Le resine ISOCIANATO-EPOSSIDO a rapido indurimento e alte prestazioni FPR sono sistemi bi-componente basati su poliisocianati aromatici liquidi commerciali della famiglia del difenilmetano-diisocianato (MDI) [componente A], resine (o miscele di resine) epossidiche liquide commerciali bi- o multi-funzionali di tipo glicidiletere [componente B] e catalizzatori speciali e proprietari di indurimento.  Dopo miscelazione dei due componenti A + B in rapporto tipicamente da 70:30 a 60:40 a seconda della formulazione con le specifiche caratteristiche desiderate, le resine risultanti sono liquidi inodori, a bassa viscosità, con un pot-life a temperatura ambiente regolabile tra 10-15 minuti e 6 ore per diversificatissime esigenze di processabilità.  La polimerizzazione converte le resine in materiali polimerici vetrosi duri, con struttura chimica mista isocianurato–2-ossazolidone, densamente reticolati e ad alto punto di rammollimento.

Tramite gli specifici catalizzatori di polimerizzazione proprietari FPC appositamente sviluppati, il tempo di indurimento di queste resine a temperature tra 25 e 100°C è facilmente variabile a discrezione entro limiti molto ampi, variabili da ore a pochi minuti, e opzionalmente minimizzabile sino a 30-40 secondi a 80-100°C.  Dopo appropriato post-trattamento termico, le resine si convertono in vetri polimerici trasparenti assolutamente insolubili, di colorazione da ambra a bruna, aventi temperatura di distorsione compresa tra 250 e 320°C a seconda della formulazione.

Variando tipo e concentrazione del catalizzatore e temperatura, i tempi di indurimento possono essere aggiustati in modo da soddisfare un ampio intervallo di requisiti di processabilità:  da quelli delle tecnologie veloci di fabbricazione di pezzi o parti in materiale composito in stampo come R-RIM, S-RIM, RTM, HS-RTM e pultrusione, a quelli dei procedimenti lenti di Bag Molding, Liquid Injection Molding, Vacuum Infusion Molding, e colata in forme aperte o chiuse.

Queste resine dure a costo contenuto sono ulteriormente caratterizzate da:  1) eccezionale resistenza idrolitica, ai solventi e agli agenti chimici aggressivi;  2) buona resistenza intrinseca al fuoco;  3) ottime capacità adesive a vetri minerali, ceramiche e metalli;  4) bassi assorbimenti di acqua  In aggiunta a queste caratteristiche, la loro resistenza all'esposizione a picchi di temperatura sino a 350°C e a temperature di uso continuo sino a 200°C e oltre fa di queste resine materiali ideali come matrici per compositi strutturali, per realizzazione di parti e componenti, incapsulamento o rivestimento di dispositivi elettrici/elettromeccanici/elettronici, e in tutti quei casi in cui è richiesta una combinazione critica di alte prestazioni, veloce processabilità e costo competitivo del materiale.

1.  Caratteristiche di Processabilità 

1.1  Velocità di Polimerizzazione

• Pot-life a temperature sino a 50°C:  perfetta latenza (stabilità della viscosità iniziale) regolabile da 10-15 minuti a 1-1.5 ore a seconda della temperatura, del tipo e della concentrazione del catalizatore FPC.

• Tempi di gelificazione a 60-100°C:  da 20 secondi a 2 ore, in funzione della temperatura, del tipo e della concentrazione di catalizzatore.

• Tempi di vetrificazione a 60-100°C:  da 40 secondi a 6 ore, in funzione della temperatura, del tipo e della concentrazione di catalizzatore.

• L'indurimento delle resine deve essere completato mediante post-trattamento termico:  da 1 a 6 ore a temperature da 150 a 240°C (tipicamente: 1 ÷ 2 ore a 180-240 °C).  Le resine FPR flessibilizzate (a inferiore Tg finale) richiedono trattamenti di post-curing abbreviati e/o a temperature inferiori (150 ÷ 180°C).

1.2   Processabilità a Microonde

Grazie alle modalità di azione dei loro specifici catalizzatori, queste resine isocianato–epossido sono ideali per essere indurite e/o post-indurite mediante trattamenti a microonde (UHF): con queste modalità di lavorazione, i tempi di indurimento e post-indurimento possono essere minimizzati a 1/4 ÷ 1/10 di quelli sopra citati per condizioni di lavorazione convenzionali.  A titolo di esempio, il ciclo di 2 ore di post-curing a 180-220°C di laminati S-RIM di resina FPR S-1 rinforzata a fibre di vetro può essere sostituito con un trattamento di soli 15 minuti sotto riscaldamento a microonde con una temperatura media dei laminati stessi di 225°C.

Catalizzatori recentemente sviluppati specificamente per il processing a microonde ( FPC W1  e  FPC W2 ) consentono la preparazione e l'impiego di composizioni di resine FPR con una combinazione interessantissima di pot-life a temperatura ambiente particolarmente lungo (sino a 4-6 ore) e indurimento particolarmente veloce sotto irradiazione UHF.

1.3  Proprietà Reologiche

• Viscosità iniziale:  100 ÷ 600 cPs [mPa · s] a 23°C  a seconda della formulazione, e cioè (senza diluenti di alcun tipo) viscosità di 5-10 volte inferiori a quelle dei sistemi epossidici liquidi formulati con i diversi induritori, e di almeno 2-4 volte inferiori a quelle delle resine poliestere insature convenzionali e vinil-estere.

• Chemoreologia:  tipico profilo di "snap-curing", come richiesto, per esempio, nelle tecnologie RTM e RIM .

• Tixotropia:  le resine possono essere facilmente dotate di caratteristiche tixotropiche, mediante aggiunta di agenti tixotropici convenzionali (per esempio, 0.5 ÷ 1 % in peso di silice colloidale).

2.    Proprietà delle Resine FPR Polimerizzate

2.1  Temperatura di Distorsione

Temperatura di transizione vetrosa ( Tg ~ HDT ).   A seconda della formulazione:  Tg delle resine Isocianato-Epossido standard FPR S = 250 ÷ 300°C (tipicamente: 270 ÷ 300°C);  Tg delle resine Isocianato-Epossido speciali FPR H = 300 ÷ 320°C.  Formulazioni flessibilizzate delle resine hanno temperatura di transizione vetrosa ridotta nell'intervallo 180 – 240°C, mentre la Tg delle versioni parzialmente flessibilizzate è compresa nell'intervallo 230 ÷ 270°C.

2.2  Resisestenza Termica e Termo-ossidativa

Le resine FPR completamente reagite possiedono un'eccellente stabilità termica sino a 280°C, potendo correntemente sostenere temperature di uso continuo > 150°C, e tipicamente di 180 ÷ 200°C, nonchè picchi di temperatura sino a 350-360°C.  Il loro invecchiamento ad alta temperatura comporta, sia in atmosfera inerte che in aria, una semplice e lenta perdita di peso, senza alcun danneggiamento microstrutturale della massa né della superficie, che rimane infatti liscia e brillante.  A titolo di esempio, la perdita di peso di provini di resina pura è del 5 - 6 % dopo 200 ore continue di esposizione in aria a 250°C, mentre quella delle resine rinforzate con fibra di vetro o caricate con polveri minerali inerti come farina di quarzo, caolini calcinati, silici, ecc. (60% in peso di fibre o di cariche minerali) varia nell'intervallo 2.5 - 2.8 % dopo 2000 ore continue a 200°C pure in aria.

2.3   Resistenza al Fuoco

Le resine FPR pure, completamente polimerizzate, possiedono intrinseche proprietà ritardanti di fiamma (a differenza delle resine poliestere insature, vinil-estere ed epossidiche convenzionali), esibendo un comportamento al fuoco non molto diverso da quello delle resine fenoliche e immidiche.  Classificazione secondo il metodo UL 94 (Underwriters Laboratories) per provini di spessore 3.2 mm:

•  resine pure                                                                                                        V1

•  resine additivate di comuni cariche minerali inerti (talchi, miche, caolini)                 V0

•  resine additivate di ritardanti di fiamma minerali commerciali (10-20% in peso)        migliori di V0

•  resine parzialmente bromurate                                                                            molto migliori di V0

2.4     Assorbimento di Acqua e Resistenza Chimica

• In acqua bollente, come pure in aria umida satura, le resine FPR completamente polimerizzate esibiscono assorbimenti di acqua nettamente inferiori a quelli delle migliori resine epossidiche indurite correnti (massimo assorbimento di acqua all'equilibrio delle resine FPR = 0.9 ÷ 1.0 % in peso).  Tali valori indicano una superiorità delle resine FPR rispetto all'intera categoria dei materiali epossidici, e particolarmente rispetto alle resine epossidiche reticolate con DDS (materiali epossidici caratterizzati dai più elevati valori di Tg) per applicazioni strutturali di livello prestazionale aerospaziale (la cui idrofilia e la cui nota idratabilità in aria umida, con le conseguenti perdite di rigidità, instabilità dimensionale, ecc., sono però ben riconosciute criticità di questa tipologia di matrici polimeriche per materiali compositi strutturali).

• Grazie all'assenza di aggruppamenti chimici idroliticamente attaccabili (come esteri, ammidi, immidi e uretani), come pure alla perfetta neutralità chimica dei loro speciali catalizzatori FPC, il punto di rammollimento e le proprietà meccaniche delle resine FPR non sono alterati dall'invecchiamento né in ambiente umido né in acqua bollente (anche in presenza di tensioattivi).  In virtù della loro struttura chimica, la loro resistenza agli agenti chimici aggresivi è pure eccellente.  Solo gli acidi e basi forti e concentrati possono attaccare e degradare lentamente alla superficie le resine pienamente reagite (capaci infatti di sopportare, ad esempio, 12 ore di immersione in aqua regia a temperatura ambiente, o non meno di 24 ore in soda caustica al 20% bollente).

2.5  Proprietà Meccaniche delle Resine FPR Pure Polimerizzate

• Lo spettro complessivo delle loro prestazioni meccaniche e termo-meccaniche configura queste resine isocianato-epossido come eccellenti matrici per materiali compositi strutturali, specialmente per applicazioni ad elevate temperature.

• Ponendo a confronto materiali condizionati ad umidità relativa del 50-55 %, le proprietà flessionali, tensili e ad urto a temperatura ambiente delle resine Isocianato-Epossido FPR sono in linea generale equivalenti a quelle delle migliori resine poliestere insature, vinil-estere, ed epossidiche convenzionali e speciali "non antiurtizzate":

 resistenza a flessione a 23°C (ASTM D790)  =   90 ÷ 110 MPa;

 modulo elastico a flessione a 23°C ( ASTM D790)  = 3 ÷ 4 GPa.

• Le resine Isocianato-Epossido FPR completamente reticolate mostrano un ottimo mantenimento di caratteristiche meccaniche su un intervallo di temperatura molto esteso, almeno sino a circa 50°C al di sotto della loro temperatura di transizione vetrosa:  diminuzione del 20 - 25% del modulo elastico sull'intero campo di temperatura -50 ÷ 200-220°C per le resine standard (resine FPR S), e sull'intervallo -50 ÷ 260°C per quelle ad alta temperatura di distorsione (resine FPR H).  Ovviamente, diminuzioni di rigidità proporzionalmente molto minori sono esibite dagli stessi materiali additivati di cariche minerali e, a maggior ragione, dai rinforzati con fibre di vetro o carbonio.

 2.6  Proprietà Meccaniche dei Compositi

• Proprietà meccaniche a breve termine.  Le proprietà meccaniche di laminati strutturali fabbricati mediante tecnologia Liquid Injection Molding o RTM con resine FPR sono equivalenti a quelle dei migliori laminati epossidici ottenibili mediante Bag Molding da pre-impregnati commerciali.

Le proprietà meccaniche tipiche di compositi strutturali realizzati con resine FPR sono le seguenti (rinforzo:  stuoia tessuta di fibre di vetro;  contenuto complessivo di fibre di vetro: 70-75% in peso;  55-59% in volume):

laminati quasi-isotropici a 8 strati di stuoia di fibre di vetro  (0, 90, ± 45°, simmetrico);  @ 23°C

laminati ortotropici a 8 strati di stuoia di fibre di vetro  (0, 90°);  @ 23°C

Le eccellenti proprietà meccaniche dei materiali rinforzati realizzabili con queste matrici termoindurenti sono legate alla loro ottima adesione alle fibre di rinforzo, come evidenziato dalle micrografie SEM di frattura ad urto di un composito RTM a fibre di vetro con matrice da resina FPR S-1 std. sotto riprodotte (che esemplificano la permanenza di porzioni significative di matrice polimerica vetrosa frantumata strettamente legata alla superficie delle fibre, nonostante gli evidenti connotati di frattura fragile del composito) e come testimoniato dai valori tipici di resistenza al taglio interlaminare (short-beam shear strength, secondo ASTM D2344) di laminati ortotropici a fibre di vetro e di carbonio:

• Caratteristiche meccaniche post-danneggiamento.  A confronto con compositi ottenibili da diversi pre-impregnati epossidici commerciali a fibre di carbonio omologati per costruzioni aerospaziali, le analisi della resistenza meccanica residua (a trazione, flessione, compressione e impatto) di laminati strutturali a fibre di carbonio e matrice da resine isocianato-epossido dopo impatti ball-drop non distruttivi consentono di qualificare questi compositi come materiali rispondenti agli standard prestazionali meccanici per questo tipo di applicazioni di alto profilo, con il vantaggio, rispetto a quelli di riferimento citati, di una temperatura di distorsione superiore di 60-80 °C.

2.7   Proprietà Elettriche

Le resine FPR sono caratterizzate di per sé da uno spettro di proprietà elettriche (rigidità dielettrica, costante e fattore di perdita dielettrica, resistività di superficie e di volume, come pure durevolezza termica) complessivamente equivalente a quello dei migliori materiali epossidici commerciali specializzati per applicazioni elettriche impegnative a media tensione (trasformatori di elevata potenza, grandi resistenze, condensatori di alta capacità, isolatori, ecc.).

Materiali colati da resine FPR H-0 e H1 caricate con farina di quarzo al 60% in peso possiedono le seguenti caratteristiche tipiche:

3.   Principali Gradi di Resine Isocianato-Epossido FPR Sviluppati

3.1     Resine bi-componente FPR

• Resina FPR S-1 :  Resina standard a media viscosità e medie prestazioni termo-meccaniche (HDT > 250°C), resistenza al fuoco = V1 secondo UL 94, trasparente, di colorazione ambra chiaro.  Resina per impieghi generali e fabbricazione di materiali compositi con rinforzi standard di fibre di vetro, carbonio o Kevlar.

• Resina FPR S-1 FG [food-grade] (resina sperimentale) :  Nuova resina, idonea per impieghi in campo alimentare, a indurimento rapido e prestazioni standard;  media viscosità e medie prestazioni termo-meccaniche (HDT > 250°C), resistenza al fuoco = V1 sec. UL 94, trasparente, di colorazione ambra chiaro.  Resina per impieghi ad alte temperature e ad elevata resistenza chimica per articoli e componenti a contatto con cibi e bevande;  questo sistema di resine implica l'impiego dello speciale Catalizzatore food-grade FPC FG-2.

• Resina FPR S-2 (resina sperimentale) :  Resina standard a media viscosità e medie prestazioni termo-meccaniche (HDT > 250°C), ritardante di fiamma priva di alogeni (V0, sec. UL 94), traslucida, di colorazione ambra chiaro.  Resina per materiali compositi standard e impieghi generali con esigenze di ritardanza di fiamma halogen-free.

• Resina FPR S-3 :  Resina standard a media viscosità e medie prestazioni termo-meccaniche (HDT = 240-250°C), ritardante di fiamma parzialmente bromurata (V0 sec. UL 94), trasparente, di colorazione ambra chiaro.  Resina per materiali compositi std., applicazioni elettriche/elettroniche/elettromeccaniche e impieghi generali con superiori esigenze di resistenza al fuoco.

• Resina FPR S-1 LV :  Resina a viscosità molto ridotta e medie prestazioni termo-meccaniche (HDT = 240°C), resistenza al fuoco = V1 sec. UL 94, trasparente, di colorazione ambra chiaro.  Resina ideale per fabbricazione di materiali compositi con frazioni volumetriche di fibre di rinforzo particolarmente elevate, e specialmente di compositi strutturali ad elevatissime prestazioni meccaniche mediante infiltrazione di preforme ad alta densità di impaccamento di fibre di vetro, carbonio e/o Kevlar®.

• Resina FPR S-3 LV :  Resina simile a FPR S-1 LV, ritardante di fiamma parzialmente bromurata (V0 sec. UL 94).

• Resina FPR H-0 :  Resina speciale di colore bruno scuro a sostenuta viscosità e superiori prestazioni termo-meccaniche (temperatura di distorsione = 300°C) e chimiche, resistenza al fuoco = V1-V0 sec. UL 94.  Resina per impieghi speciali (materiali compositi strutturali di standard aerospaziale per alte temperature, impieghi elettrici ad alte tensioni, impieghi in ambienti chimicamente fortemente aggressivi).

• Resina FPR H-1 :  Resina speciale simile a FPR H-0, di colore ambra, a media viscosità, ad alte prestazioni termo-meccaniche (temperatura di distorsione > 280°C) e chimiche, resistenza al fuoco =  V1-V0 sec. UL 94.  Resina per impieghi speciali (materiali compositi strutturali di standard aerospaziale per alte temperature, impieghi elettrici a medie tensioni, impieghi in ambienti chimicamente aggressivi).

• Resina FPR H-2 (resina sperimentale) :  Resina speciale simile a FPR H-1, a sostenuta viscosità, ritardante di fiamma priva di alogeni (V0 sec. UL 94).

• Resina FPR H-3 :  Resina speciale simile a FPR H-1, a media viscosità, ritardante di fiamma parzialmente bromurata (V0 sec. UL 94).

4.2   Catalizzatori di Polimerizzazione Specializzati e Proprietari FPC

• Catalizzatore FPC 1A :  Catalizzatore di indurimento semi-rapido std., per tutte le Resine standard  FPR S.  Liquido oleoso limpido, da incolore a paglierino;  rapidissimamente solubilizzabile nelle resine a temperatura ambiente.  Catalizzatore a basso costo, a doppia funzionalità:  catalizzatore di indurimento veloce + acceleratore di impregnazione delle fibre di rinforzo nella produzione di materiali compositi.  Perfetto nella fabbricazione RTM o LIM di compositi standard di qualità e strutturali per autoveicoli, automezzi industriali, componenti e costruzioni industriali varie.

• Catalizzatore FPC 1B :  Catalizzatore std. di indurimento rapido, per le Resine standard  FPR S.  Liquido oleoso limpido, di colore paglierino;  rapidissimamente solubilizzabile nelle resine a temperatura ambiente.  Catalizzatore conveniente, a doppia funzionalità:  catalizzatore di indurimento veloce + acceleratore di impregnazione delle fibre di rinforzo nella produzione di materiali compositi.  Ideale per la fabbricazione R-RIM, S-RIM, RTM & HS-RTM, LIM, come pure nella pultrusione, di compositi strutturali per autoveicoli, automezzi industriali, componenti e costruzioni industriali varie.

• Catalizzatore FPC 2A :  Catalizzatore di indurimento molto rapido, specializzato per le Resine speciali  FPR H, o come catalizzatore rapido o a basso dosaggio per le Resine standard  FPR S.  Liquido mieloso limpido, rifrangente, di colore giallino;  prontamente solubilizzabile nelle resine a temperatura ambiente.  Per applicazioni richiedenti resine indurite con un livello superiore di prestazioni termiche, termo-meccaniche e chimiche:  raccomandato per alte temperature di uso continuo, impieghi in condizioni ossidanti e/o di forte aggressione chimica, implicanti cicli stressanti umido/secco e/o caldo/freddo, ecc.  Eccellente per realizzazione di isolanti elettrici per condizioni pesanti di esercizio

• Catalizzatore FPC CP-2A :  Soluzione "master" del catalizzatore di indurimento rapido FPC 2A in una miscela liquida di resine epossidiche.  Liquido mieloso limpido, di colore paglierino;  facilmente miscibile con le resine a temperatura ambiente.  Particolarmente indicato per un preciso dosaggio del catalizzatore FPC 2A nelle preparazioni e impieghi di piccoli batch di sistemi di resine FPR.

• Catalizzatore FPC FG-2 :  Speciale catalizzatore di indurimento rapido, food-grade, messo a punto per il sistema Resin System FPR S-1 FG [food-grade].  Liquido mieloso limpido, di colore giallino (catalizzatore sperimentale).

• Catalizzatore FPC 2B :  Catalizzatore di indurimento super-rapido, specializzato per le Resine speciali  FPR H, o come catalizzatore super-rapido o a bassissimo dosaggio per le Resine standard  FPR S.  Liquido mieloso limpido, rifrangente, di colore giallino;  facilmente solubilizzabile nelle resine a temperatura ambiente.  Per applicazioni richiedenti resine indurite con uno spettro complessivo premiante di prestazioni termiche, termo-meccaniche, chimiche ed elettriche:  ideale per fabbricazione di compositi strutturali per parti e componenti di autoveicoli, automezzi industriali, apparecchiature e costruzioni industriali varie, destinate a pesanti condizioni termiche di lavoro, per compositi di standard aerospaziale, per isolamenti elettrici in apparecchiature ad alti voltaggi e con sostenute temperature di funzionamento.

• Catalizzatore FPC CP-2B :  Soluzione "master" del catalizzatore di indurimento rapido FPC 2B in una miscela liquida di resine epossidiche.  Liquido mieloso limpido, di colore paglierino;  facilmente miscibile con le resine a temperatura ambiente.  Particolarmente indicato per un preciso dosaggio del catalizzatore FPC 2B nelle preparazioni e impieghi di piccoli batch di sistemi di resine FPR.

• Catalizzatore FPC XF :  NUOVO !  Catalizzatore di indurimento ultra-veloce, per tutte le resine FPR H e FPR S.  Solido cristallino basso-fondente, di colore giallo paglierino.  Sviluppato per minimizzare, cioè ridurre ulteriormente, la già bassa concentrazione del catalizzatore rapido FPC 2B.

• Catalizzatore FPC W1  :  Catalizzatore speciale per tutte le Resine FPR S & H, a lungo pot-life, specializzato per processing accelerato a microonde.  Liquido mieloso rifrangente, di colore ambrato;  rapidamente solubilizzabile nelle resine dolcemente preriscaldate.  Impartisce alle resine indurite il medesimo spettro superiore di caratteristiche garantito dal Catalizzatore FPC 2A.

•  Catalizzatore FPC W2  :  Catalizzatore speciale per tutte le Resine FPR S & H, a lungo pot-life, specializzato per processing super-accelerato a microonde.  Liquido mieloso ad alta viscosità, rifrangente, di colore ambra;  facilmente solubilizzabile nelle resine dolcemente preriscaldate.  Impartisce alle resine indurite il medesimo spettro premiante di caratteristiche termiche, termo-meccaniche, chimiche ed elettriche garantito dal Catalizzatore FPC 2B.