Appunti di Tecnologie dei materiali

MATERIALI POLIMERICI

Le materie plastiche hanno grande capacità di essere plasmate. Sono costituite da polimeri, ma non solo. I polimeri sono molecole organiche, costituite prevalentemente da atomi di carbonio e idrogeno, con possibile presenza di ossigeno, azoto, o altri elementi quali cloro, bromo...

Polimeri naturali: legno, lana, cuoio, seta, gomma naturale, cellulosa...

Polimeri artificiali o semisintetici: da modificazione chimica dei polimeri naturali (es.: nitrocellulosa, celluloide, galalite, linoleum, ebanite).

Polimeri sintetici: ottenuti da trasformazione chimica di derivati del petrolio (bakelite (resina fenolica), PE, PVC, PS, PP).

Proprietà meccaniche:

Vantaggi:

• bassa densità (~ 1-2 g/cm3) sono leggeri →
• bassa conducibilità elettrica, termica e acustica (espansi) isolanti termici ed elettrici →
• buona resistenza a corrosione
• buona formabilità, possibilità di ottenere ottime finiture superficiali
• ottima

colorabilità e trasparenza ● Limitazioni: - basso modulo di elasticità → rigidezza limitata - bassa resistenza meccanica e durezza - utilizzo limitato a temperature basse (bassa temperatura di fusione o rammollimento) - scarsa stabilità dimensionale ad alta temperatura e sotto carico - fenomeni di scorrimento viscoso (viscoelasticità) - scarsa stabilità alla luce e all'ossigeno (alto coefficiente di attenuazione termica) - riciclabilità Quando si passa da un oggetto in metallo a un polimero, che è meno rigido, è necessario applicare uno sforzo minore. Pertanto, non è possibile utilizzare la stessa geometria per l'oggetto in plastica, ma è necessario fare un dimensionamento: l'oggetto in plastica deve avere uno spessore maggiore per ottenere la stessa rigidezza. Classificazione dei materiali polimerici: - Termoplastici: possono essere plasmati mediante calore, quindi vengono riscaldati per

• renderli plasmabili, li do una forma, li raffreddo e conservo quella forma. Sono materiali riciclabili per un numero infinito di volte, dato che questo passaggio di riscaldamento e raffreddamento posso farlo infinite volte.
• Termoindurenti, induriscono per effetto del calore. Avviene un processo di reticolazione a causa dell'indurimento, quindi devo riscaldare e applicare una tensione. Li posso considerare come una sorta di macromolecola: si formano varie maglie che rendono più duro il materiale stesso.
• Elastomeri, possono subire elevate deformazioni elastiche. Possono essere di natura termoindurente. La loro caratteristica peculiare è che si possono deformare elasticamente.
• Dentro la struttura questi fili possono essere disposti in modo parzialmente ordinato, o in modo del tutto casuale. Una in cui ho catene disposte in questo modo non ordinato è una struttura casuale amorfa. Posso avere anche delle strutture con un ordine parziale, quindi una...

unità di etilene. Questa catena può essere più o meno ordinata, dando luogo a una struttura semicristallina. Il polimero è costituito da catene di meri, che sono le singole unità di ripetizione, legate tra loro da legami covalenti. Nel caso del polietilene, ad esempio, l'unità base è l'etilene, che è composto da due atomi di carbonio legati da un doppio legame. Questo doppio legame può rompersi in condizioni opportune, formando due legami semplici. Questo processo è esotermico, cioè libera energia. Quando si forma il monomero, può indurre un'altra molecola di etilene a formare legami semplici, dando luogo a un trimero, quatrimero e così via, fino a formare una catena costituita da ripetizioni di singole unità di etilene.

unità. Grado di polimerizzazione: ripetizioni di singole unità, indica la lunghezza di una catena. Le catene non hanno tutte la stessa lunghezza nel processo di polimerizzazione perché non hanno lo stesso peso molecolare e non sono formate dallo stesso numero di meri (unità). Fa differenza il numero, perché se aggiungo o tolgo un'unità cambia per esempio quella che è la temperatura di fusione. Questo va avanti fino a che ho un numero di unità dell'ordine dei 200. Fino a 200 unità sono presenza dei cosiddetti oligomeri, che sono quelle molecole per cui aggiungere o togliere unità cambiano le proprietà fisiche e chimiche. Oltre le 200 unità: polimeri (in cui aggiungere o togliere unità non cambia troppo le proprietà). Non sempre ottengo la stessa lunghezza, e in base a questa avrò proprietà diverse. Catene con lunghezza diversa avranno anche peso diverso. Peso molecolare:

massa molecolare ⇒ correlabile alla lunghezza delle catene. Stesso polimero ma con massa molecolare diversa caratteristiche diverse. Il problema è che durante il ⇒ processo di polimerizzazione non tutti i polimeri hanno la stessa lunghezza: non esiste un solo peso molecolare → si può calcolare in due modi diversi:

1. Peso molecolare Numerale: Posso ottenere un peso medio che sia dato dalla media aritmetica ⇒ 1. dei pesi molecolari, tenendo conto della quantità di molecole che hanno un peso rispetto a un altro le catene corte pesano come quelle lunghe.
2. Peso molecolare Ponderale: Posso andare a fare una media pesata rispetto al peso molecolare, ⇒ 2. quindi andare a prendere una frazione di catene con una certa massa. In questo modo faccio pesare di più le catene più pesanti, quindi se ho una certa distribuzione di pesi, questi non vanno a coincidere il peso numerico è più alto di quello ponderale.

Il peso molecolare medio.ponderale è maggiormente influenzatocon pesi molecolari più alti. I polimeri si ottengono attraverso un processo di polimerizzazione, quindi si ha l'unione di molecolepiccole: monomeri, attraverso reazioni chimiche in modo da formare macromolecole. Le reazioni di polimerizzazioni possono essere classificate in base a: meccanismo: ▸ a catena: da un centro attivo il polimero si accresce per addizione di singoli monomeri (PE, PP,╶ PVC, PS, PMMA) a stadi: ogni atto di reazione è la somma di tronconi di catena (PC, PUR)╶ stechiometria: ▸ poliaddizione: consiste in una reazione che avviene senza la formazione di sottoprodotti (PE,╶ PUR) policondensazione: nella reazione si ha la formazione di sottoprodotti (acqua, nylon, PET)╶ Spesso sono reazioni che hanno bisogno di energia per avvenire, quindi sono processi endotermici. Legami presenti nei materiali polimerici: intramolecolari (nella catena): legami covalenti (forti), che limitano la mobilità dei meri

lungo la catena intermolecolare (tra le catene): legami secondari (van der Waals, idrogeno) (deboli), che limitano lo scorrimento tra le catene. Il legame debole conferisce le proprietà meccaniche nei polimeri: bassa rigidezza e bassa resistenza.

Struttura dei polimeri (costituzione):

• lineare: le macromolecole sono sviluppate in una direzione e le singole unità sono tenute insieme da legami covalenti in un'unica catena lineare.
• ramificata: le macromolecole sono sviluppate in più direzioni, sono strutture caratteristiche dei polimeri termoplastici, in cui ci sono legami deboli.
• reticolata: costituita da un insieme di macromolecole lineari reciprocamente ancorate mediante legami covalenti formanti un reticolo tridimensionale. È una struttura caratteristica dei polimeri termoindurenti (alto grado di reticolazione) e degli elastomeri vulcanizzati (basso grado di reticolazione).

Polietilene: dato dalla ripetizione del mero:

• - HDPE (High Density PE) alta

densità (ramificazioni ridotte) in questo modo le catene si distribuiscono in modo più lineare, quindi si ha cristallinità abbastanza alta. È il materiale che usiamo nei contenitori.

LDPE (Low Density PE) a bassa densità (ramificazione più estesa) catene di lunghezza diversa, quindi la cristallinità è decisamente più bassa e la densità è molto più bassa. Ho meno catene per unità di volume. Quindi è un materiale che viene usato per esempio nei sacchetti, dove voglio un materiale flessibile.

LLDPE Linear Low Denisty catena principale con catene secondarie un po' più lunghe rispetto al polietilene ad alta densità ottengo una resistenza meccanica un po' maggiore, migliore tenacità, migliore resistenza a lacerazione e a penetrazione.

Vulcanizzazione: catene molecolari lunghe e poco reticolate (~1 ogni 100 unità),

pochi punti di ancoraggio che forniscono una "memoria" nel materiale e impediscono lo scorrimento plastico, infatti quando tolgo lo sforzo ritornano le catene arrotolate e la gomma riprende le dimensioni originarie. A metà ho due atomi di carbonio legati tra loro con un doppio legame, che in condizioni si può opportunescindere. Quando aggiungo zolfo si possono aprire alcuni doppi legami e formare dei legami con lo zolfo che fa da ponte con un'altra catena di isoprene in questo modo le catene sono legate le une alle altre. Si può avere un'alternanza delle unità, una disposizione del tutto casuale, a blocchi (quindi zone di unmero intervallate da zone in cui ho unito altri meri) o ad innesto. In particolare la struttura a blocchi è importante perché permette di avere termoplastico.elastomero Omopolimero: unità costituenti la catena identiche tra loro. Copolimero: contiene unità differenti disposte inaragrafo sopra e uno sotto, ha proprietà diverse rispetto all'isotattico, dove il gruppo CH3 sta nello stesso lato della catena. Questa differenza nella disposizione degli atomi può influenzare le proprietà del polimero, come la sua flessibilità, la sua resistenza e la sua capacità di formare strutture ordinate. La configurazione dei polimeri può essere controllata durante la loro sintesi, attraverso l'uso di catalizzatori specifici o di condizioni di reazione particolari. Questo permette di ottenere polimeri con diverse proprietà e applicazioni. In conclusione, la configurazione e la disposizione degli atomi all'interno di un polimero possono influenzare le sue proprietà e il suo comportamento. La conoscenza di queste caratteristiche è fondamentale per la progettazione e l'ottimizzazione dei materiali polimerici.