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SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

7. Materiali polimerici

I materiali polimerici sono materiali organici composti da unità (monomeri) in lunghe catene (macromolecole), a base di atomi di carbonio e altri elementi come idrogeno (H) e ossigeno (O), legati tra loro ripetitivamente con legami covalenti.

I materiali polimerici possono essere organizzati in catene molecolari lineari, ramificate e reticolate.

Le macromolecole sono legate l'una all'altra da soli legami deboli, o legami di Van der Waals, perciò non sono resistenti alla deformazione. Gli elettroni di valenza sono vincolati fra due nuclei per formare i legami covalenti.

Nei polimeri, la disposizione cristallina e quella amorfa coesistono, esistono materiali polimerici completamente amorfi ma non esistono materiali polimerici completamente cristallini (la possibilità che in una disposizione la parte cristallina sia massima corrisponde al 90% circa).

Proprietà dei materiali polimerici:

• modeste

• caratteristiche meccaniche (legami deboli);
• stampabilità, facilmente formabili in forme complesse dopo riscaldamento a temperature relativamente basse;
• rammolliscono e si decompongono a temperature non elevate, impieghi limitati;
• isolamento termico ed elettrico, in quanto gli elettroni di valenza sono vincolati per formare i legami covalenti.

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Proprietà dei materiali - confronto

L'importante dozzina

Caso studio: la padella

Si valutano le proprietà utili per selezionare il materiale idoneo per produrre una padella.

Le proprietà da considerare sono:

• resistenza alla temperatura della fiamma, da analizzare è la massima temperatura di esercizio, non di fusione;
• trasferimento rapido e omogeneo del calore dal fornello al contenuto della padella, da analizzare è la conducibilità termica;
• resistenza alla corrosione, sia atmosferica, sia legata ai cicli di lavaggio, da analizzare

è la durabilità;

• rigidità, la padella non deve flettersi;
• resistenza e tenacità, deve resistere a urti accidentali;
• duttilità, deve poter essere facilmente formata nella sua forma concava finale;
• densità, deve pesare poco;
• costo, deve avere un prezzo di vendita accettabile;
• trasparenza, potrebbe essere utile vedere quanto avviene all’interno;
• conducibilità elettrica e ferromagnetismo, nel caso in cui dovesse essereutilizzata su una piastra riscaldante a induzione.

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Proprietà dei materiali

Proprietà generali:

• costo
• densità

Proprietà meccaniche:

• rigidità
• resistenza
• tenacità
• duttilità

Proprietà fisiche e chimiche:

• conducibilità termica
• conducibilità elettrica
• magnetismo
• massima temperatura
• durabilità

ottiche:

• trasparenza

Costo

Il costo non può essere definito a rigore una proprietà di un materiale ma è un fattore da tenere nella massima considerazione nella progettazione di un oggetto e può variare da meno di 0,10 €/kg con il calcestruzzo, a più di 10.000 €/kg con l'oro.

Densità

La definizione di densità è peso per unità di volume. L'unità di misura è Mg/m³ ma 1 Mg/m³ = 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ = 1.000 kg/m³.

Corrisponde al peso specifico, ossia il peso del materiale diviso per il peso a parivolume di acqua. La densità dei materiali è strettamente legata al numero atomico, se il numero atomico è alto, l'elemento è ordinato in modo compatto e quindi denso.

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La densità nei polimeri è bassa perché sono costituiti da molecole i cui elementi hanno bassi numeri atomici e bassi fattori di compattazione.

è espresso in N/mm o MPa (MegaPascal) e la deformazione ε è adimensionale (anche2ε% moltiplicando per 100). Il coefficiente angolare della curva sforzo-deformazione è il modulo elastico oσE = modulo di Young ( ) e più è ripida la retta, più è rigido il materiale.ε Dove la curva si arresta, invece, abbiamo il dato della resistenza del materiale. Lo sforzo è proporzionale alla deformazione, nel caso si annulli lo sforzo applicato prima di giungere alla rottura, il materiale torna praticamente alle dimensioni iniziali seguendo la legge di Hooke (σ = E ε). Ogni materiale ha un preciso valore di E e maggiore è il valore del modulo di elasticità, maggiore è la pendenza della curva sforzo-deformazione. Hanno comportamento elastico i materiali la cui microstruttura non consente loro di deformarsi plasticamente, i ceramici e i vetri hanno un valore alto di modulo elastico E.

deformazioni elastiche molto piccole, mentre gli elastomeri hanno un valore molto basso di modulo elastico E ma sono facilmente deformabili, tornando comunque alla dimensione iniziale quando scaricati.

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In funzione del materiale si hanno due diversi tipi di andamenti: comportamento elastico e comportamento elasto-plastico, il primo è soddisfatto dal grafico visto in precedenza mentre il secondo ha bisogno di un secondo grafico più complesso, che tenga conto anche della deformazione plastica permanente.

Per i materiali a comportamento elasto-plastico la curva sforzo-deformazione è suddivisa in due tratti, nel primo tratto viene descritto il comportamento elastico, mentre nel secondo tratto viene descritto il comportamento plastico.

Nel tratto elastico si assiste alla sostanziale proporzionalità tra sforzo e deformazione e, annullando lo sforzo, il materiale ritorna alle dimensioni iniziali. Oltre a uno sforzo critico, detto sforzo di

snervamento (o limite elastico), si entra nel tratto a comportamento plastico (la legge di Hooke non viene più rispettata) giungendo a rottura o a una deformazione residua permanente annullando lo sforzo (nel materiale si verifica uno spostamento non reversibile degli atomi della struttura). La possibilità o meno di deformarsi in modo plastico è strettamente legata all'astruttura atomica o molecolare del materiale. Mostrano comportamento elasto-plastico quasi tutti i metalli (tranne ghise e bronzi), molti polimeri, praticamente nessun ceramico.

Il modulo di elasticità E è espresso in GPa, lo sforzo di snervamento o limite elastico (σy) in MPa, lo sforzo di rottura (σR o R) in MPa e l'allungamento a rottura (A%) pari a ε%.

Resistenza

La resistenza è la capacità di sopportare forze applicate subite senza rompersi e senza deformarsi in modo permanente. Se il comportamento è

elasto-plastico lo sforzodi snervamento o limite elastico è espresso con σ, mentre se è elastico lo sforzo disnrottura è espresso con σ.

Duttilità

La duttilità è la capacità di essere deformato plasticamente, consentendo di assumere le forme più varie. Si ottiene guardando il valore di ε (deformazione o valore di allungamento) in A%; i materiali polimerici sono i più duttili (polietilene 600%). Sono duttili solo i materiali a comportamento elasto-plastico, mentre i materiali a comportamento solo elastico (non deformabili plasticamente) hanno duttilità praticamente nulla. Il contrario di duttile è indeformabile.

Tenacità

La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia e di resistere alla facilità di propagazione di difetti o cricche all'interno di un materiale, fino a portarlo a una frattura (i nastri isolanti).

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