Tecnologie dei Polimeri: tema esame, stampaggio ad iniezione, estrusione

Tema d'esame di tecnologie dei polimeri

Comportamento dei fusi polimerici

D1) Indicare quale/i tra i seguenti comportamenti di un fuso polimerico non viene/vengono descritto/i dalla stessa legge di potenza?

• La risposta viscoelastica del fuso
• La dipendenza di τ (sforzo di taglio) da (vel. di deformazione) ad alti valori di γ
• La dipendenza dalla viscosità ad alti valori di γ
• Viscosità per γ → 0

La legge di potenza è esprimibile come η = K·γⁿ, con m rappresentativo della fluidità del materiale (più è piccolo più è fluido), mentre n è legato alla velocità di deformazione (n=1 fluido newtoniano; n<1 pseudoplastico; n>1 dilatante). Dal momento che la viscosità apparente è il rapporto tra sforzo di taglio e velocità di deformazione, otteniamo η = τ/γ. La legge di potenza non descrive adeguatamente il comportamento per piccole γ quando la viscosità apparente è costante (comportamento di tipo newtoniano). Altri limiti di questa legge sono: a) non prevede l’esistenza di sforzi normali o risposta viscoelastica; b) n in realtà non è costante; c) per regioni a piccolo γ c’è sempre un comportamento newtoniano non facilmente prevedibile.

Variazione di viscosità con la temperatura

D2) Quale/i tra le seguenti espressioni può/possono descrivere la variazione di viscosità di un polimero lineare fuso a seguito di un aumento di temperatura da T₁ a T₂?

• (η₂/η₁) = T₁/T₂
• (η₂/η₁) = T₂/T₁
• (η₂/η₁) = exp[(T₁ − T₂)]

La dipendenza da pressione e temperatura è espressa da una legge di tipo Arrhenius: η = η₀ exp[E_a/RT]. La pressione è rilevante solo per almeno decine/migliaia di atm, ed ha effetto opposto a quello della temperatura. Sono sufficienti pochi gradi di temperatura per variare notevolmente la viscosità: per ΔT piccoli vale η = η₀ exp[−ΔH/RT].

Degasaggio dei polimeri in estrusore

D3) Per effettuare il degasaggio di un polimero in estrusore è necessario:

• Rallentare il raffreddamento dell’estruso all’uscita della filiera evitando il raffreddamento con acqua
• Operare ad alta pressione del fuso ed elevato numero di giri/min della vite
• Operare con bassa temperatura del fuso (non superiore alla temperatura di fusione)
• Operare con una vite con una zona intermedia a sezione di nocciolo ridotto (zona di decompressione)

Oltre all’aumento di temperatura per eliminare le bolle d’aria, un modo semplice per degasare il polimero (causa di difetti) è una apposita zona di decompressione che favorisca l’espansione e dunque l’aspirazione dei gas in un apposito condotto.

Produzione di un tubo estruso

D4) La produzione di un tubo estruso richiede:

• Una testa di estrusione a T
• Una testa di estrusione con mandrino
• Una testa di estrusione con sistema di raffreddamento interno
• Una testa di coestrusione

Il mandrino è uno strumento che viene posto nella filiera al fine di “rompere/separare” il flusso affinché copra il mandrino stesso, in modo che l’estruso sia cavo.

Riduzione dell'effetto del rigonfiamento in estrusione

D5) Per ridurre o eliminare l’effetto del rigonfiamento (swelling) in estrusione, è possibile:

• Aumentare la temperatura del fuso in testa all’estrusore
• Aumentare la velocità di traino
• Aumentare la pressione di estrusione
• Raffreddare la testa di estrusione

Lo swelling è un fenomeno dovuto al comportamento viscoelastico del materiale, che consiste in un “ricordo” degli sforzi meccanici subiti nel cilindro. Aumentare la velocità di traino aumenta anche l’orientamento. L’aumento di temperatura in testa all’estrusore e soprattutto in filiera è più generico, per diminuire gli sforzi e diminuire la viscosità e quindi contribuire al rilassamento del materiale.

Fasi di produzione di film soffiato

D6) Qual è la sequenza delle fasi di produzione di film soffiato (blown film)?

• Estrusione del parison, soffiaggio e raffreddamento in stampo, taglio
• Stampaggio preforma, prestiro, soffiaggio, raffreddamento, raccolta
• Estrusione in testa piana, calandratura, soffiaggio, raffreddamento, avvolgimento
• Estrusione di un tubolare, soffiaggio e generazione di una bolla, raffreddamento, avvolgimento

Termoformatura dei polimeri

D7) Per produrre un componente in termoformatura il polimero:

• Deve avere bassissima viscosità
• Deve essere rinforzato con fibre
• Deve essere riscaldato fino a presentare comportamento viscoelastico (solitamente tra Tg e Tm)
• Non è possibile ottenere un componente polimerico termoformato

Il riscaldamento avviene tramite pannelli ad infrarossi.

Difetti nei componenti stampati ad iniezione

D8) Quale/i tra i seguenti è/sono tra i comuni difetti riscontrabili in componenti stampati ad iniezione?

• Presenza di linee di giunzione dei flussi
• Dimensioni dei pezzi superiori alle dimensioni della cavità
• Dimensioni dei pezzi inferiori alle dimensioni della cavità
• Presenza di tensionamenti interni

Le linee di giunzione dei flussi possono essere evitate scegliendo accuratamente il punto di iniezione. Il ritiro volumetrico dovuto al raffreddamento è impossibile da eliminare del tutto, nonostante il mantenimento, soprattutto per i materiali semicristallini. I tensionamenti interni sono dovuti al moto parabolico del fluido che scorre nello stampo e alla solidificazione subitanea del polimero a contatto con le pareti fredde: la solidificazione dello strato esterno infatti impedisce il ritiro del materiale interno, che dunque risulta in trazione.

Funzione della pressione di mantenimento nello stampaggio ad iniezione

D9) Nello stampaggio ad iniezione, la pressione di mantenimento serve a:

• Mantenere costante la T del fuso nella pressa
• Completare il riempimento dello stampo durante la solidificazione
• Ridurre la formazione di ritiri e risucchi
• Mantenere costante la pressione fino all’apertura dello stampo

Il mantenimento è una fase che serve a riempire lo stampo una volta che è iniziata la solidificazione, dal momento che il raffreddamento causa ritiro volumetrico. Senza mantenimento il ritiro sarebbe di 8-10% per gli amorfi fino a 20-25% per i semicristallini. Invece con questo metodo si aggiunge altro materiale in modo da mantenere lo stampo riempito, fino alla chiusura del gate.

Stampaggio dei polimeri semicristallini

D10) In generale, lo stampaggio dei polimeri semicristallini:

• Richiede tempi di iniezione più lunghi rispetto agli amorfi
• Richiede stampi con resistenza all’usura superiore rispetto agli amorfi
• Richiede minori pressioni di mantenimento rispetto agli amorfi
• Richiede tempi di raffreddamento in stampo più lunghi rispetto agli amorfi

Il tempo di raffreddamento è funzione di diversi parametri, tra cui anche il ΔH di cristallizzazione.

Peculiarità dei componenti prodotti per rotomolding

D11) Quale/i tra queste peculiarità è/sono tipica/che di componenti prodotti per rotomolding?

• Spessori costanti nel manufatto
• Assenza di tensioni ed orientamenti nel manufatto
• Possibilità di ottenere oggetti di piccole dimensioni con tolleranze ristrette
• Possono essere prodotti manufatti solo con polimeri amorfi

Il rotomolding è utilizzato per la produzione di oggetti di grandi e medie dimensioni privi di tensionamenti interni.

Dispersione delle cariche nella gomma

D12) Per ottenere un’efficiente dispersione delle cariche (es. nerofumo) in una gomma è necessario impiegare:

• Mescolatori intensivi
• Mescolatori estensivi
• Miscelazione allo stato di polveri solide
• Non è possibile mescolare insieme gomma e cariche

I mescolatori intensivi o dispersivi applicano elevati sforzi di taglio ai conglomerati al fine di romperli e, appunto, disperderli. I mescolatori estensivi o di mixing servono a distribuire poi le particelle disperse.

Stampaggio ad iniezione

La pressa ad iniezione è composta da tre parti:

Gruppo di iniezione

Si tratta della pressa in senso stretto, la parte che porta a fusione il materiale, lo dosa e fornisce la pressione necessaria a spingerlo nello stampo. Come componente principale ha una vite (nel cilindro di iniezione). Ad essa collegata c’è un motore che ne permette la rotazione (testata di iniezione) ed un cilindro di iniezione che ne permette la traslazione (cilindro oleodinamico di iniezione). Si può sfruttare sia la pressione idraulica sia il motore elettrico. La traslazione della vite è possibile grazie a un controllo di pressione e di velocità/posizione. La pressione idraulica è circa 1/10:1/15 di quella della vite, pertanto la sezione del pistone deve essere 10:15 volte quella della pressione necessaria per l’iniezione. La plastificazione del materiale è come quella dell’estrusore: viene alimentato il materiale attraverso la tramoggia, la vite ruota spingendo in avanti il polimero che per attrito arriva a fusione, fino a che il fuso si accumula alla testa della vite. Quando l’accumulato è sufficiente per riempire lo stampo, la vite smette di ruotare ma viene spinta dal cilindro di iniezione in modo da pressare il polimero ed iniettarlo nello stampo. Quando quest'ultimo è pieno, mentre il pezzo si raffredda la vite torna indietro ruotando nuovamente in modo da ricominciare il ciclo. Via via che il materiale si accumula alla testa della vite si genera una pressione che continua a spingere la vite stessa. Questa pressione viene detta contropressione. Si deve applicare una nuova pressione in modo da evitare l’eccessivo arretramento della vite. Velocità di rotazione e contropressione eccessive possono causare degradazione.