Il nuovo studio sui vantaggi dell’ossido di grafene nei compositi in carbonio

Uno studio accademico dei ricercatori indiani della University of Petroleum and Energy Studies (UPES) e del Dipartimento di Energia industriale dell’Università di Salerno ha esaminato gli effetti dell’ossido di grafene nei compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio (CFRP).

Secondo la ricerca scientifica, pubblicata ad aprile sulla rivista Polymers, incorporare forme nanostrutturate di carbonio come l’ossido di grafene migliora in questi compositi le prestazioni:

  • meccaniche
  • termiche
  • elettriche

Un’aggiunta che, scrive il team di ricercatori, permette anche di risparmiare energia nella produzione dei compositi CFRP.

 

L’aderenza tra matrice e fibra da migliorare nei CFRP

Questi compositi vengono impiegati per la loro leggerezza e ultra-resistenza in una varietà di applicazioni come aerei, automobili e nel settore sportivo. Inserire superfici in fibra di carbonio su una matrice polimerica, come nel caso dei CFRP, presenta però lo svantaggio di fragilità e interazione debole tra le interfacce, con il rischio di cedimenti dei compositi.

L’ossido di grafene, una macromolecola 2D costituita da diversi gruppi funzionali polari come idrossile, carbossile e carbonile sui piani basali e sui bordi, tende ad aumentare l’area superficiale. Di conseguenza, applicata tra la fibra e la matrice la nanostruttura contribuisce a migliorare le proprietà del CFRP. In particolar modo l’adesione interfacciale tra la fibra e la matrice.

L’azione di rinforzo dell’ossido di grafene

La struttura stessa delle nanoparticelle in ossido di grafene è grado di creare una forte interazione di rinforzo. Dall’analisi e dalla revisione di 91 documenti della letteratura in materia, è emerso per esempio che i gruppi idrossilici e carbossilici forniscono alle fibre spazi aperti per facilitare un maggiore incastro con la matrice polimerica.

Nell’articolo si illustra anche il miglioramento dell’ossido di grafene delle proprietà meccaniche, termiche, elettriche e visco-elastiche di questi compositi rinforzati in carbonio. Numerosi studi hanno infatti esplorato negli anni l’utilizzo di nanostrutture per:

  1. accrescere le prestazioni meccaniche dei compositi CFRP
  2. introdurre proprietà funzionali come autorigenerazione, autorilevamento e sbrinamento.

In particolare, l’incorporazione di nanoparticelle a base di grafene può migliorare ulteriormente alcune proprietà a seconda della gestione termica e può ridurre il contenuto di umidità dei compositi a base di resina.

 

Meno energia dispersa durante la produzione

Più in generale, aumentare l’adesione tra polimero e fibre di carbonio gioca un ruolo fondamentale nel migliorare le prestazioni complessive del composito, in termini di flessibilità e resistenza. Consentendo anche un assorbimento più efficace di energia del materiale, quindi evitandone la dispersione nella produzione.

La sfida, sottolineano gli autori della ricerca, è raggiungere ora una distribuzione uniforme delle nanoparticelle nella struttura dei compositi. In modo da potenziare ulteriormente e con stabilità le prestazioni di questi materiali nelle industrie.

Le applicazioni dei CFRP spaziano dall’aerospaziale, all’automobilistico, all’ingegneria civile e militare, al comparto energetico. L’automotive impiega questi compositi nelle parti di motori. L’edilizia nelle grandi infrastrutture, per esempio per i cavi dei ponti sospesi. I materiai CFRP sono anche usati nella balistica per i giubbotti antiproiettile di nuova generazione, e sono oggetto di ricerca per i dispositivi di accumulo di energia.

 


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