Compositi rinforzati a matrice polimerica (FRP)

I materiali compositi rinforzati a matrice polimerica (quindi organica), detti anche comunemente materiali fibrorinforzati (FRP – Fiber Reinforced Polymers), comprendono un’ampia gamma di materiali compositi dalle svariate applicazioni. Sono costituiti da una matrice polimerica con impregnato un rinforzo in fibra. Non vanno confusi coi materiali compositi a matrice inorganica (FRCM), nei quali la matrice inorganica è generalmente a base di materiale cementizio o calce.

Generalmente le fibre sono costituite da filamenti molto sottili (diametro inferiore a 10 micromillimetri), disponibili sotto forma di filato (spun yarn), filo assemblato (roving), fascio di filamenti (tow), singolo filamento (monofilament).

Le termoplastiche più utilizzate sono PP, PA e PBT; vengono però utilizzati anche altri tipi di polimeri, quali PET, PEEK, polieterimmide PEI, PS, ABS, polifenilensolfuro (PPS), PC, ed altri polimeri ancora.

Le matrici termoindurenti più utilizzate sono quelle a base poliestere ed epossidica. Le termoindurenti rinforzate sono ancora utilizzate in edilizia, per esempio nella produzione di grossi serbatoi e tubazioni, nell’industria elettrica, dei trasporti, aerospaziale, nella produzione dei beni di consumo e nelle imbarcazioni; comunque, in generale, in applicazioni meno stringenti rispetto ai termoplastici rinforzati.

Tipologie di materiali compositi rinforzati 

Esistono tradizionalmente alcune tipologie principali di materiali compositi rinforzati a base termoplastica;

• compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFT – Short Fibre Themoplastics):
• compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFT – Long Fibre Thermoplastics
• compositi termoplastici rinforzati a fibre continue (CFRT – Continuous Fibre Reinforced Thermoplastics
• GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastic), lastra termoplastica rinforzata con vetro opaco.

Tipologie di fibre utilizzate

Le tipologie di fibre più comunemente utilizzate nella produzione di FRP sono:

• fibre di vetro: è il tipo di fibra più utilizzato. Il materiale rinforzato con fibre di vetro viene indicato comunemente con la sigla GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymers). La predominanza delle fibre di vetro è dovuta essenzialmente alle eccellenti prestazioni di queste fibre. Tali fibre hanno proprietà specifiche anche molto diverse tra loro, comunque hanno tutte alcune caratteristiche in comune tra loro:
  • elevata resistenza meccanica, in particolare per quelle tipo E (modulo elastico 72 GPa e resistenza a trazione 3445 Mpa a temperatura ambiente), e tipo S (modulo elastico 87 GPa e resistenza a trazione 4890 Mpa a temperatura ambiente);
  • elevata flessibilità;
  • assenza di infiammabilità;
  • elevata resistenza al calore;
  • resistenza all’umidità e agli agenti chimici, alla temperatura e all’umidità;
  • facilità ad essere processate con differenti tipologie di resine;
  • durabilità e stabilità;
  • basso costo.
• fibre di carbonio, note con la sigla CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymers): anche qui si distinguono due tipi fondamentali: quelle ad elevato modulo elastico (390 – 770 GPs) e resistenza a trazione 2.400 – 3.400 MPs; e quelle ad elevata resistenza aventi modulo elastico 250 – 280 GPa e resistenza a trazione 4.200 – 5.100 Mpa;
• fibre aramidiche (kevlar) note come AFRP (Aramidic Fibre Reinforced Polymers): il modulo elastico è compreso tra 60 e 180 GPa, e la resistenza a trazione tra 3.600 e 3900 Mpa;
• altre, generalmente poco usate: fibre a base di boro o di materiali ceramici.

Date le loro elevate prestazioni vengono utilizzate in diversi settori: automotive, energia eolica, elettronica avanzata, difesa, manufatti per edilizia e costruzioni.

Il mercato dei compositi rinforzati

Il mercato mondiale dei compositi rinforzati a matrice polimerica ha raggiunto nel 2020 il valore di 39,7 miliardi di dollari, con un tasso di crescita del 3,6% medio annuo nell’arco dell’ultimo decennio; il mercato a valle dei manufatti realizzati con questi materiali nel 2020 valeva più del doppio, per un valore totale di 85 miliardi di dollari a livello mondiale.