Il plasma freddo migliora l’incollaggio dei CFRC

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L’impiego di compositi rinforzati con fibre di carbonio (CFRC) è in crescita in molti settori industriali, per la realizzazione di parti ad alte prestazioni come, per esempio, strutture per l’edilizia oppure componenti per l’aeronautica, per i veicoli da competizione o elettrici. Le caratteristiche che li rendono particolarmente apprezzati sono indubbiamente un basso peso specifico e un’elevata resistenza meccanica e alla corrosione, ma anche una grande flessibilità nella lavorazione che permette di realizzare manufatti di forme complesse.

L’incollaggio dei compositi
Generalmente, le parti in materiale plastico rinforzate con fibre vengono integrate nelle strutture mediante fissaggio meccanico o incollaggio. In questa operazione, gli adesivi offrono numerosi vantaggi, il più significativo dei quali è quello di non richiedere la foratura o altre lavorazioni del pezzo in composito. Le tradizionali tecniche di fissaggio meccanico impongono, infatti, la presenza di inserti metallici in cui inserire viti e rivetti, una necessità, questa, che rende più complessa la realizzazione dei pezzi e non permette modifiche in corso d’opera. La tecnica di incollaggio consente inoltre una migliore distribuzione degli sforzi e permette di ottenere giunti durevoli, leggeri ed estetici.
Una delle fasi più importanti della realizzazione di un giunto incollato tra parti in composito a matrice polimerica è il pre-trattamento della superficie, imposto dalla bassa energia superficiale tipica proprio dei polimeri. La preparazione consigliata dalla normativa di riferimento per gli aderendi compositi consiste semplicemente in una pulizia con solvente – per rimuovere sporco, olio e distaccanti – seguita da un’operazione di abrasione meccanica.

Trattamenti non convenzionali
Molti studi sono stati condotti sulla preparazione dei materiali compositi, anche utilizzando tecniche non convenzionali, come i trattamenti laser o plasma. In particolare, l’obiettivo del trattamento al plasma è la funzionalizzazione delle superfici, in modo da aumentare l’energia superficiale e favorire l’adesione, fornendo interazioni specifiche all’interfaccia adesivo-aderendo, coinvolgendo solo gli strati superficiali di materiale e lasciando inalterate le proprietà meccaniche generali, adottando tra l’altro temperature di processo poco elevate, che non danneggiano eventuali substrati degradabili. Un indiscutibile vantaggio rispetto all’abrasione, che potrebbe invece causare danneggiamenti alle fibre del composito.
Nel seguito, verranno illustrati i risultati di uno studio sperimentale, condotto con la finalità di analizzare le potenzialità del trattamento al plasma freddo nella modifica delle proprietà di adesione di materiali compositi a matrice polimerica. Tali risultati sono stati poi correlati alla bagnabilità superficiale e alla resistenza al taglio di giunti incollati.

La campagna sperimentale
Il substrato oggetto dello studio è un materiale composito a matrice epossidica, rinforzata con fibre di carbonio. Nel corso delle prove sono stati confrontati due tipi di trattamento preliminare della superficie: un processo di abrasione standard e un trattamento al plasma freddo. In entrambi i casi, i pezzi sono stati sottoposti a una pulizia preliminare con un panno imbevuto di acetone. Alcuni campioni non sottoposti ad alcuna preparazione e solo sgrassati sono stati utilizzati come base per il confronto. Lo scopo era valutare le prestazioni, in termini di caratteristiche superficiali e di resistenza al taglio, dei giunti che avevano subito un trattamento superficiale al plasma freddo, e quindi di stabilire l’efficacia di tale trattamento rispetto alle tradizionali tecniche di preparazione superficiale.
Il trattamento al plasma è stato effettuato con un reattore al plasma freddo in bassa pressione da tavolo (Tucano di Gambetti Kenologia), utilizzando aria come gas. Il dettaglio dei parametri delle prove sperimentali è riportato sotto:

Potenza (W) = 100, 200
Tempo di esposizione (s) = 5, 30, 60, 180, 300, 450, 600

Valutazione dell’energia superficiale
Il confronto fra i vari trattamenti è avvenuto dapprima mediante la valutazione dell’energia superficiale degli aderendi. Infatti, un parametro significativo riguardo alla predisposizione di una superficie a essere incollata efficacemente è la bagnabilità: se l’adesivo bagna in modo ottimale la superficie, l’area di contatto aumenta e di conseguenza il giunto può sopportare carichi maggiori. Per misurare la bagnabilità si è depositata sulla superficie una goccia di acqua demineralizzata, quindi sono state scattate delle macrografie e, tramite un programma di acquisizione di immagini, si è misurato l’angolo di contatto (α) tra substrato e goccia di liquido.

Realizzazione dei giunti incollati
Una volta terminate le indagini sulle caratteristiche delle superfici, sono state realizzate le giunzioni a singola sovrapposizione, le cui dimensioni e caratteristiche sono illustrate nella figura 1. L’adesivo utilizzato è il DP270 della 3M, un epossidico bicomponente, scelto per la sua affinità con la matrice del substrato.

1 Geometria e dimensioni dei giunti incollati a singola sovrapposizione
1 Geometria e dimensioni dei giunti incollati a singola sovrapposizione

La campagna di prove ha visto la realizzazione di cinque giunti a singola sovrapposizione, con provini non sottoposti a preparazione, e altri cinque con provini sgrassati con acetone. I risultati ottenuti dalle trazioni di tali giunti costituiscono un termine di paragone sulla base del quale valutare l’eventuale miglioramento ottenuto in seguito a un trattamento di abrasione meccanica (con carta abrasiva grana 240) o con plasma. Per quanto riguarda i provini trattati con plasma, si sono realizzate cinque ripetizioni per ogni combinazione tempo-potenza considerata; tali combinazioni sono state scelte di volta in volta alla luce dei risultati ottenuti.
La verifica della resistenza è stata effettuata sollecitando a taglio i giunti incollati, secondo normativa ASTM D 3163, adottando una velocità di movimento della traversa costante e pari a 1,3 mm/min.

Analisi dei risultati delle prove sperimentali
Le prove effettuate hanno messo in luce un sostanziale incremento delle proprietà di adesione del materiale trattato al plasma, evidenziate da un incremento sia della bagnabilità sia della resistenza meccanica dei giunti incollati.

2 Andamento dell’angolo di contatto in funzione del tempo di trattamento al plasma
2 Andamento dell’angolo di contatto in funzione del tempo di trattamento al plasma

La figura 2 riporta l’andamento dell’angolo di contatto tra goccia di liquido e substrato in funzione del tempo di esposizione al plasma, effettuata a due livelli di potenza, pari a 100 W e 200 W. Le linee orizzontali riportate nel grafico corrispondono al valore dell’angolo di contatto misurato su giunti privi di preparazione preliminare, solo sgrassati e abrasi.
Risulta evidente che il processo di abrasione meccanica o il solo sgrassaggio con solvente non sono sufficienti ad accrescere la bagnabilità superficiale del substrato. Al contrario, il trattamento al plasma porta a un sensibile decremento dell’angolo di contatto e quindi a un aumento dell’energia superficiale del composito, già per tempi brevissimi. Tale fenomeno è essenzialmente dovuto alla profonda rimozione di agenti contaminanti dal substrato e all’effetto di attivazione superficiale operato dal plasma.
A titolo di esempio, si riporta il confronto delle immagini di due gocce di liquido depositate su un substrato non sottoposto trattamento preliminare (figura 3a) e trattato al plasma per cinque secondi a una potenza di 100 W (figura 3b).

3 Bagnabilità del materiale non trattato (a, in alto) e del materiale trattato al plasma (b, in basso)
3 Bagnabilità del materiale non trattato (a, in alto) e del materiale trattato al plasma (b, in basso)

Nella figura 4 viene illustrato l’andamento della tensione di taglio che ha provocato la rottura dei giunti in funzione del tempo di trattamento al plasma per due livelli di potenza. Ogni punto della curva rappresenta la resistenza media dei cinque giunti realizzati con un determinato abbinamento tempo-potenza. Nuovamente, nel grafico sono state inserite le linee orizzontali relative al valore medio della forza di rottura dei giunti non trattati, solo sgrassati e abrasi.

4 Andamento della resistenza a taglio in funzione del tempo di trattamento al plasma
4 Andamento della resistenza a taglio in funzione del tempo di trattamento al plasma

Dal grafico emerge l’importanza del trattamento superficiale degli aderendi al fine di ottenere giunzioni di buona qualità e di sfruttare il più possibile le caratteristiche dell’adesivo. I risultati dimostrano infatti che, senza pre-trattamento della superficie, i giunti presentano una bassissima resistenza al taglio, ma che è possibile aumentarla di tre volte solo sgrassando la superficie prima dell’incollaggio.
Il trattamento meccanico di abrasione ha dato buoni risultati in termini di resistenza. Pur nella sua validità, tale trattamento richiede tuttavia una grande attenzione nell’esecuzione al fine di non intaccare le fibre di rinforzo.
Il trattamento al plasma a una potenza di 100 W non è risultato sufficiente a raggiungere valori di resistenza più elevati di quelli ottenuti con il trattamento di abrasione; passando a una potenza di 200 W, con un tempo di esposizione al trattamento di 60 secondi, è stato invece possibile ottenere proprietà meccaniche migliori di quelle dei provini abrasi. Dalle prove è emerso inoltre che, a una potenza di 200 W, la resistenza al taglio aumenta fino a un’esposizione di 450 secondi, mentre per tempi di esposizione più lunghi l’effetto è negativo e la resistenza diminuisce. Osservando la superficie esposta all’azione del plasma per 600 secondi si nota infatti un’alterazione dell’aspetto superficiale.
I risultati della ricerca evidenziano chiaramente che le variabili di trattamento al plasma, quali potenza e tempo di esposizione, influenzano significativamente le proprietà meccaniche dei giunti incollati. Trovando la combinazione ottimale di queste variabili è possibile migliorare notevolmente la bagnabilità degli aderendi e la resistenza meccanica dei giunti, senza pericolo di intaccare le fibre di rinforzo.

Una soluzione valida
Riassumendo, dalla campagna di prove sperimentali relative al trattamento superficiale mediante plasma freddo di substrati in materiale composito a matrice epossidica rinforzato con fibra di carbonio emerge che:
• la bagnabilità della superficie migliora all’aumentare del tempo di esposizione al plasma, come mostrato dalla riduzione dell’angolo di contatto; ciò è dovuto alla rimozione pressoché totale di sostanze inquinanti e all’attivazione della superficie;
• la resistenza al taglio dei giunti aumenta al crescere della potenza e del tempo di esposizione della superficie su cui è applicato l’adesivo; è possibile superare il valore di resistenza al taglio ottenuto con giunti preparati mediante abrasione meccanica anche per tempi di esposizione piuttosto brevi (60 secondi).
Questi risultati evidenziano la necessità di una corretta preparazione superficiale quando siano richieste giunzioni caratterizzate da una resistenza elevata, ma anche che il plasma costituisce una valida alternativa ai trattamenti superficiali tradizionali, per l’incollaggio di materiali a bassa energia superficiale.

Ringraziamenti
Gli autori ringraziano Gambetti Kenologia per la fornitura del reattore al plasma e 3M Italia per aver messo a disposizione l’adesivo utilizzato nell’ambito del presente studio.

Bibliografia
1 E. M. Petrie “Handbook of adhesive and sealants”, McGraw-Hill, 2000
2 C. Gambaro, E. Lertora “Dispense del corso per European Adhesive Bonder”, 2011
3 M.E.R. Shanahan, C. Bourges-Monnier “Effects of plasma treatment on the adhesion of an epoxy composite”, International Journal of Adhesion & Adhesives, 16, 1996, pag. 129-135
4 C. Mandolfino, E. Lertora, C. Gambaro, M. Bruno “Improving adhesion performance of polyethylene surfaces by cold plasma treatment”, Meccanica, 49, 2014
5 M.R. Gude, S.G. Prolongo, A. Ureña “Adhesive bonding of carbon fiber/epoxy laminates: Correlation between surface and mechanical properties”, Surface & Coatings Technology, 207, 2012, pag. 602-607

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