19.12.2022 by Dr. Chiara Baldini
60 anni di NETZSCH-Gerätebau: Come ottimizzare la polimerizzazione dei compositi
Nell'ambito dei festeggiamenti per il nostro 60° anniversario, che a dicembre si concentra sulle soluzioni software, oggi vogliamo ripercorrere un caso di successo. Questo articolo è stato realizzato grazie alla collaborazione con Blacks S.r.l., un'azienda italiana specializzata nella progettazione, prototipazione e produzione di componenti in materiali compositi avanzati come carbonio, vetro, fibre aramidiche e tessuti ibridi attraverso la laminazione a mano e laPolimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione in autoclave.
Kinetics Neo - Una storia di successo:
Di seguito, riassumiamo l'intera storia con la Dott.ssa Chiara Leonardi, Responsabile Ricerca e Sviluppo di Blacks.
"Alcuni anni fa, abbiamo deciso di ampliare il nostro laboratorio acquistando sia un DSC che un TGA da NETZSCH, al fine di controllare sia i preimpregnati che i prodotti polimerizzati. La nostra esigenza quotidiana è quella di eseguire misure di routine sulle materie prime in ingresso, sull'invecchiamento dei preimpregnati, sulle transizioni vetrose, sul contenuto di fibre e sul grado diPolimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione dei nostri prodotti finali, solo per citare alcuni esempi", afferma il dott. Leonardi.
Nel 2018, Blacks ha affrontato una nuova sfida: gli è stato chiesto di produrre un cerchio da bicicletta in carbonio. Il grado diPolimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione previsto è stato fissato al 95%, per garantire i livelli di prestazione meccanica e termica richiesti dal cliente. Questo valore è stato definito dopo la caratterizzazione iniziale del preimpregnato selected eseguita dal laboratorio di analisi termica di Blacks.
Quando è iniziata la fase di produzione, Blacks ha capito che era necessario trovare un ciclo termico adatto a raggiungere due obiettivi principali: raggiungere il target diPolimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione prefissato e ridurre i tempi di processo.
"Il nostro approccio consiste nell'applicare, innanzitutto, il ciclo diPolimerizzazione (reazioni di reticolazione)Tradotto letteralmente, il termine "crosslinking" significa "reticolo incrociato". Nel contesto chimico, viene utilizzato per le reazioni in cui le molecole vengono collegate tra loro introducendo legami covalenti e formando reti tridimensionali. polimerizzazione suggerito nella scheda tecnica del prepreg. Così è stato per il consolidamento in autoclave del primo prototipo di cerchio, il 'SN1'. Tuttavia, questa prima produzione ha mostrato la necessità di una post-cura per raggiungere il livello di reticolazione desiderato", ricorda il Dr. Leonardi.
Per qualificare il livello di polimerizzazione raggiunto, sono state eseguite misure DSC con il DSC 214 Polyma sia sulla resina non polimerizzata (prepreg) per valutare l'entalpia totale di polimerizzazione di questo materiale (Htot), sia - nelle stesse condizioni - su un campione SN1 per misurare la polimerizzazione residua (Hres).
La Figura 1 mostra le curve DSC e i segnali di polimerizzazione esotermica valutati per le due misure.
Il grado di polimerizzazione (α) è stato calcolato con la seguente equazione:
Per SN1, il valore α è risultato pari al 94,5%, quindi inferiore a quello desiderato.
Come raggiungere il grado di polimerizzazione desiderato?
In assenza di altre informazioni utili, il metodo classic valuta se aumentare la temperatura massima o prolungare il tempo del segmento IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico.
Questo approccio per tentativi ed errori, tuttavia, richiede tempo, lunghi tempi di inattività dell'autoclave e un elevato consumo di materie prime. Inoltre, non è sempre sfruttabile: Ad esempio, la scelta della temperatura massima è limitata dalla temperatura di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione della resina stessa.
È qui che entra in gioco il know-how di NETZSCH.
"Abbiamo deciso di produrre un secondo prototipo di cerchio applicando un ciclo di polimerizzazione simile al primo, ma con una stasi prolungata. Sebbene questo ciclo raggiungesse il grado di polimerizzazione desiderato, il tempo totale del ciclo risultante, 8 ore, era troppo lungo per le nostre capacità produttive", continua il Dr. Leonardi. "Pertanto, abbiamo chiesto a NETZSCH di aiutarci a trovare un profilo termico nuovo e più veloce. Abbiamo eseguito alcune nuove misurazioni DSC sul preimpregnato e abbiamo passato i dati a NETZSCH, che ha eseguito la magia con il suo software Kinetics Neo"
Per eseguire studi cinetici, di solito sono necessarie almeno tre diverse rampe di riscaldamento o tre diverse temperature isoterme per una misurazione completa dell'analisi termica.
In questo caso, Blacks ha deciso di applicare rampe dinamiche alla velocità di 1, 2, 5 e 10 K/min. I termogrammi valutati risultanti sono illustrati nella Figura 2.
Esecuzione di studi cinetici e previsione del comportamento del materiale
Per prevedere il comportamento della polimerizzazione per diversi scenari di processo, i dati DSC misurati alle quattro diverse rampe di riscaldamento sono stati caricati nel software NETZSCH Kinetics Neo, che all'epoca era stato appena sviluppato.
La Figura 3 mostra l'adattamento della conversione come risultato dell'applicazione dell'approccio senza modello, scelto tra quelli disponibili nel software: Si tratta di una nuova tecnica matematica chiamata "Ottimizzazione numerica", ideata da NETZSCH per supportare gli utenti senza esperienza nella simulazione cinetica e nell'industria in generale, dove le valutazioni che richiedono molto tempo spesso non sono compatibili con le esigenze di produzione.
Inoltre, per evitare il surriscaldamento e quindi il danneggiamento del materiale, la velocità massima di reazione è stata limitata nel software, per garantire che il suo valore non superasse mai quello misurato per il ciclo di polimerizzazione utilizzato per produrre il prototipo SN2.
Il tempo totale per il nuovo ciclo di polimerizzazione è risultato essere di 260 minuti; rispetto ai 480 minuti del precedente, questo sembra davvero promettente per un risparmio di tempo nella produzione.
Ma che dire del grado di polimerizzazione desiderato?
Tempi più brevi, migliore efficienza di polimerizzazione
Blacks si è affidato al nuovo ciclo di polimerizzazione ottimizzato e ha deciso di applicarlo alla produzione di un terzo prototipo (SN3).
"Quando abbiamo testato il grado di polimerizzazione tramite DSC, come avevamo fatto per i due cerchi precedenti, ci siamo resi conto che il ciclo di polimerizzazione ottimizzato dalla cinetica non solo ci ha permesso di dimezzare quasi il tempo di produzione, ma anche di migliorare ulteriormente il grado di polimerizzazione. Un vero e proprio lieto fine", conclude il dottor Leonardi.
In effetti, il ciclo di produzione in autoclave del cerchio per bicicletta in CFRP di Blacks S.r.l. è stato ridotto del 46% in termini di tempo rispetto al ciclo precedente, che aveva raggiunto l'obiettivo di polimerizzazione desiderato; inoltre, ha persino superato il grado di polimerizzazione desiderato (con un risultato finale del 96,1%), evitando al contempo il surriscaldamento.
La Figura 4 mostra il confronto di tutti i dati rilevanti per la produzione di ciascun cerchio per bicicletta in un colpo d'occhio.
Questo caso di studio ha dimostrato chiaramente come sia possibile ottimizzare i cicli di produzione con un approccio combinato DSC-cinetica. Rispetto alla produzione per tentativi, la caratterizzazione e la simulazione dei materiali sono molto più efficienti e richiedono solo pochi milligrammi di resina, consentendo così all'industria dei compositi di risparmiare sia sulle materie prime che sui tempi di produzione.
Ringraziamenti
La collaborazione tra Blacks S.r.l. e NETZSCH si è estesa ad altre aree ed è tuttora attiva. La dott.ssa Chiara Leonardi è stata spesso nostra ospite in conferenze, seminari e webinar.
Il caso di studio "Curing Optimization" è stato inoltre presentato in tutto il mondo e pubblicato sulla rivista Compositi (numero di dicembre 2018: pagine 20-28). Qui è possibile leggere l'articolo completo per approfondire questo progetto.
Inoltre, Blacks è in continua crescita: la quinta edizione dell'indagine "Champions of Growth" dell'Istituto tedesco ITQF Quality ha riconosciuto Blacks tra le 800 aziende che hanno guidato la ripresa economica di quest'anno, con un tasso di crescita medio annuo superiore all'11,3% nel triennio 2018-2021.
Questo riconoscimento ha riaffermato il loro continuo impegno nella ricerca dell'eccellenza e dell'innovazione. Sembra proprio che Blacks condivida la nostra visione di eccellenza comprovata!
Ci congratuliamo con il nostro cliente e ringraziamo ancora una volta la dott.ssa Chiara Leonardi per il supporto, in attesa di affrontare insieme nuove sfide.
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Per ulteriori informazioni su come utilizzare il nostro software Kinetics Neo per modellare il processo di polimerizzazione, visitate la sezione del sito web dedicata sezione del sito web dedicata.
Se siete interessati a vedere la registrazione del webinar presentato dalla dott.ssa Chiara Leonardi, contattate direttamente la nostra filiale italiana via e-mail: info.niv@NETZSCH.com