Sviluppo, produzione e caratterizzazione di compositi multistrato in rCF-PA6

This Technical Report summarizes the R&D activities aimed at the production of laminated composites made by hot compression molding of multilayer fabrics (also referred to as organo-sheets). The activities were carried out within the EcoCarbonio project “Circular Economy for the Carbon Fiber Industry”, (POR FESR 2014-2020, ID_1170458), financed by the “Call Hub Ricerca e Innovazione” for Strategic Research, Development and Innovation Projects. More specifically, the unidirectional fabrics are manufactured using recycled carbon fiber (rCF) and polyamide 6 (nylon 6) based hybrid yarns, developed and produced at the composite materials laboratories of the ENEA Research Centre in Brindisi with the aim of valorising a waste material (the carbon fibers in end-of-life composite materials or coming from processing waste) which in this way becomes a secondary raw material for the creation of new products. The unidirectional fabrics made with the developed hybrid yarns are then superimposed to create a multilayer semi-finished product that is subsequently compressed in a hot press, reaching temperatures that allow the melting of the thermoplastic polymer (PA6) that in this way acts as a glue for the carbon fibers and gives structural stability and consistency to the component (thermobonding). The activities carried out were oriented to the determination of the process parameters that allow to optimize the final laminated composite, in terms of geometry, thickness, surface planarity and in particular mechanical performance. The products obtained were subjected to an intense characterization campaign, which includes mechanical and thermal tests, scanning electron microscopy and micro-tomographic analysis, in order to identify the potential fields of application. Finally, the possibility of recycling the organo-sheets thus produced, once they have reached the end-of-life status, was verified through comminution of the materials and subsequent compression molding that allowed the creation of well-structured and compact composites. However, subsequent characterization highlighted a significant reduction in the mechanical properties of the recycled products, as expected given the different architecture of the material.

Il presente Rapporto Tecnico riassume le attività di R&S finalizzate alla produzione di compositi laminati realizzati mediante stampaggio per compressione a caldo di multistrato di tessuti (anche detti organosheets). Le attività sono state svolte all’interno del progetto EcoCarbonio “Circular Economy for the Carbon Fiber Industry”, (POR FESR 2014-2020, ID_1170458), finanziato con il Bando “Call Hub Ricerca e Innovazione” per Progetti Strategici di Ricerca, Sviluppo e Innovazione. Più nello specifico, i tessuti unidirezionali sono realizzati impiegando dei filati ibridi in fibra di carbonio da riciclo (rCF) e poliammide 6 (nylon 6) sviluppati e prodotti presso i laboratori di materiali compositi del Centro di Ricerche ENEA di Brindisi con lo scopo valorizzare un materiale di scarto (la fibra di carbonio presente in materiali compositi a fine vita o proveniente da scarti di lavorazione) che in questo modo diventa una materia prima seconda per la realizzazione di nuovi prodotti. I tessuti unidirezionali realizzati con i filati ibridi sviluppati sono quindi sovrapposti a realizzare un semilavorato multistrato che successivamente è compresso in una pressa a caldo, raggiungendo temperature che consentono la fusione del polimero termoplastico (PA6) che in tal modo funge da collante per le fibre di carbonio e conferisce stabilità strutturale e consistenza al componente (thermobonding). Le attività svolte sono state orientate alla determinazione dei parametri di processo che consentono di ottimizzare il composito laminato finale, in termini di geometria, spessore, planarità della superficie e in particolare prestazioni meccaniche. I prodotti ottenuti sono stati sottoposti ad un’intensa campagna di caratterizzazione, che include test meccanici e termici, microscopia elettronica a scansione e analisi micro-tomografica, al fine di individuare i potenziali campi di applicazione. Infine, è stata verificata la possibilità di riciclo degli organo-sheets così realizzati, una volta raggiunto lo status di fine vita, attraverso comminuzione dei materiali e successivo stampaggio per compressione che ha consentito la realizzazione di compositi ben strutturati e compatti. La successiva caratterizzazione ha tuttavia messo in evidenzia una significativa riduzione delle proprietà meccaniche dei prodotti riciclati, come era lecito attendersi data la diversa architettura del materiale.