Materiali Ceramici

Vetri di silice

Siccome molto puri e con ottima stabilità termica sono molto costosi. Resistono agli shock termici, hanno

un basso coefficiente di dilatazione termica e sono trasparenti alle radiazioni UV e IR.

Vetri vycor con 96% di silice.

Composizione: 96% SiO2 ; 4% B2O3. Hanno elevata resistenza alle alte temperature (fino a 900°C),

eccellente resistenza agli shock termici ed ottima resistenza all’aggressione chimica.

Impieghi: vetreria da laboratorio, elementi resistenti al calore.

Vetri pyrex o borosilicati

Composizione: 81% SiO2; 3,5% Na2O; 2,5% Al2O3; 13% B2O3 Resistenza agli shock termici e all’aggressione

chimica, Elevata resistività elettrica.

Impieghi: Vetreria da laboratorio, Termometri e tubi calibrati, Stoviglieria resistente al calore, Isolanti

elettrici.

Vetro sodico-calcico (vetri comuni)

Composizione: 71-74% Si=2; 12-14% Na2O; 10-12%CaO 1-4%MgO

Facilità di lavorazione e fabbricazione, Basso costo, Resistenza chimica e durabilità discreta.

Impieghi: Vetri per finestre e auto, Vetri per contenitori (bottiglie, bicchieri, ecc...), Vetri per bulbi di

lampadine.

4 Vetro al piombo

Composizione: 63% SiO2, 35% Si=2. Facilità di lavorazione e fabbricazione, Buone caratteristiche

dielettriche (elevata costante dielettrica), Alto indice di rifrazione (ottima brillantezza)

Impieghi: cristalleria da tavola, condensatori, tubi elettronici, schermi per radiazioni (effetto del Pb).

Lavorazioni

Una goccia di vetro viene colata in uno stampo e poi soffiata con aria calda per farla aderire alla matrice

dello stampo. Infine viene rimosso lo stampo. Oppure con un penetratore viene fatta aderire.

Le lastre di vetro invece vengono realizzate per laminazione di un bagno di vetro a temperatura elevata.

Trattamenti termici

- Ricottura

- Tempra: il raffreddamento viene fatto con getti d’aria calda. Il vetro si contrae co, variare della

temperatura. Tale contrazione avviene prima in superficie e poi a cuore. Per tale motivo la

superficie va in compressione mentre il cuore in trazione. Tutti i vetri temprati sono spessi perché si

deve garantire che ci sia un gradiente di temperatura tra cuore e superficie. Rispetto ai vetri

normali si rompono in mille pezzi a causa delle tensioni.

Polimerici

Sono materiali che tendono a deformarsi facilmente anche a basse temperature, sono leggeri (hanno bassa

densità) ed ottimi isolanti poiché gli elettroni sono occupati a formare il legame. Hanno temperature di

utilizzo molto basse, solitamente la temperatura massima è quella ambiente.

Sono formati da macromolecole, cioè molecole molto grandi costituite da una successione di unità

monomeriche, che hanno alla base il legame del Carbonio. Un esempio è il monomero dell’etilene che se

polimerizzato genera il polietilene.

Possono essere:

- Omopolimeri: formati da unità monometriche tutte uguali;

- Copolimeri: formati da due o più unità monometriche diverse e sono utilizzati per esempio per

realizzare le gomme reticolate fisicamente.

A seconda delle unità monometriche presenti cambiano le proprietà (PVC, polietilene,

politetrafluoroetilene, polipropilene, polistirene).

Per realizzare i polimeri si parte dal petrolio greggio dal quale, a seguito della distillazione, si ottengono gli

idrocarburi volatili necessari.

La reazione chimica di polimerizzazione può avvenire secondo diversi meccanismi; i principali sono:

Poliaddizione:

- consiste in una reazione a catena che comporta la rottura del doppio legame del

carbonio e rende quindi gli elettroni liberi di fare altri legami. La velocità di reazione varia dall’inizio

alla conclusione della reazione poiché alla fine si creano legami tra spezzoni di catene interi e non

più tra singole molecole. Sono reazioni semplici e che continuano da sole una volta innescate.

Policondensazione:

- è più simile ad una classica reazione chimica con formazione di sottoprodotti

(unità monomeriche e molecole d’acqua). Sono però reazioni più complesse e da controllare e di

conseguenza generano polimeri più costosi (PET, Poliammide 6,6).

Lunghezza della catena

La lunghezza della catena è variabile ed è direttamente proporzionale al peso molecolare per gli

omopolimeri. Tale peso influenza la temperatura di fluidificazione del polimero.

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Architettura della catena

Le catene possono avere diverse configurazioni e in base a queste si distinguono vari tipi di polimeri:

- Lineari: con catene molto vicine e quindi con alta densità;

- Ramificati: con densità più bassa;

- Reticolati: con più catene unite da legami covalenti.

In alcuni casi si possono formare isomeri, ovvero molecole non simmetriche in cui un gruppo laterale può

cambiare posizione. Potendo avere più isomeri allora si possono ottenere più configurazioni:

- Atattica: quando il gruppo laterale si mette in una posizione casuale conferendo quindi alla catena

energia più alta;

- Isotattica: quando il gruppo laterale si mette sempre nella stessa posizione;

- Sindiotattica: quando il gruppo laterale si trova in posizioni alternate.

Classificazioni possibili

Come già detto i materiali polimerici si possono classificare:

- In base alla natura delle materie prime (naturali, sintetiche);

- In base al meccanismo di polimerizzazione (addizione, condensazione);

- In base alla tatticità;

- In base al peso specifico.

Inoltre si possono classificare in base:

- Al comportamento al calore;

- All’organizzazione strutturale;

- Alla temperatura di transizione vetrosa.

Comportamento al calore

I polimeri si dividono in termoplastici e termoindurenti.

Termoplastici

Sono per lo più lineari ma possono essere anche ramificati. Sopra la temperatura ambiente diventano fluidi

ed hanno un comportamento reversibile che può essere ripetuto diverse volte (riciclabili).

Termoindurente

Sono formati da macromolecole reticolate (hanno legami covalenti tra le catene). Con l’aumento della T

questi polimeri diventano sempre più rigidi. Ad una certa temperatura degradano ed iniziano a bruciare

(non fluidificano). Succede per la diversa interazione rispetto ai termoplastici che c’è tra le catene. Infatti

nei termoplastici tra le catene vi è un legame fisico (oltre a quello ad idrogeno che però si rompe

facilmente) che si scioglie all’aumentare della temperatura poiché questa implica un aumento di energia

termica e della distanza tra le catene. In un termoindurente i legami tra le catene sono di tipo covalente, lo

stesso che vi è lungo la catena. Quindi quando si arriva a una temperatura sufficiente per separare le varie

catene, si separano pure gli altri legami interni e il polimero degrada.

Organizzazione strutturale

I polimeri sono costituiti da catene aggrovigliate che occupano una determinata porzione di spazio a

prescindere dalla lunghezza della catena. I legami fisici che si creano portano allo stato solido del polimero.

L’angolo che si forma tra i carboni è di 109,5° ed essendo quindi molto ampio fa si che la catena sia

flessibile e che si possa piegare su sé stessa molte volte. Le catene polimeriche si dispongono sotto forma di

gomitolo statistico con diametro circa 50 volte inferiore rispetto alla lunghezza della catena estesa.

La struttura che si genera può essere:

- Amorfa: non ha ordine a medio lungo raggio;

- Semicristallina: oltre a zone amorfe vi sono zone in cui è presente un ordine nella disposizione delle

catene nello spazio. Queste sono strutture planari, comunemente indicate come “lamelle”;

- Cristallina: completamente ordinata ma quasi impossibile da realizzare e comunque molto costosa.

6 Stato amorfo

Tutti i polimeri possono trovarsi sotto stato amorfo.

Hanno varie proprietà:

• Sono trasparenti poiché non hanno cristalli al loro interno che riflettono la luce ma possono comunque

essere colorati per additività.

• Hanno una temperatura caratteristica detta di transizione vetrosa Tg. Al di sotto di tale temperatura il

materiale avrà comportamento vetroso, al di sopra avrà comportamento gommoso. Molto al di sopra,

invece, fluidificherà. Queste differenze sono date dal fatto che, essendo una transizione cinetica, ovvero

che cambia la possibilità di movimento delle macromolecole, al di sotto di Tg i movimenti saranno limitati,

al di sopra ci sarà una certa libertà di movimento. Per calcolare tale temperatura si fa la seguente prova:

fissato un volume di riferimento per un pezzo di polimero, si inizia a riscaldare il provino e si nota che il

volume aumenta in modo lineare ad una certa velocità fino a un determinato punto. Ad un certo punto

inizierà a crescere più velocemente. Quel punto individua la T di transizione.

Non hanno, invece, una temperatura di fusione che è caratteristica solo dei polimeri semicristallini. Le

temperature Tg possono essere modificate con dei plastificanti, ovvero molecole grosse che aumentano la

distanza tra le catene.

Stato semicristallino

La percentuale di cristallizzazione dipende dalla configurazione delle catene e dalla velocità di

raffreddamento durante la solidificazione.

Parti della catena si piegano ordinatamente formando le lamelle intorno alle quali ci sono parti di catena

ripiegate disordinatamente. Le lamelle si organizzano a loro volta in sferule.

Affinché avvenga la cristallizzazione devono essere rispettate alcune regole necessarie:

- Regolarità costituzionale;

- Regolarità configurazionale.

Anche se queste regole sono rispettate non è detto che il polimero cristallizzi.

Regolarità costituzionale

Le unità monomeriche si devono ripetere uguali lungo tutta la catena, ovvero devono essere omopolimeri.

Regolarità configurazionale

Se il polimero è isotattico o sindiotattico allora può cristallizzare. Se è atattico, invece, solidificherà solo

come amorfo. Questa differenza è dovuta al fatto che se la catena è simmetrica l’energia può essere

minimizzata e la catena riesce a ripiegarsi facilmente. Se invece non vi è simmetria non si arriva ad un

equilibrio e la catena non si piega ordinatamente.

È molto importante anche la velocità di solidificazione, che deve essere lenta per dare tempo alla catena

ingrovigliata di disporsi in modo ordinato.

I polimeri semicristallini sono dotati di una temperatura Tg per lo stato

amorfo ed una temperatura di fusione Tm per lo stato cristallino.

Quest’ultima corrisponde ad una trasformazione termodinamica

durante la quale avviene uno scambio di calore e si passa da uno stato

ordinato ad uno disordinato.

Proprietà meccaniche

Variano moltissimo al variare della temperatura. La variazione di mobilità delle catene polimeriche con la<