EoW July 2008

articolo tecnico

del rivestimento e causare la frattura di coesione della struttura del rivestimento. Il rivestimento può presentare due tipi di sforzi di trazione triassiale che hanno origini diverse: lo sforzo di trazione può essere indotto termicamente dalla variazione di temperatura, o indotto da forze meccaniche esterne. 2.1 Cavità indotte da tensioni termiche 2.1.1 Tensioni termiche in un sistema di rivestimento a doppio strato. É ampiamente confermato che le tensioni termiche sono presenti nel sistema di fibre rivestite. [2-5] Lo sforzo di trazione triassiale nel rivestimento primario, come illustrato nella Figura 1 , è causato dalla differenza fra i coefficienti di dilatazione termica del vetro, del rivestimento primario e del rivestimento secondario. Sulla base delle teorie meccaniche dei materiali, è possibile calcolare lo sforzo triassiale, costituito dalle componenti della tensione radiale σ r , dalla tensione tangenziale σ θ e dalla tensione assiale σ z . La Figura 2 illustra la distribuzione della tensione calcolata in un tipico sistema a doppio strato, ove ogni spessore dello strato è pari a 30 μm, il modulo di Young E 1 =1MPa, E 2 =1GPa, i coefficienti di dilatazione termica lineare α 1 =3x10 -4 /K, α 2 =1x10 -4 /K ed i rapporti di Poisson ν 1 =0,5, ν 2 =0,4. Il sistema è sottoposto ad una variazione di temperatura di -30ºC, per simulare la tensione nel sistema di rivestimento quando la fibra rivestita è raffreddata dalla temperatura di trafilatura alla temperatura ambiente. Sebbene la temperatura nel rivestimento durante il ciclo di vulcanizzazione ad UV potrebbe raggiungere valori fino a 100ºC, la tensione termica inizia ad aumentare solo quando la temperatura scende al di sotto della temperatura di transizione vetrosa (T g ) del rivestimento secondario (~50ºC). Le tre componenti della tensione nel rivestimento primario sono di trazione e

si trovano tutte allo stesso livello, come illustrato nella Figura 2 . Ciò significa che la tensione nel rivestimento primario a temperatura ambiente è una trazione idrostatica: aumenta al diminuire della temperatura fino a raggiungere il T g del rivestimento primario (normalmente ~-20ºC), quando anche il rivestimento primario passa allo stato vetroso. Lo sforzo di trazione calcolato nel rivesti- mento primario è ~0,8MPa a temperatura ambiente, come illustrato nella Figura 2 . A causa della proprietà viscoelastica del rivestimento secondario, lo sforzo effettivo dovrebbe essere inferiore allo sforzo calcolato e diminuire nel tempo mentre il rivestimento secondario viene sottoposto ad un rilassamento degli sforzi a temperature T g inferiori. [5] Mentre il rischio di cavitazione del rivestimento dovuta a tensione termica è ridotto nelle fibre tradizionali con doppio rivestimento, vanno valutati con attenzione alcuni tipi di sistemi di rivestimento come quelli esaminati qui di seguito. La nuova tendenza nello sviluppo dei rivestimenti primari consiste nel ridurre ulteriormente il relativo modulo e il valore T g al fine di fornire una migliore protezione di tamponamento contro le micropiegature in un’ampia gamma di temperature. In questo tipo di rivestimento, lo sforzo di trazione continua ad aumentare quando la temperatura inizia a diminuire; tuttavia il rivestimento primario rimane allo stato gommoso. Come illustrato nella Figura 3 , lo sforzo di trazione calcolato aumenta linearmente al diminuire della temperatura. Il rilassamento degli sforzi del rivestimento secondario è inoltre molto più lento a basse temperature. Oltre al rischio di alte tensioni termiche, un rivestimento primario con modulo ridotto può essere più suscettibile di cavitazione a causa della sua inferiore densità di reticolazione.

Figura 4 ▲ ▲ : Cavità nello strato di rivestimento primario indotte da variazione ciclica della temperatura in una fibra di 500 µm (sinistra) 40x (destra) 200x

Sforzo di trazione

Sforzo di trazione

Figura 5 ▲ ▲ : Diagramma schematico degli sforzi di trazione localizzati nel rivestimento primario causati da una forza meccanica laterale

É quindi molto importante che i rivestimenti primari con basso modulo e basso T g siano progettati con cura da presentare un’elevata resistenza alla cavitazione, ottimizzando la struttura di reticolazione. La conoscenza profonda a livello molecolare della resistenza alla cavitazione dei materiali di rivestimento vulcanizzabili ai raggi ultravioletti consente di sviluppare sistemi di rivestimento con prestazioni di micropiegatura migliorate associate ad un’elevata resistenza alla cavitazione per offrire fibre robuste in un’ampia gamma di temperature. Un altro esempio di situazione ad alto rischio per quanto riguarda la formazione di cavità, è rappresentato dalla fibra caratterizzata da strati di rivestimento più spessi rispetto a quelli tradizionali. Lo sforzo di trazione nello strato primario di una fibra che presenta una struttura di vetro/rivestimento con diametro esterno di 125/350/500 μm, è calcolato e rappresentato graficamente nella Figura 3 . Il valore dello sforzo di trazione nel rivestimento primario di questa fibra è 2,8 volte maggiore del valore dello sforzo nel rivestimento primario di una fibra rivestita standard con diametro esterno di 245 μm. Pertanto, le fibre che presentano strati di rivestimento più spessi dovrebbero essere composte da un rivestimento primario Figura 6 ▲ ▲ : Sforzo normale medio nello strato di rivestimento primario indotto da una forza meccanica laterale calcolato mediante l’Analisi ad Elementi Finiti

Figura 3 ▼ ▼ : Tensione termica calcolata rispetto alla temperatura per una fibra normale di 250 µm (supponendo che la tensione inizia a svilupparsi ad una temperatura inferiore a quella del rivestimento secondario con T g ~50°C)

245 μm Fibra 500 μm Fibra

Sforzo di trazione nel rivestimento primario

Temperatura

88

EuroWire – Luglio 2008