Riassunto Scienze dei Materiali Borgioli

MATERIALI POLIMERICI

Non sono le plastiche, queste sono costituite alla base da polimeri con sostanze aggiuntive che gli conferiscono proprietà ricercate. A differenza delle leghe metalliche che sono di un numero limitato, per i polimeri quella che viene brevettata è la plastica per cui sono tantissime, vi sono molte plastiche accomunate da uno stesso polimero di base ma con proprietà diverse. Sono MOLECOLE ORGANICHE fatte da atomi di CARBONIO+IDROGENO con possibile aggiunta di elementi come ossigeno, azoto, cromo, bromo... hanno vantaggi: bassa densità (leggeri), isolanti termici, elettrici e acustici (espansi), buona resistenza a corrosione, deformabilità, colorabili in massa (su tutto lo spessore non solo in superficie come i metalli); svantaggi: basso modulo elastico, bassa durezza, infiammabili, viscoelastici. Ne esistono di vari tipi: - TERMOPLASTICI: plasmabili per effetto del calore, riciclabili - TERMOINDURENTI: induriscono per effetto delcalore e unito alla pressione sviluppa reazioni chimiche in modo da far indurire il materiale; questo è un processo non reversibile -> non sono riciclabili (possibile solo con aggiunta di "resina vergine") • ELASTOMERI: possono subire def.elastiche, modulo elasticità basso (poco rigide) I polimeri sono costituiti dalla ripetizione di unità (meri) legati tra loro a formare lunghe catene (es. polietilene formato da unità di etilene). I legami presenti sono: nella catena (intramolecolari) -> legami covalenti (limitano la mobilità dei meri lungo la molecola); tra le catene (intermolecolari) -> legami secondari (van der Waals, H) (limitano lo scorrimento tra le catene). La struttura dei polimeri può essere: • LINEARE -> meri uno accanto all'altro • RAMIFICATA -> nel processo di polimerizzazione nella struttura lineare si vanno ad unire catene secondarie sviluppate in più direzioni e più o menolunghe.(Strutture tipiche dei termoplastici.)

• RETICOLATA -> fatta da macromolecole lineari che vanno a formare tramite legami covalenti un reticolo tridimensionale. struttura irreversibile. (tipica elastomeri vulcanizzati e termoindurenti)

Le unità del polimero possono essere:

• OMOPOLIMERO: unità identiche (derivanti dallo stesso monomero) -A-A-A-A-
• COPOLIMERO: unità diverse. Queste possono essere disposte: alternate -A-B-A-B-, statistico lineare -A-B-A-A-A-B-B-A-, a blocchi, a innesto

In più la struttura può essere (definisce le proprietà del materiale):

• AMORFA -> disordinata, si trova nei termoplastici, termoindurenti e elastomeri. Ho un materiale il cui volume aumenta all'aumentare della temperatura
• CRISTALLINA -> ordinata. Materiale che è solido fino alla temp. Di fusione poi diventa liquido. Dipende dalla disposizione dei meri: molecola SIMMETRICA o ISOMERI -> molecola con

stessi meri costituenti ma diversa disposizione nello spazio. Gli atomi di carbonio si dispongono al centro di una struttura tetraedrica con angoli di legame di 109,5° e ibridazione Sp3, in questo modo i legami possono ruotare e per queste ragioni i polimeri possono assumere forme complesse come quella a "GOMITOSTATISTICO" (geometria sferica circa). -> segna il passaggio da un comportamento vetroso a uno gommoso: se T<Tg -> materiale vetroso, se T>Tg TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA gommoso fino a diventare fluido. Con un materiale semicristallino la parte amorfa è comandata dalla temp. Di trans. Vetrosa, mentre la parte cristallina dalla T. di fusione. Ma la Tg e la Tfusione devono essere rapportate alla TEMPERATURA DI FORMATURA DEL MATERIALE (Tu). Polimero amorfo: se Tu<TG -> materiale come il vetro rigido e fragile, se Tu>Tg-> come una gomma, deformabile. Polimero semicristallino: se Tu<Tg parte amorfa è

vetrosa e quella cristallina è rigida, rigido e fragile, se Tg<Tu<Tfus parte amorfa p gommosa e cristallina resistente, rigido e tenace.

PROPRIETA’ MECCANICHE

POLIMERI TERMOPLASTICI: per testare le proprietà meccaniche si fa una prova di trazione a temperature diverse con velocità di deformazione diverse. Se deformato rapidamente -> fragile, lentamente -> più resistente. Parto da un materiale rigido e arrivo ad ottenere un modulo di elasticità basso, è cedevole, diminuisce anche lo sforzo a snervamento, questo perché si srotolano le catene. I termoplastici si deformano con due tipi di processi: ELASTICI (deformazione) o VISCOSI (scorrimento catene).

quando un polimero ha sia la componente elastica che viscosa. È il processo di deformazione della struttura molecolare dei

VISCOELASTICITA’: polimeri termoplastici sotto l’azione di forze esterne, che a basse temperature si comporta come un vetro (comportamento

Un materiale viscoelastico ha proprietà meccaniche che dipendono dal tempo, carico, temperatura e velocità di deformazione. Può comportarsi come un solido elastico e come un liquido viscoso. Per studiare la viscosità, vengono effettuate prove a lungo termine come il creep (deformazione a sforzo costante) e il rilassamento (sforzo a deformazione costante). Il modulo di elasticità non è costante nel tempo, ma dipende dal tempo stesso, caratterizzando la viscoelasticità lineare. Anche la temperatura può influenzare il modulo di elasticità nel tempo. Un principio importante per i materiali viscoelastici è il principio di sovrapposizione di Boltzmann, secondo il quale la deformazione è la somma delle deformazioni dovute a ciascun carico applicato nel tempo. A seconda della temperatura, i polimeri termoplastici possono avere un comportamento elastico-plastico diverso. Sotto la temperatura di transizione vetrosa (Tg), sono fragili e la presenza di difetti può influenzarne la resistenza.

provocare la rottura. A temp. Ambiente hanno una grande plasticizzazione con fenomeni di STIRO A FREDDO -> durante il carico la strizione del provino non diminuisce ma aumenta; questo perché ha una struttura amorfa e quando viene tirato parti delle catene tendono ad allinearsi nella direzione della trazione. Quando è deformato è molto più resistente. Invece i polimeri con Tg più alto a temp. Ambiente subiscono fenomeni di CRAZING cioè all'interno del materiale si formano dei microvuoti che si propagano e i filamenti di catena bloccano questa espansione; ma per rompere i filamenti serve energia, quindi + energia + tenacità. Materiali che hanno la capacità di essere deformati raggiungendo deformazioni grandi e poi tolto lo sforzo, elasticamente, riportarsi alla ELASTOMERI: loro forma originale. Ciò è dovuto ai legami che forniscono la forza necessaria per riportare le catene nelle conformazioni iniziali. I loromoduli elastici sono abbastanza piccoli e variano con la deformazione. Non sollecitato un elastomero è amorfo. La deformazione elastica avvide, all'applicazione di un carico, grazie allo srotolamento e stiramento delle catene nella direzione della sollecitazione. Al cessare dello sforzo le catene si riportano allap posizione iniziale. Il processo con cui si realizzano i legami trasversali negli elastomeri è la VULCANIZZAZIONE avviene tramite l'aggiunta di zolfo per dare spiccate caratteristiche elastiche. Aggiunto lo zolfo all'elastomero riscaldato, questo forma dei ponti con altre catene di tipo diverso, così facendo da una parte le catene si srotolano e dall'altra possono tornare allo stato iniziale. Più catene ci sono più è rigido il materiale. Gli ELASTOMERI TERMOPLASTICI sono formati da meri diversi ciò consente di separare le parti di catena costituite da elastomero e quelle dal polimero termoplastico, questo forma

domini che ostacolano lo scorrimento permanente delle catene.I polimeri sono soggetti a :

• INVECCHIAMENTO DEI POLIMERI -> interessa la parte amorfa a temperature inferiori all Tg, col tempo aumenta la rigidità sforzo asnervamento, densità. Ma è REVERSIBILE per cui basta portarli a temp>Tg e poi raffreddarli che tornano come prima.
• DEGRADO DEU POLIMERI -> rottura della struttura chimica per temperatura, agenti chimici,idrolisi. È irreversibile.

FATICA: sotto carichi ciclici si ha def. Plastica e rottura per sforzi inferiori rispetto a carichi statici.

INFIAMMABILITÀ: contenendo carbonio i polimeri possono essere infiammabili, ci vuole una quantità di ossigeno critica che permette loro di bruciare. Se il polimero ha più del 20% di ossigeno è antiestinguente, bruciando-> sostanze tossiche.

POLIMERIZZAZIONE: processo attraverso il quale si ottiene il polimero. Unione di molecole piccole (monomeri) a formare

macromolecole.MATERIE PLASTICHE (leghe polimeriche): POLIMERI+ ADDITIVI, questi aggiunti per migliorare le proprietà fisiche,chimiche,meccaniche,lavorabilità,riduzione di degrado. I principali additivi sono: cariche (filler), agenti di rinforzo,agenti accoppianti,plastificanti,agenti antistatici, coloranti, lubrificanti,nucleanti, stabilizzatori, ritardanti di fiamma. TECNOLOGIA DI LAVORAZIONE: ogni tipo di polimero può essere sottoposto ad alcune tecnologie piuttosto di altre.

• STAMPAGGIO A INIEZIONE: termoplastici e termoindurenti. Deriva dal PIM dei metalli. Il polimero in granuli è immesso in un cilindro al cui interno c'è una vite rotante che spinge i granuli contro le pareti di un cilindro riscaldato, ciò causa la fusione; quando la quantità del polimero fuso è sufficiente la vite si ferma e inietta il materiale nello stampo mantenendolo in pressione in modo da limitare il suo ritiro alla solidificazione, poi il

pezzo viene raffreddato e si solidifica e viene tolto dallo stampo. manufatti dalle forme complesse e buona precisione delle forme.. Questo processo può anche essere: stampaggio a iniezione con inserti metallici o di altro materiale, coiniezione iniettando polimeri diversi, stamp. A iniez. Di espansi strutturali iniettando insieme al polimero agenti espandenti, stampaggio a ini. Assisito da gas iniettando gas.

ESTRUSIONE: termoplastici e termoindurenti. (analogo allo stampaggio). Il polimero in granuli viene immesso in un estrusore, la rotazione della vite forza i granuli contro le pareti riscaldate del cilindro fondendoli, poi il materiale è spinto nello stampo dalla vite e poi raffreddato a T<Tg e tolto. Dopo di che viene fatta la soffiatura, soffiando aria nel tubo in modo che le pareti si assottigliano per ottenere un film. Manufatti dalle forme semplici.

STAMPAGGIO ROTAZIONALE: termoindurenti e termoplastici. La polvere polimerica è posta in uno

erso dei rulli che lo comprimono e lo rendono più sottile e uniforme. Viene utilizzato per la produzione di fogli di plastica, pellicole, tubi e profili. • ESTRUSIONE: termoplastici. Il materiale plastico viene fuso e spinto attraverso una fessura di forma desiderata, creando così un profilo continuo. Viene utilizzato per la produzione di tubi, barre, profili e pellicole. • INIEZIONE: termoplastici e termoindurenti. Il materiale plastico viene fuso e iniettato in uno stampo, dove si solidifica e assume la forma desiderata. Viene utilizzato per la produzione di oggetti di varie forme e dimensioni. • SOFFIAGGIO: termoplastici. Il materiale plastico fuso viene soffiato all'interno di uno stampo, creando così un oggetto cavo. Viene utilizzato per la produzione di bottiglie, contenitori e recipienti. • ROTAZIONE: termoplastici e termoindurenti. Il materiale plastico viene fuso e colato all'interno di uno stampo che ruota su due assi, distribuendo uniformemente il materiale e creando così un oggetto cavo. Viene utilizzato per la produzione di manufatti di grandi dimensioni, come serbatoi, vasche e giochi per bambini. Questi sono solo alcuni dei processi di lavorazione della plastica, ma ci sono anche altri metodi come la termoformatura, la stampaggio ad iniezione-soffiaggio e la stampaggio a compressione. Ogni processo ha le sue caratteristiche e viene scelto in base alle esigenze del prodotto finale.