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Scienza e tecnologia dei materiali - polimeri Appunti scolastici Premium

Appunti per l'esame di Scienza e tecnologia dei materiali, relativi ai materiali polimerici con analisi dei seguenti argomenti: caratteristiche generali, monomeri, omopolimeri, copolimeri, struttura dei polimeri (lineare, ramificata, reticolata), composizione conformazione e configurazione di una macromolecola, stereoisomeri,... Vedi di più

Esame di Scienza e tecnologia dei materiali docente Prof. P. Antonucci

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I polimeri amorfi sono generalmente resine o gomme. Essi sono fragili al di sotto di una data

 temperatura (la "temperatura di transizione vetrosa") e fluidi viscosi al di sopra di un'altra (il "punto

di scorrimento"). La loro struttura può essere approssimata con l'immagine di un groviglio

disordinato di spaghetti.

I polimeri semi-cristallini sono generalmente plastiche rigide; le catene di polimero, ripiegandosi,

 riescono a disporre regolarmente loro tratti più o meno lunghi gli uni a fianco degli altri formando

regioni cristalline regolari (dette "cristalliti") che crescono radialmente attorno a "siti di

nucleazione"; questi possono essere molecole di sostanze capaci di innescare la cristallizzazione

("agenti nucleanti") o altre catene di polimero stirate dal flusso della massa del polimero.

Bisogna precisare che un polimero non è

mai completamente cristallino.

Un polimero cristallino (o semi-cristallino),

dunque, si presenta essenzialmente con:

- Una frazione cristallina, con struttura a

catena ripiegata, di cui ogni singolo

piano è chiamato lamella.

- Una frazione amorfa.

Nell’immagine accanto vediamo una

sferulite di un polimero cristallino.

All’aumento del grado di cristallinità

corrisponde:

- un aumento della resistenza del materiale (vantaggio)

- ma anche un aumento della fragilità (svantaggio).

Un polimero completamente cristallino sarebbe troppo fragile per essere utilizzato come materia plastica.

Le regioni amorfe danno al polimero tenacità, ossia la capacità di piegarsi senza rompersi.

La struttura del polimero influenza il suo grado di cristallinità.

 Più la struttura è ordinata, più alto sarà il grado di cristallinità.

Quindi una struttura sindiotattica (più ordinata) darà luogo ad un maggiore grado di

cristallizzazione rispetto ad una struttura atattica (meno ordinata).

La presenza di forze intermolecolari influenza anch’essa il grado di cristallinità.

 Le forze intermolecolari favoriscono la formazione di una struttura cristallina.

Ad esempio, i gruppi ammidici polari nella catena principale del nylon 6,6 sono legati fra loro da

legami idrogeno, i quali tengono insieme i cristalli.

Classifichiamo i polimeri in base al diagramma sforzo-deformazione.

Termoplastici. Materiali relativamente rigidi a temperatura ambiente ma che rammolliscono per

 riscaldamento sopra opportune temperature (PE, PP, PS, PVC, PMMA, …)

Termoindurenti. Materiali che nello stato finale presentano una struttura tridimensionale rigida

 immodificabile sia per azione di forze esterne che dalla temperatura. Ad alte temperature si

possono solo decomporre (resine epossidiche, fenoliche, amminiche; urea-formaldeide, … )

Elastomeri. Materiali capaci di subire grandi deformazioni per effetto di piccole forze e di

 recuperare rapidamente le dimensioni iniziali cessata la causa deformante. A temperatura

ambiente sono materiali amorfi (gomma naturale, gomma stirene-butadiene, gomma butile, …)

Fibre. Materiali che si prestano ad essere filati ed intrecciati in tessuti che in genere danno

 modestissimi allungamenti anche sotto l’azione di notevoli forze (poliammidi, poliesteri, poliacrilati,

derivati cellulosici, …)

Espansi. Materiali lavorati con una struttura cellulare di bassissima densità con notevole potere

 coibente, assorbimento acustico, assorbimento d’urto e galleggiabilità (poliuretano, polistirolo, …)

Vernici. Prodotti liquidi o in polvere capaci di formare un film solidi, continuo e aderente quando

 applicati alla superficie di un substrato (resine alchiliche, acriliche e viniliche)

Lattici. Sospensioni lattiginose in mezzo acquoso capace di formare una pellicola continua

 (copolimeri stirolo-butadiene, polivinilacetati, …)

Adesivi. Sostanze capaci di legare fra di loro materiali uguali o diversi per semplice contatto

 superficiale (resine epossidiche, derivati cellulosici, …)

Le materie plastiche, in particolare, possono essere suddivise in due classi in base alla reazione al calore:

- Termoplastici.

Richiedono l’intervento del calore per essere plasmati e dopo il raffreddamento mantengono la forma

in cui sono stati modellati.

Possono essere nuovamente riscaldati e rimodellati un certo numero di volte senza cambiamenti

significativi delle loro proprietà. Sono stampabili a caldo.

La maggior parte dei termoplastici consiste di catene principali molto lunghe, in cui gli atomi sono

legati tra loro da legami covalenti.

Legati covalentemente alla catena principale vi possono essere atomi o gruppi di atomi indipendenti.

Le lunghe catene molecolari sono legate le une dalle altre da legami secondari, più deboli; alla relativa

debolezza dei legami secondari si deve il comportamento rammollente in presenza di fonti di calore.

- Termoindurenti.

Una volta modellate in una forma permanente e reticolate o “indurite” attraverso una reazione

chimica, non possono essere nuovamente rimodellate con il calore in un'altra forma.

Sottoposte ad alte temperature, si degradano o si decompongono. Perciò non possono essere riciclate.

Il termine termoindurente implica che viene richiesto calore per dare permanentemente forma alla

materia plastica; ci sono, tuttavia, molte materie plastiche cosiddette termoindurenti che induriscono,

o reticolano, anche attraverso una reazione chimica a temperatura ambiente.

Gli atomi sono legati tra loro da legami covalenti. I legami interni sono perciò forti.

Gli additivi sono sostanze che vengono comunemente aggiunte ai polimeri al fine di adeguare o migliorare

il loro aspetto e/o le proprietà fisico-chimiche del materiale polimerico.

Riempitivi. Vengono aggiunti per ridurre il costo dei materiali.

 Rinforzanti. Vengono aggiunti per migliorare le proprietà meccaniche. Consentono di ottenere

 materiali con modulo di elasticità maggiore e minore deformabilità prima della rottura.

Plastificanti. Vengono aggiunti per migliorare la plasticità, cioè per rendere il polimero più adatto

 alle operazioni di formatura.

Agenti reticolanti. Vengono aggiunti per modificare le proprietà del polimero grazie alla formazione

 di reticolazioni tra le MM. Vengono impiegati nei polimeri lineari.

Altri agenti con caratteristiche particolari, come gli antifiamma, gli antiossidanti, gli antistatici, i

 plastificanti.

Anti-invecchianti. Vengono aggiunti per ritardare la degradazione che avviene nel tempo.

 Pigmenti. Vengono aggiunti per colorare i polimeri, senza modificarne le proprietà. Possono essere

 organici o inorganici.

Inibitori. Vengono aggiunti per evitare che la polimerizzazione avvenga prematuramente, per

 esempio nella conservazione prima dell’uso.

Espandenti. Per ottenere un prodotto più leggero, come ad esempio nel caso del polistirolo

 espanso.

Cariche naturali o artificiali, per aumentare la rigidità e migliorare le proprietà

 meccaniche. Le cariche sono additivi in forma solida.

I polimeri più utilizzati derivano prevalentemente da quattro prodotti chimici di base derivati dal petrolio.

- Etilene CH =CH

2 2

- Propilene CH –CH=CH

3 2

- Butadiene CH CH–CH=CH

2 2

- Stirene

Il polietilene è il polimero con cui si fabbricano i sacchetti dei supermercati, le bottiglie, i

giocattoli per bambini ed anche i giubbotti antiproiettile. Distinguiamo alcune tipologie:

 LDPE (low density polyethylene).

Polietilene ramificato o a bassa densità. È più economico e facile da produrre.

 HDPE (high density polyethylene).

Polietilene lineare. È molto più resistente del ramificato. È normalmente prodotto con

un peso molecolare compreso tra 200'000 e 500'000, ma è possibile ottenerne di più alti.

 UHMWPE (ultra high molecular weight polyethylene).

I polietileni ad altissimo peso molecolare possiedono peso molecolare compreso fra 3 e 6 milioni. Sono

usati per produrre fibre così resistenti da aver rimpiazzato il Kevlar per la produzione di giubbotti

antiproiettile. Grandi fogli di UHMWPE vengono usati al posto del ghiaccio nelle piste di pattinaggio.

Il polipropilene ha un doppio utilizzo:

- come plastica (es. contenitori per alimenti lavabili in lavapiatti)

- come fibra (moquette per interni ed esterni, rivestimenti esterni)

Il polistirene è un materiale plastico rigido ed economico,

utilizzato per fabbricare:

- la “carcassa” del computer

- i modelli di auto ed aerei

- la schiuma per imballaggio ed isolamento

- i bicchieri in plastica trasparenti

- giocattoli

- le “carcasse” degli elettrodomestici da cucina

Il nylon è uno dei polimeri più comuni utilizzati per realizzare delle fibre. Tali fibre sono impiegate per:

calze da donna

paracadute e funi

spazzolini da denti

I nylon sono anche detti poliammidi, per il caratteristico gruppo ammidico presente nella catena principale.

I gruppi ammidici sono molto polari, e possono legarsi tra loro con legami idrogeno. Per tale motivo, e

grazie alla regolarità e alla simmetria della catena principale, i nylon sono spesso cristallini (in forma

sindiotattica) e formano fibre molto buone. Il nylon 6.6 è caratterizzato dal fatto che

ogni unità ripetitiva della catena polimerica

ha due sequenze di atomi di carbonio

lunga appunto sei atomi. Altri nylon

possono presentare un diverso numero di

atomi di carbonio in queste due posizioni.

I poliuretani sono così chiamati perché nei loro scheletri hanno dei legami uretanici. Poliuretano può essere

un qualunque polimero contenente il legame uretanico nella catena principale.

I poliuretani possono creare facilmente legami idrogeno e quindi possono essere molto cristallini.

Essi costituiscono una famiglia molto versatile di polimeri. Possono essere utilizzati per:

schiume

elastomeri

vernici

fibre (lycra)

adesivi

Il poliestere ha catene principali di idrocarburi contenenti legami esteri, da cui deriva il nome.

Una speciale famiglia di poliesteri sono i policarbonati. Il nome policarbonato deriva dai gruppi di

carbonato che si trovano nella sua catena principale.

Sono utilizzati per:

lenti degli occhiali ultraleggere

materiale plastico trasparente

vetri infrangibili Il polivinilcloruro (PVC) è usato per fabbricare:

tubi in plastica

linoleum

impermeabili

È resistente al fuoco poiché, quando brucia, vengono rilasciati gli atomi di cloro, che inibiscono la

combustione.

Viscosità

La viscosità è la resistenza di un fluido al flusso. Essa è ricavabile dalla legge di Newton:

è lo sforzo di taglio

è l’angolo diedro fra due piani

intersecantesi lungo una retta normale al vettore

velocità e alla direzione y.

L’unità di misura della viscosità è:

La viscosità può essere considerata come il rapporto

Sono detti fluidi newtoniani i fluidi che seguono la

legge di Newton, ovvero quei fluidi per i quali la

viscosità è praticamente costante per date condizioni di

temperatura.

Determinazione delle proprietà di interesse tecnologico dei polimeri

I test atti a definire le proprietà dei polimeri sono studiati e definiti da associazioni tecniche, come:

- American Society for Testing and Materials (ASTM)

- Society of the Plastic Industry (SPI)

- Society of Plastic Engineers (SPE)

Caratteristiche analizzate tramite i test

Comportamento termico Infiammabilità

Solubilità Proprietà elettriche

Diffusione e permeabilità Resistenza chimica

Proprietà ottiche Resistenza agli agenti atmosferici

Comportamento a sollecitazione termica dei polimeri

Indico con la temperatura di transizione vetrosa, ovvero il punto in cui il polimero passa da ~1013 poise

 a meno di 109 poise. La transizione vetrosa è un fenomeno che assomiglia ad una transizione del II ordine

nella classificazione di Ehrenfest. In realtà presenta aspetti cinetici (dipende dalla storia termica e dalla

tecnica utilizzata per rivelarla).

Indico con la temperatura di rammollimento. In realtà, più che di un valore preciso di

 temperatura, si parla di una regione di temperatura in cui il polimero diventa progressivamente fluido.

Non è una grandezza di tipo termodinamico, ma riveste interesse pratico.

Alcuni polimeri non arrivano al punto di rammollimento, ma subiscono una decomposizione termica.

La conoscenza del punto di rammollimento è utile per determinare le condizioni di processo del materiale:

estrusione, pressatura a caldo, ecc.

I punti di rammollimento vengono misurati in accordo a precise norme ASTM. Esempio:

ASTM-DI525 (Vicat). Il polimero viene sottoposto ad un carico di 1 kg su una superficie definita. Si definisce

punto di rammollimento la temperatura a cui il carico penetra di 1 mm.

Indico con la temperatura di fusione della fase cristallina del polimero. È una grandezza

 termodinamica.


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AUTORE

flaviael

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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti per l'esame di Scienza e tecnologia dei materiali, relativi ai materiali polimerici con analisi dei seguenti argomenti: caratteristiche generali, monomeri, omopolimeri, copolimeri, struttura dei polimeri (lineare, ramificata, reticolata), composizione conformazione e configurazione di una macromolecola, stereoisomeri, gruppi funzionali, interazioni tra monomeri, polimerizzazione a catena.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria civile
SSD:
A.A.: 2013-2014

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher flaviael di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Scienza e tecnologia dei materiali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Mediterranea - Unirc o del prof Antonucci Pierluigi.

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