Il PRFV (Polimeri Rinforzati con Fibre di Vetro), comunemente conosciuto come vetroresina, è un materiale composito formato da:
- una matrice in resina poliestere termoindurente
- un rinforzo in fibre continue di vetro
La matrice di resina assicura una elevata resistenza alla corrosione mentre la fibra di vetro conferisce una elevata resistenza meccanica, dando al composito caratteristiche chimiche e meccaniche che lo rendono adatto a molteplici applicazioni, dal settore industriale a quello edilizio e delle infrastrutture.
Resine termoindurenti: la matrice del PRFV
Le resine termoindurenti sono una classe di polimeri che, una volta induriti tramite riscaldamento o reazione chimica, formano una struttura tridimensionale rigida e irreversibile. A differenza delle resine termoplastiche, che possono essere rifuse più volte, le resine termoindurenti non possono essere rimodellate dopo il processo di indurimento.
Le resine termoindurenti sono costituite da monomeri o prepolimeri reattivi che, in presenza di calore, catalizzatori o agenti indurenti, formano legami covalenti incrociati.
Le resine poliesteri nascono dalla reazione (esterificazione) tra due tipi di monomeri: un poli-acido e un poli-alcol (glicole). Si forma il legame estere (-COO-). La presenza di “insaturazioni” (doppi legami C=C) è fondamentale per l’indurimento.
Si ottiene, così, un polimero disciolto in un monomero reattivo (solitamente stirene).
Tipologie di resine termoindurenti usate nel PRFV
Le principali resine poliestere utilizzate nella produzione di vetroresina – PRFV di M.M. sono:
- Resina ortoftalica
Standard e più comune, si basa sull’uso di anidride ftalica. Buon compromesso tra costo e prestazioni. - Resina isoftalica
Offre una maggiore resistenza chimica rispetto alla ortoftalica. Utilizza acido isoftalico come componente acido. - Resina vinilestere
Ha una struttura chimica ibrida tra resina epossidica e poliestere. È la più resistente, ideale per ambienti altamente corrosivi.
Classifica delle resine per resistenza chimica:
VINILESTERE > ISOFTALICA > ORTOFTALICA
Questa gerarchia è direttamente legata alla vulnerabilità dei legami esteri. Le resine vinilesteri, avendone di meno e protetti all’interno della catena principale, offrono la massima protezione, rendendole la scelta ideale per le applicazioni più severe.
Fibre di vetro: il rinforzo nel PRFV
I rinforzi della matrice polimerica sono tipicamente fibre di vetro. Le fibre di vetro sono prodotte attraverso un processo di filatura da fusione di materie prime (sabbia silicea, calcare, caolino, ecc.) ad alte temperature di circa 1300-1500°C.
Tipologie di fibre di vetro
- Vetro E (“Electrical”): È il tipo più diffuso. Composto da silicati di calcio-alluminio-boro. Offre buone proprietà meccaniche, elettriche ad un costo contenuto.
- Vetro S (“Strength”): Caratterizzato da un alto contenuto di silice e allumina. Sviluppato per applicazioni che richiedono maggiore resistenza alla trazione, modulo elastico e resistenza alle alte temperature rispetto al vetro E.
- Vetro C (“Chemical”): offre un’eccellente resistenza alla corrosione chimica, grazie ad un alto contenuto di ossido di calcio e di boro. Specifico per ambienti chimici aggressivi. Ottima resistenza alla corrosione.
Le fibre di vetro si presentano in diverse forme, adatte a vari processi produttivi:
- Roving
Fasci di filamenti continui, ideali per avvolgimento filamentare (fliament winding) e pultrusione- Mat (stuoie)
Strati di fibre orientate in modo casuale (chopped strand mat) o orientate (stitched mat), usate spesso nella laminazione a mano o RTM.- Tessuti
Fibre tessute in diverse trame (plain, twill, satin) per ottenere specifiche proprietà meccaniche e direzionali.- Fibre tagliate (chopped fibers)
Fibre di lunghezza definita, utilizzate per stampaggio a iniezione o compounding (miscelazione)
Proprietà del PRFV
Elevato rapporto
resistenza/peso
Caratteristiche meccaniche della vetroresina
Caratteristiche termiche
del PRFV
Comportamento
al fuoco
Resistenza agli agenti chimici e ambientali
Caratteristiche elettriche del PRFV
Comportamento
igroscopico
Durabilità e
invecchiamento
Elevato rapporto resistenza/peso
Una delle qualità più rilevanti della vetroresina – PRFV è l’eccellente rapporto tra resistenza meccanica e peso specifico. Grazie al rinforzo con fibre di vetro, il materiale presenta una resistenza alla trazione e alla flessione paragonabile a quella di alcuni metalli, mantenendo però una densità notevolmente inferiore. Questo consente di realizzare strutture leggere ma robuste, con vantaggi significativi in termini di facilità di movimentazione, riduzione dei carichi statici e dinamici, nonché minori costi di trasporto e montaggio.
Confronto con altri materiali*
| Materiale | Resistenza a trazione (MPa) | Densità (g/cm³) | Rapporto σ/ρ (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Acciaio | ~500–800 | ~7,8 | ~64–103 |
| Alluminio | ~300–550 | ~2,7 | ~111–204 |
| PRFV | ~400–1200 | ~1,5–2,0 | ~200–800 |
Caratteristiche meccaniche del PRFV
Le resistenze meccaniche della vetroresina – PRFV dipendono dall’effetto combinato del contenuto e dell’orientamento del rinforzo di fibre di vetro, ma anche da tipo di resina e dall’accuratezza delle lavorazioni. All’aumentare della percentuale di rinforzo vetroso aumentano il carico di rottura, sia a trazione che a flessione, e la resistenza agli urti.
Per quanto riguarda l’orientamento delle fibre la massima resistenza si ottiene quando tutti i fili sono disposti parallelamente l’uno accanto all’altro (disposizione unidirezionale); se i fili sono disposti in eguale misura ad angoli retti fra loro, la resistenza è minore ma ancora considerevole (disposizione ortogonale); se i fili sono disposti senza orientamento preferenziale la resistenza è uguale in tutte le direzioni (disposizione isotropa).
Quanto più ordinata è la disposizione delle fibre maggiore è il contenuto vetroso ottenibile e quindi la resistenza meccanica.
Il PRFV presenta una buona resistenza all’urto, grazie alla capacità delle fibre di assorbire energia e distribuire le sollecitazioni. Il PRFV non si deforma permanentemente, a differenza dell’acciaio che può deformarsi permanentemente (fase plastica). Il PRFV ha una buona durezza superficiale e un discreto comportamento all’usura abrasiva, che lo rende adatto per applicazioni strutturali e componenti soggetti a stress meccanico moderato. Il materiale mostra buone caratteristiche di resistenza alla fatica, soprattutto se le fibre sono orientate nella direzione delle sollecitazioni cicliche
Caratteristiche termiche del PRFV
Il PRFV presenta una bassa conducibilità termica, tipicamente compresa tra 0,2 e 0,4 W/m·K, a seconda della percentuale e dell’orientamento delle fibre di vetro. Questo lo rende un ottimo isolante termico rispetto a metalli e leghe (k = 36-54 W/m°C), motivo per cui è impiegato in applicazioni in cui è richiesta la riduzione della trasmissione di calore.
Il coefficiente di dilatazione termica lineare (CTE) è influenzato dal contenuto e dall’orientamento delle fibre: è inferiore nella direzione di queste ultime. Significativo è il confronto con l’acciaio: il coefficiente di espansione termica lineare del PRFV è 1,5×105/°C, quello dell’acciaio ben 12×10−6 /°C. Un tanto assume grande rilevanza, sia in fase di progettazione sia di posa in opera, soprattutto nella realizzazione delle giunzioni.
La temperatura di deflessione sotto carico (HDT – Heat Distortion Temperature) del PRFV varia in funzione del tipo di resina. I grigliati assicurano un a conservazione delle caratteristiche meccaniche per una esposizione continua per temperature fino a 105 °C (resina vinilestere).
Comportamento al fuoco
Per i compositi in resina poliestere, la matrice polimerica è il principale responsabile della reazione al fuoco, essendo un materiale organico e combustibile. Le fibre di vetro, essendo inorganiche, non bruciano, ma la loro integrità meccanica può essere compromessa dalle alte temperature. Il comportamento al fuoco dei compositi in resina poliestere può essere significativamente migliorato tramite l’aggiunta di ritardanti di fiamma. Questi additivi agiscono con diversi meccanismi per inibire la combustione. La M.M. utilizza come ritardante di fiamma idrossido di alluminio che si decompone a circa 180 °C, assorbendo una notevole quantità di calore nel processo e sprigionando vapore acqueo. Oltre a comportarsi come ignifugo, è molto efficace come soppressore del fumo. Non vengono utilizzati alogeni.
I grigliati IFR di M.M. sono classificati livello Bfl – s1 secondo la norma EN 13501-1. I grigliati IFR sono stati valutati anche per il parametro del gocciolamento che descrive la perdita di gocce fuse di prodotto o la produzione di particelle ardenti prima e successivamente la combustione classificandosi livello d0, ossia nessun gocciolamento.
Resistenza agli agenti chimici e ambientali
Una delle caratteristiche più vantaggiose del PRFV è la sua elevata resistenza alla corrosione. Questo materiale è ampiamente utilizzato in alternava all’acciaio in ambienti aggressivi, come impianti chimici e infrastrutture soggette a esposizione salina o agenti atmosferici.
La corrosione, nel caso dei metalli, è un processo elettrochimico in cui il materiale tende a tornare a una forma più stabile (come l’ossido). I polimeri non si “corrodono” in questo senso, ma subiscono un processo di degradazione chimica. Agenti come acidi, basi, solventi o anche l’acqua possono attaccare i legami chimici del polimero, spezzando le catene e indebolendo il materiale.
Nei compositi la fitta rete di legami covalenti crea una struttura molto stabile e compatta (Reticolo Tridimensionale). Per un agente chimico aggressivo, penetrare questa barriera e trovare un punto debole da attaccare è estremamente difficile. La natura stessa del reticolo rende il materiale insolubile. Mentre un polimero non reticolato può essere “sciolto” da un solvente adatto, un termoindurente al massimo può subire un leggero rigonfiamento, ma non si dissolverà.
Caratteristiche elettriche del PRFV
I prodotti in vetroresina possiedono caratteristiche dielettriche che li rendono eccellenti isolanti elettrici.
I test di Resistività e resistenza elettrica di superficie Rs e trasversale Rt, Resistività e resistenza elettrica di sicurezza verso terra modello corpo umano, Rigidità dielettrica con tensione nominale hanno evidenziato una resistività maggiore di 200 MΩ, assorbimento di corrente di circa 300 μA: il materiale può essere definito un ottimo isolante, conforme alle norme di sicurezza.
Comportamento igroscopico
La vetroresina – PRFV ha una moderata capacità di assorbimento d’acqua, influenzata principalmente dalla natura igroscopica della matrice polimerica. L’assorbimento d’acqua può variare tra 0,1% e 1,0% in peso, a seconda delle condizioni ambientali e del tipo di resina, influenzando nel tempo alcune proprietà meccaniche.
Durabilità e invecchiamento
La vetroresina – PRFV mostra una buona durabilità nel tempo, mantenendo le sue proprietà fisiche e meccaniche anche dopo anni di esposizione. Possono essere aggiunti additivi stabilizzanti o rivestimenti protettivi per migliorare la stabilità cromatica in caso di esposizione ai raggi UV.
Che tecnologie produttive usa M.M.?
Grigliati in vetroresina: il processo produttivo
La produzione dei grigliati in PRFV di M.M. avviene tramite due principali tecnologie:
- RTM (Resin Transfer Moulding), ovvero stampaggio a iniezione
- HLU (Hand Lay Up)
In entrambi i casi, il processo si basa sulla stesura della fibra di vetro in roving all’interno di uno stampo. La fibra viene disposta a formare un reticolo, sovrapponendo più strati:
- nella tecnologia RTM, la fibra è stesa asciutta
- nella tecnologia HLU, è già impregnata di resina
Una volta terminata la stesura:
- nella produzione RTM, si procede con l’iniezione della resina all’interno dello stampo.
L’iniezione deve essere lenta e controllata per garantire la completa impregnazione delle fibre;- nella produzione HLU, si procede con la colata di resina che va a riempire lo stampo.
Il grigliato finito risulta composto da un reticolo di travi monolitico. Le travi sono ortogonali tra loro e hanno la stessa resistenza meccanica.
Profili in PRFV: la tecnologia della pultrusione
La produzione dei profili in PRFV si basa su una tecnologia industriale detta pultrusione (da pull + extrusion), ovvero un processo di estrusione per trazione.
Questa tecnologia consente di ottenere, in modo continuo, manufatti in composito, anche con elevata percentuale di rinforzo, in forme a sezione costante, semplice o complessa.
Il processo di pultrusione:
- le fibre di vetro vengono trainate da un sistema meccanico attraverso una vasca di impregnazione, dove assorbono la resina termoidurente;
- le fibre impregnate vengono tirate all’interno di uno stampo riscaldato, dove ha luogo la polimerizzazione;
- la forma finale viene data nella trafila sagomata dello stampo;
- il componente esce solidificato, senza subire una spinta, ma grazie al tiro continuo applicato.
Confronto tra grigliati metallici e grigliati/carpenterie in vetroresina – PRFV
I grigliati metallici, così come le varie carpenterie in acciaio, sono la tipologia probabilmente più nota. Da sempre utilizzati, soprattutto perché garantiscono un basso investimento economico, i grigliati e le carpenterie metalliche presentano alcuni aspetti negativi non riscontrabili negli analoghi prodotti in vetroresina soprattutto considerandone l’intero arco di vita.
Quanto costa la vetroresina – PRFV rispetto al metallo?
A differenza dei grigliati e delle carpenterie in PRFV, infatti i prodotti metallici fanno registrare:
- costo elevato di taglio/sagomatura
- costo elevato di installazione
- costo di manutenzione legato alla scarsa resistenza chimica e agli agenti atmosferici
- costo di trasporto più elevato legato alla maggiore pesantezza del materiale
- costo maggiore di messa a terra laddove necessaria per rischio elettrocuzione
- costo di inquinamento legato al possibile rilascio di sostanze pericolose.
- costo legato alla sicurezza, poiché non hanno la superficie antiscivolo
