HAL Id: hal-01977300
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Submitted on 10 Jan 2019
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STUDIO DI FATTIBILITÀ Una schiuma economica per
la spinta idrostatica dei ROV
Ramiro Dell’Erba
To cite this version:
Ramiro Dell’Erba. STUDIO DI FATTIBILITÀ Una schiuma economica per la spinta idrostatica dei ROV. [Research Report] ENEA. 2010. �hal-01977300�
Italian National Agency for New Technologies, Energy and
Sustainable Economic Development
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STUDIO DI FATTIBILITÀ
Una schiuma economica per la spinta idrostatica dei ROV
RAMIRO DELL’ERBA ENEA - Tecnologie della Robotica
Centro Ricerche Casaccia, Roma
AGENZIA PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L’ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE
STUDIO DI FATTIBILITÀ
Una schiuma economica per la spinta idrostatica dei ROV
RAMIRO DELL’ERBA ENEA - Tecnologie della Robotica
Centro Ricerche Casaccia, Roma
I contenuti tecnico-scientifici dei rapporti tecnici dell'ENEA rispecchiano l'opinione degli autori e non necessariamente quella dell'Ente.
The technical and scientific contents of these reports express the opinion of the authors but not necessarily the opinion of ENEA.
STUDIO DI FATTIBILITÀ
Una schiuma economica per la spinta idrostatica dei ROV
RAMIRO DELL’ERBA
Riassunto
In questo rapporto ci proponiamo di verificare la possibilità di sostituire alle schiume commerciali, normalmente usate per rendere neutro un ROV (Remote operated veichle), con schiume economiche di più facile reperibilità. Le schiume normalmente usate nei ROV sono infatti costituite da plastiche particolari, atte a resistere alle pressioni oceaniche di circa 3000 metri di profondità: esse sono quindi molto costose e difficili da reperire. Nella maggior parte delle applicazioni sperimentali tali profondità operative non sono mai raggiunte; abbiamo quindi pensato di poter sostituire le schiume speciali con plastiche ordinarie. Naturalmente occorre qualche verifica di tipo sperimentale prima di affidare ad esse il compito di sostenere il ROV. I risultati dimostrano come, fino a profondità di circa 200 metri, le plastiche da noi individuate possono tranquillamente, in tutta sicurezza, sostituire quelle normalmente usate.
Parole chiave: Robotica, ROV, materiali plastici
Abstract
In this report we aim to explore the possibility of replacing the commercial foam, normally used to make a neutral ROV (Remote operated veichle) with some economic foam easier to find. The foam usually used in the ROV are made up of special plastic that can withstand ocean pressures of about 3000 meters in depth: they are very expensive and difficult to find. In most experimental applications such operational depth is never reached, and we have therefore thought to be able to replace the foam special plastic with an ordinary one. Of course it must be done some kind of experimental verification before entrusting them with the task of supporting the ROV. The results show that, up to depths of about 200 meters, the plastic that we have identified can, in complete safety, to replace those normally used.
INDICE 1. Premessa... 7 2. Riferimenti ... 7 2.1. Progetto ... 7 2.2. Documenti di riferimento ... 8 3. Specifiche di Sistema ... 8
4. RISORSE TECNICHE E STRUMENTALI ... 9
4.1. Materiali ... 9
4.2. Preparazione campioni ... 10
4.3. Tecniche di caratterizzazione ... 11
4.3.1. Misura della densità ... 11
4.3.2. Modulo elastico ... 11
4.3.3. Resistenza alla compressione ... 12
4.3.4. SEM ... 12 4.3.5. Assorbimento acqua ... 12 5. Risultati e discussione ... 13 5.1. Proprietà meccaniche ... 13 5.2. SEM ... 16 5.3. Assorbimento acqua ... 20 6. Conclusioni ... 21 7. Ringraziamenti ... 21 8. Appendice ... 22 8.1. Resina XL200 ... 22 8.2. Resina Espak ... 23 8.3. Resina Ureteck ... 23
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Studio di fattibilità
Una schiuma economica per la spinta idrostatica dei
ROV
1. Premessa
Uno degli scopi dell’obbiettivo realizzativo (OR) 6, linea 1, del progetto TECSIS è la progettazione di un veicolo sottomarino autonomo (AUV) di basso costo e modeste prestazioni per lo sviluppo pratico del concetto di “Museo remoto” esso, in pratica, deve consentire l’accesso a siti d’interesse archeologico subacquei che per motivi vari non sono facilmente e direttamente accessibili all’utente.
La costruzione di un AUV ha diverse fasi progettuali; in particolare in questo documento ci proponiamo di verificare la possibilità di sostituire le normali schiume, usate normalmente sugli AUV per rendere neutro il veicolo in acqua, con delle plastiche commerciali di basso prezzo. Infatti, le schiume per AUV in vendita hanno caratteristiche tecniche superiori (profondità operativa massima 3000 metri) a quelle richieste dal progetto (profondità operativa massima 300 metri). Poiché le schiume per AUV sono molto costose (dell’ordine di 60 euro/kg di resina, con circa 5 Kg di spinta di galleggiamento), ci si è posti il problema di sostituirle con qualcosa di più economico visti i modesti requisiti tecnici del progetto. I robot in questione, infatti, sono pensati per profondità operative massime di 300 metri.
Confronteremo quindi le caratteristiche di alcune schiume per AUV, come forniteci dalla casa, e quelle di altre schiume più economiche e facilmente reperibili sul mercato. In particolare le caratteristiche importanti sono la resistenza alla compressione idrostatica, alla deformazione e all’assorbimento d’acqua da parte dei campioni.
Si eseguirà quindi una prova sperimentale, estremamente empirica, per poter verificare che qualcuna di queste possa operare, secondo i requisiti, sull’AUV.
2. Riferimenti
2.1. Progetto
TECSIS
TECnologie diagnostiche e Sistemi Intelligenti per lo sviluppo dei parchi archeologici del Sud d’Italia Pratica MIUR n. 12905
OR5 Survey per identificazione e caratterizzazione siti
sottomarini. Ricerca e campagne sperimentali
Linea 1 Sviluppo di tecnologie marine
OR6 Individuazione e caratterizzazione reperti sottomarini.
Ricerche e campagne sperimentali
Linea 1 Studio e realizzazione di un dimostratore di un mini AUV per basse profondità
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2.2. Documenti di riferimento
riferimento descrizione
Capitolato Tecnico TECSIS - TECnologie diagnostiche e Sistemi Intelligenti per lo sviluppo dei parchi archeologici del Sud d’Italia
3. Specifiche di Sistema
Le specifiche di sistema impongono di trovare delle schiume che abbiano una capacità operativa massima di 300 metri; esse oltre a garantire la spinta idrostatica positiva dovranno presentare caratteristiche meccaniche e assorbimento d’ acqua e meccaniche comparabili a quelle commerciali di riferimento generalmente usate per gli AUV ad un prezzo più alto.
Da questa considerazione derivano i seguenti requisiti di sistema riportati nella Tabella 1.
Tabella 1 - Prestazioni richieste.
GRANDEZZA VALORE UNITA’ NOTE
Profondità massima 300 metri Massima profondità operativa
Caratteristiche meccaniche
Le caratteristiche meccaniche devono essere tali da operare a pressioni idrostatiche di 30 bar massimo; la massima deformazione volumetrica ammessa è del 3%. L’assorbimento d’acqua da parte delle schiume deve essere minimo Resistenza a rottura per compressione >3 MPa Deformazione percentuale < 3% Volume
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4. RISORSE TECNICHE E STRUMENTALI
4.1. Materiali
I materiali a disposizione sono tre; due sono resine poliuretaniche a cellula chiusa ed loro nomi commerciali sono ESPAK, prodotta dalla Prochima, e la Geoplus prodotta dalla Ureteck. La terza è la resina comunemente usata in robot tipo “Falcon” (PVC a cellula chiusa) è prodotta dalla Trelleborg denominata XL200; essa costituisce il nostro punto di riferimento. Infatti il nostro scopo è verificare se alcune resine commerciali di poco prezzo possono, nelle nostre condizioni di utilizzo, sostituire le costose resine XL200.
Esaminiamo ora le caratteristiche delle resine, come forniteci dalle case produttrici; i dati completi sono riportati in appendice A ed in Tabella 2 abbiamo estratto alcune delle caratteristiche che ci interessano insieme ai desiderata; infatti il nostro scopo è verificare se alcune resine commerciali di poco prezzo possono, nelle nostre condizioni di lavoro, sostituire le costose resine XL200.
Tabella 2 – Riassunto delle caratteristiche essenziali delle resine come da tabelle delle case produttrici; i valori in rosso sono stati ricavati dalla formula
Resina Densità (gr/cmc) Modulo Elastico (MPa) Resistenza alla compressione (MPa) Deformazione volumetrica (%)3 Assorbimento acqua (%) XL 200 0.2 260 3.8 1.4 Non disponibile Ureteck Geoplus1 0.2 50 2 4 Non disponibile ESPAK2 0.08 30 1.4 5.7 Non disponibile
1) Estrapolato dai desiderata insieme ai dati della casa. 2) Reticolato in espansione libera.
3) Calcolato approssimativamente come E/sigma.
E’ da notare che i numeri riportati in tabella sono confrontabili solo in linea di massima, essendo stati ottenuti con standard diversi tra loro. Inoltre bisogna tenere conto che le caratteristiche riportate nella tabella precedente si riferiscono ad un prodotto finito e venduto, mentre le tabelle relative alla ESPAK e alla Geoplus dipendono fortemente dalle condizioni di reticolazione del polimero. I dati forniti per la ESPAK, ad esempio, si riferiscono ad un polimero che sia stato fatto reticolare in aria liberamente; è noto come in condizioni di compressione (quali ad esempio la reticolazione in contenitori chiusi) la densità del prodotto finito aumenti e con essa le proprietà meccaniche e d’ assorbimento d’acqua. I grafici, descriventi le proprietà della Geoplus, mostrati in appendice, indicano esplicitamente la dipendenza di alcune delle proprietà meccaniche dalla densità del prodotto finito, a sua volta conseguenza della pressione esterna. Se quindi ad una prima impressione le caratteristiche dell’ESPAK possono sembrare piuttosto povere, bisogna considerare come siano state ottenute in condizione di espansione libera della resina, cioè nel caso più sfavorevole. Dimostreremo come si possa migliorare.
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4.2. Preparazione campioni
I campioni XL200 sono il nostro riferimento, i cui dati sono forniti dalla fabbrica. . I campioni della Ureteck sono stati preparati dalla fabbrica in diverse condizioni di compressione esterna in modo da avere diverse densità del prodotto finito; non eseguiamo su di essi test meccanici, prendiamo i dati della casa.
In figura 1 sono mostrati i campioni Ureteck forniti così come ci sono stati consegnati;
Figura 1 -Campioni della resina Geoplus forniti dalla casa. Le diverse densità, insieme con le aspettate caratteristiche meccaniche, sono riportate in tabella 3
Figura 2 -Campioni della resina Espak reticolati in laboratorio. Le diverse densità, insieme con le aspettate caratteristiche meccaniche, sono riportate in tabella 3
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Figura 3 -Campioni della resina XL200 forniti dalla casa. La densità, insieme con le aspettate caratteristiche meccaniche, sono riportate in tabella 3
I campioni della Espak sono stati reticolati in laboratorio seguendo le seguenti modalità. La miscela è stata preparata secondo le indicazioni del produttore a temperatura ambiente. Diversi campioni sono stati preparati sia sotto la condizione di espansione libera che limitata da un contenitore chiuso (vedi Fig.2) e variando la quantità di prodotto inserito. Essi hanno perciò subito una pressione esterna differente risultante in prodotti con densità crescenti.
4.3. Tecniche di caratterizzazione
Descriviamo brevemente le tecniche di caratterizzazione.
4.3.1. Misura della densità
La misura della densità è stata eseguita calcolando il volume direttamente per i campioni di geometria semplice e pesando gli stessi campioni. Per gli altri il volume è stato ricavato da un’immersione in acqua in un cilindro graduato.
4.3.2. Modulo elastico
Le proprietà meccaniche in compressione sono state misurate su una macchina INSTRON secondo le ASTM D695. Le dimensioni dei provini cilindrici sono state circa di 25 mm di lunghezza e 6mm di diametro. 16 provini, di densità differente, sono state esaminati.
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4.3.3. Resistenza alla compressione
Come per il modulo elastico.
4.3.4. SEM
Alcuni dei provini sono stati esaminati al microscopio elettronico a scansione (SEM) per confrontare la morfologia del campione on i risultati delle prove meccaniche. I provini sono stati preventivamente ricoperti, mediante sputtering, di una lamina oro per aumentarne la conduttività elettrica. La tensione del SEM è di circa 20 KV.
4.3.5. Assorbimento acqua
Le misure di assorbimento acqua sono state effettuate presso la WhiteHead Sistemi subacquei (WASS). I campioni sono stati immersi in un cilindro pieno d’acqua e la pressione è stata portata per 7 minuti a 2,2 MPa (corrispondenti a 220 metri di acqua). I campioni sono stati pesati prima e dopo la prova; alcuni campiono sono stati privati del loro rivestimento in cui erano stati realizzati, per esaminare il loro comportamento senza protezione.
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5. Risultati e discussione
Sulla base di quanto espresso i risultati sono i seguenti
5.1.
Proprietà meccaniche
I grafici di seguito mostrano le proprietà meccaniche di nostro interesse relativamente ai campioni XL200, Ureteck ed Espak. Solo queste ultime sono state misurate direttamente da noi.
Possiamo notare come la XL200 sia la resina con le migliori proprietà; tuttavia, per nostri desiderata anche la Espak, se opportunamente compressa durante l’espansione mostra caratteristiche accettabili benché inferiori alla precedente. Lo stesso vale per la Ureteck.
Figura 4 –Modulo elastico in compressione Vs. la densità delle tre resine. I valori della Espak sono stati misurati in laboratorio, gli altri estratti dalle tabelle delle case costruttrici.
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Figura 5 –Sforzo a rottura in compressione Vs. la densità delle tre resine. I valori della Espak sono stati misurati in laboratorio, gli altri estratti dalle tabelle delle case costruttrici.
Figura 6 –Modulo elastico diviso lo sforzo a rottura in compressione Vs. la densità delle tre resine. I valori della Espak sono stati misurati in laboratorio, gli altri estratti dalle tabelle delle case
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Infatti sebbene la XL200 mostri una deformazione (Ricavabile dal rapporto E/Sigma) minima quella delle altre resine non è poi eccessiva, per le profondità inferiori a 300 metri.
Si noti che il materiale ha un comportamento plastico per cui non si arriva ad una completa rottura dei campioni. Nella figura 7 ed 8 un esempio del comportamento. Lo spostamento medio al picco di carico corrisponde ad un deformazione lineare inferiore al 3% della lunghezza.
Figura 7 –Stress Vs deformazione misurati per la resina 14 della Espak (densità 0.23 gr/cmc e 93 MPa di modulo). Il valore dello stress di picco è di poco più di 3MPa. I valori della Espak sono stati misurati in laboratorio, gli altri estratti dalle tabelle delle case costruttrici.
Verifichiamo adesso che non assorbano acqua e che tengano al crush test.
Vista la semplicità delle prove tutti i risultati possono essere riassunti in un unica tabella.
16 Resina Densità (gr/cmc) Modulo Elastico (MPa) Resistenza alla compressione (MPa) Sigma/Modulo (Approssimabile all’elongazione % diviso100) RES02 0,18 134,80 2,95 0,02 RES03 0,17 127,60 2,55 0,02 RES05 0,15 86,20 1,68 0,02 RES06 0,19 104,60 2,72 0,03 RES10 0,30 151,10 5,27 0,03 RES11 0,27 171,40 3,83 0,02 RES12 0,34 227,40 5,77 0,03 RES02 0,20 116,20 2,81 0,02 RES03 0,20 115,30 2,83 0,02 RES05 0,21 86,20 2,16 0,03 RES14 0,23 93,40 2,40 0,03 RES15 0,48 180,90 5,97 0,03 RES16 0,13 104,50 1,77 0,02 RES17 0,24 119,70 3,29 0,03 RES18 0,16 10,10 0,28 0,03 RES19 0,16 32,00 0,70 0,02 RES21 0,33 157,20 5,71 0,04 RES22 0,18 134,80 2,95 0,02 RES23 0,17 127,60 2,55 0,02 5.2.
SEM
Consideriamo per l’analisi al SEM due campioni di bassa densità il 14 (Il cui diagramma sforzo deformazione è mostrato in figura 7) ed il 16. La scelta è stata fatta sui provini a più bassa densità per evidenziare le fessurazioni e poiché sono quelli di maggior interesse.
In figura 8a è visibile una cricca di frattura del provino; in fig 8b un buco (ne sono presenti parecchi, naturalmente) è rotto e deformato. Non vi è traccia di deformazione plastica. Essa è visibile in figura 8c; l’immagine è presa stavolta sulla superficie laterale.
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Figura 8a –Immagine SEM della superficie superiore del provino; cricca di frattura.
Figura 8b –Immagine SEM della superficie superiore del provino; vuoto fratturato cn debole deformazione plastica.
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Figura 8c –Immagine SEM della superficie laterale del provino; deformazione plastica dei buchi e del provino.
Meglio ancora nelle immagini 8d ed 8e. Si distinguono quindi due casi di frattura: nel primo cedono i buchi e la deformazione plastica è minima. Nel secondo il materiale presenta le tipiche macere della deformazione plastica e le onde di deformazione sono ben visibili.
Figura 8d –Immagine SEM della superficie laterale del provino; deformazione leggermente plastica dei buchi e del provino.
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Figura 8e –Immagine SEM della superficie laterale del provino; onde di deformazione plastica.
Figura 8f –Immagine SEM della superficie laterale del provino; macere di deformazione plastica.
Il grande numero di buchi presente rende possibile, a seconda della loro densità, l’una o l’altra deformazione. A volte il materiale appare sfibrato. Le mackerel sono ben visibili in fig.8f.
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5.3.
Assorbimento acqua
In tabella 3 sono riassunte alcune delle proprietà di interesse delle resine in esame. I campioni immersi i acqua sono stati rivestiti di Domopak (resine uretek) oppure in contenitori di polipropilene dove sono stati reticolati (vedi fotografia). Successivamente il rivestimento è stato tolto per permettere all’acqua di bagnare il campione e penetrare direttamente.
Tabella 3 – Riassunto delle caratteristiche essenziali delle resine come da tabelle delle case produttrici e misurate in laboratorio; i valori di peso iniziale e finale indicano l’assorbimento di
acqua; i campioni con la b sono stati privati del rivestimento.
Resina Densità (gr/cmc) Modulo Elastico (MPa) Resistenza alla compressione (MPa) Peso iniziale (gr.) Peso finale (gr.) XL 200 0.2 260 3.8 Desiderata minima >100 >3.0 Ureteck Geoplus 1 0.11 30 0,8 34.68 81.74 Ureteck Geoplus 2 0.26 70 3 19.96 40.90 Ureteck Geoplus 3 0.29 80 4.5 24.87 74.58 Ureteck Geoplus 4 0.35 90 6.5 28.95 66.11 Ureteck Geoplus 1b 0.11 30 0.8 36.54 68.49 Ureteck Geoplus 2b 0.26 70 3 43.30 86.38 Ureteck Geoplus 3b 0.29 80 4.5 15.70 52.70 Ureteck Geoplus 4b 0.35 90 6.5 75.31 147.79 ESPAK 7 0.15 120 2.2 3.03 3.03 ESPAK 8 0.15 110 2.1 3.07 3.07 ESPAK 9 0.14 100 2.0 3.20 3.20 ESPAK 24 0.57 210 6.2 5.79 5.79 ESPAK 7b 0.15 120 2.2 3.03 4.52 ESPAK 8b 0.15 110 2.1 3.07 5.01 ESPAK 9b 0.14 100 2.0 3.20 4.89 ESPAK 24b 0.57 210 6.2 5.79 8.67
Possiamo notare che le resine in diretto contatto con l’acqua assorbono una quantità di acqua superiore a due volte il loro peso: questo le rende inutilizzabile. Le resine Ureteck protette solo dal Domopack continuano ad assorbire acqua mentre le resine Espak, protette dal loro contenitore, non assorbono acqua. Un successivo esame ha mostrato
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come il Domopack si sia rotto rendendo inconsistente la prova che va perciò assimilata alla precedente, come bagnata. In definitiva quindi alcune resine Espak, di densità intorno a 0.3 gr/cmc sembrano quindi adatte allo scopo in quanto non assorbono acqua, se protette, e mostrano caratteristiche meccaniche sufficienti.
6. Conclusioni
Questo lavoro non vuole avere la pretesa di essere particolarmente rigoroso ma si propone semplicemente di valutare la possibilità di sostituire le schiume commerciali con altre più economiche. Altre prove si sarebbero potute eseguire e ben più precise e rigorose; tuttavia, visto il lato pratico della questione, si è preferito lasciare più spazio all’empirismo per cercare una rapida soluzione viste le ristrette esigenze del progetto. Ricordiamo infatti che questi robot operano la maggior parte del loro tempo in profondità non superiori ai 30 metri: i risultati mostrano che fino a 200 metri la resina Espak può agevolmente sostituire la costosa XL200 senza problemi. Si impone adesso una prova pratica che purtroppo non è stato possibile eseguire.
A onor del vero occorre aggiungere la seguente postilla.
Lavorando con Wass per le prove in acqua ho avuto modo di apprendere che essi sostituiscono da molto tempo le costose resine commerciali con altre più economiche e validate dal loro uso. Il loro lavoro, ringraziando l’intero staff di Wass ed in particolare Mario Balbi, stato senz’altro superiore e più lungo del mio. Le resine da loro utilizzate sono le seguenti.
Espanso Divinycell http://www.diabgroup.com/europe/products/e_prods_2.html Indurente HY842 (o EP140) CIBA o Mascherpa
Rieempitivo per resine, microsfere K15 della 3M circa 20€//kg
7. Ringraziamenti
L’autore è grato alla Wass ed in particolare all’Ing. Mario Balbi per il suo aiuto nell’effettuare le prove in acqua e per gli utili suggerimenti.
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8. Appendice
Si allegano i “data sheet” di tutte i componenti riportati in fase di progetto di base.
8.1.
Resina XL200
Questo il datasheet della resina XL200
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8.2.
Resina Espak
Le caratteristiche della resina ESPAK, sempre come fornite dalle case sono (in espansione libera):
Tabella 3 - Caratteristiche della resina ESPAK come fornite dalla casa. NOTA; espansione libera
8.3.
Resina Ureteck
E nel caso della resina Ureteck Geoplus sono riassunte nei seguenti grafici
Figura 3 – Caratteristiche della resina Ureteck Geoplus, come fornite dalla casa; notare la dipendenza dalla densità del polimero, dipendente a sua volta dalle condizioni di reticolazione.
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Figura 4 – della resina Ureteck Geoplus, come fornite dalla casa; notare la dipendenza dalla densità del polimero, dipendente a sua volta dalle condizioni di reticolazione.
Figura 5 – della resina Ureteck Geoplus, come fornite dalla casa; notare la dipendenza dalla densità del polimero, dipendente a sua volta dalle condizioni di reticolazione.
Edito dall'
Funzione Centrale Relazioni Esterne Unità Comunicazione
Lungotevere Thaon di Revel, 76 - 00196 Roma www.enea.it
Stampa: Tecnografico ENEA - CR Frascati Finito di stampare nel mese di febbraio 2010
