Materiali polimerici

Materiali polimerici

I polimeri sono molecole organiche costituite da monomeri (unità molecolari di carbonio, H, Cl, F, N e altri) organizzate in unità monomeriche (solitamente tra 1000 e 10000) legate da legami covalenti; tali unità in una catena possono essere identiche tra loro (omopolimeri) oppure diverse (copolimeri).

Lavorazione

Per prima cosa bisogna ottenere i monomeri (che si trovano normalmente allo stato gassoso o liquido) dal crudo (petrolio greggio); da questi si sintetizza il polimero durante la polimerizzazione. Non essendo spesso direttamente utilizzabile allo stato puro (per la mancata resistenza ambientale o mancate caratteristiche richieste per un prodotto) si procede al coumpounding: un processo di additivazione che consiste nell’aggiunta di stabilizzanti, lubrificanti, pigmenti e plastificanti.

Il materiale polimerico commerciale al fine del ciclo di vita può essere dismesso: o smaltito in discarica, o incenerito, oppure riciclato. Se è reticolato e non posso riciclarlo termicamente si può frantumare (riciclo meccanico) e si fa un riempitivo (sostanza che riduce la quantità di materiale da utilizzare per l’altro prodotto). Si può anche recuperare il monomero (riciclo chimico).

Polimerizzazione

• Poliaddizione: reazione rapida senza sottoprodotti (PE)
• Policondensazione: reazione più complessa con sottoprodotti

Lunghezza

Grado di polimerizzazione: numero di unità monomeriche presenti nella singola catena.

Massa molecolare (M): la somma dei pesi degli atomi che compongono l’unità polimerica. Si considera una massa molecolare media perché non tutte le catene hanno la stessa lunghezza; uno stesso materiale polimerico può essere prodotto con lunghezze di catene diverse e quindi con diversa massa molecolare. Lo scopo della differenziazione è che a seconda della tecnologia di trasformazione si usano polimeri diversi. La massa molecolare determina la viscosità: se le catene sono corte, nello stato fluido si attorcigliano ma poco, quindi il fluido risulta poco viscoso se la massa molecolare è bassa, viceversa se le catene sono lunghe. La viscosità non ha ripercussioni nello stato solido.

Architettura

Catene non reticolate: sono detti polimeri termoplastici, nei quali le varie catene sono separabili (l’energia di legame è l’energia che serve a rompere il legame tra gli atomi). Termoplastici (TP) come PE, PP, PVC, PS possono essere plasmati con il calore. Un materiale polimerico quando viene prodotto da un’azienda viene prodotto come un liquido, una polvere o un solido come dei granelli; se si scalda e si porta in uno stato fluido molto viscoso allora può essere cambiato di forma.

Catene reticolate: sono detti polimeri termoindurenti, in cui i legami covalenti tra le catene sono molto forti. Esistono materiali reticolati (delle gomme reticolate in maniera diversa) che possono essere riciclati e possono essere lavorati come dei polimeri termoplastici: si tratta delle gomme termoplastiche. Termoindurenti sono materiali che non sono più in grado di ritornare liquidi; se riscaldato, infatti, il materiale si deteriora ma non ritorna liquido (resina epossidica o l’ebanite).

Struttura

• Struttura amorfa: disposizione casuale delle catene, con una grande quantità di zone amorfe.
• Struttura semicristallina: ci sono fasi amorfe e fasi cristalline in strutture ordinate dette lamelle. Si distingue il grado di cristallinità cioè quanta percentuale di fase cristallina è presente rispetto a quella amorfa.

Snervamenti

I materiali possono presentare l’una o l’altra modalità di snervamento in base a fattori quali temperatura, velocità di sollecitazione, umidità. Lo snervamento può avvenire per:

• Crazing: si formano delle cricche non completamente separate; se lo sforzo aumenta le brille si allungano fino alla frattura istantanea, comportamento fragile. Lo snervamento per crazing avviene quando ci si trova a temperature molto inferiori alla Tg per i polimeri amorfi, e in tutte le temperature sotto Tg per polimeri semicristallini.
• Scorrimento: formazione di una strizione che si propaga per tutto il materiale fino alla rottura che avviene a lunghe deformazioni; comportamento tenace. Lo snervamento per scorrimento avviene a temperature prossime alla Tg per polimeri amorfi, e a temperature comprese tra Tg e Tm per polimeri semicristallini.

Processi di trasformazione

• Estrusione: Si ottengono dei prodotti che sono tubolari, delle lastre, fili. Hanno di caratteristico che sono tutti regolari, cioè hanno una sezione costante. Si parte da un materiale polimerico (in granuli, polvere o altro), si scalda e diventa un liquido che viene fatto passare per una piastra e si ottiene un oggetto che riproduce la geometria della feritoia. Se la piastra ha delle feritoie a cerchietti fuoriescono dei fili, delle fibre. Stessa cosa avviene per i materiali che escono da una fessura cilindrica e quindi si formano dei tubi. Si ha quindi una sezione costante. Non è possibile ottenere forme cave.