Plastica intelligente innovativa: autorigenerante, mutaforma e più forte dell'acciaio
Ricercatori di ingegneria aerospaziale e di scienze dei materiali della Texas A&M University hanno scoperto nuove proprietà di una plastica intelligente ultraresistente e riciclabile, aprendo la strada ad applicazioni trasformative nei settori della difesa, dell'aerospazio e dell'automobile.
Il Dr. Mohammad Naraghi presenta ATSP, la plastica intelligente in fibra di carbonio.
Dr. Mohammad Naraghi/Texas A&M University College of Engineering
La scoperta - finanziata dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e pubblicata su Macromolecules e Journal of Composite Materials - è stata guidata dal dottor Mohammad Naraghi, direttore del Nanostructured Materials Lab e professore di ingegneria aerospaziale alla Texas A&M, in stretta collaborazione con il dottor Andreas Polycarpou dell'Università di Tulsa.
Il loro lavoro ha esplorato l'integrità meccanica, il recupero della forma e le proprietà di auto-guarigione di un composito plastico avanzato in fibra di carbonio chiamato Aromatic Thermosetting Copolyester (ATSP).
Guarigione dei danni su richiesta
L'ATSP apre nuove frontiere nei settori in cui le prestazioni e l'affidabilità sono fondamentali e il fallimento non è un'opzione.
"Nelle applicazioni aerospaziali, i materiali sono sottoposti a sollecitazioni estreme e a temperature elevate", spiega Naraghi. "Se uno di questi elementi danneggia una parte di un aeroplano e interrompe una delle sue applicazioni principali, è possibile eseguire l'autoguarigione su richiesta".
Con la maturazione e la scalabilità, l'ATSP ha il potenziale per trasformare le industrie commerciali e di consumo, in particolare il settore automobilistico.
"Grazie agli scambi di legami che avvengono nel materiale, è possibile ripristinare le deformazioni di un'auto dopo una collisione e, soprattutto, migliorare significativamente la sicurezza del veicolo proteggendo i passeggeri", ha dichiarato Naraghi.
L'ATSP è anche un'alternativa più sostenibile alle plastiche tradizionali. La sua riciclabilità rende il materiale un candidato ideale per le industrie che mirano a ridurre i rifiuti ambientali senza compromettere la durata o la resistenza.
"Questi vetrificanti, quando sono rinforzati con fibre discontinue, possono essere sottoposti a cicli di livello: si possono facilmente schiacciare e modellare in una nuova forma, e questo può accadere attraverso molti, molti cicli, e la chimica del materiale fondamentalmente non si degrada", ha detto.
Scoprire le capacità dell'ATSP
"Gli ATSP sono una classe emergente di vetrificanti che combinano le migliori caratteristiche delle plastiche tradizionali", ha detto Naraghi. "Offrono la flessibilità dei termoplastici e la stabilità chimica e strutturale dei termoindurenti. Quindi, se combinati con le forti fibre di carbonio, si ottiene un materiale più resistente dell'acciaio, ma più leggero dell'alluminio".
Ciò che distingue l'ATSP dalle plastiche tradizionali è la sua capacità di auto-riparazione e di recupero della forma.
"Il recupero della forma e l'autorigenerazione sono due aspetti dello stesso meccanismo", ha spiegato Naraghi. Il recupero della forma si riferisce allo scambio di legami all'interno di un pezzo continuo di materiale, una sorta di "intelligenza" incorporata. Nell'autoguarigione, invece, c'è una discontinuità nel materiale, come una crepa. Queste sono le proprietà che abbiamo studiato".
Per studiare le proprietà del materiale, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo test di stress chiamato test di scorrimento ciclico.
"Abbiamo applicato cicli ripetuti di carichi di trazione, o di allungamento, ai nostri campioni, monitorando i cambiamenti nel modo in cui il materiale accumulava, immagazzinava e rilasciava l'energia di deformazione", ha detto Naraghi.
Utilizzando il carico ciclico, i ricercatori hanno identificato due temperature critiche all'interno del materiale.
"La prima è la temperatura di transizione vetrosa, ovvero la temperatura alla quale le catene polimeriche possono muoversi facilmente, mentre la seconda è la temperatura di vetrificazione. È la temperatura alla quale questi legami vengono attivati termicamente in modo tale da poter assistere a scambi massicci di legami che causano la guarigione, il rimodellamento e il recupero".
L'équipe ha quindi condotto prove di fatica a flessione in cicli profondi, riscaldando periodicamente il materiale a circa 160 gradi Celsius per innescare l'auto-guarigione.
I risultati hanno mostrato che i campioni di ATSP non solo hanno sopportato centinaia di cicli di sollecitazione e riscaldamento senza cedimenti, ma che sono anche diventati più resistenti durante il processo di guarigione.
"Proprio come la pelle può allungarsi, guarire e tornare alla sua forma originale, il materiale si è deformato, è guarito e ha 'ricordato' la sua forma originale, diventando più resistente di quando è stato creato", ha detto Naraghi.
Crepare, guarire, ripetere
Naraghi e il suo team hanno sottoposto l'ATSP resistente al calore a cinque estenuanti cicli di stress, ciascuno seguito da un'esposizione ad alta temperatura a 280 gradi Celsius.
L'obiettivo? Valutare le prestazioni e le proprietà di auto-riparazione del materiale.
Dopo due cicli completi di guarigione dei danni, il materiale è tornato a una resistenza quasi totale. Al quinto ciclo, l'efficienza di guarigione è scesa a circa l'80% a causa dell'affaticamento meccanico.
"Utilizzando immagini ad alta risoluzione, abbiamo osservato che il composito dopo il danneggiamento e la guarigione era simile al progetto originale, anche se i danni ripetuti hanno causato un'usura meccanica localizzata attribuita a difetti di fabbricazione", ha detto Naraghi.
Tuttavia, la stabilità chimica e il comportamento di auto-guarigione del materiale sono rimasti affidabili per tutti e cinque i cicli.
"Abbiamo anche osservato che il materiale non ha subito alcuna degradazione o rottura termica, dimostrando la sua durata anche dopo i danni e la guarigione", ha detto Naraghi.
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