Sviluppo di nuovi adesivi autoriparanti per un potenziale impiego nelle pale delle turbine eoliche

L’energia eolica è una delle fonti rinnovabili più promettenti per la transizione verso una generazione di energia sostenibile, con una capacità installata che ha superato, 1136 GW nel 20241 . Le pale delle turbine eoliche sono i componenti più critici e costosi, esse sono costituite da gusci in polimero rinforzato con fibre (FRP) incollati tra loro con adesivi strutturali prevalentemente epossidici (EP) depositati lungo il bordo d’attacco, bordo d’uscita, spar cap e shear web2-3 . Le pale delle turbine eoliche sono soggette a diverse tipologie di danni durante la loro vita operativa, che possono essere suddivisi in tre macro-categorie: degrado superficiale (come l’erosione del bordo d’attacco e danni al rivestimento), deterioramento delle interfacce e delle linee adesive (inclusi i cedimenti dei giunti adesivi) e danni agli elementi strutturali (come delaminazioni, rottura delle fibre o instabilità). Sebbene l’erosione del bordo d’attacco sia un meccanismo di danno frequentemente osservato e appaia spesso già nei primi anni di servizio, il cedimento dei giunti adesivi riveste un’importanza critica a causa del rischio di perdita totale dell’integrità strutturale, dei costi e della complessità di manutenzione ad esso legata. Infatti, date le dimensioni delle pale moderne (oltre 100 m), anche piccoli difetti negli adesivi possono portare a fallimenti strutturali3 .

Per incrementare la durabilità di questi componenti, la ricerca si sta concentrando sui materiali autoriparanti (self-healing), classificati in sistemi intrinseci, basati su legami reversibili, ad esempio, ottenuti tramite l’introduzione di fasi termoplastiche, ed estrinseci, basati su legami forti ottenuti, ad esempio, tramite l’introduzione di agenti riparanti reattivi incapsulati4 . Tuttavia, molti di questi sistemi mostrano proprietà meccaniche ridotte, inadatte ad applicazioni strutturali5-8 . In questo contesto, i copolimeri ciclici olefinici (COC) emergono come agenti riparanti promettenti grazie al largo intervallo di temperatura di transizione vetrosa (68-180° C), all’elevata stabilità termica e alle proprietà meccaniche simili a quelle delle resine epossidiche, garantendo che l’integrità strutturale non venga compromessa9 . Si tratta di termoplastici amorfi trasparenti, con bassa densità, elevata rigidezza ed eccellenti proprietà di barriera all’umidità che trovano applicazione nell’ottica di precisione (lenti), nel settore medicale (siringhe e contenitori diagnostici), nel packaging farmaceutico e alimentare e in componenti elettronici10 .

In questo studio11 , il COC selezionato è stato crio-macinato in particelle inferiori a 300 μm e miscelato alla resina epos sidica in percentuali del 15% e 30% in peso mentre i giunti sono stati realizzati incollando due aderendi in laminato di carbonio con uno strato di adesivo di 0.75 mm. Dal punto di vista reologico, l’aggiunta di COC alla matrice epossidica non curata ha aumentato il modulo conservativo, il modulo dissipativo e la viscosità complessa, indicando che i domini di COC limitano la mobilità delle catene epossidiche alla temperatura di reticolazione (70° C). Tuttavia, la lavorabilità non è stata compromessa. I test alla più alta temperatura di riparazione (175° C) hanno confermato che la viscosità del COC si riduce significativamente, permettendone il flusso all’interno delle cricche.

Le analisi chimiche e morfologiche hanno confermato che la miscela polimerica è immiscibile, con domini di COC dispersi nella matrice e debolmente legati ad essa, come evidenziato da micro-vuoti all’interfaccia. Il sistema ha mostrato una cura completa e una buona stabilità termica, con un miglioramento della resistenza alla degradazione termica dopo l’aggiunta del COC rispetto alla resina pura. L’aggiunta di COC ha indotto un leggero aumento del modulo elastico da 1.65 a 1.75 GPa senza che i campioni mostrassero una differenza significativa. Ciononostante, ha ridotto la resistenza a trazione e l’allungamento a rottura a causa della limitata adesione interfacciale, rispettivamente i cali osservati per la miscela contenente il 30% di COC sono stati del 32% e del 68%.
La tenacità a frattura (KIC e GIC ) è leggermente diminuita con l’aggiunta di COC. Tuttavia, durante la riparazione a 175° C, il COC rammollito è fluito efficacemente nell’area danneggiata. La miscela con il 30% di COC ha ottenuto un recupero della tenacità a frattura (KIC ) dell’81% dopo riparazione a 175° C. I giunti con solo resina epossidica hanno mostrato la resistenza a taglio maggiore (16.2 MPa), mentre l’aggiunta di COC ha portato a una riduzione della resistenza iniziale (14.9 MPa per la miscela con il 30 % di COC). Dopo il processo di riparazione a 175° C, il giunto con il 30% di COC ha recuperato circa il 43% della sua resistenza al taglio originale. Le osservazioni al microscopio ottico hanno rivelato una transizione da una frattura adesiva (che avviene all’interfaccia quindi difficilmente riparabile) osservata nelle giunture con adesivo epossidico puro e con la miscela epossidica/COC contenente il 15% di COC, verso una frattura coesiva (interna all’adesivo quindi facilmente riparabile) in presenza del 30% di COC, indicando che il COC modifica il meccanismo di frattura e l’interazione tra adesivo e aderendo.
Questo studio ha dimostrato che le miscele EP/COC possono rappresentare un nuovo tipo di adesivi autoriparanti termicamente. Sebbene l’introduzione della fase termoplastica riduca parzialmente le proprietà meccaniche iniziali, il sistema garantisce prestazioni strutturali adeguate e una capacità di riparazione significativa, specialmente con un contenuto di COC del 30% in peso e temperature di autoriparazione di 175° C. Questi adesivi potrebbero aumentare notevolmente l’affidabilità e la vita utile delle pale delle turbine eoliche in condizioni ambientali difficili, riducendo i costi di manutenzione. Ulteriori indagini future potranno concentrarsi sulla resistenza a fatica e sull’attivazione del meccanismo di riparazione tramite ulteriori stimoli esterni per semplificare il processo di riparazione.