Scienze dei materiali: domande esame - Verné

La polimerizzazione è un meccanismo di sintesi dei polimeri; le due più importanti sono

per addizione e per condensazione.

Quella per addizione avviene tra monomero o saturi, cioè contenenti un doppio legame tra

due atomi di C e avviene attraverso tre fasi:

- Inizio

- Propagazione (crescita)

- Termine

All’ inizio il doppio legame viene aperto grazie a degli iniziatori che producono siti di

reazione/ di legame e occupano il primo.

Il secondo sito di reazione viene successivamente occupato e così la catena si allunga e

cresce fino a quando una specifica specie chimica dividerà la catena.

Vengono sintetizzati per addizione la maggior parte dei polimeri termoplastici.

Per condensazione

Avviene quando due monomeri reagiscono per dare un legame covalente.

Questa reazione è in realtà molto difficoltosa, procede per formazione del polimero,

occorre che vi sia un urto efficace tra monomeri orientati favorevolmente.

Un esempio è il Nylon.

Dalla policondensazione di possono ottenere sia materiali termoplastici che

termoindurenti: i primi nascono dai monomero con due gruppi reattivi o si formano lunghe

molecole a struttura lineare; mentre i secondi nascono monomeri con più di due gruppi

reattivi e formano macromolecole reticolate 3D.

• Struttura ed uso dell’altoforno più produzione ghisa.

La produzione della ghisa, primo passo per la formazione degli acciai, avviene

nell’altoforno, un reattore a sviluppo verticale che consta di più parti : bocca, tino, sacca,

crogiolo.

Dall’altro verso il basso aumenta la temperatura (400-1800 C).

L’altoforno è caricato dall’alto tramite la bocca, mentre nel tino avvengono le reazioni più

importanti di riduzione e in fondo, nel crogiolo, si raccolgono la ghisa prodotta (fusa) e la

scoria, che è raccolta nella sacca.

In particolare nell’altoforno si muovono due flussi in controcorrente :

- Dall’alto nella bocca viene appunto introdotta la carica, costituita da minerali di Fe

frantumati (gange) , coke e fondenti.

- Dal basso, da opportuna tubiera, è immessa una corrente gassosa / aria

preriscaldata / vento d’altoforno a 1000 C.

La reazione di riduzione avviene grazie al monossido di carbonio (CO), che deriva dalla

combustione totale del carbonio.

C + O2 -> CO2

CO2 + C -> 2CO -> reazione di Boudouard

Sono molto esotermiche -> mantengono alta la temperatura.

Le reazioni di riduzione degli ossidi di ferro sono diverse:

- reazione diretta ad opera del C

FeO + C <-> Fe + CO

- reazione indiretta ad opera del CO

Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2

- si ottiene anche la cementite con la parziale carburazione del Fe:

3Fe + 2 CO <-> Fe3C + CO2

tutte queste trasformazioni avvengono gradualmente ad opera di CO, C; a mano a mando

che la carica scende verso il basso e i flussi gassosi salgono verso l’alto e sono

esotermiche-> autoalimentano il processo.

Nel crogiolo si raccolgono sia la ghisa che la scoria, separate da opportuni fori facilmente

perché immiscibili.

• Capacità termica

È il rapporto tra la quantità di calore osservata dQ e la variazione di temperatura osservata

nel materiale dT.

C = dQ/dT [C] = s/K

È importante perché definisce la quantità di calore immagazzinata da un materiale.

Per confrontare le capacità termiche di sostanze differenti si fa riferimento alla capacità

termica di una massa unitaria (1kg), quando la variazione di T è unitaria (1K), cioè al

calore specifico; esso rappresenta la quantità di calore che si deve fornire all’unità di

massa di una sostanza affinché la sua temperatura si innalzi di un grado.

Differisce dal calore atomico o molecolare, che si riferisce invece a una mole di sostanza.

1 cal = 4,186 J

Tk = Tc + 273

C = deltaQ / (m * deltaT) -> proprietà che definisce il contenuto energetico di un solido

La capacità termica a V costante dipende dalla T:

tetaD = temperatura di Deloye : al di sotto di essa il calore specifico di un solido è

proporzionale a T^3.

• Processo di formazione degli acciai

La produzione degli acciai di solito consta di diversi passi:

- riduzione del minerale in altoforno con produzione di ghisa

- affinamento della ghisa con produzione di acciaio con un processo di ossidazione al

convertitore. Le reazioni sono esotermiche e si autostostengono.

- colato in uno stampo o cantina (?) e solidificazione dell’acciaio.

- successive lavorazioni per deformazione plastica a caldo (laminazione, forgiatura,...) più

trattamenti termici e superficiali o lavorazioni.

La composizione di C può essere controllata aggiungendo ghisa o rottami di acciaio verso

la fine del processo.

I difetti di punto come lacune e vacanze sono importanti nel meccanismo di conduzione.

La conduzione elettrica è infatti più spiccata in quanto sono più numerosi gli elettroni

mobili.

• Teoria delle bande

La conduzione elettronica nei materiali può essere spiegata utilizzando la teoria delle

bande dei solidi.

Un atomo isolato possiede un certo numero di elettroni che occupano livelli energetici

discreti secondo il principio di esclusione di Pauli.

Quando atomi diversi si avvicinano per formare un legame, gli elettroni vengono perturbati

dalla presenza degli altri nuclei e degli altri elettroni.

Durante la formazione del legame si generano nuovi livelli energetici nei quali gli elettroni

possono trovare posto: ogni stato energetico di ogni atomo di scinde in un numero di nuovi

livelli energetici molecolari che dipende dal numero di atomi che stanno interagendo per

dare il legame.

Se N atomi si legano per dare origine ad un cristallo, ogni livello si scinde in N livelli

molecolari caratterizzati da contenuti energetici discreti, dando vita ad una banda continua

di energia che accoglie gli elettroni, sempre secondo Pauli.

L’importante è che gli elettroni non possono occupare livelli energetici intermedi a quelli

delle bande. Secondo la teoria delle bande si generano diversi livelli energetici per ogni

livello molecolare, ma con differenze di energia talmente piccola da formare una banda

continua.

Naturalmente gli elettroni che riempiono le bande potranno riempire tutte, parzialmente o

lasciarne vuote:

- gli orbitali atomici più interni già pieni nell’atomo isolato danno origine a bande

piene (di Valenza)-> non influenzano le proprietà del solido

- gli orbitali di Valenza danno invece origine a bande di Valenza piene, semipiene o

vuote.

Si definisce livello di Fermi: allo zero assoluto il livello a più alto contenuto energetico.

Le bande vuote con energia superiore all’ultima banda di Valenza = bande di separazione.

Si possono quindi avere diverse strutture elettroniche a bande nei solidi:

a. banda vuota parzialmente sovrapposta a una piena -> metalli

b. due bande separate da un gap >2eV -> isolante

c. gap < 2eV -> semiconduttori -> per facilitare il passaggio con modifiche di struttura /

introduzione di impurezze / formando energia.

• Polimeri termoindurenti e termoplastici.

I polimeri sono macromolecole organiche formate dalla ripetizione di unità strutturali molto

piccole legate tra loro da legami covalenti e dette monomeri.

Esistono due categorie di polimeri:

- termoplastici: costituiti da macromolecole di grandezza limitata, lineari o ramificate, con

legami secondari far le catene formati da deboli forze di VdW.

Vengono così chiamati perché rammolliscono con il calore e solidificano con il

raffreddamento in modo reversibile senza alterazioni della struttura. Possono essere

utilizzati più volte.

Allo stato solido esistono in forma amorfa e cristallina e si lavorano per stampaggio a

temperatura più bassa rispetto agli altri polimeri.

La frattura avviene per formazione di microcavità nella zona in cui si raggiunge sigma s.

- termoindurenti: formati da catene reticolate che hanno legami trasversali anche covalenti,

non rammolliscono, sono lavorabili a caldo solo una volta, poi si decompongono.

Hanno poca plasticità e maggiore resistenza meccanica.

Ne esistono 2 categorie:

- termoindurenti ad alto grado di reticolazione

- elastomeri: sono a bassissimo grado di reticolazione. Possono deformarsi

enormemente, ma no in modo irreversibile grazie alla presenza di ponti S. Questi

legami sono introdotti dopo lo stampaggio del materiale mediante vulcanizzazione.

• Argilla e produzione dei ceramici

L’argilla è il componente base di tutti i ceramici ed è composta da:

- alluminosilicati idrati

- ossidi e idrossidi

- carbonati.

È una polvere, ma è idroplastica: se mescolata con acqua forma una massa plastica

facilmente lavorabile, perché l’acqua si interpola tra gli strati di lamelle e forma un film

sottile attorno alle particelle di argilla.

Tecniche di fabbricazione:

percorso:

a. frantumazione

macinazione: per via secca

per via umida: riduzione granulometrica molto più spinta e ha bisogno

di una successiva atomizzazione ( essiccamento per eliminare parte

del!’acqua velocemente)

vagliatura : setacciare il materiale

b. formatura :

idroplastica : aggiunta dell’acqua per rendere più malleabile il materiale

estrusione: il materiale viene forzato a passare in un orifizio

percolaggio: tanta aggiunta di acqua per rendere il materiale circa liquido

l’impasto viene colato in uno stampo

ceramiche complesse

c. essiccamento: a temperatura ambiente è verde, si osserva un certo grado di ritiro

d. rottura: maggiore densità , maggiore resistenza meccanica -> sinterizzazione

• Ceramiche speciali: allumina e zinconia

allumina: Al2O3

- monocristallino: zaffiro, rubino

- policristallo naturale: corindone

ottenuto dalla bauxite.

L’allumina densa si ottiene per sintetizzazione di polveri di allumina. La forma desiderata è

ottenuta per formatura dell’impasto desiderato (=polvere di allumina a distribuzione

granulometrica controllata + additivo di sintesizzazione + legante)

Zirconia: ZrO2

Materiale duro e refrattario

Bassa conducibilità termica

Alto coefficiente di espansione termica

Le polveri vengono preparate per via umida da cloruri. La formatura consiste in una

sintesizzazione chimicamente alta temperatura partendo da una miscela di polveri.

• Descrivere il processo di sinterizzazione

Nasce in modo specifico per la lavorazione dei ceramici ed è un metodo di preparazione di

una massa densa di materiale mediante il riscaldamento di polveri compatte, queste una

volta compattate e scaldate (T ~= ¾ Tf) si legano e diminuisce il volume dei pori fino a

formare un solido denso.

È un processo di diffusione di atom