ITTO20130837A1

ITTO20130837A1 - Serbatoio di combustibile per un veicolo con migliorata resistenza alla combustione e procedimento per la sua fabbricazione

Info

Publication number: ITTO20130837A1
Application number: IT000837A
Authority: IT
Inventors: Pasquale Iacobone; Enrico Parola; Etienne Valentin
Original assignee: Plastic Components And Modules Auto Motive S P A
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-04-17
Also published as: EP2878476B1; EP2878476A1; US20150102026A1

Description

DESCRIZIONE

“Serbatoio di combustibile per un veicolo con migliorata resistenza alla combustione e procedimento per la sua fabbricazione”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda i serbatoi di combustibile per veicoli, e più specificamente si riferisce ad un serbatoio di combustibile con migliorata resistenza alla combustione secondo il preambolo della rivendicazione 1 e ad un procedimento per la fabbricazione di un serbatoio di combustibile con migliorata resistenza alla combustione secondo il preambolo della rivendicazione 8.

Un serbatoio per il combustibile di un veicolo deve presentare caratteristiche fisiche e strutturali dettate dalla destinazione d'uso, tra cui la principale è quella di essere impermeabile o poco permeabile ai vapori di benzina.

Per ottenere caratteristiche di impermeabilità ai vapori di benzina sono note diverse tecniche di formatura per la produzione di serbatoi multistrato, comprendenti uno strato di barriera, tipicamente di etilvinilalcol (EVOH), ed uno strato di contenimento o strutturale, tipicamente in polietilene (PE), legato allo strato di barriera mediante strati adesivi intermedi.

Tecniche di estrusione e soffiaggio consentono di ottenere un corpo del serbatoio monolitico a guisa di bicchiere, con una struttura multistrato comprendente uno strato interno ed uno strato esterno strutturali di polietilene ed uno strato intermedio di barriera in EVOH, la cui unione con gli strati strutturali di polietilene è garantita mediante strati adesivi compatibilizzanti. Tale tipologia di guscio è ottenibile grazie all'impiego di macchine per estrusione e soffiaggio equipaggiate con una testa di estrusione di più strati in contemporanea.

Una sezione di parete del corpo di un serbatoio ottenuto mediante tecniche di estrusione e soffiaggio è rappresentata in figura 1, ove con 10 è indicato uno strato interno in polietilene di contenimento del liquido, con 12 uno strato barriera in EVOH, impermeabile ai vapori di benzina, e con 14 uno strato esterno strutturale, ancora in polietilene. Tra ciascuno strato di polietilene e lo strato intermedio di EVOH è interposto uno strato adesivo compatibilizzante 16, atto ad assicurare l'unione dei due materiali, altrimenti incompatibili.

Tecniche di termoformatura di lastre multistrato sono alternative all'estrusione e soffiaggio e consentono di ottenere semi-gusci separati aventi la medesima struttura a strati alternati di contenimento e barriera, che vengono successivamente uniti mediante saldatura perimetrale.

Tecniche di stampaggio ad iniezione sono note per la realizzazione di semi-gusci di materiale polietilenico, successivamente saldati tra loro per formare un recipiente atto a contenere acqua, olio o gasolio per cui non vi sono rischi di permeazione di vapori, ma inadatti a creare una barriera ai vapori di idrocarburi (combustibili utilizzati nel campo automotive).

Le rigorose direttive europee in materia di serbatoi di carburante, in particolare la Direttiva Europea 70/221/CEE e la norma omologativa di Resistenza al fuoco in essa emanata alla sezione 6.3.5, richiedono che un serbatoio di combustibile per veicoli rispetti prestabiliti requisiti di resistenza alla combustione quando viene esposto alla fiamma per un tempo di collaudo predeterminato, dopo di che non deve presentare alcuna perdita di carburante liquido.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un serbatoio multistrato per combustibile che presenti migliorate proprietà di resistenza alla combustione rispetto ai serbatoi noti .

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un serbatoio avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale della presente descrizione.

Forma ulteriore oggetto dell'invenzione un procedimento per la fabbricazione di un serbatoio con migliorate proprietà di resistenza alla combustione come rivendicato.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di realizzare un serbatoio per combustibile in due semi-gusci contrapposti ottenuti mediante stampaggio ad iniezione di almeno due strati di materiale, rispettivamente un materiale polietilenico compatibilizzato con carica a base di carbonio ed un materiale di barriera, ad esempio EVOH, i semi-gusci essendo successivamente uniti mediante saldatura laser. Per materiale polietilenico compatibilizzato con carica a base di carbonio si intende, in particolare, una miscela di polietilene e agente promotore di legame con EVOH, noto nella tecnica, quale ad esempio un polietilene a bassa densità additivato di anidride maleica, ulteriormente arricchito di una carica a base di nano-tubi di carbonio in piccole percentuali in peso, ad esempio da 1 a 20% in peso e preferibilmente da 1 a 5% in peso.

Vantaggiosamente, la struttura di serbatoio oggetto dell'invenzione presenta migliorate proprietà di resistenza alla combustione dovuta alle proprietà dei nano-tubi di carbonio di migrare verso un'area di superficie esposta alla fiamma e di realizzare uno schermo dalla combustione per il materiale retrostante.

Ancora più vantaggiosamente, il serbatoio oggetto della presente invenzione, eventualmente ottenibile attraverso il procedimento rivendicato, mostra migliorate proprietà di saldatura tra i semi-gusci costituenti per effetto della carica a base di carbonio, ad esempio di nano-tubi di carbonio.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 2 è una rappresentazione tridimensionale di due semi-gusci di un serbatoio secondo l'invenzione;

la figura 3 è una vista in sezione di una parete dei semi-gusci di serbatoio secondo l'invenzione;

la figura 4 è una rappresentazione schematica della dislocazione di una carica di nano-tubi di carbonio in una matrice di materiale polietilenico;

la figura 54 è una rappresentazione schematica di uno stampo a rotazione impiegato in un procedimento di fabbricazione di un serbatoio oggetto dell'invenzione;

le figure 6a e 6b sono viste in sezione di due forme di realizzazione di una formazione di apertura di un semi-guscio del serbatoio; e

la figura 7 è un grafico di confronto tra l'assorbimento di una radiazione laser in un materiale di puro polietilene e l'assorbimento di una radiazione laser in un materiale di polietilene con carica di nano-tubi di carbonio all'1% in peso.

In figura 2 sono mostrati due semi-gusci contrapposti 20, 22 di un serbatoio di combustibile per un veicolo, assemblabili insieme per formare un corpo di serbatoio impermeabile agli idrocarburi. Sul semi-guscio 20, di cui è mostrata la superficie esterna o convessa, sono visibili un sistema di aggancio 20a per tubazioni per vapori di benzina, un raccordo 20b per l'introduzione del combustibile, corpi valvola 20c di un sistema di ventilazione e ricircolo di aria con idrocarburi ed un raccordo 20d per un condotto di sfiato. Sul semi-guscio 22, di cui è mostrata la superficie interna o concava, sono visibili nervature 22a di irrigidimento della struttura del serbatoio, aventi anche la funzione di paratie anti-sciacquio, sistemi 22b per il fissaggio del serbatoio alla scocca del veicolo ed una vasca di calma 22c per un gruppo di aspirazione del combustibile.

Il serbatoio è vantaggiosamente un serbatoio multistrato comprendente un primo strato esterno S strutturale o di contenimento, realizzato da una miscela di materiale polietilenico, ad esempio HD-PE, di materiale compatibilizzante, ad esempio un polietilene a bassa densità additivato di anidride maleica, e di una carica a base di carbonio, preferibilmente una carica di nano-tubi di carbonio N in peso tra l'1 ed il 20%, ancora più preferibilmente una carica di nano-tubi di carbonio in peso tra l'1 ed il 5%. Il serbatoio comprende un secondo strato interno B di barriera agli idrocarburi, realizzato in EVOH e stabilmente legato allo strato strutturale di contenimento S per effetto del materiale compatibilizzante, la cui funzione è quella di agente promotore di legame con l'EVOH, in modo tale da garantire integrità strutturale al serbatoio.

In una forma di realizzazione alternativa il serbatoio multi-strato comprende un primo strato esterno B di barriera agli idrocarburi ed un secondo strato interno S strutturale o di contenimento.

Questa struttura è mostrata schematicamente in figura 3.

Da esperimenti effettuati è noto che miscele di polietilene con ridotte percentuali (1%-5%) di nano-tubi di carbonio del tipo MultiWall Carbon Nanotubes (MCNT) del diametro tipico di 10 nanometri e con un rapporto d'aspetto dell'ordine di 1/100, possono migliorare non solo le caratteristiche strutturali del polietilene, ma acquisire proprietà ritardanti della combustione.

Secondo una forma di realizzazione preferita i semi-gusci 20, 22 del serbatoio sono realizzati in modo tale da realizzare rispettivamente un semiguscio superiore 20 ed un semi-guscio inferiore 22 del serbatoio, dove i termini superiore" ed "inferiore" sono impiegati con riferimento alla posizione di installazione del serbatoio a bordo di un veicolo. Essi presentano una linea perimetrale di saldatura J che giace preferibilmente, ma non necessariamente in un piano orizzontale rispetto alla posizione di installazione del serbatoio a bordo di un veicolo.

Vantaggiosamente, il solo semi-guscio inferiore 22 del serbatoio presenta uno strato strutturale S additivato con una carica di nano-tubi di carbonio, se il semi-guscio inferiore presenta una sagoma di schermo per il semi-guscio superiore, che non è direttamente investito dalle fiamme in caso di combustione.

Il meccanismo che interviene nel miglioramento della resistenza alla combustione, ossia nell'incremento del tempo di resistenza alla fiamma dello strato strutturale additivato con una carica di nano-tubi di carbonio può schematizzarsi come segue, con riferimento alla rappresentazione schematica di figura 4:

- migrazione ed accumulo dei nano-tubi N di carbonio verso la superficie esposta alla fiamma (indicata dalle frecce F);

- creazione di un effetto schermo che limita, in tal modo, la diffusione dei prodotti di degradazione della matrice di materiale polietilenico; e - ottenimento di una protezione degli strati polimerici sottostanti dall’ossidazione, con incremento notevole dei tempi di resistenza e di combustione del manufatto.

Ogni semi-guscio è ottenuto per sovrastampaggio ad iniezione, in due riprese successive, degli strati componenti.

In figura 5 è mostrata una rappresentazione schematica di un sistema di iniezione predisposto per l'attuazione di un procedimento di stampaggio ad iniezione secondo l'invenzione per la fabbricazione di un serbatoio nella prima forma di realizzazione, in cui lo strato di barriera B è lo strato interno del serbatoio e lo strato S strutturale di contenimento è lo strato esterno.

In una medesima camera di lavorazione 30 il sistema presenta un supporto rotante o traslante 32 recante una coppia di punzoni uguali 34, in corrispondenza dei quali sono disposte due matrici di stampaggio di forma differente, segnatamente una prima matrice di stampaggio 36 ed una seconda matrice di stampaggio 38, in ordine di intervento, atte a stampare un semi-guscio 20, 22 del serbatoio di combustibile. Alla prima matrice di stampaggio 36 è associata una prima unità estrusore di iniezione del materiale costituente lo strato di barriera B ed alla seconda matrice di stampaggio 38 è associata una seconda unità estrusore di iniezione del materiale costituente lo strato strutturale S, preferibilmente additivato con una sostanza compatibilizzante, ossia una sostanza promotrice dell'adesione chimico/fisica al materiale costituente lo strato di barriera B.

La prima matrice di stampaggio 36 presenta una cavità avente una forma predeterminata secondo il volume desiderato del serbatoio, che definisce la superficie interna del serbatoio e relative lacune di superficie e formazioni di apertura.

La seconda matrice di stampaggio 38 presenta una cavità conforme, ampliata rispetto alla cavità della prima matrice di stampaggio 36, ed in particolare la cavità della seconda matrice di stampaggio 38 presenta complessivamente una forma geometricamente simile alla forma della cavità della prima matrice di stampaggio 36, ma ampliata in almeno una direzione di estensione dello stampo, preferibilmente in due direzioni di estensione dello stampo ed ancora più preferibilmente nelle tre direzioni ortogonali dello stampo.

Vantaggiosamente, la forma della cavità della seconda matrice di stampaggio può differire dalla forma della cavità della prima matrice di stampaggio in una o più aree localizzate, di estensione limitata rispetto alla superficie dell'intera matrice, in corrispondenza delle aree di formatura di componenti accessori integrati. Ciò consente lo stampaggio di detti componenti accessori unitamente allo strato strutturale S di un rispettivo semiguscio del corpo del serbatoio.

In una prima fase di un procedimento di produzione del serbatoio, per ciascun semi-guscio del corpo del serbatoio, è effettuato lo stampaggio dello strato di barriera su un punzone 34 mediante la prima matrice 36. Quindi, il supporto 32 è ruotato o traslato ed un nuovo punzone è esposto alla prima matrice di stampaggio 36 per un nuovo stampaggio dello strato di barriera di un nuovo semiguscio. Contemporaneamente, il punzone recante lo strato di barriera stampato è esposto alla seconda matrice di stampaggio 38 ed è effettuato su di esso il sovrastampaggio dello strato strutturale S.

Si noti che per la corretta esecuzione di questa seconda fase di sovrastampaggio la seconda matrice di stampaggio 38 deve presentare una cavità formante un inviluppo del punzone e dello strato di barriera stampato su di esso, in almeno una direzione di estensione del semi-guscio ortogonale alla direzione di accoppiamento matrice-punzone, e preferibilmente in ogni direzione di estensione del semi-guscio ortogonale alla direzione di accoppiamento matrice-punzone. La fase di sovrastampaggio del materiale costituente lo strato strutturale deve avvenire senza che si formi alcuna intercapedine tra gli strati. Il materiale costituente lo strato strutturale può occupare interamente lo stampo, o presentare vuoti o lacune di superficie, come mostrato nelle figure 6a e 6b. In tal modo è vantaggiosamente possibile far emergere formazioni di apertura dello strato barriera all'esterno del serbatoio, le quali possono servire, ad esempio, per la realizzazione di raccordi per un sistema di ventilazione e ricircolo di aria con idrocarburi, su cui possono essere applicati tubi multistrato preformati a bassa permeabilità mediante sistemi di fissaggio rapido, oppure realizzare integralmente a partire dallo strato strutturale S, dallo strato barriera B o ad entrambi gli strati formazioni salienti atte a formare una bocca di accesso al serbatoio o raccordi con condotti esterni, ad esempio formazioni includenti un raccordo per l'introduzione del combustibile o un raccordo per un condotto di sfiato d'aria o vapori all'atto dell'introduzione del combustibile.

Preferibilmente, lo stampaggio avviene ad una temperatura dell'ugello di iniezione del materiale dello strato strutturale S (per miscele con HDPE) compresa tra 190°C e 260°C, ad una temperatura dell'ugello di iniezione del materiale dello strato di barriera B (con EVOH) compresa tra 170°C e 260°C, con temperatura dello stampo fino a 80° e pressioni di mantenimento preferibilmente costanti, comprese tra 20bar e 50bar. Poiché la co-iniezione ed il sovrastampaggio avvengono in una medesima camera di lavorazione 30 per entrambi i materiali (gli strati), il sovrastampaggio dello strato strutturale S mediante la seconda matrice 38 avviene quando il materiale dello strato di barriera stampato mediante la prima matrice 36 presenta una forma consistente, sebbene non allo stato fuso, poiché non viene estratto dalla camera 30 del sistema di iniezione. Ad esempio, il sovrastampaggio dello strato strutturale avviene quando il materiale dello strato di barriera presenta una temperatura superiore alla temperatura ambiente, ed approssimativamente ad una temperatura del pezzo compresa tra 80°C e 140°C, lontana dalla temperatura di fusione per lo stampaggio, di circa 200°C.

Nel modo descritto sono stampati entrambi i semi-gusci 20, 22 costituenti il corpo del serbatoio. I due semi-gusci stampati, successivamente raffreddati, sono quindi uniti mediante saldatura secondo tecniche note (laser, vibrazioni o infrarosso), ad esempio per saldatura testa-testa dei rispettivi bordi lungo il perimetro dei semi-gusci o secondo altre geometrie di contatto e giunzione tra i semi-gusci - fatta salva la bocca di accesso al serbatoio, in modo tale da ottenere almeno la continuità della saldatura dei rispettivi strati di barriera.

L’utilizzo della saldatura laser è da preferire in quanto produce limitati effetti localizzati di riscaldamento e fusione, evitando deformazioni estese e degrado dei materiali.

La carica di nano-tubi N di carbonio in una matrice di materiale polietilenico apporta anche un vantaggio tecnologico nel procedimento di fabbricazione del serbatoio.

E' dimostrabile che nel caso di saldature di materiali polimerici da sorgenti laser, in special modo saldature tra due fogli di materiale polietilenico, di cui almeno uno additivato con nano-tubi di carbonio, la presenza di una carica di basse percentuali di nano-tubi di carbonio, dell'ordine di 1-5%, incrementa la tenacità della giunzione che viene formata.

I nano-tubi di carbonio agiscono come catalizzatori dell'assorbimento radiativo, incrementando localmente la percentuale di assorbimento della radiazione irradiata mentre laser, portandola dal 20-30% a soglie dell'80-90%, in funzione della lunghezza d'onda della radiazione incidente.

In figura 7 è riportato un grafico di confronto sperimentale tra l'assorbimento percentuale di una radiazione laser incidente alla lunghezza d'onda di 240, 600 e 1080 nm in un materiale di puro polietilene (A) e l'assorbimento percentuale di una radiazione laser incidente alle medesime lunghezze d'onda nel caso di polietilene con carica di nanotubi di carbonio all'1% in peso (B).

Convenientemente, la giunzione che si viene a creare tra gli strati strutturali dei due semigusci 20, 22 del serbatoio, di cui il semi-guscio superiore 20 presenta uno strato strutturale formato da una miscela di polietilene additivato con un agente compatibilizzante per l'adesione allo strato barriera di EVOH, e il semi-guscio inferiore 22 presenta uno strato strutturale formato da una miscela di polietilene additivato con un agente compatibilizzante per l'adesione allo strato barriera di EVOH e con una carica di nano-tubi di carbonio, assume caratteristiche meccaniche di tenuta notevolmente migliorate, in quanto si crea una pista perimetrale di saldatura a tenacità aumentata lungo la linea perimetrale di saldatura dei due semigusci.

La percentuale di carica di nano-tubi nella matrice polimerica e la lunghezza d'onda del fascio laser di saldatura sono i parametri che influiscono nella resistenza meccanica della saldatura.

Anche la profondità della saldatura può essere regolata modificando la quantità di carica in nanotubi di carbonio: basse percentuali dell'ordine dell'1% in peso generano saldature forti, mentre saldature deboli si producono con alte percentuali (5% o superiori) di nano-tubi.

Il serbatoio risultante presenta uno strato interno di barriera B senza soluzione di continuità tra i semi-gusci originari ed uno strato esterno strutturale S, sovrastampato allo strato di barriera, più tenacemente saldato lungo il perimetro di unione dei semi-gusci e con migliorate proprietà di resistenza alla combustione. Nell'esempio di realizzazione raffigurato, lo strato strutturale presenta in aree localizzate formazioni di integrazione di componenti funzionali, quali a titolo di esempio corpi di valvole, tubazioni, indicatori di livello, paratie anti-sciacquio o sistemi di trattenimento e fissaggio.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Serbatoio, caratterizzato dal fatto che comprende un primo ed un secondo semi-guscio comprendenti uno strato di barriera agli idrocarburi di un primo materiale ed uno strato di contenimento strutturale di un secondo materiale, rispettivamente formanti uno strato interno di barriera agli idrocarburi ed uno strato esterno di contenimento strutturale oppure uno strato interno di contenimento strutturale ed uno strato esterno di barriera agli idrocarburi, in cui detto strato esterno è sovrastampato a detto strato interno, in cui detti semi-gusci sono uniti lungo una linea perimetrale di contatto in modo tale da ottenere almeno una continuità dei rispettivi strati di barriera, ed in cui detto strato strutturale include una carica a base di carbonio.
2. Serbatoio secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo materiale atto a costituire uno strato di barriera è EVOH e detto secondo materiale atto a costituire lo strato di contenimento strutturale è una miscela di polietilene, di un agente promotore di legame con EVOH e di una carica di nano-tubi di carbonio.
3. Serbatoio secondo la rivendicazione 2, in cui detta carica di nano-tubi di carbonio è una carica compresa tra 1% e 20% in peso.
4. Serbatoio secondo la rivendicazione 3, in cui detta carica di nano-tubi di carbonio è una carica compresa tra 1% e 5% in peso.
5. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un semi-guscio superiore ed un semi-guscio inferiore, in cui il secondo materiale atto a costituire lo strato di contenimento strutturale del semi-guscio superiore è una miscela di polietilene e di un agente promotore di legame con EVOH , ed il secondo materiale atto a costituire lo strato di contenimento strutturale del semi-guscio inferiore è una miscela di polietilene, di un agente promotore di legame con EVOH e di una carica di nano-tubi di carbonio.
6. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui uno strato esterno reca in aree localizzate formazioni di integrazione di componenti funzionali del serbatoio, ed in cui dette formazioni di integrazione di componenti funzionali del serbatoio includono formazioni di apertura dello strato di barriera e lacune di superficie dello strato di contenimento strutturale atte ad esporre dette formazioni di apertura dello strato di barriera.
7. Serbatoio secondo la rivendicazione 6, in cui dette formazioni di apertura dello strato di barriera e lacune di superficie dello strato di contenimento strutturale includono formazioni salienti dallo strato di contenimento strutturale e/o dallo strato di barriera atte a formare una bocca di accesso al serbatoio o raccordi con condotti esterni.
8. Procedimento di fabbricazione di un serbatoio per combustibile a struttura multistrato includente almeno uno strato di contenimento strutturale ed almeno uno strato di barriera agli idrocarburi, secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7, comprendente: - la fabbricazione di una coppia di semi-gusci complementari; e - la saldatura perimetrale di detti semi-gusci, caratterizzato dal fatto che la fabbricazione di ciascuno di detta coppia di semi-gusci include uno stampaggio ad iniezione di un primo materiale atto a costituire detto strato di barriera o detto strato di contenimento strutturale secondo una forma tridimensionale predeterminata, ed un successivo sovrastampaggio ad iniezione di un secondo materiale atto a costituire detto strato di contenimento strutturale su detto strato di barriera stampato, o rispettivamente detto strato di barriera su detto strato di contenimento strutturale stampato.
9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui lo stampaggio di detto primo materiale avviene in una prima matrice dello stampo avente forma predeterminata e lo stampaggio di detto secondo materiale avviene in una seconda matrice dello stampo avente una forma geometricamente simile alla forma della prima matrice, ma ampliata in almeno una direzione di estensione dello stampo.
10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9, in cui la saldatura perimetrale dei semi-gusci comprende la saldatura tra i rispettivi strati di barriera dei semi-gusci e la saldatura tra i rispettivi strati di contenimento strutturale dei semi-gusci, ed in cui almeno la saldatura tra i rispettivi strati di contenimento strutturale dei semi-gusci è realizzata per mezzo di una radiazione laser incidente su una linea perimetrale di contatto tra i semi-gusci.