Publication: Experimental and modeling analysis of the dynamic response of bio-based sandwich structures
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2020-12
Defense date
2021-06-15
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Abstract
La Gran Isla de Basura del Pacifico, el cambio climático y el efecto invernadero son solamente algunas de las consecuencias negativas debidas a la explotación masiva y desconsiderada del petróleo para la producción de materiales sintéticos, como los plásticos. En muchos sectores industriales se emplean ampliamente materiales compuestos que utilizan polímeros sintéticos para la fabricación de matrices y fibras sintéticas, i.e. vidrio, carbono y polímeros, para la fabricación de refuerzos. La polución del aire, del agua y del suelo generadas por la dificultad asociada a la eliminación de estos materiales no biodegradables y la contaminación producida durante su fabricación ha llevado a muchos países a promulgar normativas más restrictivas en el tema de eliminación de la basura y de emisiones gases de efecto invernadero.
Existe una tendencia creciente hacia un modelo industrial eco-sostenible, destinada a frenar los efectos dañinos en el medio ambiente. Una de las opciones para alcanzar este modelo es la utilización de materiales de origen natural y de fuentes renovables. Esto tipo de materiales no solo reducen el impacto ambiental del proceso de producción las emisiones de CO2, sino que también facilita la eliminación de los componentes al final de su vida útil gracias a una parcial o total biodegradabilidad. La presente Tesis Doctoral se integra en este contexto de respeto al medio ambiente proponiendo una estructura sándwich compuesta por un núcleo de corcho aglomerado y pieles fabricadas con un laminado de tejido hibrido de fibras de basalto y lino en una matriz de polipropileno.
La sustitución de las tradicionales espumas sintéticas, empleadas como núcleos de las estructuras sándwich, por corcho aglomerado permitiría utilizar un material biodegradable y de fuentes renovables. Este material se fabrica a partir de los desechos derivados de la producción de los tapones de corcho permitiendo así un máximo aprovechamiento de los recursos naturales cultivados. Se debe considerar que, además, el corcho aglomerado se caracteriza por poseer algunas propiedades extremadamente ventajosas como un buen aislamiento térmico y acústico, útil en el mundo de las construcciones para mejorar la eficiencia energética de los edificios. Además, este material presenta una impresionante recuperación dimensional, fundamental para asegurar una mayor estabilidad dimensional de la estructura sándwich.
Teniendo en cuenta que la optimización del peso y de las propiedades mecánicas es un aspecto fundamental en el diseño de un material sándwich para conseguir una estructura lo más eficiente posible, en este trabajo se ha analizado la influencia de la densidad del corcho aglomerado en las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del núcleo y de la estructura sándwich completa estudiando tres corchos aglomerados con tres diferentes densidades. Adicionalmente, el mismo estudio realizado para el corcho fue realizado también para tres espumas de policloruro de vinilo (PVC) ampliamente usadas y de propiedades conocidas que sirven de referencia para resaltar las fortalezas y los puntos débiles del núcleo natural y para demostrar su idoneidad como núcleo en estructuras sándwich.
Para las pieles se ha elegido como refuerzo un tejido hibrido de fibras de basalto y lino para mantener lo máximo posible la naturaleza eco-sostenible de la estructura sándwich, evitando el empleo de fibras de vidrio, ampliamente usadas, y utilizando materiales de origen mineral y vegetal y de fuentes renovables. El empleo de la técnica de hibridación permite superar las desventajas relacionadas con el uso de un único tipo de fibra y mejorar la calidad de los laminados explotando el efecto sinérgico relacionado con las fortalezas de ambas fibras. Las fibras de basalto aseguran la consecución de propiedades mecánicas satisfactorias mientras que la presencia de las fibras de lino permite reducir el peso del compuesto confiriéndole también una parcial biodegradabilidad.
Aunque las estructuras sándwich sean ampliamente usadas en muchas aplicaciones industriales gracias a sus excelentes propiedades a flexión y a su bajo peso derivados de su peculiar estructura, su vulnerabilidad a los fenómenos de impacto es una de sus limitaciones en aplicaciones estructurales. Por esta razón, el estudio del comportamiento a impacto de las estructuras sándwich, en particular la resistencia y la tolerancia al daño, es fundamental para el conocimiento de los diferentes mecanismos de daño que pueden ocurrir y como estos puedan afectar las prestaciones mecánicas y la capacidad resistente de las estructuras. Teniendo en cuenta esta carencia que afecta las estructuras sándwich, el segundo objetivo de esta tesis es disponer de un conocimiento adecuado del comportamiento a impacto de las estructuras sándwich propuestas, para asegurar su idoneidad en todas aquellas aplicaciones en que la resistencia a impacto tiene que estar incluida en los criterios principales del diseño.
Se ha estudiado el comportamiento a impacto de las estructuras sándwich seleccionadas en diferentes condiciones de impacto, en particular punzonamiento, impacto a baja velocidad con soporte CAI (Compression After Impact) e impacto balístico. Los ensayos de punzonamiento y los de impacto a baja velocidad con soporte CAI permitieron evaluar la influencia de las condiciones de contorno de la estructura y la modificación de los mecanismos de deformación y de disipación de la energía. La realización de ensayos de impacto de baja y alta velocidad permitió evaluar el efecto de la masa y la velocidad de impacto de las estructuras. Esta oportuno subrayar que dicho estudio no fue efectuado solamente sobre las estructuras sándwich completas sino también sobre los núcleos y las pieles de manera independiente, para comprender el comportamiento a impacto de las componentes individuales y evaluando la interacción entre ellos en la estructura sándwich completa.
Para completar el trabajo, se ha analizado la influencia de la densidad de los núcleos y la temperatura de servicio en la respuesta a impacto de la estructura y de sus diferentes componentes. Se ha realizado un análisis post impacto a través de técnicas no destructivas, como por ejemplo la perfilómetria, para cuantificar la extensión del daño.
En vista de la notable influencia ejercida de las cargas dinámicas sobre las estructuras sándwich y teniendo en cuenta las extraordinarias capacidades de recuperación dimensional del corcho y para profundizar en el conocimiento de su comportamiento a compresión, se han realizado ensayos de compresión dinámicas a diferentes velocidades de deformación sobre los núcleos, en torre de caída de peso y en barra Hopkinson, teniendo en cuenta el efecto de varios parámetros como la anisotropía, la temperatura y el número de impactos sucesivos. Este último parámetro es muy importante para conocer el efecto provocado por una acumulación del daño con el paso del tiempo y como resultado de la exposición a varios fenómenos de impacto de menor entidad respecto al efecto causado de un impacto individual de mayor entidad.
La elección del polipropileno como matriz polimérica en la fabricación de las pieles está estrechamente relacionada con los dos principales objetivos de la Tesis. Desde la perspectiva del impacto ambiental el polipropileno no es biodegradable, pero siendo un polímero termoplástico puede ser reprocesado y reciclado de manera sencilla al final de la vida útil del componente contrariamente a lo que ocurre con las matrices termoestables que se pueden eliminar solamente como residuos para explotar su valor calorífico. Desde la perspectiva de la resistencia a impacto y de la tolerancia al daño, el uso de una matriz termoplástica dúctil respecto a una termoestable, que es intrínsecamente frágil, permite explotar mecanismos adicionales de disipación de energía, como por ejemplo la plasticidad de la matriz, que pueden prevenir un daño excesivo del componente o su rotura catastrófica.
Considerando la pésima adherencia en la interfaz entra las fibras naturales hidrófilas y la matriz hidrófoba y el efecto negativo que este fenómeno presenta en las propiedades mecánicas, se ha decidido estudiar el efecto de un agente de acoplamiento a base de anhídrido maleico sobre las propiedades mecánicas cuasi-estáticas y dinámicas de las pieles y de las estructuras sándwich. Se ha observado que, la mejora de la adhesión entre fibra y matriz resulta positivo para las propiedades cuasi-estáticas, produciendo un incremento en la rigidez y en la resistencia máxima. Sin embargo, la presencia del agente de acoplamiento empeora la respuesta frente a cargas de impacto estructura induciendo una fragilización del compuesto a causa de la inhibición de algunos mecanismos de disipación de la energía. En vista de esto se considera que, el uso del agente de acoplamiento tiene que ser evaluado de manera específica en función de la aplicación de la estructura sándwich.
Por último, se ha realizado a una modelización numérica empleando un código comercial de elementos finitos tanto del núcleo corcho como del núcleo de espuma de PVC. El objetivo con este modelo es demostrar que es posible utilizar modelos simples que permitan predecir la respuesta de las estructuras y aumentar así su utilización a escala industrial donde se prefiere el empleo de materiales conocidos para reducir potenciales contraindicaciones y donde la posibilidad de predecir el comportamiento de un material a través de una simulación numérica permite reducir considerablemente los costes de producción.
Il Great Pacific Garbage Patch, i cambiamenti climatici, l’effetto serra sono solo alcuni dei risvolti negativi dovuti allo sconsiderato sfruttamento del petrolio e dei prodotti chimici nella produzione di materiali sintetici, come le plastiche e le fibre di rinforzo dei materiali compositi, largamente impiegati nei più svariati settori industriali e nella produzione di massa. La contaminazione dell’aria, dell’acqua e del suolo risultante dalle ingenti emissioni di agenti inquinanti e dalle difficoltà connesse con lo smaltimento di questi materiali non biodegradabili, ha spinto molti paesi ad emanare normative sempre più restrittive in materia di smaltimento dei rifiuti ed emissioni. Questo orientamento green, volto a contrastare gli effetti dannosi sull’ambiente causati dalla produzione industriale, incoraggia lo sfruttamento di materiali provenienti da fonti rinnovabili al fine di ridurre le emissioni di CO2 e, quindi, l’impatto ambientale del processo produttivo e di facilitare lo smaltimento del componente a fine ciclo vita grazie ad una parziale o totale biodegradabilità. Il seguente lavoro si inserisce in questo contesto ecosolidale proponendo una struttura sandwich green prodotta con core in sughero agglomerato e pelli in polipropilene rinforzato con tessuto ibrido basalto-lino. La sostituzione delle tradizionali schiume sintetiche, impiegate come core, con il sughero agglomerato consentirebbe lo sfruttamento di un materiale biodegradabile e da fonte rinnovabile approfittando degli scarti provenienti dalla produzione dei tappi di sughero che altrimenti andrebbero persi consentendo, tra l’altro, il pieno utilizzo del materiale coltivato. È inoltre necessario considerare che il sughero agglomerato presenta alcune caratteristiche estremamente vantaggiose come un buon isolamento termico ed acustico, utili nel mondo dell’edilizia per migliorare l’efficienza energetica degli edifici, e un eccezionale recupero dimensionale fondamentale per assicurare una maggior stabilità dimensionale alla struttura sandwich con esso prodotta. Considerando che l’ottimizzazione del peso e delle proprietà meccaniche è un aspetto chiave nella progettazione dei compositi sandwich per ottenere la struttura più performante possibile, si è affrontata l’influenza esercitata dalla densità del sughero agglomerato sulle proprietà fisiche, termiche e meccaniche del solo core e della struttura complessiva attraverso lo studio di tre sugheri agglomerati caratterizzati per l’appunto da una diversa densità. In aggiunta, la stessa campagna sperimentale effettuata sul sughero è stata realizzata anche su tre schiume in polivinilcloruro (PVC) con caratteristiche note e consolidate in modo tale che fungessero da riferimento e consentissero di evidenziare i punti di forza e di debolezza del materiale naturale nonché di legittimarne l’idoneità come materiale core. Anche la selezione del tessuto ibrido basalto-lino come rinforzo per le pelli è da attribuire alla volontà di mantenere il più possibile la natura ecosolidale del composito sandwich evitando di ricorrere alle fibre di vetro, già massicciamente impiegate, e sfruttando materiale di origine minerale e vegetale e quindi da fonte rinnovabile. Peraltro, l’impiego della tecnica dell’ibridizzazione consente di superare gli svantaggi connessi con l’uso del singolo tipo di fibra e di migliorare la qualità del laminato sfruttando l’effetto sinergico connesso ai punti di forza di ambedue. Nel caso specifico le fibre di basalto assicurano il raggiungimento di proprietà meccaniche soddisfacenti mentre la presenza del lino consente di ridurre il peso del composito conferendogli anche una parziale biodegradabilità. Nonostante i compositi sandwich risultino insostituibili in molte applicazioni industriali grazie alle incomparabili proprietà flessionali e il basso peso attribuibili alla loro peculiare struttura, la loro vulnerabilità ad eventi di impatto ne impedisce una diffusione su larga scala. La compromissione dell’integrità e della stabilità strutturale dovuta all’impatto e la conseguente riduzione delle proprietà meccaniche residue tende a rendere queste strutture meno affidabili. Per tale ragione, lo studio del comportamento ad impatto dei compositi sandwich, e in particolare la loro resistenza e tolleranza al danno, risulta fondamentale per comprendere gli innumerevoli meccanismi di danneggiamento che possono intervenire e come gli stessi influenzino le prestazioni meccaniche e le capacità portante della struttura. In considerazione di questa carenza che affligge le strutture composite sandwich, il secondo scopo di questo lavoro è fornire un’accurata caratterizzazione del comportamento ad impatto dei nuovi biocompositi proposti per assicurarne l’idoneità in tutte quelle applicazioni industriali in cui la resistenza all’impatto deve essere inclusa tra i criteri principali di progetto. Varie condizioni di impatto sono stata considerate, in particolare impatto puncture, impatto con supporto CAI (Compression After Impact) e impatto balistico, al fine di presentare una caratterizzazione più accurata possibile del comportamento ad impatto delle strutture composite in studio. L’esecuzione dei test di tipo puncture e di tipo CAI ha consentito di valutare l’influenza esercitata dalle condizioni a contorno del supporto e la conseguente alterazione dei meccanismi di deformazione e di dissipazione dell’energia da esso derivanti mentre i test di impatto balistico hanno consentito di valutare l’effetto della massa e della velocità di impatto passando dagli impatti a bassa velocità effettuati con masse pesanti a impatti più localizzati effettuati con elevate velocità e piccole masse. È opportuno evidenziare che la suddetta campagna sperimentale non è stata effettuata solamente sulle strutture sandwich complete, ma anche sui soli core e sulle sole pelli al fine di comprendere al meglio lo scenario di danneggiamento separando il comportamento ad impatto delle singole componenti e valutando solo in un secondo momento come esso evolve in conseguenza dell’assemblaggio del composito. Per completare soddisfacentemente il lavoro parametri quali la densità dei core e la temperatura di esercizio sono stati presi in considerazione, con lo scopo di valutare come questi modificassero la reazione all’impatto della struttura e delle sue componenti, ed è stata effettuata un’analisi post-impatto attraverso tecniche non distruttive, come ad esempio la profilometria, al fine di ottenere informazioni utili a supportare l’analisi dinamica della struttura e a quantificare l’estensione del danno. Alla luce della notevole influenza esercitata dai carichi dinamici sulle strutture sandwich e in considerazione delle straordinarie capacità di recupero dimensionale del sughero, ulteriori test dinamici, come compressioni dinamiche in torre a caduta di peso e test in barra Hopkinson, sono stati effettuati sui soli core al fine di approfondire lo studio relativo al loro comportamento a compressione prendendo in considerazione l’effetto di vari fattori come la velocità di deformazione, l’anisotropia, la temperatura e il numero di impatti. Quest’ultimo è di particolare importanza per conoscere l’effetto provocato dall’accumulazione del danno con il passare del tempo a seguito dell’esposizione del componente a vari eventi di impatto di minor entità rispetto all’effetto dannoso causato da un singolo impatto di maggior entità. La scelta di impiegare il polipropilene come matrice polimerica per la produzione delle pelli è strettamente correlata con i due obiettivi della tesi. Dal punto di vista dell’impatto ambientale il polipropilene non è biodegradabile, ma essendo un polimero termoplastico può essere facilmente riprocessato e riciclato a fine ciclo vita al contrario delle matrici termoindurenti che possono essere solamente smaltite e termo-valorizzate per sfruttare il loro potere calorifico. Dal punto di vista della resistenza e della tolleranza al danno, l’uso di una matrice termoplastica duttile rispetto ad una termoindurente, che a causa della sua struttura a network 3D è intrinsecamente fragile, permette di sfruttare meccanismi addizionali di dissipazione dell’energia, come ad esempio la plasticizzazione della matrice, che possono prevenire un danneggiamento eccessivo del componente o una sua rottura catastrofica. Tenendo poi in considerazione le ingenti problematiche connesse con la pessima interfaccia che si viene a creare tra le fibre naturali idrofile e la matrice polimerica idrofoba e le scarse proprietà meccaniche risultanti, si è deciso di studiare l’effetto di un agente accoppiante a base di anidride maleica, inserito nel master batch della matrice, sulle proprietà quasi statiche e dinamiche delle sole pelli e delle strutture sandwich complessive. Si è visto che se il miglioramento dell’adesione tra fibra e matrice risulta positivo per le proprietà quasi statiche determinando un aumento della rigidezza e della resistenza massima esso gioca un ruolo negativo nella risposta dinamica ad impatto della struttura inducendo un infragilimento del composito a causa dell’inibizione di alcuni meccanismi di dissipazione dell’energia. Alla luce di ciò, anche l’uso dell’agente accoppiante deve essere accuratamente valutato a seconda dell’applicazione del composito se si desidera ottenerne un’ottimizzazione delle prestazioni. Infine, si è provveduto ad effettuare una modellizzazione agli elementi finiti sia del sughero che delle schiume in PVC con l’intento di standardizzare la modellizzazione di un materiale innovativo e relativamente nuovo come il sughero nella speranza di incoraggiare il suo utilizzo su scala industriale dove l’impiego di materiali consolidati è normalmente preferito per ridurre potenziali controindicazioni e dove la possibilità di predire il comportamento di un materiale attraverso una semplice simulazione numerica consente di ridurre notevolmente i costi di produzione.
The Great Pacific Garbage Patch, the climate change, the greenhouse effect are only some of the implications of a thoughtless exploitation of crude oil and chemicals for the production of synthetic materials such as plastics and fibrous reinforcements which are extensively used in many industrial fields and in mass production. The resulting contamination of air, water and soil due to the huge emission of pollutants and to the complex disposal of these non-biodegradable materials, pushed many countries to promulgate more restrictive regulations in the field of waste disposal and emissions. This green tendency, intended to counteract the detrimental effect of industrial production on the environment, encourages the exploitation of bio-based materials from renewable resources with the aims of reducing the carbon footprint of the production process and facilitating the disposal of the component at the end of its life-cycle thanks to a partial or total biodegradability. The present work is part of this eco-friendly framework proposing a green sandwich structure made up with an agglomerated cork core and with polypropylene skins reinforced with a flax/basalt hybrid fabric. The replacement of traditional synthetic foam cores with agglomerated cork would allow to exploit a biodegradable material from renewable resources taking advantage of the wastes derived from wine stopper production, which otherwise would be lost, thus ensuring a full exploitation of the harvested material. Moreover, agglomerated cork is characterized by favorable features like a good acoustic and thermal insulation capability useful to improve energy efficiency in buildings and construction and an outstanding dimensional recovery capacity beneficial to ensure an improved dimensional stability to the overall sandwich structure. Considering that the optimization of weight and mechanical properties is one of the key parameters in sandwich composites design in order to obtain the most performing structure, the influence of agglomerated cork density on the physical, thermal and mechanical properties of the sole core and of the overall sandwich structure was addressed investigating three agglomerated corks with different densities. Moreover, to point out the advantages and the drawbacks connected with agglomerated cork and to legitimate its feasibility as core material, three well established PVC foams with the same densities were subjected to the same experimental campaign carried out on cork in order to provide a good benchmark. The selection of a flax/basalt hybrid fabric as skin reinforcement is intended to preserve the eco-friendliness of the sandwich structure avoiding the massively employed glass fibers and exploiting materials from vegetable and mineral renewable resources. Moreover, the hybridization enables a synergistic exploitation of both fiber types. In particular, basalt fibers add satisfying mechanical performances while flax fibers provide a reduction of laminate weight and its partial biodegradability. If sandwich structures are irreplaceable in many industrial applications thanks to the unique flexural properties together with a low weight that derive from the peculiar design, their high susceptibility to impact events prevents their massive widespread. The degradation of the structural integrity and stability resulting from these occurrences and the corresponding reduction of the residual mechanical properties can make them unreliable. For this reason, the investigation of the impact response of sandwich composites, i.e. damage resistance and damage tolerance, is essential to be aware of the several failure mechanisms that can intervene and how they affect the mechanical performances and the load bearing capabilities of the structure. Considering this flaw that vexes these structures, the second aim of this work is to provide an extensive characterization of the impact response of these novel bio-based composites in order to grant their feasibility in all those industrial fields where impact resistance needs to be included in the design criteria. In order to present a thorough characterization of the impact response of the structures under study, different impact conditions were considered, i.e. puncture impact tests, impact tests with compression after impact (CAI) support and ballistic impact tests. The execution of puncture and CAI impact tests allows to evaluate the influence of different boundary conditions and a potential alteration of the deformation and energy dissipation mechanisms whereas the execution of ballistic impact tests permits to assess the effect of impact mass and velocity moving from low velocity impacts performed with a heavy mass to more localized high velocity impacts performed with a little mass. Moreover, this experimental campaign was carried out not only on the overall structures but also on the sole cores and skins in order to achieve a more accurate understanding of the damage scenario splitting up the impact behavior of the single components and evaluating only at a later time how it evolves as a consequence of composite ensemble. Various parameters such as core density and operating temperature were considered in order to evaluate how structure’s response to impact modifies and a post-impact analysis through non-destructive technique such as profilometry was carried out to support the dynamic analysis of structures and to quantify damage extent. In light of the high importance played by dynamic loading on sandwich structures and of the peerless dimensional recovery of agglomerated cork, further impact investigations, i.e. drop weight tower dynamic compression tests and split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests, were carried out on the sole core materials to examine the effect of strain rate, anisotropy, temperature and number of impacts. This latter parameter is of main importance to evaluate the effect of an accumulation of damage over time induced by minor impact events rather than the detrimental effect caused by a single impact. The choice to use polypropylene as polymer matrix in skin manufacture is strictly correlated with the two main goals of the work. From the environmental point of view, polypropylene is not biodegradable, but being a thermoplastic polymer can be easily reprocessed and recycled at the end of its life cycle contrary to thermosetting matrices that can only be disposed and used to waste-to-energy to exploit their heating value. From the damage resistance and damage tolerance point of view, the use of a ductile thermoplastic matrix rather than a thermosetting one, which is intrinsically brittle due to its 3D network structure, allows to introduce additional energy dissipation mechanisms like matrix plasticization that can prevent an excessive damage and the catastrophic failure of the overall structure. Considering the relevant fiber/matrix interface issues between the hydrophilic natural fibers and the hydrophobic polymer matrices and hence the poor resulting mechanical properties, the effect of a maleic anhydride coupling agent, added to the matrix master batch, on the quasi-static and dynamic properties of the sole skins and of the overall sandwich structures was investigated. If the improved fiber/matrix adhesion plays a positive role on the quasi-static properties of both laminates and sandwich panels determining an increase in stiffness and maximum strength, it induces an embrittlement in dynamic impact conditions as some energy dissipation mechanisms are prevented. For this reason, the use or not of coupling agent is another aspect to evaluate carefully depending on composite application to optimize the performances. Finally, a finite element modelling was performed on both agglomerated cork and PVC foam in order to standardize the modelling of an innovative and relatively new material as cork, encouraging its spread at an industrial level where the use of well-established materials is normally preferred to reduce the possibility of setbacks and where the possibility to predict the response of a material through numerical simulation allows to reduce the manufacturing costs.
Il Great Pacific Garbage Patch, i cambiamenti climatici, l’effetto serra sono solo alcuni dei risvolti negativi dovuti allo sconsiderato sfruttamento del petrolio e dei prodotti chimici nella produzione di materiali sintetici, come le plastiche e le fibre di rinforzo dei materiali compositi, largamente impiegati nei più svariati settori industriali e nella produzione di massa. La contaminazione dell’aria, dell’acqua e del suolo risultante dalle ingenti emissioni di agenti inquinanti e dalle difficoltà connesse con lo smaltimento di questi materiali non biodegradabili, ha spinto molti paesi ad emanare normative sempre più restrittive in materia di smaltimento dei rifiuti ed emissioni. Questo orientamento green, volto a contrastare gli effetti dannosi sull’ambiente causati dalla produzione industriale, incoraggia lo sfruttamento di materiali provenienti da fonti rinnovabili al fine di ridurre le emissioni di CO2 e, quindi, l’impatto ambientale del processo produttivo e di facilitare lo smaltimento del componente a fine ciclo vita grazie ad una parziale o totale biodegradabilità. Il seguente lavoro si inserisce in questo contesto ecosolidale proponendo una struttura sandwich green prodotta con core in sughero agglomerato e pelli in polipropilene rinforzato con tessuto ibrido basalto-lino. La sostituzione delle tradizionali schiume sintetiche, impiegate come core, con il sughero agglomerato consentirebbe lo sfruttamento di un materiale biodegradabile e da fonte rinnovabile approfittando degli scarti provenienti dalla produzione dei tappi di sughero che altrimenti andrebbero persi consentendo, tra l’altro, il pieno utilizzo del materiale coltivato. È inoltre necessario considerare che il sughero agglomerato presenta alcune caratteristiche estremamente vantaggiose come un buon isolamento termico ed acustico, utili nel mondo dell’edilizia per migliorare l’efficienza energetica degli edifici, e un eccezionale recupero dimensionale fondamentale per assicurare una maggior stabilità dimensionale alla struttura sandwich con esso prodotta. Considerando che l’ottimizzazione del peso e delle proprietà meccaniche è un aspetto chiave nella progettazione dei compositi sandwich per ottenere la struttura più performante possibile, si è affrontata l’influenza esercitata dalla densità del sughero agglomerato sulle proprietà fisiche, termiche e meccaniche del solo core e della struttura complessiva attraverso lo studio di tre sugheri agglomerati caratterizzati per l’appunto da una diversa densità. In aggiunta, la stessa campagna sperimentale effettuata sul sughero è stata realizzata anche su tre schiume in polivinilcloruro (PVC) con caratteristiche note e consolidate in modo tale che fungessero da riferimento e consentissero di evidenziare i punti di forza e di debolezza del materiale naturale nonché di legittimarne l’idoneità come materiale core. Anche la selezione del tessuto ibrido basalto-lino come rinforzo per le pelli è da attribuire alla volontà di mantenere il più possibile la natura ecosolidale del composito sandwich evitando di ricorrere alle fibre di vetro, già massicciamente impiegate, e sfruttando materiale di origine minerale e vegetale e quindi da fonte rinnovabile. Peraltro, l’impiego della tecnica dell’ibridizzazione consente di superare gli svantaggi connessi con l’uso del singolo tipo di fibra e di migliorare la qualità del laminato sfruttando l’effetto sinergico connesso ai punti di forza di ambedue. Nel caso specifico le fibre di basalto assicurano il raggiungimento di proprietà meccaniche soddisfacenti mentre la presenza del lino consente di ridurre il peso del composito conferendogli anche una parziale biodegradabilità. Nonostante i compositi sandwich risultino insostituibili in molte applicazioni industriali grazie alle incomparabili proprietà flessionali e il basso peso attribuibili alla loro peculiare struttura, la loro vulnerabilità ad eventi di impatto ne impedisce una diffusione su larga scala. La compromissione dell’integrità e della stabilità strutturale dovuta all’impatto e la conseguente riduzione delle proprietà meccaniche residue tende a rendere queste strutture meno affidabili. Per tale ragione, lo studio del comportamento ad impatto dei compositi sandwich, e in particolare la loro resistenza e tolleranza al danno, risulta fondamentale per comprendere gli innumerevoli meccanismi di danneggiamento che possono intervenire e come gli stessi influenzino le prestazioni meccaniche e le capacità portante della struttura. In considerazione di questa carenza che affligge le strutture composite sandwich, il secondo scopo di questo lavoro è fornire un’accurata caratterizzazione del comportamento ad impatto dei nuovi biocompositi proposti per assicurarne l’idoneità in tutte quelle applicazioni industriali in cui la resistenza all’impatto deve essere inclusa tra i criteri principali di progetto. Varie condizioni di impatto sono stata considerate, in particolare impatto puncture, impatto con supporto CAI (Compression After Impact) e impatto balistico, al fine di presentare una caratterizzazione più accurata possibile del comportamento ad impatto delle strutture composite in studio. L’esecuzione dei test di tipo puncture e di tipo CAI ha consentito di valutare l’influenza esercitata dalle condizioni a contorno del supporto e la conseguente alterazione dei meccanismi di deformazione e di dissipazione dell’energia da esso derivanti mentre i test di impatto balistico hanno consentito di valutare l’effetto della massa e della velocità di impatto passando dagli impatti a bassa velocità effettuati con masse pesanti a impatti più localizzati effettuati con elevate velocità e piccole masse. È opportuno evidenziare che la suddetta campagna sperimentale non è stata effettuata solamente sulle strutture sandwich complete, ma anche sui soli core e sulle sole pelli al fine di comprendere al meglio lo scenario di danneggiamento separando il comportamento ad impatto delle singole componenti e valutando solo in un secondo momento come esso evolve in conseguenza dell’assemblaggio del composito. Per completare soddisfacentemente il lavoro parametri quali la densità dei core e la temperatura di esercizio sono stati presi in considerazione, con lo scopo di valutare come questi modificassero la reazione all’impatto della struttura e delle sue componenti, ed è stata effettuata un’analisi post-impatto attraverso tecniche non distruttive, come ad esempio la profilometria, al fine di ottenere informazioni utili a supportare l’analisi dinamica della struttura e a quantificare l’estensione del danno. Alla luce della notevole influenza esercitata dai carichi dinamici sulle strutture sandwich e in considerazione delle straordinarie capacità di recupero dimensionale del sughero, ulteriori test dinamici, come compressioni dinamiche in torre a caduta di peso e test in barra Hopkinson, sono stati effettuati sui soli core al fine di approfondire lo studio relativo al loro comportamento a compressione prendendo in considerazione l’effetto di vari fattori come la velocità di deformazione, l’anisotropia, la temperatura e il numero di impatti. Quest’ultimo è di particolare importanza per conoscere l’effetto provocato dall’accumulazione del danno con il passare del tempo a seguito dell’esposizione del componente a vari eventi di impatto di minor entità rispetto all’effetto dannoso causato da un singolo impatto di maggior entità. La scelta di impiegare il polipropilene come matrice polimerica per la produzione delle pelli è strettamente correlata con i due obiettivi della tesi. Dal punto di vista dell’impatto ambientale il polipropilene non è biodegradabile, ma essendo un polimero termoplastico può essere facilmente riprocessato e riciclato a fine ciclo vita al contrario delle matrici termoindurenti che possono essere solamente smaltite e termo-valorizzate per sfruttare il loro potere calorifico. Dal punto di vista della resistenza e della tolleranza al danno, l’uso di una matrice termoplastica duttile rispetto ad una termoindurente, che a causa della sua struttura a network 3D è intrinsecamente fragile, permette di sfruttare meccanismi addizionali di dissipazione dell’energia, come ad esempio la plasticizzazione della matrice, che possono prevenire un danneggiamento eccessivo del componente o una sua rottura catastrofica. Tenendo poi in considerazione le ingenti problematiche connesse con la pessima interfaccia che si viene a creare tra le fibre naturali idrofile e la matrice polimerica idrofoba e le scarse proprietà meccaniche risultanti, si è deciso di studiare l’effetto di un agente accoppiante a base di anidride maleica, inserito nel master batch della matrice, sulle proprietà quasi statiche e dinamiche delle sole pelli e delle strutture sandwich complessive. Si è visto che se il miglioramento dell’adesione tra fibra e matrice risulta positivo per le proprietà quasi statiche determinando un aumento della rigidezza e della resistenza massima esso gioca un ruolo negativo nella risposta dinamica ad impatto della struttura inducendo un infragilimento del composito a causa dell’inibizione di alcuni meccanismi di dissipazione dell’energia. Alla luce di ciò, anche l’uso dell’agente accoppiante deve essere accuratamente valutato a seconda dell’applicazione del composito se si desidera ottenerne un’ottimizzazione delle prestazioni. Infine, si è provveduto ad effettuare una modellizzazione agli elementi finiti sia del sughero che delle schiume in PVC con l’intento di standardizzare la modellizzazione di un materiale innovativo e relativamente nuovo come il sughero nella speranza di incoraggiare il suo utilizzo su scala industriale dove l’impiego di materiali consolidati è normalmente preferito per ridurre potenziali controindicazioni e dove la possibilità di predire il comportamento di un materiale attraverso una semplice simulazione numerica consente di ridurre notevolmente i costi di produzione.
The Great Pacific Garbage Patch, the climate change, the greenhouse effect are only some of the implications of a thoughtless exploitation of crude oil and chemicals for the production of synthetic materials such as plastics and fibrous reinforcements which are extensively used in many industrial fields and in mass production. The resulting contamination of air, water and soil due to the huge emission of pollutants and to the complex disposal of these non-biodegradable materials, pushed many countries to promulgate more restrictive regulations in the field of waste disposal and emissions. This green tendency, intended to counteract the detrimental effect of industrial production on the environment, encourages the exploitation of bio-based materials from renewable resources with the aims of reducing the carbon footprint of the production process and facilitating the disposal of the component at the end of its life-cycle thanks to a partial or total biodegradability. The present work is part of this eco-friendly framework proposing a green sandwich structure made up with an agglomerated cork core and with polypropylene skins reinforced with a flax/basalt hybrid fabric. The replacement of traditional synthetic foam cores with agglomerated cork would allow to exploit a biodegradable material from renewable resources taking advantage of the wastes derived from wine stopper production, which otherwise would be lost, thus ensuring a full exploitation of the harvested material. Moreover, agglomerated cork is characterized by favorable features like a good acoustic and thermal insulation capability useful to improve energy efficiency in buildings and construction and an outstanding dimensional recovery capacity beneficial to ensure an improved dimensional stability to the overall sandwich structure. Considering that the optimization of weight and mechanical properties is one of the key parameters in sandwich composites design in order to obtain the most performing structure, the influence of agglomerated cork density on the physical, thermal and mechanical properties of the sole core and of the overall sandwich structure was addressed investigating three agglomerated corks with different densities. Moreover, to point out the advantages and the drawbacks connected with agglomerated cork and to legitimate its feasibility as core material, three well established PVC foams with the same densities were subjected to the same experimental campaign carried out on cork in order to provide a good benchmark. The selection of a flax/basalt hybrid fabric as skin reinforcement is intended to preserve the eco-friendliness of the sandwich structure avoiding the massively employed glass fibers and exploiting materials from vegetable and mineral renewable resources. Moreover, the hybridization enables a synergistic exploitation of both fiber types. In particular, basalt fibers add satisfying mechanical performances while flax fibers provide a reduction of laminate weight and its partial biodegradability. If sandwich structures are irreplaceable in many industrial applications thanks to the unique flexural properties together with a low weight that derive from the peculiar design, their high susceptibility to impact events prevents their massive widespread. The degradation of the structural integrity and stability resulting from these occurrences and the corresponding reduction of the residual mechanical properties can make them unreliable. For this reason, the investigation of the impact response of sandwich composites, i.e. damage resistance and damage tolerance, is essential to be aware of the several failure mechanisms that can intervene and how they affect the mechanical performances and the load bearing capabilities of the structure. Considering this flaw that vexes these structures, the second aim of this work is to provide an extensive characterization of the impact response of these novel bio-based composites in order to grant their feasibility in all those industrial fields where impact resistance needs to be included in the design criteria. In order to present a thorough characterization of the impact response of the structures under study, different impact conditions were considered, i.e. puncture impact tests, impact tests with compression after impact (CAI) support and ballistic impact tests. The execution of puncture and CAI impact tests allows to evaluate the influence of different boundary conditions and a potential alteration of the deformation and energy dissipation mechanisms whereas the execution of ballistic impact tests permits to assess the effect of impact mass and velocity moving from low velocity impacts performed with a heavy mass to more localized high velocity impacts performed with a little mass. Moreover, this experimental campaign was carried out not only on the overall structures but also on the sole cores and skins in order to achieve a more accurate understanding of the damage scenario splitting up the impact behavior of the single components and evaluating only at a later time how it evolves as a consequence of composite ensemble. Various parameters such as core density and operating temperature were considered in order to evaluate how structure’s response to impact modifies and a post-impact analysis through non-destructive technique such as profilometry was carried out to support the dynamic analysis of structures and to quantify damage extent. In light of the high importance played by dynamic loading on sandwich structures and of the peerless dimensional recovery of agglomerated cork, further impact investigations, i.e. drop weight tower dynamic compression tests and split Hopkinson pressure bar (SHPB) tests, were carried out on the sole core materials to examine the effect of strain rate, anisotropy, temperature and number of impacts. This latter parameter is of main importance to evaluate the effect of an accumulation of damage over time induced by minor impact events rather than the detrimental effect caused by a single impact. The choice to use polypropylene as polymer matrix in skin manufacture is strictly correlated with the two main goals of the work. From the environmental point of view, polypropylene is not biodegradable, but being a thermoplastic polymer can be easily reprocessed and recycled at the end of its life cycle contrary to thermosetting matrices that can only be disposed and used to waste-to-energy to exploit their heating value. From the damage resistance and damage tolerance point of view, the use of a ductile thermoplastic matrix rather than a thermosetting one, which is intrinsically brittle due to its 3D network structure, allows to introduce additional energy dissipation mechanisms like matrix plasticization that can prevent an excessive damage and the catastrophic failure of the overall structure. Considering the relevant fiber/matrix interface issues between the hydrophilic natural fibers and the hydrophobic polymer matrices and hence the poor resulting mechanical properties, the effect of a maleic anhydride coupling agent, added to the matrix master batch, on the quasi-static and dynamic properties of the sole skins and of the overall sandwich structures was investigated. If the improved fiber/matrix adhesion plays a positive role on the quasi-static properties of both laminates and sandwich panels determining an increase in stiffness and maximum strength, it induces an embrittlement in dynamic impact conditions as some energy dissipation mechanisms are prevented. For this reason, the use or not of coupling agent is another aspect to evaluate carefully depending on composite application to optimize the performances. Finally, a finite element modelling was performed on both agglomerated cork and PVC foam in order to standardize the modelling of an innovative and relatively new material as cork, encouraging its spread at an industrial level where the use of well-established materials is normally preferred to reduce the possibility of setbacks and where the possibility to predict the response of a material through numerical simulation allows to reduce the manufacturing costs.
Description
Keywords
Sandwich structures, Mechanical properties, Dynamic behavior, Bio-based materials, Renewable resources