Mode I and II fracture behavior of vitrimer matrix GFRP above room temperature

Fiber reinforced polymers (FRPs) have become indispensable for many industrial sectors thanks to their high strength-to-weight ratio and durability. Over the last decades, composite production has grown rapidly and so has done the waste generated by this industry. The inherent high durability of traditional thermosetting composites makes their recycling difficult. Vitrimer matrix composites feature an intrinsic self-healing mechanism that offers a promising solution for more sustainable End-of-life and waste management in which the composite components can be repaired. Delamination is one of the most common damage modes affecting the life expectancy of composite structures. In this study, the temperature dependence of mode I and II interlaminar fracture toughness of a vitrimer matrix GFRP is investigated. The material used as composite matrix is an epoxy-polyimine-based vitrimer, Vitrimax T130®, that features thermally activated bond-exchange reactions giving it vitrimer characteristics. Composite panels using unidirectional glass fibers as reinforcement were fabricated by manual impregnation and heated plate press curing. Specimens were cut from these panels to be tested in double cantilever beam (DCB) and three-end notched flexure (3ENF) test performed at room temperature, 36◦C and 46◦C to assess the interlaminar fracture variations approaching Tg, whose value was preliminarly determined by thermo-mechanical analysis (TMA) to 56.6 ± 3.1◦C. The fracture tests revealed the increase of mode I interlaminar fracture toughness (GIc) of at least 51.6% from room temperature to the highest test temperature, while the in-plane shear fracture toughness (GIIc) did not show this increasing trend. The reason behind these different behaviors has been attributed to the different influence of the loading conditions during mode I and II testing on matrix plasticization at the crack tip. Based on the obtained results, the studied vitrimer matrix GFRP exhibited interlaminar fracture toughness comparable to traditional thermosetting GFRPs reported in the literature. However, its relatively low Tg may limit its suitability for structural applications.

I materiali compositi a matrice polimerica sono diventati indispensabili per molti settori industriali grazie alle loro elevate prestazioni meccaniche rapportate al peso contenuto, e alla loro durabilità. Negli ultimi decenni, la produzione di materiali compositi è cresciuta rapidamente, così come la quantità di rifiuti generati da questa industria. L’intrinseca durabilità dei compositi termoindurenti tradizionali rende il loro riciclo particolarmente difficile. L’impiego di una matrice vitrimerica, che presenta un meccanismo di auto-riparazione, rappresenta una soluzione promettente per una gestione più sostenibile del fine vita, in cui i componenti in composito possono essere riparati. La delaminazione è uno dei più comuni meccanismi di danneggiamento che influenzano la durata delle strutture in materiale composito. In questo studio è stata analizzata la dipendenza dalla temperatura della tenacità a frattura interlaminare nei modi I e II di un composito con fibre di vetro unidirezionali come rinforzo e matrice vitrimerica. La matrice utilizzata in questo studio è in Vitrimax T130®, caratterizzato da reazioni di scambio di legami attivate termicamente, che gli conferiscono proprietà vitrimeriche. Dei pannelli in composito sono stati realizzati mediante impregnazione manuale e polimerizzazione in pressa con piastre riscaldate. Dai pannelli sono stati ricavati i provini per i test di frattura (DCB e 3ENF test), condotti a temperatura ambiente, 36◦C e 36◦C per valutare le variazioni della frattura interlaminare in prossimità della temperatura di transizione vetrosa (Tg), preliminarmente determinata mediante analisi termo-meccanica (TMA) a 56.6±3.1◦C. I test di frattura hanno rivelato un incremento della tenacità a frattura interlaminare in modo I (GIc) di almeno il 51.6% alla temperatura di prova più elevata rispetto a quella ambiente, mentre la tenacità a frattura in modo II (GIIc) non ha mostrato la stessa tendenza crescente. Questa differenza di comportamento è stata attribuita alla diversa influenza delle condizioni di carico nei test di frattura in modo I e II sulla deformazione plastica della matrice in prossimità dell’apice della cricca. Sulla base dei risultati ottenuti, il composito a matrice vitrimerica studiato ha mostrato una tenacità a frattura interlaminare comparabile a quella dei compositi termoindurenti tradizionali riportati in letteratura. Tuttavia, il suo relativamente basso valore di Tg potrebbe limitarne l’idoneità per applicazioni strutturali.