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Analisi di materiali innovativi per assorbire urti in maniera reversibile
Un estratto del lavoro di ricerca finale del Corso di Nanotecnologie e materiali funzionali per il design
- Politecnico di Milano. Di Davide Pecchini, Giuseppe Currò e Simone Cacciotella
Quando usare un materiale “reversibile o irreversibile”
Un materiale sottoposto a sforzo, si deforma prima elasticamente e solo in seguito, se lo sforzo e
particolarmente grande, inizierà a deformarsi plasticamente.
Esistono materiali/componenti progettati per assorbire gli urti esclusivamente in maniera elastica ed altri
che sfruttano anche l’assorbimento in campo plastico. Assorbire gli urti sfruttando anche la deformazione
plastica del materiale offre grandissimi vantaggi, primo fra tutti la quantità di energia che può essere
assorbita, che nel caso di alcuni materiali risulta essere di parecchi ordini di grandezza superiore all’energia
assorbibile elasticamente, occorre aver bene in mente i requisiti di quello che si sta progettando, perché si
rischia di ricercare un materiale innovativo ma molto costoso fra i materiali che assorbono gli urti
elasticamente, quando invece un materiale tradizionale può presentare caratteristiche più adatte allo
specifico caso. Fatta questa premessa, nella ricerca si tratterà esclusivamente l'assorbimento elastico.
1.0 Metodi di assorbimento degli urti in maniera reversibile
Analizzando i modi che possiedono i materiali di reagire ad una sollecitazione impulsiva, si sono distinti tre
macro-comportamenti/classi di materiali. La prima classe, definibile come “Fluido Non Newtoniano”, la
seconda, i materiali e le strutture che presentano modulo di Poisson negativo e che vengono chiamate
auxetiche, e la terza classe, dei materiali che possiedono proprietà “comuni o non eccessivamente
particolari”, che andremo successivamente a suddividere in ulteriori micro classi.
1.1 Fluidi Non Newtoniani
Sono fluidi che non rispondono alle leggi di Newton sulla fluido dinamica e, se sottoposti a urti violenti, si
irrigidiscono, mostrando le caratteristiche di materiali solidi a tutti gli effetti, per un lasso di tempo ridotto.
Negli ultimi anni sono sul mercato offrendo prestazioni uniche per alcune particolari tipologie di prodotti.
1.2 Struttura auxetica
I materiali auxetici sono caratterizzati da un coefficiente di Poisson negativo: esso misura, in presenza di
una sollecitazione longitudinale, il grado in cui un materiale si restringe o si dilata trasversalmente. Nei
materiali tradizionale esso è positivo (un campione se sollecitato longitudinalmente si assottiglia), nel caso
dei materiali auxetici, invece, a una trazione corrisponde un'espansione del materiale, mentre a
compressione un assottigliamento.
1.3 Materiali tradizionali
Dato il grande numero di materiali presenti in questa categoria si è presentata la necessità di suddividerli
ulteriormente in sottoclassi. La prima macro-suddivisione vede la distinzione in colloidali e non colloidali.
1.3.1 Colloidali e non colloidali
Un colloide (o sistema colloidale) è una particolare miscela in cui una sostanza si trova in uno stato
finemente disperso, intermedio tra la soluzione omogenea e la dispersione eterogenea. Una microclassificazione vede distinguersi i gel dalle schiume e gli espansi, date le proprietà estremamente diverse.
Gel ed espansi
Un gel è costituito da un liquido disperso inglobato in una fase solida. I gel sono caratterizzati da un
peso specifico molto alto (superiore a 1). Gli espansi, di peso specifico molto basso, invece, sono
materiali che presentano struttura vacuolare (aeriforme disperso in un solido).
1.3.2 Viscoelasticità
Analizzando i materiali “tradizionali” si è poi riscontrata una proprietà trasversale a questa
categorizzazione: la viscoelasticità. Fondamentale nell’assorbimento urti, poiché permette una restituzione
graduale e non impulsiva delle sollecitazione.
2 Introduzione ai Materiali Non Newtoniani
Questo paragrafo vede raggruppati al suo interno due materiali non newtoniani dal comportamento
dilatante, e dalle caratteristiche e applicazioni molto diverse. Ma questi non sono gli unici materiali noti
con questo comportamento: forse l’esempio più conosciuto di fluido non newtoniano, e che ogni
bambino ha provato a realizzare a scuola, viene ottenuto miscelando acqua e amido di mais. Il composto
molto denso mostra due differenti comportamenti: ad immersione lenta, si presenta come un normale
fluido, ad immersione veloce, la sostanza sembrerà trasformarsi in un solido.
2.1 Scheda tecnica: D3O
Cos’è: Il D3O è un prodotto utilizzato per l’assorbimento ad alta efficienza di impatti. Questo prodotto si
basa sulle capacità meccaniche di risposta agli urti dei fluidi non newtoniani, come molti altri casi presenti
sul mercato, prende il nome dall’azienda produttrice. Il D3O è un materiale non newtoniano
appartenente alle categorie "dilatanti" e "viscoelastici".
Applicazioni: L’azienda D3O ha sviluppato e infine brevettato il prodotto tra gli anni 2002-2004, ed ha
debuttato alle olimpiadi invernali del 2006 proteggendo gli atleti canadesi e statunitensi dagli effetti delle
cadute. Dopo il successo ottenuto l’azienda ha cominciato a trovare e sperimentare nuove applicazioni
trasformando così il materiale da applicazioni solamente sportive ad usi protettivi per device elettronici
come computer e cellulari, protezioni militari per reparti speciali, assorbimento vibrazioni per plantare e
applicazioni in estrazione di gas e petrolio.
2.2 Scheda tecnica: Jear Thinking Fluid
Cos’è: I Jear Thinking Fluids sono un insieme particolare di fluidi non newtoniani utilizzati per rendere
i tessuti impenetrabili a corpi sottili che si infilerebbero tra le maglie. Ciò che rende interessante questi
materiali è la capacità di resistere a urti, estremamente intensi, in aree molto confinate.
Applicazioni: L’applicazione principale di questi materiali è la realizzazione di tessuti impenetrabili a
oggetti contundenti, per forze dell’ordine: se il materiale è applicato su tessuti o fibre in Kevlar
(materiale noto per la sua resistenza al taglio, ma limite di apertura delle maglie), esso sarà
impenetrabile perfino ad un pugnale. Altre applicazioni sono state ipotizzate anche per guanti ad uso
medico, per proteggere da accidentali perforazioni da siringa.
3 Introduzione ai materiali Auxetici
Materiali con modulo di Poisson negativo esistevano già in natura (esempi sono: alcune particolari rocce
minerarie, la carta o alcune varianti di PTFE) ma solo recentemente si è riusciti a ricreare artificialmente
questa struttura. Come vedremo in seguito, nella scheda del materiale presentato, negli ultimi anni i
laboratori di ricerca militare sono riusciti a sintetizzare alcune forme di polimeri auxetici a partire da
polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE), sperimentati per la protezione da esplosioni.
3.1 Scheda tecnica: Zetix
Cos’è: Lo Zetix è il primo polimero a struttura auxetica sintetizzato e realizzato per la produzione in
massa. Prende il nome dall'omonima azienda che lo ha ideato.
Applicazioni: Questo materiale viene attualmente sviluppato e impiegato a scopi prevalentemente
militari, medicali, aereospaziali, sportivi (come protezioni per articolazioni) e nella realizzazione dei cavi per
il bungee jumping.
4 Introduzione ai materiali non colloidali
In questa categoria potrebbero essere racchiusi il 90 percento dei materiali conosciuti. Se però si inserisce
il vincolo di un buon assorbimento di urti, in maniera elastica, il campo si restringe molto e ci si confronta
quasi esclusivamente con le gomme.
4.1 Scheda tecnica: Deflexion
Cos’è: DEFLEXION™ più che un semplice materiale risulta essere una tecnologia (che da origine alla
particolare struttura con cui si presenta) associata a materiali a base siliconica. Il prodotto
commercializzato da Dow Corning come materiale ammortizzante, è disponibile in una discreta varietà
di tessuti di protezione. Il materiale è disponibile in due categorie:
- Serie S (di colore rosso) flessibile e adattabile a capi d’abbigliamento;
- Serie TP (di colore nero) più rigida e termoformabile.
Applicazioni: DEFLEXION™ è impiegato per suole di calzature o per la protezione da urti in ambito
sportivo dove viene inserito in punti nevralgici all’interno di intercapedini di abbigliamento sportivo
(parastinchi, protezioni per le arti marziali, abbigliamento motociclistico). E' particolarmente utilizzato
anche in nautica e in ambienti umidi, in quanto si comporta molto bene a contatto con l’acqua e la sua
struttura è altamente traspirante. Per questo motivo è spesso associato a tessuti impermeabilizzati in
una direzione ma che permettono la traspirazione nell’altro verso.
4.2 Scheda tecnica: Noene®
Cos’è: il NOENE® è una gomma che, per la sua struttura esterna e interna, presenta caratteristiche
differenti dagli elastomeri tradizionali. La proprietà principale del materiale è la sua viscoelasticità che gli
conferisce un’elevata capacità di ammortizzazione e disperdere le vibrazioni.
Applicazioni: Il NOENE® ha applicazioni principalmente nella realizzazione di solette per calzature, ma
nasce per contenere gli effetti delle vibrazioni prodotte dai macchinari industriali. Si utilizza anche in
vetture da corsa e treni ad alta velocità. È stato utilizzato persino nella metropolitana di Milano, al fine di
assorbire le vibrazioni che potevano danneggiare la struttura del Duomo.
5 Introduzione ai gel (colloidali)
I gel per l’assorbimento di urti e virazioni sono stati sviluppati solo negli ultimi anni (non esistono
materiali tradizionali con queste caratteristiche), e il mercato ha saputo in breve tempo trovare molteplici
applicazioni di successo per questa classe di materiali.
5.1 Scheda tecnica: Alpha Gel®
Cos’è: Alpha Gel®, prodotto dall'azienda giapponese Geltec, è un materiale assorbente siliconico morbido
e flessibile. Esso mantiene le sue proprietà assorbenti per un numero elevato di cicli di compressione.
Applicazioni:
- Ammortizzatore per calzature.
- Materiale da interporre tra la parte frontale e l’interno delle mazze da golf, per attutire il colpo tra pallina e
mazza e soprattutto per rendere più confortevole tale impatto.
- Protezione di componenti per radio, resistenza ai raggi UV, condizioni ambientali e shock.
- Protezione medicale per osteoporosi e fratture del femore.
- Protezione nei caschi per moto e altri ambiti sportivi.
Viene inoltre impiegato per assorbire vibrazioni:
- Nelle pompe a vuoto e nei compressori.
- Isolante per i sistemi di propagazione dei segnali ferroviari.
- In elettronica, come ammortizzatore durante le fasi di testing di macchinari e o durante l’arresto di quest’ultimi.
Soft feel e dispersore di pressione:
- Rivestimento di penne per renderle più maneggevoli.
- Supporto per fotocamere
- Supporto per passeggini
- Materassi
5.2 Scheda tecnica: Beta Gel®
Cos’è: Il Betagel® è formato da un foglio di gel poliuretanico. Con esso si producono materassi, cuscini e
sedute. Mantenendo le caratteristiche essenziali del gel poliuretanico, riducendo il costo del materiale e il
peso del gel, è stato possibile sviluppare una particolare struttura definita “struttura a pettine”.
Applicazioni: Le maggiori applicazioni sono in campo medico come cuscini e materassi, o nella
realizzazione di supporti utilizzati in elettronica e nell'automotive.
6 Introduzione agli espansi colloidali
Questi materiali sono stati i primi ad essere sviluppati nell’assorbimento di urti. Si pensi alla rivoluzione avvenuta
quando la gomma piuma è entrata sul mercato. Di seguito saranno analizzati solamente gli espansi più innovativi e
dalle proprietà comparabili ai materiali sopra descritti.
6.1 Scheda tecnica: Poron XRD®
Cos’è: PORON XRD® è un espanso microcellulare a celle aperte, morbido e flessibile al tatto, ma resistente
all’impatto. I produttori affermano che questo prodotto sia nato dalla ricerca di un materiale leggero, sottile,
traspirante e progettato per resistere a impatti ripetuti. Il materiale ha un comportamento molto particolare:
quando non subisce sollecitazioni, al di sopra della temperatura di transizione vetrosa (Tg) dell’uretano, il materiale
risulta soffice; se invece è sollecitato a una velocità elevata o sottoposto a stress, la Tg del materiale raggiunge il
punto in cui l’uretano momentaneamente “congela” formando un guscio protettivo rigido, che protegge il corpo da
urti meglio di qualunque altra schiuma protettiva attualmente disponibile sul mercato.
Applicazioni: PORON XRD® è un ottimo protettivo, ideale per una vasta gamma di attrezzature sportive, e per
l'abbigliamento. E’ disponibile in lastre o in specifiche conformazioni adattate a parti del corpo
o all’oggetto che deve ospitare. L’azienda serve un grandissimo numero di partner commerciali legati
all’abbigliamento sportivo, alle calzature e all’oggettistica più generale, specie legata alla protezione di elettronica.
Alcuni esempi sono: gomitiere, ginocchiere, custodie per computer, protezioni all’interno di calzature tecniche
(come scarponcini da lavoro).
6.2 Scheda tecnica: Sas-Tec
Cos’è: Il Sas-Tec è un materiale, prodotto dalla omonima azienda, realizzato con una schiuma poliuretanica ad
altissima viscoelasticità.
Applicazioni: Questo materiale viene utilizzato come imbottitura di applicazioni sportive.
Conclusioni finali
Ciò che risulta immediatamente evidente è che non vi è un materiale migliore per eccellenza, ma che la scelta in fase
di progettazione andrà calibrata attentamente in base al contesto d'uso, al tipo di urto che si vorrà assorbire, alla
modalità di assorbimento dell’urto. Importante è anche la scelta tra assorbimento elastico o plastico dell'urto.
Nel caso, ad esempio, si ricerchi l’assorbimento di vibrazioni insieme a quello di urti, la scelta ricadrà sulla classe di
materiali gel o non colloidali, che ne imitano le proprietà cercando di migliorarne qualche caratteristica.
Un caso a parte è quello dei Jear Thinking Fluids, studiato per resistere al taglio in seguito a sollecitazioni impulsive più
che per assorbire urti.
Nel caso di urti classici, quali possono essere una caduta o un colpo/urto, la fanno da padrone i materiali espansi come
Sas-tec e Poron XRD®. Anche il DeflexionTM possiede ottime caratteristiche di assorbimento di impatti, ma il materiale
che più di tutti si sta imponendo come protettivo in ambiti sportivi e tecnici risulta essere il D3O®.
I materiali auxetici sono materiali ancora in fase di sviluppo: destinati ad assorbire urti ad elevato potenziale, vengono
infatti utilizzati per realizzare giubbotti antiproiettile e protezioni contro le esplosioni.
Come accennato all’inizio, la viscoelasticità risulta essere un parametro fondamentale per giudicare le proprietà di
assorbimento degli urti di un materiale. Anche la progettazione macrometrica della struttura del materiale
assorbente influenza le sue proprietà fino ad incrementarle notevolmente.

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