Appunti completi per sostenere l'esame del corso di Chimica dei materiali

Agenti chimici utilizzati nella modifica delle proprietà dei polimeri

UV. Agenti nucleanti: utilizzati per aumentare la velocità di cristallizzazione dei polimeri semicristallini. Agenti coloranti: utilizzati per conferire colore, possono essere organici o inorganici. Ritardanti di fiamma Plastificanti: ammorbidiscono il materiale e ne migliorano la flessibilità; principalmenteutilizzati per ammorbidire il PVC. Tra i più comuni troviamo gli ftalati, ma hanno un'elevata tensione di vapore, perciò, possono evaporare dalla struttura del polimero, infatti siutilizzano anche i trimellitati, che hanno una volatilità minore.Esistono due teorie sul meccanismo di attività delle molecole plastificanti, la prima è la "teoria della lubrificazione" ovvero quando il polimero viene riscaldato il plastificante si diffonde interrompendo le interazioni di Van der Waals tra le varie catene polimeriche, abbassando così la Tg rendendo il polimero più morbido. La seconda teoria si chiama

“teoria del volume libero”, dice che la Tg siabbassa perché le catene polimeriche vengono allontanate ulteriormente dalla diffusione delplastificante generando un aumento del volume libero; ciò permette alle catene di spostarsi l'unasull'altra più facilmente.

Generalmente gli ftalati non sono legati chimicamente al polimero e sono stati identificati comepossibili tossine e tenendo di conto della loro alta tensione di vapore essi si possono diffonderenell’ambiente, perciò sono stati molto limitati.

L'utilizzo di polimeri sintetici tradizionali non biodegradabili è sempre più mal visto dalla societàsoprattutto per applicazioni a breve durata come imballaggi, perché ciò che genera inquinamentonon è solo il disperdere questo tipo di polimeri nell'ambiente, ma anche la loro combustione e i loroprocessi di riciclaggio che sono ad alto consumo di energia.

Per definizione un materiale biodegradabile

Il testo contiene strutture chimiche in grado di decomporsi in condizioni aerobiche (compostaggio) e/o anaerobiche (discarica). Mentre la degradazione si riferisce alla decomposizione di un polimero mediante mezzi chimici (idrolisi), la biodegradazione è svolta dall'attività enzimatica dei microrganismi, in quest'ultima la decomposizione della plastica è dovuta al metabolismo da parte di microrganismi, che generano un sottoprodotto inerte simile a un humus molto meno nocivo per l'ambiente.

Esistono due tipi di polimeri biodegradabili: naturali e generati da procedure organiche sintetiche. La maggior parte dei polimeri biodegradabili sono sintetizzati da un meccanismo di polimerizzazione con apertura di anello; tra i polimeri biodegradabili più utilizzati troviamo il poli-acido lattico (PLA). Vengono utilizzati principalmente per imballaggi usa e getta, beni di consumo per uso di routine (piatti, bicchieri, forchette) e materiali usa e getta per la cura personale.

(assorbentie pannolini). Molti di questi polimeri vengono sintetizzati dall'amido di mais ottenendo polimeri acatena lineare e ramificata, tra materiali più importanti derivanti dal mais troviamo il MATER-BI,brevettato in Italia negli anni 90. Una delle principali applicazioni di polimeri biodegradabili è inambito biomedico come, ad esempio, il rivestimento per farmaci a somministrazione ritardata (drugdelivery), i quali vengono assorbiti solo in un determinato punto del corpo, oppure vengonoutilizzati per la produzione di lenti a contatto.

Negli ultimi anni i polimeri hanno trovato svariate applicazioni anche come conduttori elettrici,come ad esempio la luce OLED (basata sull'elettroluminescenza di materiali organici). Un'altraapplicazione sperimentale è quella di sistemi responsivi, come le plastiche autoriparanti, dove se siha una frattura di catena vengono generati monomeri in prossimità della frattura; ciò trovaapplicazioni ad esempio

Nelle protesi per il ginocchio dove la formazione di nuovi monomeri è stimolata dall'esposizione a una luce UV.

Lezione 20-21 materiali compositi: non esiste una definizione universalmente riconosciuta di materiale composito; secondo una possibile definizione un materiale composito è un materiale costituito da diversi costituenti, ma secondo questa definizione anche le leghe metalliche e materiali polimerici sarebbero compositi, infatti un materiale composito è un materiale multifase (matrice e riempitivo) ottenuto tramite la combinazione artificiale di sostituenti compresi nell'intervallo dimensionale micro-macro insolubili tra loro.

I compositi sono classificati in base al loro materiale matrice in compositi a matrice polimerica, cementizia, metallica, di carbonio e ceramica. I compositi a matrice polimerica e cementizia sono i più comuni a causa del basso costo di fabbricazione. Quelli a matrice polimerica sono usati per strutture leggere (aerei, articoli sportivi, ecc.).

ecc), anche quelli a matrice di carbonio sono importanti per le strutture leggere (Space shuttle) e componenti che devono resistere alle alte temperature, ma hanno un elevato costo di fabbricazione; esistono anche compositi in fibra di carbonio a matrice di carbonio che sono più forti e più resistenti grazie alla presenza delle fibre di carbonio. I compositi a matrice ceramica sono più resistenti all'ossidazione rispetto a quelli a matrice di carbonio, ma non sono così sviluppati a causa delle difficoltà di lavorazione; infine quelli a matrice metallica sono utilizzati per applicazioni avanzate, ma poco utilizzati causa dell'elevato costo di fabbricazione. I compositi a matrice di carbonio sono ottenuti dalla carbonizzazione (pirolisi) della matrice di un composito a matrice polimerica e il processo di carbonizzazione avviene in un'atmosfera inerte (argon o azoto) a circa 650-1200 °C. Uno dei precursori principali è la pece, che è

Una miscela di polimeri termoplastici derivanti dal petrolio, che ha un alto rendimento in carbone, rende meno poroso il composito risultante. Infatti, a causa della porosità che diminuisce le proprietà meccaniche, il composito a matrice di carbonio viene sottoposto a diversi cicli di impregnazione del precursore (pece) e successiva carbonizzazione.

Tra i compositi a matrice cementizia troviamo il calcestruzzo, i cui vantaggi sono l'economicità, la durabilità, la resistenza al fuoco, il fatto che possa essere prodotto sul luogo di utilizzo e gettato e l'aspetto estetico. Tuttavia, tra gli svantaggi ci sono la bassa resistenza a trazione e il ritiro.

Esso è costituito da materiale lapideo grossolano (ceramico) annegato in una matrice di pasta cementizia indurita che è prodotta miscelando il cemento Portland e acqua.

Il cemento Portland è formato da calce (CaO), silice (SiO2), allumina (Al2O3) e ossido di ferro (Fe2O3), che vengono frantumate.

macinate e miscelate; la miscela viene poi posta in un forno rotante, che crea un clinker di cemento (tipo dei sassi), che viene poi macinato finemente.

Si creano così il silicato tricalcico, il silicato bicalcico, l'alluminato tricalcico e l'allumino ferrite tetracalcica; a seconda delle loro composizioni ci sono vari tipi di cemento, che hanno diverse velocità di indurimento e calore di idratazione.

Il tipo I è di uso generale, viene usato nei casi in cui il calore generato durante l'idratazione del cemento non è un problema e quando non c'è attacco da solfati. Il tipo II si ha se c'è un moderato attacco di solfati. Il tipo III è ad indurimento rapido. Il tipo IV è a basso calore di idratazione e viene utilizzato per strutture massicce. Infine, il tipo V è un cemento molto resistente ai solfati.

Il cemento Portland indurisce attraverso reazioni di idratazione, in cui si ottiene il silicato tricalcico idrato.

che è un gel colloidale formato da particelle piccole (meno di 1μm), e l'idrossido di calcio che è un composto cristallino. Il silicato tricalcico indurisce rapidamente ed è maggiore responsabile della resistenza meccanica iniziare dal cemento Portland, il silicato bicalcico ha una reazione di idratazione molto lenta, l'alluminato tricalcico si idrata rapidamente con un'elevata velocità di sviluppo di calore e l'allumino ferrite tetracalcica viene aggiunto per ridurre la temperatura di formazione del clinker. Nel calcestruzzo il riempitivo è formato invece da aggregati fini (sabbia) o grossi (rocce), che costituiscono circa il 60-80% del volume; vengono aggiunti anche degli additivi aeranti, che generalmente sono tensioattivi, che formano delle bolle d'aria estremamente piccole che aumentano la resistenza ai cicli di gelo e disgelo. Il calcestruzzo contiene tra il 4 e l'8% in volume di aria. Dato che la resistenza a trazionedel calcestruzzo: le fibre di vetro, le fibre di carbonio e le fibre di aramidica. Ognuna di queste fibre ha caratteristiche specifiche che le rendono adatte per diverse applicazioni. Le fibre di vetro sono leggere, resistenti alla corrosione e hanno un buon isolamento termico. Le fibre di carbonio sono molto rigide e leggere, e hanno un'elevata resistenza alla trazione. Le fibre di aramidica, come il Kevlar, sono estremamente resistenti agli urti e alle sollecitazioni dinamiche. I compositi particolati sono costituiti da una matrice solida in cui sono dispersi dei riempitivi solidi. Questi riempitivi possono essere particelle di diversi materiali, come polveri metalliche o ceramiche, che conferiscono al composito proprietà specifiche, come la resistenza all'usura o la conducibilità termica. I compositi fibrosi, invece, sono costituiti da una matrice solida in cui sono incorporati dei filamenti o delle fibre. Queste fibre possono essere disposte in modo casuale o in modo ordinato, come nel caso delle fibre continue. I compositi fibrosi hanno una maggiore resistenza e rigidità rispetto ai compositi particolati, grazie alla presenza delle fibre che sostengono il carico. L'interfaccia tra due lamine adiacenti in un composito è un punto critico, in quanto può essere un punto di debolezza dove si possono verificare delaminazioni. La delaminazione è una forma comune di danno in questi compositi, in cui si verifica lo stacco o il distacco di uno strato dal resto del composito. In conclusione, i compositi possono essere classificati in base alla forma del riempitivo, come compositi particolati e compositi fibrosi. I compositi fibrosi, in particolare quelli a fibre continue, sono utilizzati come materiali strutturali grazie alla loro elevata resistenza e rigidità. Tuttavia, è importante prestare attenzione all'interfaccia tra i diversi strati del composito per evitare delaminazioni e danni.sintetiche che sono le fibre di vetro, aramidiche e dicarbonio; quelle di vetro sono quelle più usate e meno costose. Le fibre di vetro vengono in genere utilizzate per rinforzare le resine polimeriche e i due principali tipi di vetro utilizzati per produrre fibre di vetro per compositi sono i vetri E (elettrico) ed S (ad alta resistenza), quest'ultimo è quello più caro, ma ha un rapporto resistenza meccanica-peso più elevato. Le fibre di vetro sono prodotte per stiratura di monofilamenti di vetro da vetro fuso e per assemblaggio di un numero elevato di questi filamenti si forma un trefolo (bobina) di fibre di vetro. Anche le fibre di carbonio vengono utilizzate per il rinforzo delle resine polimeriche, ma sono più costose di quelle di vetro e vengono utilizzate in pochi settori, tipo quello aerospaziale. Le fibre di carbonio sono prodotte dal poliacrilonitrile (PAN) o dalla pece, come precursori, in generale dal PAN, attraverso varie fasi: nella fase divengono riscaldate a temperature superiori a 1000 °C per rimuovere il carbonio residuo. Successivamente, le fibre vengono trattate con una soluzione di poliacrilonitrile per aumentare la resistenza e la stabilità termica. Infine, le fibre vengono sottoposte a un processo di trazione per allinearle ulteriormente e ottenere una maggiore resistenza meccanica.