Materiali compositi a matrice polimerica autodiagnosticanti

The research carried out was focused on the study and production of Composite Smart Material: materials with the dual function: structural and sensor. The materials chosen for this purpose are polymer matrix composites, due to their vast application field and their versatility. The material produced consists of two basic parts: the structural reinforcement consists of glass fibers in epoxy resin and the sensible element consists of a phase-sensitive electrically conductive carbon in the form of unidirectional long fibers or nanoparticles or nanofibers dispersed in epoxy resin. The hybrid composite, realized in the form of rods by a process of pultrusion manual, consisting of the element sensitive internal coaxially coated fiberglass. In all cases the efficiency of smart properties was assessed by correlating the change in electrical resistance of the phase conductor with the load and / or deformation applied to the entire composite. For each type of sensor element have been investigated specific aspects: 1. in the case of sensitive elements in carbon fiber unidirectional one is particularly dwelt on the influence of the amount of exterior glass on the properties of self-diagnosis; 2. in samples with sensitive elements made of nano-particles and carbon nanofibers in epoxy resin was investigated the effect of the type of particles used (surface area, size, aspect ratio, etc..) on the properties of electrical conductivity and self-diagnosis. The results of the sensors with carbon fiber have shown that this type of material is not particularly suitable for continuous monitoring function of the stress, but has interesting applications such as "Sensor Guard" behavior such as "on-off". This is because of the particular mechanism that allows always run a large current passing through rupture of carbon fibers. Research has shown that this behavior may be influenced guard by the amount of glass that covers the sensing element. In particular, the activation of the signal call (electrical resistance equal to infinity) may be faster than the final break of the composite by increasing the amount of glass. The sensors made of carbon nanoparticles have shown great ability but continuous monitoring owing to the fact that in these systems, the electrical conductivity is associated with a percolation model. Increasing load (ie deformation) of the material, the conductive particles are gradually removed from each other allowing you to record a gradual and continuous increase in electrical resistance. In these systems, however, the nature, morphology, size, surface area, etc.. of nano-particles significantly influence the formation of the percolation network, thus also affecting the properties of self-diagnosis. Particles with high surface area showed the best properties of self-diagnosis. In the transition from nanoparticles to nano-carbon fibers did not lead to improvements attests. This particular system has been investigated theoretically since it allows to obtain good electrical conductivity with less quantity of charge thanks to the high aspect ratio of nanofibers, but the manufacturing of the sensing elements was extremely complex. The nanofibers trade, in fact, is provided in the form of aggregated micro and requiring lengthy manipulations with solvents to be broken. Such operations, possibly with small amounts of material, are very difficult and sensitive when applied to larger systems such as pultrusion designed to produce the materials of this trial. The sensors obtained in nano carbon fiber, a compromise between the degree of dispersion of nanofibers in the resin and processability, showed properties very similar to the self of carbon particles with low surface area, not very satisfactory. The materials are more appropriate to the functions of self-diagnosis or those with sensitive element in nanoparticles of carbon with high surface area, were then tested in practical conditions of operation, such as structural reinforcement in concrete beams. The results showed that the materials remain the property of self-made load even if incorporated into systems such as the massive concrete and that, furthermore, due to their sensitivity has been possible to also monitor the stage setting and hardening.

L’attività di ricerca svolta è stata focalizzata sullo studio e la realizzazione di Materiali Autodiagnosticanti: ovvero materiali con la duplice funzione strutturale e di sensore. I materiali scelti per questo scopo sono compositi a matrice polimerica, dato il loro vasto campo applicativo e la loro grande versatilità. Il materiale realizzato consta di due parti fondamentali: il rinforzo strutturale costituito da fibre di vetro in resina epossidica e l’elemento sensibile costituito da una fase elettricamente conduttrice in carbonio in forma di fibre lunghe unidirezionali o nanoparticelle o nanofibre disperse nella resina epossidica. I compositi ibridi, realizzati in forma di tondini mediante un processo di pultrusione manuale, sono costituiti dall’elemento sensibile interno coassialmente rivestito di vetroresina. In tutti i casi l’efficienza dell’autodiagnosi è stata valutata correlando la variazione di resistenza elettrica della fase conduttrice con il carico e/o la deformazione applicati all’intero composito. Per ciascun tipo di elemento sensibile sono stati indagati aspetti precisi: 1. nel caso degli elementi sensibili in fibra di carbonio unidirezionali ci si è particolarmente soffermati sull’influenza della quantità di vetro esterna sulle proprietà di autodiagnosi; 2. nei provini con elementi sensibili realizzati con nano-particelle e nanofibre di carbonio in resina epossidica si è indagato l’effetto della tipologia di particelle impiegate (area superficiale, dimensione, aspect ratio, ecc.) sulle proprietà di conducibilità elettrica e di autodiagnosi. I risultati dei sensori con fibra di carbonio hanno evidenziato che questo tipo di materiale non è particolarmente adatto ad una funzione di monitoraggio continuo della sollecitazione, bensì ha interessanti applicazioni quale “sensore di guardia” con comportamento tipo “on-off”. Ciò a causa del particolare meccanismo di conduzione che consente sempre un cospicuo passaggio di corrente fino alla rottura delle fibre di carbonio. La ricerca ha evidenziato che tale comportamento di guardia può essere influenzato dalla quantità di vetro che riveste l’elemento sensibile. In particolare, l’attivazione del segnale di guardia (resistenza elettrica pari ad infinito) può essere anticipato rispetto alla rottura finale del composito aumentando la quantità di vetro. I sensori realizzati con nanoparticelle di carbonio hanno invece mostrato grande capacità di monitoraggio in continuo, e ciò a causa del fatto che in questi sistemi la conducibilità elettrica è associata ad un modello percolativo. All’aumentare del carico (e quindi della deformazione) del materiale, le particelle conduttrici vengono progressivamente allontanate le une dalle altre consentendo di registrare un graduale e continuo aumento della resistenza elettrica. In questi sistemi, tuttavia, la natura, morfologia, dimensione, area superficiale, ecc. delle nano-particelle influenzando notevolmente la formazione del network percolativo, influenzano conseguentemente anche le proprietà di autodiagnosi. Le particelle ad elevata area superficiale hanno mostrato le migliori proprietà di autodiagnosi. Nel passaggio dalle nanoparticelle alle nano-fibre di carbonio non ha portato i miglioramenti attesti. Questo particolare sistema è stato indagato in quanto consente teoricamente di ottenere buona conducibilità elettrica con minore quantitativo di carica grazie all’elevato aspect ratio delle nanofibre, tuttavia la manifattura degli elementi sensibili è risultata estremamente complessa. Le nanofibre commerciali, infatti, vengono fornite in forma di aggregati micrometrici e che necessitano lunghe manipolazioni con solventi per essere disaggregati. Tali operazioni, possibili con limitate quantità di materiale, sono invece molto difficoltose e delicate quando applicate a sistemi più grandi quali la pultrusione impiegata per realizzare i materiali di questa sperimentazione. I sensori ottenuti in nano fibra di carbonio, frutto di un compromesso tra il livello di dispersione delle nanofibre nella resina e la processabilità, hanno dimostrando proprietà di autodiagnosi molto simili a quelle delle particelle di carbonio con area superficiale bassa, assai poco soddisfacenti. I materiali risultati più idonei alle funzioni di autodiagnosi, ovvero quelli con elemento sensibile in nanoparticelle di carbonio ad elevata area superficiale, sono stati poi provati in condizioni pratiche di esercizio, quali rinforzi strutturali in travi di calcestruzzo. I risultati hanno mostrato che i materiali realizzati conservano le proprietà di autodiagnosi sotto carico anche se inseriti in sistemi massivi come il calcestruzzo e che, inoltre, grazie alla loro sensibilità è stato possibile monitorarne anche la fase di presa ed indurimento.