Compositi in fibra di lino: effetti dell'invecchiamento sulle caratteristiche fisico-meccaniche

Flax fiber composites are an innovative type of composite material. The use of this reinforcement of natural origin, compared to fibers of synthetic origin, makes it possible to improve aspects related to environmental issues. Among the known problems are the accentuated degradation over time due to the action of external agents, such as temperature, humidity and UV rays. The aim of this thesis project is to provide a complete picture of the behavior of flax fiber and epoxy matrix composites, under the effect of aging, by analyzing the variations in physical and mechanical properties. Durability has been studied by means of accelerated aging processes, simulating extreme variations in temperature and humidity (climatic chamber) and the synergistic effect of UV radiation and humidity (Xenon test). All results were compared in parallel with those of carbon fiber composites, in order to evaluate the different degradation behavior over time. In addition, the effect of paint application was evaluated. The properties were analyzed with tensile, bending, interlaminar shear (ILSS) and dynamic-mechanical (DMA) tests. The results revealed that flax fiber composites tend to absorb a lot of moisture, causing weight gain and swelling. The tensile properties were not particularly affected by the effects of aging, showing good maintenance over time. On the contrary, the flexural properties suffered a greater degradation. In both cases, painting proved to be fundamental, guaranteeing values close to those of reference. Interlaminar shear properties have decreased due to increased moisture content in the material. Finally, the glass transition temperature (Tg) values did not show strong decreases at the end of the tests. Despite this, the reference Tg values turned out to be lower than the imposed target. The results of this study aim to provide a comprehensive analysis of the behaviour of flax fibre composites to ageing, seeking to provide a data base for future developments. From the results obtained, flax fiber combined with an epoxy matrix turns out to be a good combination for the manufacture of an eco-sustainable composite material that can be used in non-structural applications. However, it is necessary to improve the interfacial adhesion between fiber and matrix, limit the hydrophilic nature of flax fiber and increase the overall mechanical performance.

I compositi in fibra di lino sono una tipologia di materiale composito innovativo. L’utilizzo di questo rinforzo di origine naturale, rispetto alle fibre di origine sintetica, permette di poter migliorare aspetti legati alle questioni ambientali. Tra i problemi noti si riscontrano l’accentuato degrado nel tempo dovuto all’azione di agenti esterni, come temperatura, umidità e raggi UV . Lo scopo di questo progetto di tesi è quello di fornire un quadro completo del comportamento dei compositi in fibra di lino e matrice epossidica, sotto l’effetto dell’invecchiamento, analizzando le variazioni delle proprietà fisiche e meccaniche. La durabilità è stata studiata mediante processi di invecchiamento accelerato, simulando variazioni estreme di temperatura e umidità (camera climatica) e l’effetto sinergico di radiazioni UV e umidità (Xenon test). Tutti i risultati sono stati parallelamente confrontati con quelli di compositi in fibra di carbonio, con il fine di valutare il diverso comportamento di degradazione nel tempo. Inoltre, è stato valutato l’effetto dell’applicazione della verniciatura. Le proprietà sono state analizzate con prove di trazione, flessione, taglio interlaminare (ILSS) e prove dinamiche-meccaniche (DMA). I risultati hanno rivelato come i compositi in fibra di lino tendano ad assorbire molto l’umidità, provocando aumento di peso e rigonfiamento. Le proprietà a trazione non hanno risentito particolarmente degli effetti d’invecchiamento, mostrando un buon mantenimento nel tempo. Al contrario le proprietà flessionali hanno subito un degrado maggiore. In entrambi i casi, la verniciatura si è rivelata fondamentale, garantendo valori vicini a quelli di rifermento. Le proprietà di taglio interlaminare hanno subito una diminuzione a causa dell’aumento del contenuto di umidità nel materiale. Infine, i valori di temperatura di transizione vetrosa (Tg) non hanno mostrato forti diminuzioni al termine dei test. Nonostante ciò, i valori di Tg di riferimento si sono rivelati minori del target imposto. I risultati di questo studio mirano a fornire un’analisi completa del comportamento dei compositi in fibra di lino all’invecchiamento, cercando di fornire una base dati per sviluppi futuri. Dai risultati ottenuti, la fibra di lino unita ad una matrice epossidica, si rivela essere un buona combinazione per la fabbricazione di un materiale composito ecosostenibile ed utilizzabile in applicazioni non strutturali. Risulta comunque necessario migliorare l’adesione interfacciale tra fibra e matrice, limitare la natura idrofila della fibra di lino e aumentare le prestazioni meccaniche complessive.