Appunti di studio del prodotto e del processo

MATERIE PLASTICHE E RELATIVI PROCESSI PRODUTTIVI

Il termine materie plastiche è stato usato per la prima volta nel 1909 e viene comunemente interpretato come sinonimo di polimeri. Plastiche, dalla parola greca plastikos, significa che "possono essere formate e modellate". Sono uno dei numerosi materiali polimerici costituiti da molecole di grandissime dimensioni (macromolecole). Rispetto ai metalli, i polimeri sono generalmente caratterizzati da bassi valori di densità, resistenza, rigidezza, conducibilità elettrica e termica e da una buona resistenza all'attacco chimico e un elevato coefficiente di dilatazione termica. L'intervallo di temperature di utilizzo della maggior parte dei polimeri è generalmente basso, non superando di norma i 350 gradi centigradi. Le materie plastiche possono essere lavorate alle macchine utensili, colate in forma, deformate e saldate. Un vantaggio rispetto ai metalli è che richiedono generalmente poche.

Operazioni secondarie di finitura superficiale e spesso non ne necessitano affatto. Il termine polimero venne impiegato per la prima volta nel 1866. I primi polimeri erano costituiti da materiali organici naturali derivati da prodotti animali e vegetali. Le plastiche sono polimeri sintetici molto spesso.

Proprietà e struttura dei polimeri

Le proprietà di un polimero dipendono essenzialmente (a) dalla struttura delle singole molecole del polimero, (b) dalla forma e dalla grandezza delle molecole e (c) da come tali molecole sono organizzate nella struttura del polimero.

Le molecole polimeriche sono caratterizzate principalmente dalle loro enormi dimensioni e proprio per questo sono comunemente chiamate macromolecole. In ciascuna molecola gli atomi sono legati tra loro da legami atomici covalenti. Per la maggior parte dei polimeri, lo scheletro di ciascuna catena è una fila di atomi di carbonio; spesso ciascun atomo di carbonio presenta un legame singolo con altri due atomi.

dicarbonio adiacenti. Ciascuno dei due elettroni di valenza rimanenti in ogni atomo di carbonio può essere interessato da legami laterali con atomi o radicali che si posizionano a lato della catena. Sono possibili anche doppi legami sia nella catena principale che nelle catene laterali. Queste lunghe molecole sono composte da unità strutturali dette unità ripetitive, le quali si ripetono in successione lungo la catena. Il termine monomero si riferisce alla piccola molecola dalla quale viene sintetizzato il polimero. Quando tutte le unità ripetitive presenti sono dello stesso tipo, il polimero risultante è chiamato omopolimero. Le catene possono essere composte anche da due o più unità ripetitive differenti e in questo caso si parla di copolimeri. I monomeri possono essere collegati in unità ripetitive per formare molecole più lunghe ed estese attraverso una reazione chimica chiamata reazione di polimerizzazione. Ne esistono.ma contribuiscono comunque a determinare le proprietà del polimero. 3. Grado di cristallinità. I polimeri possono essere amorfi o cristallini. Nel caso dei polimeri amorfi, le catene polimeriche sono disposte in modo casuale e non presentano una struttura ordinata. Nei polimeri cristallini, invece, le catene polimeriche sono disposte in modo regolare e formano una struttura cristallina. La presenza di cristallinità influisce sulle proprietà meccaniche e termiche del polimero. 4. Temperatura di transizione vetrosa. È la temperatura al di sotto della quale il polimero diventa rigido e fragile, simile al vetro. Al di sopra di questa temperatura, il polimero diventa flessibile e gommoso. La temperatura di transizione vetrosa dipende dalla struttura chimica del polimero e può influenzare la sua applicabilità in determinati campi. 5. Resistenza chimica. I polimeri possono essere resistenti o sensibili agli agenti chimici. Alcuni polimeri sono resistenti a sostanze corrosive, mentre altri possono essere danneggiati o degradati da determinati solventi o reagenti chimici. La resistenza chimica dipende dalla struttura chimica del polimero e può essere modificata attraverso la scelta dei monomeri utilizzati nella sintesi. 6. Proprietà meccaniche. I polimeri possono avere proprietà meccaniche diverse, come la resistenza, l'elasticità, la durezza e la flessibilità. Queste proprietà dipendono dalla struttura chimica del polimero, dal grado di cristallinità e dal peso molecolare. La scelta del polimero più adatto dipende dalle specifiche esigenze dell'applicazione. Questi sono solo alcuni degli aspetti fondamentali dei polimeri. La scienza dei polimeri è vasta e complessa, e la loro applicazione è presente in molti settori, come l'industria, l'edilizia, l'elettronica e la medicina.

avendo un’energia di legame inferiore di uno o due ordini di grandezza.

3. Struttura molecolare. Le caratteristiche di un polimero dipendono non solo dalla sua forma e dal suo peso molecolare, ma anche dalle differenze di configurazione strutturale delle catene molecolari.

I polimeri lineari sono quelli nei quali le unità ripetitive, appartenenti ad una singola catena, sono unite da un estremo all’altro. Queste lunghe catene sono flessibili e possono essere immaginate come una massa di spaghetti. Un esempio è il HDPE.

I polimeri possono essere sintetizzati in maniera che dalla catena si dipartano ramificazioni laterali; questi polimeri sono chiamati polimeri ramificati. Con la formazione delle ramificazioni si riducono le capacità di compattazione delle catene, per cui la densità del polimero diminuisce. Un esempio è il LDPE.

Nei polimeri a legami trasversali (cross-linked) o reticolati si ha generalmente una struttura tridimensionale composta da

catene adiacenti collegate tramite legami covalenti. I polimeri astruttura reticolata sono denominati termoindurenti o resine termoindurenti, come i fenoli e isiliconi. La reticolazione ha un’influenza significativa sulle proprietà dei polimeri generalmenteconferendo loro durezza, resistenza, rigidezza, fragilità. 954. Cristallinità. Polimeri come il policarbonato o il polistirene sono generalmente amorfi; in altreparole le catene polimeriche non possiedono un ordine a lungo raggio. L’organizzazione amorfadelle catene polimeriche viene spesso descritta come simile a un piatto di spaghetti o come avermi in un secchio, tutti attorcigliati tra loro. Ad alcuni polimeri, tuttavia, è possibile conferire uncerto grado di cristallinità modificandone quindi le caratteristiche. Questo può essere fatto odurante la sintesi o per lavorazioni successive.Le regioni cristalline nei polimeri vengono denominate cristalliti. I cristalli si formano

quando le lunghe molecole si dispongono in modo ordinato. Un polimero parzialmente cristallino (semicristallino) può essere considerato come un materiale a due fasi in cui una fase è cristallina e l'altra è amorfa. Attraverso il controllo della velocità di solidificazione è possibile conferire ai polimeri diversi gradi di cristallinità, sebbene non si riesca ad arrivare al 100%. Le proprietà meccaniche e fisiche dei polimeri sono fortemente influenzate dal grado di cristallinità. All'aumentare della cristallinità i polimeri diventano più rigidi, più duri, meno duttili, più densi e più resistenti al calore. L'incremento di densità è dovuto a una compattazione più efficiente. Un esempio è l'HDPE. Anche le proprietà ottiche sono influenzate dal grado di cristallinità: l'opacità è causata dalla riflessione della luce nelle

Interfacce tra le regioni cristallinee e quelle amorfe.

5. Fenomeni di cristallizzazione, fusione e transizione vetrosa.

La cristallizzazione, la fusione e la transizione vetrosa sono tre fenomeni importanti per la progettazione e la lavorazione dei materiali polimerici.

La cristallizzazione è il processo per il quale, mediante raffreddamento, partendo da un fuso a struttura molecolare altamente disordinata, si perviene a una fase solida ordinata (cristallina).

La fusione invece è il processo inverso che si determina quando si riscalda un polimero parzialmente cristallino.

Il fenomeno di transizione vetrosa si manifesta esclusivamente nei polimeri amorfi o semicristallini (nelle regioni amorfe) i quali, quando sono raffreddati dal fuso, danno luogo a solidi rigidi che mantengono la struttura molecolare disordinata caratteristica dello stato liquido. I polimeri amorfi non hanno un punto di fusione specifico ma presentano un netto cambiamento nel loro comportamento meccanico.

All'interno di un ristretto intervallo di temperatura. I polimeriamorfi sono duri, rigidi, fragili e vetrosi a basse temperature mentre sono gommosi a temperatureelevate. Questo cambiamento avviene alla temperatura di transizione vetrosa T chiamata anchegtemperatura vetrosa (glass temperature). Si utilizza questo termine perché i vetri, che sono solidiamorfi, si comportano nello stesso modo. In figura è riportato il volume specifico dei polimeri infunzione della temperatura.

Miscele di polimeri e aggiunta di additivi. Al fine di migliorarne il comportamento fragile al di sottodella loro temperatura di transizione vetrosa, i polimeri amorfi possono essere miscelati(blending). Particelle piccole vengono disperse nel polimero amorfo aumentandone la tenacità ela resistenza agli urti.I polimeri vengono di solito mescolati (compounding) con additivi per conferire loro certeproprietà specifiche. Gli additivi modificano e migliorano le caratteristiche

dei polimeri in termini di rigidezza, resistenza meccanica, colore... Comportamento meccanico dei polimeri: curve sforzo-deformazione Le proprietà meccaniche dei polimeri sono valutate, nella maggior parte dei casi, mediante gli stessi parametri usati per i metalli, ovvero il modulo elastico, il limite di snervamento e la resistenza a rottura. Per molti materiali polimerici alcuni di questi parametri meccanici vengono determinati dalla curva sforzo-deformazione. In figura sono riportati i tre tipici comportamenti sforzo-deformazione dei materiali polimerici: È necessario tuttavia tenere conto del fatto che le proprietà meccaniche dei polimeri sono molto sensibili alle variazioni di temperatura, soprattutto per temperature vicine a quella ambiente: l'aumento della temperatura determina una diminuzione del modulo elastico, una riduzione del carico di rottura ed un aumento di duttilità (a 4°C il materiale è completamente fragile, mentre da

50°C presenta una considerevole deformazione plastica). Inoltre la diminuzione della velocità di deformazione ha lo stesso effetto sulla curva dell'aumento di temperatura: il materiale diventa più morbido e duttile.

Comportamento meccanico dei polimeri: deformazione viscoelastica

Un polimero amorfo può comportarsi come un vetro alle basse temperature, come un solido gommoso alle medie temperature (al di sopra della temperatura di transizione vetrosa) e come un liquido viscoso se la temperatura è ancora più alta. Per deformazioni relativamente piccole, il comportamento meccanico a basse temperature può essere elastico e seguire, quindi, la legge di Hooke. A temperature più elevate prevale un comportamento viscoso simile a quello di un liquido. A temperature intermedie il polimero è un solido gommoso che presenta proprietà meccaniche intermedie tra quelle presentate nei due stati estremi; questa condizione è detta viscoelasticità.

Quanto detto è riassunto nelle seguenti figure in cui si deve porre attenzione all'istante di tempo in cui si applica il carico: 98 OSSERVAZIONE: