduzione di un ibrido può permettere la creazione di linee
di oggetti di design con migliore controllo del risultato finale
GRAMMATURA: ESEMPI DI VALORI SUI TESSUTI
Rafia di polipropilene
Tessuto/non tessuto
(normalmente da 60 a 240 g/m²) in poliestere (120-160 g/m²)
(per sacchi)
(per geotessili)
Tessuto piano di fibra di vetro
(grammatura 150 g/m²)
(per compositi)
TESSUTI BILANCIATI:
piano, saia (twill),
raso (satin).
Stuoia non tessuta (chopped strand
mat, CSM) in fibra di vetro (180 g/m²)
TELA E GARZA DI LINO
PER UNA TASSONOMIA DEGLI ADESIVI…
Colle sintetiche
Colle naturali
Viniliche (PVC, PVA)
Acriliche (metacrilato)
Cianacriliche
Poliuretaniche
Epossidiche (bicomponenti)
Siliconiche
Melamminiche
Ureiche
Colla d’ossa
Colla di coniglio COLLAGENE
Colla di pesce
Colla di caseina
Colla di farina
Gomma arabica
Colla rossa (resorcinolo)
Colle autoprodotte
p.es. soluzione di caseina in acqua, con ammoniaca e glicerina
oppure soluzione di farina in acqua, con glicerina, aceto o limone
COLLE DI
FARINA
COLORATE
CARATTERISTICHE MECCANICHE DELL’INCOLLAGGIO
Preventivamente si esegue una preparazione delle superfici (per superfici unte o
contaminate), con prodotti per aumentare la velocità di polimerizzazione od ampliare lo
spettro dei materiali incollabili.
La frattura dell’incollaggio può essere adesiva
(tra adesivo e superficie) o coesiva (dentro l’adesivo)
Per ottenere informazioni sulla resistenza
dell’adesivo, si eseguono sollecitazioni
di taglio sul film di adesivo
BIOADESIVI (gestione delle superfici contaminate: crostacei)
GHIANDOLA DEL CEMENTO
NEL CIRRIPEDE
BIOFOULING
La secrezione (cemento glicoproteinico) è un
adesivo temporaneo che consente l’esplorazione
del “territorio” alle larve. Dopo di che, un diverso
tipo di cemento definitivo viene secreto dalle
ghiandole del corpo del cirripede.
Il cemento “definitivo” viene inoltre addizionato dal cirripede
per mezzo di particelle di carbonato di calcio (CaCO 3).
La natura è in generale in grado di gestire le due forme
del carbonato di calcio, calcite ed aragonite,
ed inoltre di fornire loro un’interfaccia
sufficientemente forte con matrici proteiniche.
SVILUPPO E MIGRAZIONE DELLE GHIANDOLE
DEL CEMENTO NEL CIRRIPEDE
RIEPILOGO TIPI DI ADESIONE
Il continuo ricorso da parte dell'ingegneria ad un'adesione di tipo meccanico
ha la conseguenza che le condizioni delle superfici siano estremamente importanti:
riconoscendo questo, l'invenzione del Velcro ha teso a progettare
le superfici in modo da avere un'interazione puntuale e costante, invece che empirica,
e quindi senza bisogno di pressione (anche se certamente per bassi livelli di forza).
Il ricorso a forze elettrostatiche indotte (molto deboli, ma disperse su tutta l'area
di contatto della zampetta) permette al geco la reversibilità e l'adattabilità a qualunque supporto.
FILM SOTTILI
Film strutturali
Pellicole
Strati di adesivo
Film di riporto
Per maggior durezza
Per protezione
Spessori: dai 20 micron ad 1 millimetro.
Quando si scende al di sotto del millimetro di spessore, cioè nel caso dei film sottili,
accade che le forze di taglio non sono mai trascurabili, ma anche che le tolleranze
diventano modestissime, perché un errore di fabbricazione di pochi micron può portare
ad una forte crescita delle tensioni interfacciali.
PROCESSO DI FILMATURA PER SOFFIAGGIO
Si tratta sempre di un processo di
estrusione che garantisce un buon
controllo dimensionale attraverso un
processo di trazione controllato.
Alla base ci dev’essere la formazione
di pellet con proprietà ragionevolmente
costanti.
PELLET DI LDPE
(polietilene a bassa densità)
PER FILMATURA
Esempio prodotto innovativo:
FILM CELLULOSICO (a sinistra)
CHE MOSTRA PROPRIETA’ DI
COLORE STRUTTURALE MOLTO
SIMILI A QUELLE DEL TULIPANO
“REGINA DELLA NOTTE” (a destra)
Colore strutturale: La farfalla Cyanophrys Remus, originaria del Brasile, ottiene una colorazione diversa
dai due lati attraverso la particolare riflessione luminosa selettiva di strutture cristalline (microlamelle),
presenti sulla sua superficie (viene studiata per la produzione di vernici senza pigmenti)
ANOCRA SULLE ALI DELLE FARFALLE…
Iridescenze delle piume di pavone:
altro esempio di colore strutturale, dovuto a microlamelle,
la cui mutua distanza è paragonabile alla lunghezza d’onda
della luce visibile. Quando la luce interagisce con esse,
viene filtrata o riflessa causando l’interferenza ottica
e consentendoci di apprezzare le varie tonalità
Riproduzione nanometrica della struttura
modulare dell’ala di una farfalla
In lega di germanio-antimonio-selenio (sx)
e la struttura naturale (dx)
LEGNO DI FRASSINO
PIANO DI LAVORO IN FRASSINO
PROPRIETA’ MECCANICHE ORIENTATIVE
DI ALCUNE SPECIE DI LEGNO
DENSITA’ A SECCO
Il legno ha un comportamento relativamente
fragile a trazione, mentre è duttile a flessione
ed è estremamente tenace
PANNELLI SANDWICH E COMPENSATO
In generale, se poi la struttura è stratificata a molti strati (come
per esempio i laminati compositi), per un carico anche relativamente
basso, si ottiene uno scollamento tra le lamine, detto delaminazione.
Lo snervamento delle facce, cioè la deformazione plastica e quindi
non recuperabile, è invece tipico di carichi più elevati, a meno che
non ci sia un danneggiamento pre-esistente (come può accadere
per esempio nel caso della presenza di fibre già tensionate)
ALTRI METODI DI GIUNZIONE NEL LEGNO
I sistemi di giunzione tengono conto delle forze applicate sul legno ed anche
dell'angolo prevalente di attivazione. I casi previsti possono includere un
eventuale rinforzo con adesivi, che tuttavia impedisce il movimento
reciproco delle parti, che in certi casi può moderatamente essere desiderabile.
PROVE TECNOLOGICHE: LA DUREZZA
• Le prove tecnologiche danno dei valori comparativi (e non assoluti) e
sono utili per effettuare scelte sui materiali.
• La prova di durezza si basa sulla capacità di un indentatore di penetrare
nel provino di materiale.
Nell'acciaio, la durezza Brinell è proporzionale alla resistenza a rottura
attraverso un coefficiente di proporzionalità che dipende dal tipo di acciaio
DUREZZA ROCKWELL
(per plastiche: indentatore sfera d'acciaio)
Su superfici molto piccole e materiali molto duri, si utilizza anche la durezza
Knoop (al microscopio) con per indentatore una piramide asimmetrica
che lascia un'impronta a forma di rombo molto allungato
DUREZZA SHORE
(A: per plastiche meno dure; D: per plastiche più dure)
Si può avere anche una prova di durezza istantanea per 1 secondo: un valore 100 in
entrambe le scale rappresenta una penetrazione di 2.5 mm per un materiale spesso 6.4 mm.
Un altro tipo di prova di durezza è la durezza Barcol, che si serve di una punta d'acciaio
affilata, e serve per vedere se nei polimeri termoindurenti la polimerizzazione è terminata
(la durezza alla penetrazione deve essere almeno il 90% di quella sulla superficie).