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Il poliuretano si scopre "naturale"

Poliuretano rinforzato con fibre naturali viene impiegato per la produzione di pannelli porta, ripiani e supporti plancia, applicazioni che dimostrano la vitalità di questo polimero nell’industria automobilistica. In poliuretano anche i paraurti "salvapedone", capaci di ridurre le lesioni in caso d’investimento.

Di Francesco Calato
 

Nel settore automobilistico si ritrovano tutte le "complessità" che caratterizzano l’impiego delle materie plastiche in ambito industriale. Non esiste una famiglia polimerica assolutamente predominante; le scelte applicative non sempre sembrano convergere verso soluzioni monomateriche, nonostante le buone intenzioni espresse dai costruttori; la rapida evoluzione tecnologica, volta a ridurre peso e costi di produzione, riporta in auge materiali tradizionali e non sempre favorisce i tecnopolimeri di ultima generazione. Alla base di queste scelte vi sono certamente motivazioni di natura tecnica (diverse sono le richieste di un pezzo sottocofano rispetto ad un pannello di rivestimento), ma giocano talvolta anche fattori emotivi (la discriminazione del PVC è un buon esempio) e, più spesso, ragioni economiche.

La riscoperta del poliuretano

Un esempio della vitalità delle plastiche in questo settore è l’impiego del poliuretano, un materiale che, pur non essendo l’ultimo arrivato, sta trovando nuove applicazioni in sostituzione di altri più blasonati polimeri. Particolarmente attiva in questo campo è Bayer, che recentemente ha messo a punto per Mercedes un prototipo di pannello porta in PUR rinforzato con mat di fibre di naturali (lino e sisal). Il pannello è destinato alla nuova Classe S della Mercedes Benz , ma sono in fase di sviluppo soluzioni simili per vetture che usciranno nei prossimi mesi. Il principale beneficio è il ridotto peso: una serie di quattro pannelli, quindi un set completo per l’auto, pesa circa 2,8 kg, contro i 4-6 kg delle soluzioni tradizionali. Questo materiale si presta anche ad ulteriori applicazioni, per esempio il ripiano posteriore e il supporto della plancia portastrumenti.
In collaborazione con la consociata Hennecke, Bayer ha anche sviluppato un processo produttivo, denominato NafpurTec, che – come ci spiega Gianfranco Zanella della divisione PU di Bayer Italia – consente di realizzare particolari con spessori di parete tra 1,5 e 2 mm (in funzione del peso superficiale del mat impiegato) e, quindi, ottenere prodotti finiti con un peso superficiale tra 1.200 e 1.600 g/m2 con un contenuto di fibra naturale compreso tra il 50 e 65 % in peso. Ciò significa una riduzione di peso, sul particolare finito, che può arrivare fino al 45%.

Caratteristiche meccaniche di elementi in Baypreg e fibra naturale

"In passato, i prodotti rinforzati con fibre naturali venivano spesso considerati più che altro un fenomeno transitorio –aggiunge Zanella – Anche gli scettici devono oggi riconoscere che questi prodotti, se lavorati e utilizzati correttamente, hanno tutte le carte in regola per occupare un loro posto nell'industria automobilistica".
Rispetto alle fibre di vetro, il rinforzo naturale offre alcuni vantaggi: costa e pesa di meno, non pone problemi di sicurezza in fase di lavorazione, assicura prestazioni adeguate per molte applicazioni (ovviamente non elementi strutturali), in particolare nella produzione di elementi leggeri di alta qualità.
Pur essendo disponibili diverse soluzioni, Bayer si è orientata verso mat di fibra naturale composti da una miscela di fibre lino e sisal, ognuna al 50%, ma sono in corso ricerche anche su altre fibre. Il prodotto è fornito su bobine di larghezza variabile, con un peso superficiale tra 700 e 1.200 g/m2. La resina poliuretanica utilizzata come impregnante è il poliuretano Baypreg, prodotto da Bayer.

Il processo NafpurTec

Il successo di un materiale dipende in larga parte dalla relativa facilità ed efficienza di trasformazione. Ben conscia di questo fatto, Bayer ha sviluppato un processo razionale ed economico per la produzione di pezzi a partire da resina e bobine di mat lino/sisal.
Il processo inizia con il precondizionamento del mat, al fine di contenere l’umidità sotto allo 0,5%, contro il 6-12% del materiale non trattato. Questa operazione, della durata di 3-10 minuti, viene eseguita con temperature nell’ordine dei 105-110°C, allo scopo di non stressare il materiale e, quindi, garantire la necessaria costanza qualitativa.
Terminata la fase di essiccamento, il mat precondizionato viene tagliato nella lunghezza necessaria, afferrato da un robot e trasportato in una cabina dove, con l'ausilio di teste di miscelazione, viene spruzzato su entrambe le superfici con una miscela di Baypreg. L’applicazione su entrambi i lati garantisce la completa impregnazione del mat, indispensabile per il successivo processo di pressatura. Per favorire una lavorazione sicura e qualitativamente accettabile, l'applicazione viene eseguita con un impianto di dosaggio ad alta pressione dotato di teste di miscelazione autopulenti.
Successivamente, la pinza robotizzata deposita la lastra di mat di fibra naturale, umettata con il Baypreg, in uno stampo riscaldato che viene richiuso immediatamente. Il processo di compressione dà inizio alla formatura del pezzo, mentre l'apporto di calore nello stampo provoca la reazione mirata del sistema poliuretanico.
"Contrariamente ad altri procedimenti di lavorazione – nota Zanella - il materiale di rinforzo viene combinato con il sistema di poliuretano fuori dallo stampo; la fase di stampaggio si risolve così in una semplice compressione".
Per quanto concerne gli stampi, essi devono essere in metallo, meglio se acciaio oalluminio, poiché la forza di compressione necessaria è relativamente alta (200 – 250 t per un pannello porta con una superficie media di 0,6 m²) e la temperatura nello stampo deve raggiungere i 130 °C; in tal modo si attiva il sistema autodistaccante del Baypreg.
La forza di compressione varia, ovviamente, in funzione dello spessore del mat. Partendo da un mat di 10 mm e volendo ottenere pezzi spessi 1,7–1,8 mm con superficie di 0,6 m2 (equivalente ad un pannello porta di media grandezza) sono necessarie almeno 150-200 tonnellate, un valore che tiene conto anche delle zone verticali presenti in questo genere di componenti.

La lavorazione di Baypreg richiede temperature nello stampo di circa 130 °C. Grazie alla temperatura elevata, in combinazione con una catalisi opportunamente bilanciata, è possibile raggiungere tempi di formatura di soli 45 secondi, ma si pensa di poter ulteriormente abbassare questa soglia fino a 30 secondi. Dopo l'apertura dello stampo, gli elementi vengono estratti automaticamente e deposti su una dima di raffreddamento per essere infine avviati alle post-lavorazioni (taglio, rifilatura ed accoppiamento).
L'accoppiamento di elementi con un contenuto di Baypreg inferiore al 45 % del peso del prodotto finale può essere eseguito con l'ausilio del vuoto, mentre eventuali elementi di fissaggio possono essere inseriti direttamente nello stampo e compressi insieme al pezzo principale.

Paraurti "salvapedone"

Il pannello porta non è l’unico asso nella manica del poliuretano. Sono in fase di test anche paraurti sviluppati per ridurre, in caso d’investimento, le lesioni al ginocchio ed alle gambe dei pedoni, come richiesto dalla normativa comunitaria che entrerà in vigore nei prossimi anni.
Il sistema messo a punto da Bayer prevede un rivestimento spesso 1,5-1,8 mm in poliuretano Bayflex 180, rinforzato con fibre di vetro (tecnologia a parete sottile RRIM) e schiumato sul retro con l’espanso semirigido Bayfill EA ad elevato assorbimento d’energia. Grazie all’elasticità del rivestimento, le sollecitazioni a cui viene sottoposta la gamba del pedone sono comprese nei limiti ammessi dalla normativa UE; oltre a ciò, si riducono le ammaccature del paraurti, frequenti in caso di incidenti di piccola entità.
Un altro interessante impiego del poliuretano è stato messo a punto da Lear- Strapazzini Auto e Webasto. Si tratta di una nuova tendina parasole per tettucci apribili realizzata in poliuretano e nido d’ape in carta; tale soluzione risolve un problema tipico di questo componente, vale a dire l’imbarcamento dovuto agli sbalzi di temperatura. Da citare anche un innovativo rivestimento del padiglione messo a punto per Volkswagen, composto da uno strato di PU inserito tra due strati di carta, successivamente applicato, all’interno, al tetto in metallo del veicolo. Si ottiene così un elevato isolamento acustico e termico dell’abitacolo, senza sacrificare la leggerezza; inoltre, grazie a processi di laminazione in continuo, questa soluzione si presta senza problemi alla produzione di serie.
Vi sono poi numerosi componenti non a vista. "Complessivamente, considerando una vettura da una tonnellata, circa il 10% del peso è costituito da materiali polimerici (escludendo gli pneumatici) – spiega Zanella - e tra questi, il 12-15% è poliuretano, per un totale di circa 12 kg. Le sole imbottiture arrivano a pesare 8-9 kg, poi ci sono i sottotappeti, l’isolamento del padiglione, plancia portastrumenti, volante; se aggiungiamo anche i paraurti tocchiamo facilmente i 20 kg".

Riciclato, ma nell’auto

Il poliuretano viene spesso tacciato di essere un materiale difficile da riciclare. "Non è affatto vero – ribatte Zanella – il 70% del poliuretano contenuto in un’auto è costituito dalle imbottiture dei sedili e dal 1960 queste vengono sminuzzate e trasformate in un agglomerato riutilizzato per produrre, ad esempio, sottotappeti e pannelli di coibentazione del vano bagagliaio".
Per favorire il riciclaggio del poliuretano, Bayer ha perfezionato tecniche di smaltimento che comprendono diverse opzioni: stampaggio a pressione elevata di scarti di PU RIM macinati; processo di glicolisi (per esempio la trasformazione di paraurti in condotti dell’aria); stampaggio per compressione ed adesivizzazione di cascami di espanso rigido macinati con impiego di MDI polimerico (dal padiglione alla cappelliera); incorporamento di materiale in polvere, ottenuto dalla macinazione di fiocchi in espanso flessibile e aggiunta della polvere al poliolo di una miscela di reazione.
Oltre a ciò, è possibile anche utilizzare gli scarti, in particolare espansi flessibili, in processi di termodistruzione con recupero di energia, una soluzione poco amata in Italia, ma sicuramente di grande efficacia tecnica ed economica.