Ballistic resposnse of self healing multilayers with ionomer and epoxidized natural rubber

In this thesis the self-healing response of Surlyn® and ENR50 multilayers is analyzed. In the first part the productive process for the multlayers is studied,and, in order to better understand the materials, rheological tests are performed. Afterwards the low-speed ballistic tests are made on multilayers. In order to study the limiting cases of the materials, multilayers with different thickness and number of layers are used. In addition some ballistic tests on pure Surlyn® 8940 and ENR50 are performed. In all the tests a high speed camera is used to compute the speed of the projectile and, in the tests on pure materials, a thermocamera is used too in order to study the evolution of the temperature in the materials during the impacts. The last part of the work is related to space verification test for pure Surlyn® and ENR50. The test is performed to evaluate the sensitivity of the materials to the UV rays.

Il presente lavoro di tesi ha come oggetto una particolare classe di polimeri, gli ionomeri, studiati e sviluppati nei primi anni sessanta. Uno dei vantaggi di questi materiali è la loro capacità di autoripararsi istantaneamente se sottoposti a impatti. Il fenomeno di autoriparazione si manifesta spontaneamente senza alcun intervento esterno a seguito di impatti in cui le energie in gioco siano sufficientemente elevante da consentire all'oggetto impattante di attraversare il materiale in un tempo molto breve. Le potenzialità applicative di tali materiali sono, come è facile immaginare, numerose ed è pertanto comprensibile il forte interesse nel voler studiare e comprendere il meccanismo di autoriparazione in modo tale da sfruttarlo ed eventualmente produrre nuovi materiali con il medesimo comportamento. Proprio su questa base si è mosso questo lavoro di tesi, che mira a studiare una struttura particolare, un multistrato composto da strati sovrapposti di Surlyn® 8940 (uno ionomero termoplastico prodotto da Dupont) e una gomma nota con il nome di ENR50. Prima di concentrarsi sull’effettiva produzione del multistrato si sono analizzate le caratteristiche reologiche dei materiali (Surlyn® 8940, Surlyn® 8920 Nucrel® 960 e ENR50), svolgendo i test statici e dinamici al reometro presente in laboratorio. Questa prima parte del lavoro ha permesso di ricavare le curve della viscosità complessa sulla frequenza a diverse temperature, e poi le curve della viscosità rispetto al gradiente di velocità, anche in questo caso per differenti temperature. Dopo aver ricavato questi dati ci si è concentrati sulla produzione dei campioni di multistrato. Per le produzioni il Surlyn® 8940 si è seguita la procedura già precedentemente utilizzata in altri lavori di tesi, mentre per l’ENR50 si è proceduto a vari tentativi per ottimizzare una tecnica che permettesse lo stampaggio delle piastrine a partire dal panetto di ENR50 con l’uso della pressa presente in laboratorio. Una volta ottimizzato il metodo per la produzione delle piastrine singole si è stabilita una procedura per la produzione dei multistrato. Si sono affrontate varie tecniche, tra cui il sacco da vuoto, il forno, la pressa. Oltre ai metodi di produzione si sono analizzati anche i cicli termici e i tempi necessari. Infine si è giunti a una procedura soddisfacente, compatibilmente con le attrezzature di laboratorio disponibili. I multistrati prodotti sono stati di tre tipi:  tre strati (ionomero-ENR50-ionomero)  cinque strati (ionomero-ENR50-ionomero-ENR50-ionomero)  sette strati (ionomero-ENR50-ionomero-ENR50-ionomero- ENR50-ionomero) Vista la complessità di produzione, si sono mantenuti costanti gli spessori degli strati, variandone appunto solo il numero. Anche se per approfondire l’analisi balistica si sono fatti alcuni multistrato con spessori ridotti degli strati stessi. La parte centrale del lavoro è stata quella legata agli impatti a bassa velocità, effettuati nel laboratorio di sicurezza passiva (LAST) del Politecnico di Milano, dove è presente un cannoncino ad aria compressa. La finalità relativa a questa attività sperimentale è stata quella di indagare il fenomeno dell'auto-ripazione all'interno del multistrato con l'obiettivo principale di individuarne i limiti di funzionamento per impatti a bassa velocità rispetto a quelli riscontrati per il puro Surlyn® 8940. Il fenomeno dell’auto-riparazione del Surlyn® è molto particolare, in quanto avviene all'interno del materiale in maniera completamente autonoma ed è un processo che potenzialmente può manifestarsi nello stesso punto un numero indefinito di volte poiché, a seguito dell'autoriparazione, non viene alterata la struttura molecolare e la morfologia del materiale. Durante gli impatti balistici è stata effettuata anche un’analisi con la termo-camera, valutando gli effetti termici conseguenti all'impatto balistico. Si sono ripresi gli spari a una lastrina di Surlyn® 8940 e a una lastrina di ENR50 (entrambe da 1 mm).Questa analisi ha permesso, prima di tutto di visualizzare frame per frame il fenomeno dell’auto-riparazione, e di valutare, come in entrambi i casi sia quasi istantaneo. In più nel caso del Surlyn® è stato possibile confermare il fatto che durante l’impatto il materiale raggiunga una temperatura maggiore di quella di fusione, e che quindi il processo di riparazione avvenga con il materiale fuso. Di seguito vengono riportate le tabelle riassuntive dei test balistici a bassa velocità, la prima tabella riporta i dati relativi al puro Surlyn® 8940, mentre la seconda quelli relativi ai multistrato. In rosso sono evidenziati i rapporti s/d per cui non è avvenuta la riparazione, mentre in verde quelli che si sono auto-riparati. In giallo, invece, sono evidenziati i rapporti s/d per cui c’è stato il rimbalzo.Dai test si è evidenziato come il multistrato sia in grado di aumentare la resistenza del materiale, ovvero ne aumenta il limite di rimbalzo. Questo è un fatto molto positivo, infatti per un multistrato da tre strati il limite di rimbalzo è fino alla sfera di diametro 5.5 mm mentre il materiale puro dello stesso spessore veniva attraversato già da sfere con diametro di circa 2 mm. Per contro però le capacità di autoriparazione per il multistrato sono più ridotte rispetto a quelle dello ionomero puro. Probabilmente ciò è dato dal fatto che ENR50 e Surlyn® 8940 hanno bisogno di deformazioni diverse per riuscire a auto-ripararsi; difatti la gomma mostra una deformazione molto superiore rispetto a quella che può compiere se vincolata allo ionomero. Questo comporta il fatto che i due materiali tendono ad inibirsi e ciò si riduce a una diminuzione della capacità di auto- riparazione. E’ stata svolta anche un’attenta analisi al SEM delle zone d’impatto, e si è riscontrato che i fori sono molto meno uniformi e che dei filamenti di ENR50, trascinati dai proiettili, rimangono tra i lembi di ionomero fuso che fatica quindi a richiudersi. In conclusione a questa parte sperimentale si è svolta l’analisi energetica, grazie ai dati ricavati dalla telecamera ad alta velocità, e si è testata la tenuta al vuoto dei fori che hanno mostrato autoriparazione. L’ultima parte dell’analisi sperimentale si è focalizzata su una campagna di qualifica del materiale per impiego in applicazioni spaziali attraverso prove di resistenza ai raggi UV, valutando la reazione dei due materiali e del multistrato. La prova in questione si è svolta:  in laboratorio con un irraggiamento intenso ma limitato nel tempo (si è giunti a un massimo di 88 ore di esposizione per il Surlyn® 8940 e 50 ore per ENR50)  In esterno, esponendo direttamente i materiali alla radiazione solare per un totale di 5 mesi. Il risultato del test mostra un’evidente degradazione e un infragilimento di entrambi i materiali, permettendo di affermare che nel caso in cui si voglia pensare ad un uso in ambito spaziale dei suddetti materiali, si debba pensare a una protezione degli stessi contro i raggi UV. I test precedentemente presentati non sono rigorosi per testare l’effettivo utilizzo del materiale in ambiente spaziale, ma forniscono un primo dato da cui partire per ulteriori analisi.