Appunti del corso Tecnologie e sistemi di lavorazione dei materiali polimerici

STRUTTURA E PROPRIETÀ DEI MATERIALI POLIMERICI

È importante collegare la struttura microscopica dei materiali polimerici con quelle che sono le loro proprietà macroscopiche e di conseguenza tra proprietà dei materiali polimerici e performance degli elementi che andiamo a realizzare.

Partiamo da un esempio: componente di uno specchietto retrovisore di una macchina, lo specchietto è legato al cilindro interno, mentre la portiera alla parte esterna. È costituito da due ruote dentate, una chiara interna e con i denti rivolti verso l'interno e una esterna più scura e con i denti verso l'esterno. Il metodo che viene utilizzato per produrli è quello del sovrastampaggio, prima si stampa il materiale chiaro e poi su quello chiaro viene stampato il materiale scuro (poi vedremo spiegato più approfonditamente). A destra vediamo uno stampaggio completo dell'elemento, mentre a sinistra vediamo uno stampaggio con un insieme incompleto dell'elemento esterno (short-shot). Questa immagine ci fa capire solo come avviene il riempimento dello stampo, dal basso verso l'alto.

Nel processo è fondamentale capire come avviene il flusso del polimero all'interno dello stampo, riempiendo la cavità e replicando i dettagli, quindi si studia il flusso del materiale. Ma il flusso del materiale dipende dal polimero, che ha delle proprietà reologiche e in particolare ci interessa la viscosità. Ci interessa poi anche lo scambio termico del processo, che dipende da quanto io sto riscaldando il materiale e raffreddando lo stampo, ma lo scambio termico dipende anche da quelle che sono le proprietà termiche del polimero stesso (quanto calore scambia con lo stampo). Questo componente è inoltre fatto di un polimero caricato con delle fibre, quindi anche la resistenza del materiale dipende da come le fibre sono orientate e solitamente se il materiale risale verso l'alto le fibre sono orientate verso l'alto, inoltre le proprietà meccaniche dipendono anche dal danneggiamento delle fibre che si possono danneggiare durante il processo stesso. La performance del materiale può essere inoltre influenzata dalla tensione che si possono andare a generare internamente, che anche la rottamazione è vista e si vede se genera una forza normale nella parte chiara su quella scura, qui entra in gioco anche la forza di attrito caratteristica del materiale stesso.

Inoltre dobbiamo pensare, quando dobbiamo progettare un elemento che deve essere smaltito d'auto di finire e di ridurre il suo peso, quindi l'oggetto deve permettere disassemblato, i materiali devono essere riciclabili. Non si possono usare polimeri caricati di resine se si vuole ottenere e le risorse devono essere riciclate quindi la scelta deve lasciare un ciclo chiuso agli oggetti. Infine bisogna tenere sempre a mente i costi: del materiale, dello stampo, della manodopera, dell'energia ed altri.

eventualmente un recupero dovuto al riciclo del materiale. Tutti questi aspetti vanno considerati per un pezzo così semplice.

Dunque l'approccio da prendere in considerazione per ogni pezzo anche semplice è il seguente, quello delle 6 P:

• Polimero
• Processo
• Prodotto
• Post-consumer life
• Profitto
• Performance

Questo approccio si esegue facendo riferimento ad un check list, che contiene gli aspetti da non trascurare e da analizzare sempre. E nella seguente tabella sono riportati tutti gli aspetti da considerare per ogni P:

GENERALITÀ' MATERIE PLASTICHE

Vediamo prima di tutto un confronto tra le proprietà dei materiali termoplastici (quelle plastiche in cui le catene non sono reticolate e quindi si possono fondere e solidificare più volte) rispetto ai ceramici e all'alluminio e il tutto rispetto all'acciaio da costruzioni. Perchè le plastiche ai metalli?

Densità: Le plastiche sono materiali estremamente leggeri, con densità intorno a 1kg/dm^3. Sono più leggere e quindi hanno densità minore rispetto ad alluminio, ad acciaio e ai ceramici. Quindi le plastiche sono selezionate per tutti quei prodotti in cui vogliamo andare ad alleggerire, come le automobili anche per questioni legate ai consumi, ma anche per oggetti che indossiamo.

Prezzo al kg e al volume: Essendo di bassa densità e peso, questo comporta un prezzo conveniente.

Temperature di fusione: Le plastiche sono processabili con poca energia, perchè si fondono a temperature molto basse e quindi si ha un risparmio nei costi, quando ovviamente la rigidezza e la resistenza richieste non sono molto elevate. Tuttavia la bassa temperatura di fusione limita poi molto il campo di utilizzo, ovviamente ad una macchina non si fa un motore in plastica dato il suo riscaldamento.

I Polimeri quindi sono costituiti da un insieme di catene molto lunghe, e la resistenza del polimero aumenta se aumenta la coesione tra le catene. Le catene sono molto lunghe, sono molecole giganti e per questo per quanto riguarda i polimeri si parla di macromolecole. Tutte le proprietà dei polimeri discendono da questo.

Peso molecolare: Più le singole catene sono lunghe (alto peso molecolare), più queste catene vanno tra di loro ad intrecciarsi aumentando così la loro coesione e la resistenza. Le proprietà meccaniche (rigidità/resistenza) aumentano dunque con il peso molecolare.

Ma più aumenta la lunghezza delle catene e più le catene faranno fatica a muoversi tra di loro, quindi all’aumentare del PM aumenta anche la viscosità del polimero allo stato fuso.

PM (Peso molecolare)

PM a cui si arriva di solito con la polimerizzazione

Polimero ancora lavorabile e con buone proprietà meccaniche.

Ma attenzione ad un altro problema: più le molecole diventano grandi (lunghe), più c’è la possibilità che queste si rompano (degradazione e conseguente perdita di proprietà meccaniche). La degradazione non è solo una problematica di chi produce plastiche, ma bisogna stare attenti alla

Se le catene invece non riescono a ripiegarsi su se stesse ed è più semplice che solidificando si abbia una struttura amorfa:

Come avevamo introdotto però, anche la tatticità influisce sulla flessibilità delle catene. In particolare, riprendendo il caso del PP atattico si nota che se ripiego su se stessa la catena, i gruppi metilici random si danno fastidio l’uno con l’altro e diventa difficili ripiegare la catena su se stessa in modo ordinato, avrà una configurazione amorfa allo stato solido. Mentre un polipropilene isotattico si ripiega molto più facilmente ma in una sola direzione, mentre più difficilmente nell’altra, ha un struttura più semicristallina allo stato solido. Mentre il PP sindiotattico ha un elevata cristallinità allo stato solido.

Quindi il fatto di avere una tatticità spiccata o una linearità spiccata sono le principali garanzie di promozione di una struttura semicristallina allo stato solido. Non tutti i termoplastici sono quindi semicristallini, ma solo quelli che presentano almeno una di queste due caratteristiche. Tuttavia i polimeri non sono mai cristallini del tutto, possiamo avere per esempio una cristallinità dal 10% all’80%.

A sua volta la cristallinità influenza poi le proprietà meccaniche( i semicristallini sono più resistenti ma più fragili, gli amorfi sono più duttili ma meno resistenti), la densità(le zone semicristalline sono più dense, mentre quelle amorfe meno dense) e le proprietà ottiche(un polimero amorfo è trasparente e lascia quindi passare la luce, mentre un polimero semicristallino crea un’interferenza per la luce e quindi appare opaco).

PROPRIETÀ MECCANICHE DEI POLIMERI

Al variare della temperatura come abbiamo detto cambia la mobilità delle catene e di conseguenza cambiano le proprietà meccaniche(le proprietà meccaniche sono il livello macroscopico).

TERMOINDURENTI

Mentre fino ad ora abbiamo parlato di termoplastici, con legami deboli tra le catene e covalenti nella catena, ora vediamo brevemente i termoindurenti, in cui abbiamo dei legami forti covalenti sia all'interno della catena ma anche tra una catena e l'altra.

Questo spiega anche perchè quando scaldiamo un termoindurente questo non rammollisce, infatti abbiamo con T un aumento di flessibilità delle catene e un allontanamento limitato, ma le forze di legame non si riducono a causa dell'allontanamento. Certo è che comunque ad un certo punto, per T molto alte il polimero degrada direttamente, in particolare brucia e questo è irreversibile ( si rompono sia i legami covalenti interni alla catena e sia tra una catena e l'altra).

COPOLIMERI

Fino ad ora abbiamo parlato di polimeri costituiti sempre dalla stessa unità monomerica ripetuta, come il PE, il PP ecc., si parla di omopolimeri.