L’aramide / kevlar è un materiale che offre proprietà uniche di forza eccezionale e peso molto basso.

Anche se a volte viene paragonato alla fibra di carbonio, ci sono differenze molto importanti tra aramide e fibra di carbonio. In realtà non è solo il colore che differenzia l’aramide dalla fibra di carbonio – l’aramide è gialla mentre la fibra di carbonio è nera. Entrambi questi materiali offrono diverse proprietà e sono adatti a diverse esigenze industriali.

Puoi saperne di più sui compositi in fibra di carbonio e le loro proprietà nell’articolo intitolato “Carbon Fiber Composites”.

Questo articolo analizza le proprietà dei compositi in fibra aramidica, i suoi vantaggi e svantaggi, così come gli esempi pratici di utilizzo in diverse industrie e prodotti finiti.

Storia

Aramide si riferisce a materiali specifici che sono disponibili sotto diversi nomi commerciali.

Dupont è stata la prima azienda a introdurre e produrre l’aramide negli anni 60 con il marchio registrato Kevlar ed è disponibile sul mercato dal 1973. L’aramide fu scoperto da una donna chimica di origine polacca, Stefania Kwolek, che condusse una ricerca incentrata su un materiale a basso peso ed eccezionalmente forte da usare al posto del nylon nella fabbricazione di pneumatici.

Oggi il Kevlar è il più noto di tutti i compositi aramidici.

Con il passare del tempo, anche altre aziende lanciarono la produzione e iniziarono a fornire Aramide con caratteristiche leggermente diverse ma con proprietà principali simili.

L’Aramide è fornito da altri fornitori anche con vari nomi commerciali tra cui: Nomex fornito da Dupont, Twaron e Technora forniti da Teijin in Giappone, Arawin fornito da Toray in Corea, Kolon fornito da Heracron in Corea, così come alcuni altri forniti da aziende cinesi.

Qualunque materiale chiamato Kevlar, Twaron o Nomex si riferisce in realtà all’Aramide e presenta proprietà eccezionali tra cui una straordinaria resistenza all’impatto e all’abrasione, resistenza alle alte temperature, nonché un peso ridotto. Grazie a queste proprietà questo materiale è regolarmente utilizzato dall’esercito, dall’aviazione, dagli sport acquatici e automobilistici, così come per la fabbricazione di pneumatici, abbigliamento e guanti protettivi e molti altri usi. Il numero di applicazioni cresce ogni anno.

Quali sono le proprietà dell’Aramide/Kevlar?

L’Aramide sotto forma di Kevlar o Nomex si riferisce a un materiale strutturale che offre alcuni vantaggi e svantaggi. La seguente descrizione copre le proprietà essenziali dei compositi aramidici e delle fibre aramidiche secche.

Svantaggi dei compositi aramidici

Alta resistenza all’impatto e alle crepe

L’aramide ha una straordinaria resistenza all’impatto e non si crepa sotto pressione perché è duro e permette un notevole assorbimento di energia. È ampiamente utilizzato per la fabbricazione di giubbotti antiproiettile, barche, kayak, così come l’armatura di componenti in veicoli militari.

Il composito fatto da Aramid ha una resistenza all’impatto 5 volte maggiore di un composito in fibra di carbonio (test di impatto del peso di caduta). Tale straordinaria resistenza all’impatto o ai proiettili è il risultato di lunghe catene di atomi che formano la struttura di Aramid.
Grazie a queste proprietà questo materiale è ampiamente utilizzato per scopi militari nella fabbricazione di giubbotti antiproiettile e materiale di armatura del serbatoio.

Gilet antiproiettile sono realizzati con materiale costituito da diverse decine di strati di aramide (per esempio Kevlar) e comprendono una piastra di ceramica tra gli strati. Gli scudi usati in alcuni veicoli corazzati come il carro armato americano M1 sono fatti di materiale la cui struttura comprende acciaio -aramidico – acciaio per proteggere da missili anticarro fino a 700mm di diametro. Inoltre, oltre alla protezione del serbatoio stesso, gli scudi corazzati in acciaio-aramide-acciaio proteggono anche l’equipaggio assorbendo l’energia cinetica generata dal missile penetrante.

Un’altra applicazione del Kevlar è nel Boeing AH-64 – l’elicottero d’attacco primario dell’esercito americano dotato di rotori in Kevlar. Qui il Kevlar assicura la protezione contro i proiettili fino a 23 mm di diametro.

Grazie all’alta resistenza all’impatto, il Kevlar è ampiamente utilizzato per la costruzione di barche e kayak, ad esempio gli scafi degli yacht progettati per la Volvo Ocean Race, una delle sfide sportive più dure. La maggior parte dei kayak ad alte prestazioni per gli sport acquatici sono fatti di Kevlar o di ibridi di fibra di carbonio/Kevlar.

Bassa densità /basso peso

Le fibre aramidiche sono caratterizzate da un peso estremamente basso, che è un vantaggio durante la fabbricazione dei compositi.

I compositi aramidici sono circa il 20% più leggeri dei compositi in fibra di carbonio, che sono essi stessi considerati molto leggeri. L’uso di tessuti aramidici nei compositi aumenta la resistenza all’impatto e all’abrasione, oltre a fornire un peso ridotto degli elementi compositi.

Le fibre aramidiche hanno una densità ~ 1,45 g/cm3 mentre i compositi di aramide e resina epossidica hanno una densità ~ 1,3 g/cm3. Questo calcolo è stato basato sulla densità della resina epossidica miscelata con indurente ~ 1,1 g/cm3 così come una tecnologia avanzata impiegata durante la produzione del composito, vale a dire prepreg con autoclave.

Per confrontare le fibre di carbonio che sono considerate molto leggere, hanno densità di compositi di carbonio – fibra di carbonio e resina epossidica equivalente a 1.55 g/cm3.

In altre parole i compositi in fibra aramidica sono circa il 20% più leggeri dei compositi in fibra di carbonio.

Come confrontare il peso dei compositi aramidici con i metalli?
I compositi aramidici hanno una densità di 1,3 g/cm3. Nel caso dell’alluminio è di 2,7 g/cm3, il titanio è di 4,5 g/cm3 e l’acciaio è di 7,9 g/cm3.
In altre parole i compositi aramidici sono 2 volte più leggeri dell’alluminio, e 3 o 4 volte più leggeri del titanio e fino a 6 volte più leggeri dell’acciaio.

rigidità moderata – colma il divario tra la fibra di vetro e la fibra di carbonio

I compositi aramidici hanno una rigidità superiore a quella dei compositi in fibra di vetro e significativamente inferiore a quella dei compositi in fibra di carbonio.
Ci sono molti tipi di fibre tra cui quelle di carbonio e aramidiche – per esempio di moduli standard, moderati e alti che offrono rigidità diverse, forza e disponibili a prezzi diversi. La tabella sottostante specifica la rigidità di particolari fibre: fibra di vetro, fibra di carbonio e fibra aramidica. La misura del modulo di Young è seguita in direzione longitudinale.

Rigidità di diverse fibre composite:

• Tessuti in fibra di vetro – da 72 GPa (Standard E-glass) a 87 GPa (tessuti S-Glass di maggiore resistenza).
• Tessuti in fibra di carbonio – da 230 GPa (tessuti standard usati per la fabbricazione di compositi – Toray T300) fino a 590 GPa (classe HM Toray M60J).
• Tessuti in fibra aramidica – da 96 GPa (tessuti aramidici standard applicati nei compositi – cioè Kevlar 129) fino a – 186 GPa (tessuti aramidici cioè Kevlar 149 usati nell’industria aerospaziale).

Per riassumere possiamo concludere che i compositi aramidici realizzati con tessuti standard presentano una rigidità di circa il 30-40% superiore ai compositi in fibra di vetro e prestazioni significativamente limitate rispetto al composito in fibra di carbonio – che offre una rigidità del 50% inferiore ai compositi in fibra di carbonio.

Bassa espansione termica

L’aramide è molto stabile se esposta ad alte temperature con un coefficiente di espansione termica quasi nullo e leggermente negativo che è equivalente a (-2,4 x 10-6/°C).

Non-conduttivo

L’aramide è un buon isolante e non conduce elettricità.

Resistenza all’abrasione

I compositi aramidici sono ampiamente utilizzati per parti e componenti esposti all’abrasione, ad esempio una piastra di protezione del motore in un’auto da corsa.
Aramide è comunemente usato dall’industria estrattiva (ad es. Grazie a queste proprietà, il materiale viene utilizzato nei compositi e nell’abbigliamento da lavoro, ad esempio nei guanti di sicurezza resistenti al taglio, dove vengono utilizzati tessuti aramidici, ad esempio Twaron o Kevlar.

Assorbimento delle vibrazioni

Una proprietà specifica dei compositi aramidici riguarda l’assorbimento delle vibrazioni e di conseguenza l’aramide viene utilizzato per la fabbricazione di componenti esposti alle vibrazioni, ad esempio i componenti strutturali degli aerei.

Bassa costante dielettrica

Il composito aramide ha una bassa permittività elettrica di ~3.85 (10 GHz) che assicura buone prestazioni e forza del segnale che penetra gli involucri protettivi in aramide/radome aerei. Questo tipo di antenna è ampiamente utilizzato per scopi militari, ad esempio su aerei militari. Gli involucri/radomi in aramide proteggono le antenne dai danni e assicurano buone prestazioni del segnale.

In confronto, il composito in fibra di vetro E offre una permittività elettrica corrispondente a 6,1 (10 GHz) che risulta in una potenza del segnale dell’antenna e prestazioni inferiori del 60%.
Oltre all’aramide, si usano anche tessuti di quarzo che offrono una permittività elettrica di 3,78 (10 GHz).

Uso con altri tessuti e creazione di compositi ibridi

I tessuti aramidici possono essere usati nei compositi di fibra di carbonio e di vetro modificando i parametri secondo le esigenze, il che offre molte possibilità ai fornitori di prodotti compositi.
Nel caso dei compositi di fibra di carbonio è possibile migliorare la resistenza agli urti aggiungendo alcuni strati di tessuti aramidici.

Il composito ibrido fatto da una combinazione di tessuti, cioè 50% di fibre di carbonio e 50% di aramide, offre il 100-125% di resistenza all’impatto migliore rispetto ai compositi fatti solo di fibra di carbonio.
Altri esempi di applicazioni sono alcuni strati di aramide forniti nei punti in cui segue la perforazione per garantire il rinforzo e ridurre il rischio di danni/crepe del composito intorno ai fori durante il funzionamento o a seguito di vibrazioni.

Svantaggi dei compositi aramidici

Assorbimento di acqua/umidità

Le fibre aramidiche hanno un assorbimento di umidità relativamente alto (fino al 6% del loro peso) quindi i compositi aramidici devono essere adeguatamente protetti – solitamente con un rivestimento superiore per ridurre l’assorbimento di umidità. Inoltre, nel caso di compositi esposti al contatto con l’acqua, vengono utilizzati alcuni tipi di Aramide che hanno una ridotta capacità di assorbimento dell’acqua, ad esempio il Kevlar 149 o l’Armos.

È interessante notare che i tessuti aramidici standard hanno una capacità di assorbimento così elevata e queste proprietà forniscono una protezione contro le ustioni e le scottature. Questo materiale è molto spesso utilizzato durante gli spettacoli pirotecnici, quando è imbevuto di paraffina. Grazie alle sue proprietà uniche, l’aramide assicura l’assorbimento della paraffina ma non si degrada durante la combustione ed è resistente alle alte temperature.

Per migliorare la resistenza all’umidità e alle microfessurazioni della superficie superiore del composito aramidico, molto spesso viene aggiunto uno strato di tessuto di vetro per migliorare il legame di adesione degli strati superiori e facilitare eventuali riparazioni degli strati superiori in futuro.

Trattamento e lavorazione difficili

Le fibre aramidiche sono difficili da tagliare. Pertanto il processo di produzione di compositi che includono tessuti aramidici può rivelarsi un processo molto impegnativo. Di conseguenza, è difficile tagliare sia i tessuti aramidici asciutti che i compositi aramidici finiti realizzati con tessuti aramidici e, ad esempio, resine epossidiche.

Il taglio dei tessuti asciutti è possibile utilizzando il laser o taglierine speciali progettate per questo scopo. Il taglio dei compositi aramidici finiti è possibile con il taglio a getto d’acqua o con frese con utensili in carburo o diamante appositamente progettati. Si noti che l’uso delle frese causa bordi del composito leggermente sfilacciati.

Durante la produzione di compositi aramidici, già nella fase di progettazione, vengono fatti alcuni cambiamenti e modifiche per adattare gli stampi in modo appropriato e ridurre la quantità di taglio richiesto dopo la sformatura. A volte, nei punti in cui è richiesto il taglio, viene fornito uno strato che include tessuti ibridi, cioè uno che include fibre di carbonio (50%) e fibre aramidiche (50%).

Le fibre aramidiche hanno un legame modesto rispetto alle fibre di vetro o alle fibre di carbonio e una modesta penetrazione della resina. Pertanto, per la produzione di compositi aramidici si raccomanda di utilizzare resine epossidiche che offrono prestazioni migliori per l’incollaggio di strati di tessuto aramidico.

La degradazione legata ai raggi UV

Le fibre aramidiche hanno una scarsa resistenza ai raggi UV.
La radiazione UV (luce solare) causa la degradazione delle fibre aramidiche. Perciò è necessaria una protezione che può essere un rivestimento superiore o uno strato di materiale, ad esempio le linee aramidiche sono solitamente racchiuse in un rivestimento protettivo.

Costi elevati

L’aramide è un materiale costoso con un prezzo simile alla fibra di carbonio. Perciò è usato per scopi specifici dove è richiesta una straordinaria resistenza all’impatto/abrasione e un basso peso del prodotto finito. Attualmente 1 mq di prepreg finito di peso 200 g/m2 destinato alla produzione di compositi costa circa 30-40 EUR al mq.

Bassa resistenza alla compressione

Le fibre aramidiche offrono una resistenza alla compressione inferiore a quella delle fibre di vetro o di carbonio, quindi i tessuti ibridi sono ampiamente utilizzati in componenti esposti ad alta compressione, come una struttura che include una combinazione di aramide e fibra di carbonio.

Uso dell’aramide

In pratica l’aramide trova molte applicazioni. Ecco alcuni esempi:

Uso dell’aramide nei compositi – Compositi aramidici:

• Gilet antiproiettile.
• Sport automobilistici e protezione dei componenti esposti all’abrasione/impatto – ad esempio, passaruota, piastre antislittamento.
• Corpo degli aerei (spesso ibrido carbonio-kevlar), rotori, placcature.
• Scompartimenti bagagli degli aerei.
• Radomi di aerei militari che hanno proprietà dielettriche specifiche.
• Schede da surf.
• Kayak.
• Scafi di navi.
• Cilindri di GPL – il peso è inferiore del 70% a quelli in acciaio e offrono una migliore resistenza agli urti rispetto alla fibra di carbonio – es.g. Low8.

Uso dell’aramide nel tessuto asciutto:

• Abbigliamento protettivo – incluso l’abbigliamento resistente alle fiamme, come l’abbigliamento militare (ad es. a2cu ), l’abbigliamento dei servizi antincendio, o l’abbigliamento progettato per la F1 e la NASCAR (principalmente Nomex).

  

• Guanti di sicurezza resistenti al taglio.
• Rinforzo dei componenti in gomma, ad es.g. cinghie di distribuzione.
• Rinforzo pneumatici.
• Corde.
• Cavi ottici dotati di rivestimento in fibra aramidica che impedisce la rottura e protegge dal contatto momentaneo con il fuoco.
• Telo da vela.
• Teste di tamburo.
• Carta d’aramide usata in nido d’ape.

Sommario
L’aramide offre proprietà e prestazioni straordinarie per quanto riguarda la resistenza all’impatto, all’abrasione, al taglio e un peso ultra-basso che è inferiore del 20% alla fibra di carbonio.
Al tempo stesso questo materiale presenta alcuni svantaggi come il trattamento e la lavorazione difficili o l’assorbimento dell’umidità.

Speriamo che la lettura di questo documento permetta a tutti di conoscere meglio i vantaggi e gli svantaggi, oltre a contribuire al suo uso ottimale da parte di ingegneri e progettisti.

FABBRICAZIONE DI COMPOSITI ARAMIDICI

Dexcraft fornisce prodotti compositi aramidici come giubbotti antiproiettile, componenti per carrozzerie di auto da corsa, fogli aramidici e altri compositi.

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