One of the main limitations in the practical use of biocomposites reinforced with natural fibers (flax, hemp, sisal, etc.) is the low resistance to aging produced by environmental agents (UV, humidity, water, etc.), especially in “outdoor” applications. This drawback is generally strictly related to the high hydrophilic behaviour of natural fibers and the limited protection offered in this regard by thermosetting polymeric matrices. Considering high performance biocomposites reinforced by agave fibers, materials already developed in the literature and also widely characterized in their interesting mechanical properties exhibited in static conditions (tensile strength, compressive and shear strength, fracture toughness, etc.), fatigue and low-velocity impact, the effects of aging from environmental agents on the main mechanical properties have already been studied by the same authors in previous works. Such works have been demonstrated that severe aging cases can give rise to reductions of the tensile strength up to 35-40% with concomitant reduction of the delamination strength up to 70%. In order to overcome these important drawback, this work proposes the improvement of the aging strength of these interesting biocomposites by means of a special hybridization of the surface laminae obtained through the use of basalt fibers. Taking into account that basalt fibers are also considered a material characterized by a low environmental impact, and the related composites are often considered green materials, it follows that, unlike the use of synthetic materials (gelcoat, paints, etc.), the proposed approach has the advantage of improving the aging strength of the biocomposite without appreciably increasing of its environmental impact. To evaluate the effective improvement of the aging strength achieved with the proposed surface hybridization, especially with reference to the main mechanical properties required in structural applications (tensile strength, delamination strength, etc.), properties that can be also decrease due to the mismatch of the elastic properties of the different fibers, in this work a systematic campaign of mechanical tests on the aged hybrid biocomposite laminate in accordance with the ASTM G 154 standard, have been carried out. The processing of the main results obtained, also by comparison with the results of non-hybridized biocomposites, allowed to highlight the appreciable effects of the proposed hybridization, as well as the development of accurate micromechanical models that can be used in the design phase.

Una delle principali limitazioni nell’uso pratico dei biocompositi polimerici rinforzati con fibre naturali (lino, canapa, agave, ecc.), specie in applicazioni di tipo “outdoor”, è costituita dalla bassa resistenza all’invecchiamento prodotto dagli agenti ambientali (UV, umidita, acqua ecc.), caratteristica questa in genere strettamente derivante dalla elevata idrofilia delle fibre naturali e dalla limitata protezione offerta in tal senso dalle matrici polimeriche, specie se di tipo termoindurente. Con riferimento ai biocompositi ad elevate performance rinforzati con fibre di agave, materiali già messi a punto in letteratura e pure ampiamente caratterizzati nelle loro interessanti proprietà meccaniche (resistenza a trazione, compressione e taglio, resistenza alla frattura ecc.) esibite in condizioni statiche, di fatica e di urto a bassa velocità, gli effetti dell’invecchiamento da agenti ambientali sulle principali proprietà meccaniche sono già stati studiati dagli stessi autori in precedenti lavori. Questi hanno permesso di evidenziare come in casi severi l’invecchiamento può dar luogo a riduzioni della resistenza a trazione sino al 35-40% con concomitante riduzione della resistenza alla delaminazione sino al 70%. Al fine di ovviare a tali importanti effetti il presente lavoro propone il miglioramento della resistenza all’invecchiamento di tali interessanti biocompositi mediante apposita ibridizzazione delle lamine superficiali ottenuta attraverso l’uso di fibre di basalto. Tenuto conto che le fibre di basalto sono considerate materiale anche esso caratterizzato da basso impatto ambientale, e i relativi compositi sono annoverati sovente tra i materiali green, ne consegue che, contrariamente a quanto avviene con altri provvedimenti di protezione superficiale dei compositi mediante deposizione di materiali sintetici (gelcoat, vernici ecc.), l’approccio proposto ha il vantaggio di migliorare la resistenza all’invecchiamento del biocomposito senza aumentare apprezzabilmente il suo impatto ambientale. Per valutare l’effettivo miglioramento della resistenza all’invecchiamento conseguito con la ibridizzazione superficiale proposta, specie con riferimento alle principali proprietà meccaniche richieste in applicazioni strutturali (resistenza a trazione, alla delaminazione ecc.), proprietà che notoriamente possono diminuire a causa del mismatch delle proprietà elastiche e meccaniche delle diverse fibre presenti in un composito ibrido, nel presente lavoro è stata eseguita una campagna sistematica di prove meccaniche sul laminato biocomposito ibrido invecchiato in accordo con la norma ASTM G 154. L’elaborazione dei risultati ottenuti, anche mediante confronto con i risultati di biocompositi non ibridizzati, ha consentito di evidenziare gli apprezzabili effetti della ibridizzazione proposta, nonché di implementare accurati modelli di micromeccanica utilizzabili in fase di progettazione per la previsione del degrado prodotto dagli effettivi agenti ambientali.

Carmelo Militello, f.b. (2022). IBRIDIZZAZIONE SUPERFICIALE MEDIANTE BASALTO DI BIOCOMPOSITI AD ELEVATE PERFORMANCE RINFORZATI CON FIBRE DI AGAVE. In IBRIDIZZAZIONE SUPERFICIALE MEDIANTE BASALTO DI BIOCOMPOSITI AD ELEVATE PERFORMANCE RINFORZATI CON FIBRE DI AGAVE.

IBRIDIZZAZIONE SUPERFICIALE MEDIANTE BASALTO DI BIOCOMPOSITI AD ELEVATE PERFORMANCE RINFORZATI CON FIBRE DI AGAVE

Carmelo Militello;francesco bongiorno;bernardo zuccarello
2022-09

Abstract

Una delle principali limitazioni nell’uso pratico dei biocompositi polimerici rinforzati con fibre naturali (lino, canapa, agave, ecc.), specie in applicazioni di tipo “outdoor”, è costituita dalla bassa resistenza all’invecchiamento prodotto dagli agenti ambientali (UV, umidita, acqua ecc.), caratteristica questa in genere strettamente derivante dalla elevata idrofilia delle fibre naturali e dalla limitata protezione offerta in tal senso dalle matrici polimeriche, specie se di tipo termoindurente. Con riferimento ai biocompositi ad elevate performance rinforzati con fibre di agave, materiali già messi a punto in letteratura e pure ampiamente caratterizzati nelle loro interessanti proprietà meccaniche (resistenza a trazione, compressione e taglio, resistenza alla frattura ecc.) esibite in condizioni statiche, di fatica e di urto a bassa velocità, gli effetti dell’invecchiamento da agenti ambientali sulle principali proprietà meccaniche sono già stati studiati dagli stessi autori in precedenti lavori. Questi hanno permesso di evidenziare come in casi severi l’invecchiamento può dar luogo a riduzioni della resistenza a trazione sino al 35-40% con concomitante riduzione della resistenza alla delaminazione sino al 70%. Al fine di ovviare a tali importanti effetti il presente lavoro propone il miglioramento della resistenza all’invecchiamento di tali interessanti biocompositi mediante apposita ibridizzazione delle lamine superficiali ottenuta attraverso l’uso di fibre di basalto. Tenuto conto che le fibre di basalto sono considerate materiale anche esso caratterizzato da basso impatto ambientale, e i relativi compositi sono annoverati sovente tra i materiali green, ne consegue che, contrariamente a quanto avviene con altri provvedimenti di protezione superficiale dei compositi mediante deposizione di materiali sintetici (gelcoat, vernici ecc.), l’approccio proposto ha il vantaggio di migliorare la resistenza all’invecchiamento del biocomposito senza aumentare apprezzabilmente il suo impatto ambientale. Per valutare l’effettivo miglioramento della resistenza all’invecchiamento conseguito con la ibridizzazione superficiale proposta, specie con riferimento alle principali proprietà meccaniche richieste in applicazioni strutturali (resistenza a trazione, alla delaminazione ecc.), proprietà che notoriamente possono diminuire a causa del mismatch delle proprietà elastiche e meccaniche delle diverse fibre presenti in un composito ibrido, nel presente lavoro è stata eseguita una campagna sistematica di prove meccaniche sul laminato biocomposito ibrido invecchiato in accordo con la norma ASTM G 154. L’elaborazione dei risultati ottenuti, anche mediante confronto con i risultati di biocompositi non ibridizzati, ha consentito di evidenziare gli apprezzabili effetti della ibridizzazione proposta, nonché di implementare accurati modelli di micromeccanica utilizzabili in fase di progettazione per la previsione del degrado prodotto dagli effettivi agenti ambientali.
Settore ING-IND/14 - Progettazione Meccanica E Costruzione Di Macchine
Carmelo Militello, f.b. (2022). IBRIDIZZAZIONE SUPERFICIALE MEDIANTE BASALTO DI BIOCOMPOSITI AD ELEVATE PERFORMANCE RINFORZATI CON FIBRE DI AGAVE. In IBRIDIZZAZIONE SUPERFICIALE MEDIANTE BASALTO DI BIOCOMPOSITI AD ELEVATE PERFORMANCE RINFORZATI CON FIBRE DI AGAVE.
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