Appunti di Scienza e tecnologia dei materiali

RICICLO DELLE MATERIE PLASTICHE

• Riciclo primario: recupero da pezzi difettosi o dalle materozze degli oggetti stampati. Si ottenere lo stesso

oggetto.

• Riciclo secondario: il materiale viene utilizzato per manufatti che richiedono minori proprietà. Arredi

urbani, sacchi, ecc.

• Riciclo terziario: riciclo chimico per recuperare i monomeri.

• Riciclo quaternario: recupero energetico in Termovalorizzatori (inceneritori) dove vengono bruciate per

ricavare energia (sotto forma di calore).

Problemi nel riciclo delle materie plastiche

• Degradazione durante il periodo di utilizzo (fotoossidazione, degradazione sotto sforzo, ecc)

• Degradazione termomeccanica durante la rilavorazione

• Incompatibilità tra i diversi polimeri

• Diversi punti di fusione dei polimeri

• Diversa forma e dimensione dei materiali

• Bassa densità apparente

Degradazione

Durante la lavorazione e la vita del manufatto in materiale polimerico, calore, sforzi meccanici e radiazioni

ultraviolette possono cambiare la struttura e la morfologia del polimero.

→ Si ha una riduzione del peso molecolare e della

resistenza all’aumentare del numero di lavorazioni

subite dal materiale.

→ Aggiungendo materiale vergine durante il processo di riciclo si

migliora la resistenza del materiale riciclato.

Soluzione alla degradazione dei polimeri durante i processi di riciclo:

• Stabilizzazione

• Compatibilizzazione fisica

• Compatibilizzazione chimica

BIOPOLIMERI

Biodegradazione: fenomeno di degradazione, decomposizione della materia organica attraverso la perdita

delle proprietà meccaniche e modificazioni chimiche e per azione di microorganismi (batteri, enzimi, funghi).

Materiali compostabili: materiali che una volta introdotti in un ambiente di compostaggio industriale con altri

materiali degradano senza inconvenienti.

Bioplastiche

Secondo la definizione data dalla European Bioplastics, la BIOPLASTICA è un tipo di plastica riciclabile che:

1) Deriva da materie prime rinnovabili (materiali di origine naturali).

oppure

2) E’ biodegradabile (di origine sintetica ma che si degrada in tempi ragionevoli).

oppure

3) Ha entrambe le proprietà (di origine naturale che si degrada in tempi ragionevoli).

Biopolimeri = polimeri naturali

Degli esempi di polimeri naturali Amido, Cellulosa (legno), Chitina, alginati, proteine.

I polimeri naturali sono biodegradabili: posti in un ambiente favorevole si degradano per idrolisi o per reazioni

enzimatiche in sostanze naturali più semplici.

MATERIALI COMPOSITI

Un materiale composito è un materiale multifasico, formato da 2 o più costituenti fra loro distinti. Presenta

una combinazione sinergica delle proprietà dei singoli costituenti, migliorando le proprietà finali del

composito. I due costituenti matrice e cariche (fibre) devono essere distinti dal punto di vista sia chimico che

microscopico e dotati di una superficie di contatto (interfaccia).

COMPOSITI STRUTTURALI: le cariche incrementano le proprietà meccaniche del composito, che deve

supportare dei carichi.

COMPOSITI FUNZIONALI: le cariche hanno funzione di modificare le proprietà ottiche, conducibilità

termica-elettrica. Non devono supportare i carichi ma cambiano una funzionalità del composito.

Altra distinzione: in base alla natura chimica del composito e dunque alla matrice:

1. COMPOSITI A MATRICE METALLICA: MMC (per migliorare resistenza ad elevata T°)

2. COMPOSITI A MATRICE CERAMICA: CMC (per migliorare la tenacità)

3. COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA: PMC (alte proprietà meccaniche specifiche)

Come è formato un composito?

MATRICE: dà la forma al manufatto e deve avere proprietà tali da tenere insieme rinforzi/cariche, deve

proteggere le fibre da agenti esterni, usura ed abrasione, fa da barriera alla propagazione delle cricche e deve

inoltre trasferire i carichi ai rinforzi.

RINFORZO:

- particelle: elementi senza sviluppo preferenziale in una direzione

- fibre: sviluppo lungo direzione preferenziale

- lamine o lastre: sviluppo bi-dimensionale

INTERFACCIA: è fondamentale per le prestazioni del composito poiché per avere trasferimento di sforzo

dalla matrice alla fibra è necessaria una buona interfaccia.

MATRICI

La matrice ha il ruolo di:

→ Trasferire gli sforzi alle fibre

→ Effetto barriera in ambienti aggressivi

→ Proteggere le fibre dall’abrasione meccanica

La matrice ha un’influenza marginale sulle proprietà meccaniche longitudinali (nella direzione delle fibre) del

composito ma gioca un ruolo determinante per le proprietà a compressione, interlaminari e di taglio nel piano.

Inoltre, la processabilità ed eventuali difetti nel composito sono strettamente legate alle caratteristiche fisiche

e termiche della matrice.

Tipologie di matrice

• Matrici polimeriche

Termoplastiche

o Termoindurenti

o

• Matrici ceramiche

• Matrici metalliche

Nel selezionare una matrice per materiali compositi un criterio di progetto estremamente importante è quello

di ottimizzare le proprietà meccaniche:

1. Elevato modulo elastico E: influenza la resistenza a compressione del composito.

2. Elevata resistenza a trazione: controlla la resistenza a frattura interlaminare in direzione ortogonale alle

fibre.

3. Elevata tenacità a frattura: controlla la resistenza alla delaminazione e la crescita dei difetti.

Tenacità dei materiali compositi

→ I materiali compositi presentano una migliore resistenza agli urti (tenacità) in quanto la presenza di due

distinte fasi innesca l’instaurarsi di meccanismi di tenacizzazione.

DEBONDING: consiste nella deviazione della frattura dal suo percorso lineare, interrotta perché la cricca è

costretta a percorrere interfaccia fibra-matrice. Per fare questo percorso, io devo fornire più energia e serve

più tempo.

PULL-OUT: meccanismo che avviene con compositi a fibre corte; consiste nella estrazione delle

fibre dalla matrice. Affinché la cricca si propaghi, necessito di fornire un'energia che superi la forza

di adesione fra fibra-matrice.

PONTAGGIO: dopo che si è verificato il fenomeno di dobounding, ma le fibre non si sono rotte, necessito

fornire energia più alta per rompere le fibre, se adesione fibra-matrice molto elevata.

PROCESSO DI RETICOLAZIONE TERMOINDURENTI

Con la reticolazione (curing), durante fase di accrescimento del reticolo, si passa da: liquido viscoso a gel

(elastomero) non più lavorabile, la forma devo dargliela prima che la resina diventa gel, poiché abbiamo

incremento eccessivo della viscosità, segue la fase solida di rigido vetroso.

Il diagramma TTT indica qual è il range di lavorabilità.

Durante il processo di reticolazione occorre controllare il grado di reticolazione:

COMPOSTI A MATRICE METALLICA (MMC)

Sono poco utilizzate per motivi legati all’introduzione delle fibre nella matrice, che deve essere allo stato

liquido, ma anche ad una temperatura tale da non danneggiare le fibre stesse.

• Altro problema è ottenere un’uniforme distribuzione delle fibre nella matrice, oltre ad un perfetto

allineamento delle stesse.

• La bagnabilità è uno dei requisiti più difficili da garantire; spesso la matrice metallica non bagna

completamente le fibre per cui si ha l'impossibilità a formare un composito.

Nonostante queste difficoltà, l’industria aerospaziale ha interesse nello sviluppo di compositi a matrice

metallica perché questi legano bene le caratteristiche di basso spessore specifico ed alta resistenza (matrici di

alluminio, magnesio e titanio).

VANTAGGI: alta resistenza, alto modulo elastico, alta tenacità a frattura, resistenza all’impatto, resistenza

alle alte temperature

SVANTAGGI: alta temperatura di fusione, reattività con le fibre, corrosione.

COMPOSITI A MATRICE CERAMICA (CMC)

Le matrici realizzate hanno un’elevata rigidità e resistenza meccanica, ma presentano un’elevata fragilità. Per

risolvere tale problema si rinforza la matrice con particelle, fibre o whisker di materiale ceramico, che

consentono di migliorare la resistenza alla frattura, bloccando la propagazione del difetto.

VANTAGGI: elevato modulo elastico ed elevata resistenza alle alte temperature.

SVANTAGGI: valori bassi di deformazione a rottura e bassissima tenacità a frattura (bassa affidabilità

strutturale a causa della fragilità e dell’influenza dei difetti).

MATERIALI RINFORZANTI

Le inclusioni (fibre o particelle) servono generalmente come rinforzo per la matrice. Talvolta viene inserito

materiale economico all’interno della matrice come filler: in questo caso si parla di cheap extender (diluente

economico) che serve ad abbassare il costo del manufatto.

I rinforzi possono essere in forma di fibre, ma anche in forma di particelle, flakes, whiskers, fibre corte, ecc.

Tuttavia, in pratica, molto spesso si usano le fibre in quanto in questa forma i materiali tendono ad esibire le

migliori proprietà meccaniche (resistenza, rigidezza).

Le fibre usate come rinforzi possono essere:

• Naturali (basso costo), ad es. cotone, juta, lino, sisal, seta, lana, ecc.

• Artificiali, ad es. vetro, carbonio, aramidiche, polietilene ad alto modulo, ceramiche (allumina, carburo di

silicio) ecc. Queste fibre sono caratterizzate da elevate proprietà meccaniche e bassa densità.

→ Le singole fibre hanno generalmente diametri compresi fra 7 e 30 µm, con rapporti di forma L/d compresi



fra 1000 (fibre corte) ed (fibre continue).

Parametri tecnologici delle fibre

• Forma della sezione: dipende dal modo di crescita per le fibre naturali, mentre per le fibre sintetiche

dipende dalla forma del foro della filiera e dalle condizioni di estrusione.

• Finezza: TEX= peso in grammi di 1000m di fibra

• Proprietà meccaniche ad alta temperatura

• Resistenza a fatica

• Assorbimento d’acqua

L’uso di fibre come materiale ingegneristico ad alte prestazioni è basato su tre principi:

→

1. Piccolo diametro minore è il diametro della fibra e migliori

saranno le caratteristiche meccaniche del composito (minore

probabilità di avere difetti).

→

2. Elevato aspect ratio (L/d) consente di trasferire una maggiore

quantità di carico dalla matrice alla fibra.

→

3. Elevata flessibilità consente di produrre oggetti di forma

complessa (legata al diametro).

Tipologie di fibre

• Fibre di vetro: ottima resistenza meccanica (2-5 GPa), basso costo, buona tenacità, basso modulo elastico

(70-80 GPa), media densità (2.5- 2.8 g/cm3).

• Fibre di carbonio: ottima resistenza meccanica (3.1-4.5 GP