La protezione nei confronti dei rischi di tipo meccanico

La protezione nei confronti dei rischi di tipo meccanico è di crescente interesse non solo nel lavoro, ma anche nello sport e nelle attività casalinghe. I guanti sono fra i principali esempi di articoli anti-taglio e le fibre ad alte prestazioni consentono di realizzare prodotti efficacissimi.

I sistemi di protezione più utilizzati contro i tagli sono i guanti.

Nel 1994 negli USA si sono verificati 600.000 incidenti invalidanti le mani pari al 17% di tutte le invalidità sul lavoro, principalmente per ferite da taglio. l’International Hand Protection Association (IHPA) e il National Industrial Glove Distributors Association (NIGDA) si occupano esclusivamente della protezione delle mani con i guanti ed è stata pubblicata una guida completa sull’argomento. In Francia si è accertato che il 33% degli incidenti sul lavoro riguardano le mani, principalmente con tagli o punture.

Le attività che maggiormente richiedono la protezione delle mani dai tagli sono quelle dove si maneggia vetro e lamiere di metallo e di taglio della carne; impieghi importanti si hanno anche in medicina (chirurghi, patologi, pronto soccorso), nella lavorazione del legno e della carta e nel taglio di tessuti o film di plastica.

Nuovi mercati sono rappresentati da alberghi e ristoranti e anche supermercati con le macchine per gastronomia.

Tradizionalmente si è usata maglia metallica o pelle, ma i prodotti tessili offrono maggior comfort e migliore maneggevolezza. Una protezione efficacie si realizza soprattutto con prodotti tessili che impiegano fibre ad alta resistenza come le aramidiche, le fibre polietileniche ad alte prestazioni (HPPE = high performance polyethylene) e di recente anche con i polimeri a cristalli liquidi (LCP = liquid crystal polymer).

I materiali resistenti al taglio

I prodotti di protezione oggi sul mercato sono a base delle seguenti fibre ad alte prestazioni: aramidiche (Kevlar® di DuPont, Twaron® di Akzo-Nobel), HPPE (Dyneema® di DSM, Spectra® di Allied Signal), LCP (Vectran® di Hoechst-Celanese).

Queste fibre sono impiegate da sole o insieme con fibre tessili come PES, PA e cotone e non tessili come acciaio inossidabile e vetro.

La fibra aramidica è oggi la fibra leader per questo mercato con 700 tonnellate (che copre il 90% del mercato) seguita dal polietilene ad alte prestazioni con 100 tonnellate e dal polimero a cristalli liquidi con poche tonnellate.

I requisiti richiesti sono la resistenza al taglio, talvolta anche allo squarcio ed alle bucature.

I guanti ne hanno poi molti altri specifici:

  • Resistenza al taglio,
  • Resistenza alla bucatura,
  • Flessibilità,
  • Comfort,
  • Maneggevolezza,
  • Resistenza allo scivolamento,
  • Lavabilità.

Proprietà di Dyneema importanti per la resistenza al taglio:

  • Bassa densità
  • Alto peso molecolare
  • Estensione della catena
  • Alta resistenza
  • Cedevole a carichi trasversali
  • Flessibilità
  • Resistenza alla abrasione
  • Resistenza agli agenti chimici
  • Resistenza ai raggi UV
  • Non assorbe acqua
  • Bassa conducibilità termica (trasversale)

Le fibre HPPE stanno rapidamente aumentando la loro quota di mercato in virtù del buon livello di protezione, dell’eccellente comfort, della resistenza all’abrasione e della buona lavabilità. Le ultime due caratteristiche implicano buona durabilità e mantenimento delle proprietà nell’uso.

Ad esempio, la perdita di lavabilità (con la conseguente necessità di ricambio) rappresenta il maggior costo per i guanti anti taglio nell’industria dell’auto.

Metodi di prova

Lo standard europeo EN 388 riguarda diversi rischi meccanici: resistenza al taglio, resistenza alla bucatura e resistenza all’abrasione. È stato proposto un metodo ISO per determinare la resistenza dei soli guanti. Un metodo alternativo Beta Tec Cut Tester, sviluppato da Allied Signal, unisce alcune caratteristiche dei due e può essere utilizzato per misurare la resistenza al taglio e allo squarcio, ma non normalizza la forza e le altre condizioni di prova.

Il metodo europeo per la determinazione della resistenza al taglio applica una forza costante relativamente bassa (5 N) e misura quante volte resiste il campione; con i nuovi prodotti può voler dire effettuare da 10 a più di 100 movimenti di taglio. Il metodo ISO determina invece la massima forza che il campione può sopportare prima di essere tagliato.

Non c'è una buona correlazione fra i due metodi; il metodo EN 388 ha il vantaggio di dare risultati riproducibili e di richiedere un’attrezzatura abbastanza semplice; fra gli svantaggi va messa la difficoltà di controllo della tensione ed inoltre la perdita di taglio della lama non è tenuta nella giusta considerazione e, nel caso di materiali molto resistenti, i risultati non sono in accordo con la pratica. Il test ISO è invece più vicino alle situazioni reali.

Resistenza al taglio di diversi materiali

Il livello di protezione aumenta con la densità superficiale per cui il confronto deve essere fatto a parità di massa areica. È stata provata una serie di guanti e tessuti usando un test equivalente a quello proposto dagli standard ISO.

Si possono distinguere tre classi di prodotti:

  • guanti in PES rivestiti in gomma,
  • guanti di fibre ad alte prestazioni,
  • guanti di fibre ad alte prestazioni insieme a filamenti di acciaio inossidabile.

La densità varia da 150 a 1000 g/m2. Fibre aramidiche e Dyneema danno un livello di protezione paragonabile. Il tipo di costruzione influisce poco in questo test. Anche le prove fatte utilizzando il test europeo dimostrano la superiorità delle fibre ad alte prestazioni. La resistenza al taglio considerata sopra vale per prodotti nuovi.

Il comfort, la maneggevolezza e la durabilità non sono presi in considerazione. La combinazione di una buona resistenza al taglio con lavabilità e resistenza all’abrasione, avvantaggia Dyneema rispetto alle altre fibre.

Meccanismo di taglio e resistenza al taglio di Dyneema

I dati sperimentali mostrano che la resistenza al taglio dei prodotti fatti con Dyneema (e fibre aramidiche) è sensibilmente più alta rispetto alle altre fibre tessili.

Secondo alcuni riercatori (es. Payot) i parametri che determinano la resistenza al taglio sono:

  • lo spessore,
  • il coefficiente di attrito,
  • la durezza del materiale.

Da notare che la resistenza non è considerata fra i fattori principali.

La fibra Dyneema è caratterizzata da bassa densità, basso coefficiente d’attrito (superficiale) e bassa durezza. La bassa densità significa maggior volume a parità di massa anche se la differenza con fibre quali PES, PA o cotone non è tale da giustificare la differenza di prestazioni.

La bassa durezza potrebbe suggerire una bassa resistenza al taglio ed esclude che l’usura della lama sia un elemento importante.

Il coefficiente di attrito è un fattore importante. Il filo di taglio della lama, visto nella stessa scala del filamento, è liscio e scivola sul filamento stesso perché non fa presa; la fibra HPPE ha un coefficiente di attrito che è da un terzo alla metà di quello della maggior parte delle altre fibre. Il coefficiente di attrito mette il relazione lo sforzo normale (di compressione) allo sforzo di taglio, nel senso che un basso coefficiente di attrito significa un basso sforzo di taglio: tagliando Dyneema si vede che, a parità di condizioni, lo sforzo di taglio è la metà rispetto alle altre fibre. L’alta resistenza e la buona flessibilità e duttilità implicano che la fibra non si rompe facilmente e quindi deve essere tagliata da parte a parte al contrario di un materiale duro e fragile. Il processo di taglio è complesso: si tratta in effetti di una combinazione di taglio (nel senso meccanico di scorrimento fra piani), abrasione e compressione. Quando si taglia da parte a parte una fibra lo sforzo di taglio è circa perpendicolare alla fibra. Nelle fibre fortemente orientate questo significa tagliare le catene molecolari (infatti l’alto peso molecolare impedisce che le catene si distacchino) e si può ipotizzare che la resistenza al taglio sia proporzionale al numero di catene che si devono tagliare. Tutti i tipi di Dyneema si caratterizzano per un elevato peso molecolare, elevata lunghezza ed elevato orientamento delle catene.

Le fibre HPPE cedono facilmente sotto pressione sia a livello filamento che a livello filato. Questo significa che la fibra si schiaccia e si allarga localmente esponendo al carico una maggior lunghezza di sezione il ché significa un carico di compressione minore e quindi uno sforzo di taglio minore. Siccome schiacciamento e allargamento si verificano anche per il filato nel suo complesso, il meccanismo viene ulteriormente esaltato.

Le fibre HPPE non sono dure e quindi non usurano la lama come farebbe invece una fibra dura e anche il cotone, ma affilatura e taglio sono processi separati come dimostra il seguente esperimento.

Con il test del metodo EN 388 le lame vengono usurate tagliando un campione di maglia di Dyneema-acciaio. Con lame di diverso grado di affilatura si sono eseguite delle prove di taglio su maglie di Dyneema di 200 e 400 g/m2 e la resistenza al taglio aumenta circa proporzionalmente il ché significa che l’indice di taglio è praticamente costante (2-2.5 e 4-5 rispettivamente).

L’aggiunta di piccole quantità di fibre dure come acciaio inossidabile o vetro al filato di Dyneema aumenta significativamente la resistenza al taglio del tessuto. In questo caso l’affilatura varia durante il taglio.

Il metodo per determinare la resistenza al taglio secondo la normativa europea richiede che venga tagliato un tessuto di riferimento prima e dopo aver tagliato il campione. L’indice di taglio si calcola con la formula

Indice = (CR + CRr)/CRr

dove CRr è la media aritmetica della resistenza al taglio di riferimento prima e dopo il taglio del campione.

Se il campione riduce l’affilatura CRr è elevato e l’indice di taglio diventa troppo piccolo. In questi casi si modifica il test usando per ogni taglio del campione una nuova lama e usando per CRr il solo valore prima del taglio del campione.

Filati Dyneema ingegnerizzati nei guanti

Dyneema è un filamento continuo che in molte applicazioni è conveniente unire ad altre fibre. Grazie alla sua tecnologia di strappo Schappe Tecniques produce filati in Dyneema o in mista come Dyneema-PA o filati contenenti anche filamenti di acciaio inossidabile.

Esempi di aziende che usano filati ingegnerizzati per guanti sono: Bennet (industria alimentare e della carta, linee di imbottigliamento, Comasec, Hand Safe Holland (industria della carne e pesce, servizi di emergenza), Procoves (industria dell’acciaio e auto) e Rostaing.

Una nuova applicazione per i filati ingegnerizzati di Dyneema punta alla sostituzione con un prodotto tessile dei grembiuli metallici per macellai.

I guanti anti taglio ad alte prestazioni sono prodotti specialistici. Il caso della HSH (Hand Safe Holland) mostra alcuni aspetti tipici dello sviluppo di questa nicchia di mercato. HSH iniziò nel 1991 con i guanti resistenti al taglio puntando su tecnologia e prodotti avanzati; questo significava usare fibre ad alte prestazioni, come Dyneema, e la modifica delle macchine per maglieria per adeguarle a tali fibre.

I problemi principali erano la mancanza di una legislazione chiara sui guanti protettivi e l’alto prezzo delle fibre.

La legislazione nel frattempo si è mossa e sono stati standardizzati i metodi di prova. Un importante passo avanti è stato quello dalla realizzazione da parte della francese Schappe Tecniques di un filato brevettato a base di Dyneema, PA e filamenti di acciaio inossidabile.

Un altro importante sviluppo tecnico fu la produzione di un nuovo tipo filato che comprendeva il filato Schappe e un’ulteriore fasciatura con Dyneema che conferiva una maggior protezione e un miglior comfort.

Nella lavorazione della carne gli incidenti dovuti ai tagli sono il primo problema della sicurezza e l’uso dei guanti protettivi si ripaga alla svelta attraverso la riduzione delle ore perse dal personale altamente qualificato. In queste industrie è essenziale che i guanti siano bianchi e facilmente lavabili. Nella macellazione i guanti sono lavati ogni giorno e ogni addetto ne richiede tre paia (uno in uso, uno in lavaggio e uno di riserva). Il maggior numero di lavaggi tollerato da Dyneema ripaga ampiamente il prezzo più elevato. I guanti resistenti al taglio costituiscono una voce importante nel mercato crescente dei prodotti per la protezione. Sta crescendo la consapevolezza sugli incidenti sul lavoro, specialmente su quelli riguardanti i tagli alle mani, e la legislazione che ha fissato le responsabilità del datore di lavoro e ha standardizzato i metodi di prova per classificare il grado di protezione ha spianato la strada ai prodotti ad alte prestazioni.

Il mercato dei guanti è dominato dalle fibre aramidiche, ma le fibre polietileniche ad alte prestazioni come Dyneema stanno conquistando quote sempre più larghe e già superiori al 10%. I requisiti per i guanti resistenti al taglio ben si adattano alle caratteristiche di Dyneema come la bassa densità, il basso coefficiente di attrito e la resistenza al carico trasversale.



Questo articolo è pubblicato sulla rivista NT Nuovi Tessili , consulta il sommario.