Characterization and cohesive modelling of a structural adhesive for the design of a solar parabolic trough collector

Adhesive bonding is being increasingly used in various engineering fields, especially after the diffusion of lightweight design principles. Nevertheless, due to some challenging aspects of adhesives, traditional joining methods, such as bolting, riveting and welding, are still often preferred for designing the most critical joints in structures, especially those with large size. The lack of data provided by adhesive manufacturers and the difficulty to predict strength and failure of adhesive represent the most common limiting aspects. This research activity was conducted in the framework of a new design of a Parabolic Trough Collector in which adhesive bonding became the most predominant joining technique of the structure. Concentrating Solar Power plants are based on solar fields in which tens of thousands of these structures, which must be stiff and light at the same time, are needed to provide the required thermal energy. Therefore, adhesive bonding, despite its challenging aspects, especially for the use at high temperatures, was considered to be suitable for giving the structural behaviour and the ease of manufacturing to this recent renewable technology based on solar energy. The adhesive used for the construction of the CSP system, the two-component epoxy resin 3M Scotch-Weld™ 7260 B/A NS was characterized by fracture mechanics tests, and its Cohesive Damage Models at different temperatures, up to 70°C, were obtained in order to predict degradation and failure of the adhesive. The epoxy revealed high strength up to 55°C and reduced properties only at 70°C. This confirmed its suitability for the present application, although some aspects will have to be further considered, like, among others, mixed mode testing and modelling, long term behaviour and ageing. The feasibility of the adhesively bonded collector was proven by constructing and testing a full-scale prototype in the laboratories of Politecnico di Milano. Two pre-prototypal experimental campaigns were necessary to design the adhesive joints of the structure and to investigate, under various bonding conditions, the adhesion properties of the epoxy with galvanized steel, the material used for the construction of all the parts of the collector. The experience gained with the assembly of this large structure revealed various issues that usually remain hidden with small-scale specimens. The most challenging point was the dependence of the timing of the assembly operations upon the curing time of the epoxy. Based on this experience, a new hybrid joint, made of epoxy and Pressure-Sensitive Adhesive tape, was proposed to reduce the handling time of the adhesive, possibly saving assembly time and costs. An experimental campaign proved the validity of this hybrid joint that in principle allows for reducing handling strength while preserving approximately the same joint strength.

Gli incollaggi strutturali vengono sempre più utilizzati in vari settori ingegneristici, soprattutto dopo la diffusione dei principi di lightweight design. Tuttavia, a causa di alcuni aspetti critici degli adesivi strutturali, i metodi di giunzione tradizionali, come la bullonatura, la rivettatura e la saldatura, sono ancora spesso preferiti per progettare i collegamenti più critici nelle strutture, specialmente quelle di grandi dimensioni. La mancanza di dati forniti dai produttori di adesivi e la difficoltà di prevedere la resistenza meccanica e il cedimento dell'adesivo rappresentano gli aspetti limitanti più comuni. Questa attività di ricerca è stata condotta nell'ambito del progetto di sviluppo di un nuovo tipo di collettore parabolico solare in cui la tecnica di unione più predominante della struttura è rappresentata dall’incollaggio strutturale. Le centrali elettriche a concentrazione di energia solare (CSP) sono basate su campi solari in cui sono necessarie decine di migliaia di queste strutture, che devono essere allo stesso tempo rigide e leggere, per ottenere l'energia termica richiesta. Pertanto, l'incollaggio adesivo, nonostante i suoi aspetti critici, specialmente per l'uso ad elevate temperature, è stato considerato adatto per dare il suo contributo strutturale e migliorare la facilità di montaggio delle strutture legate a questa recente tecnologia rinnovabile basata sull'energia solare. L'adesivo utilizzato per la costruzione del sistema CSP, la resina epossidica bicomponente 3M Scotch-Weld™ 7260 B/A NS è stato caratterizzato da prove di meccanica della frattura e i suoi modelli coesivi a temperature diverse, fino a 70°C, sono stati ottenuti al fine di prevedere il degrado e il cedimento dell'adesivo. La resina epossidica ha rivelato un'elevata resistenza fino a 55°C e proprietà ridotte solo a 70°C. Ciò ha confermato la sua idoneità per la presente applicazione, anche se alcuni aspetti dovranno essere ulteriormente considerati, tra cui prove sperimentali e modellazione numerica per carichi a modo misto, comportamento a lungo termine e invecchiamento. La fattibilità del collettore con incollaggi adesivi è stata dimostrata costruendo ed effettuando prove sperimentali su un prototipo in scala reale del collettore nei laboratori del Politecnico di Milano. Sono state necessarie due campagne sperimentali pre-prototipali per progettare i giunti adesivi della struttura e studiare, in varie condizioni, le proprietà di adesione della resina epossidica con acciaio zincato, il materiale utilizzato per la costruzione di tutte le parti meccaniche del collettore. L'esperienza acquisita con l'assemblaggio di questa grande struttura ha rivelato vari problemi che solitamente rimangono nascosti con provini di piccole dimensioni. Il punto più critico è stata la dipendenza dei tempi delle operazioni di assemblaggio sul tempo di cura dell'adesivo. Sulla base di questa esperienza, è stato proposto un nuovo giunto ibrido, realizzato con l’accoppiamento di resina epossidica e nastro adesivo pressure-sensitive, per ridurre l’handling time dell'adesivo, risparmiando tempi e costi di assemblaggio delle strutture. Una campagna sperimentale ha dimostrato la validità di questo giunto ibrido che, in linea di principio, consente di ridurre l’handling strength preservando all'incirca la stessa forza del giunto adesivo.