Tecnologie di trasformazione delle materie plastiche

Materiali Polimerici

Vantaggi Materie Plastiche

• Economicità
• Colorabilità
• Isolamento acustico/term./elettr.
• Resistenza corrosione
• Inerzia chimica
• Idrorepellenza
• Versatilità
• Facilità di lavorazione
• Leggerezza
• Buone proprietà elastiche

Svantaggi Mat. Plastiche

• Instabilità dimensionale
• Utilizzabili in un range ristretto di temp.
• Fragilità
• Infiamabilità
• Non degradabilità
• Scarse proprietà meccaniche

Storia dei Polimeri

• 1839 - Goodyear → gomma vulcanizzata
• 1865 - Hyatt → celluloide (pellicole cinematografiche)
• 1912 - Ostroinileswki → PVC (dischi fonografici)
• 1936-39 - → PE, PMMA
• 1935 - Carothers → Nylon (industria tessile)
• 1941 - Whinfield/Dickson → PET (pile e bottiglie)
• 1954 - Natta → PP
• 1957 - Montecatini → Moplen (PP isotattico)

GENERALITÀ SUI POLIMERI

Polimero = macromolecola (molecola con alto PM) costituita da un gran numero di gruppi molecolari (monomeri), uniti a catena mediante la ripetizione dello stesso tipo di legame (covalente).

Polimerizzazione = processo che porta alla formazione di un polimero.

Grado di polimerizzazione = numero di unità ripetitive che vanno a costituire una catena (n)

Classificazione in base a n:

• 2 < n < 10 → oligomeri
• 10 < n < 100 → bassi polimeri
• 100 < n < 1000 → medi polimeri
• n > 1000 → alti polimeri

Peso molecolare:

Il polimero presenta catene con lunghezza differente → introduzione del concetto di peso molecolare medio (nelle altre classi di mat. il PM è fisso).

PM = PM₀ • n

↑PM, ↑ proprietà meccaniche

Peso molecolare medio → numerale (a cui è legato il grado di polim.); ponderale ("" "↑ le proprietà meccaniche e la viscosità)

PM numerale = PM_n = ∑ x_i u_i con x_i = ni / N_tot (N_tot è il n° di molcole con PM ni)

PM ponderale = PM_w = ∑ fi ui con fi = Mi / M_tot

Indice di polidispersità

IPD = PM_w / PM_n

È importante per indicare le caratteristiche del materiale.

IPD = 1 → catene tutte uguali (ideale)

→ polimero monodisperso (utopico)

Di solito 1,5 < IPD < 2,5.

CLASSIFICAZIONE POLIMERI IN BASE ALLO STATO FISICO

• Polimeri amorfi → costituiti da catene polimeriche con ramificazioni e gruppi laterali ingombranti (no impaccamento, struttura a gomitolo) es. PMMA.

• Polimeri cristallini → cristallinità legata alla possibilità di formare dei cristalli lamellari (cristalliti) nei quali le catene sono fortemente connesse tra loro. Es. PE, PET.

Non esistono polimeri completamente cristallini ma tutti presentano aree amorfe.

Grado di cristallinità → rapporto tra massa cristallina e quella totale.

I polimeri semicristallini sono costituiti da due fasi distinte:

• fase amorfa (caratterizzata dalla Tg)
• “cristallina” (“”, Tf= temp. di fusione)

Punto di rammollimento dove i solidi amorfi passano dallo stato gommoso a quello liquido.

• fase amorfa → vetro
• “cristallina” → cristallo

Quindi un polimero amorfo a Tg perde tutte le proprietà meccaniche!

Un polimero semicristallino invece a Tg perde parte delle proprietà meccaniche e le perde tutte quando raggiunge Tm.

I solidi amorfi non possiedono una Tm ben definita ma passano dallo stato solido (in cui sono rigidi e fragili come il vetro) a quello liquido.

RELAZIONE DI FLORY-FOX:

Tg = Tg∞ - k/Mn

Tg∞ è la Tg per PM → ∞.

K parametro empirico relazionato al volume libero.

• TEST IN CONTROLLO DI SPOSTAMENTO.

Prove di compressione

Bisogna evitare l'instabilita per carico di punta (Buckling)

da valutare con la formula di Eulero.

Test di rilassamento

diminuisce a causa dell'allineamento

tra molecole.

input

output

Test ciclico (a fatica)

input

output

• TEST IN CONTROLLO DI CARICO

Creep test

input

output

Test ciclici (a fatica)

Polimeri Termoindurenti

Resine Epossidiche

Compositi, adesivi...

Utilizzate come matrici nei compositi. Non danno luogo a prodotti secondari di reazione quando induriscono ➔ basso ritiro di reticolazione.

Formate da base DGEB (diepoxide) + indurente (ammina o anidride).

Buona adesione ad altri materiali, resistenza chimica e ambientale, proprietà meccaniche ed isolamento elettrico.

Resine Poliuretaniche

Isolamento, materassi, rivestimenti, sealers

Poliuretano (PU) indica una vasta famiglia di polimeri costituiti da legami uretnatici NH-CO-O ➔ ottenuti per reazione tra isocianati e polioli.

All'interno delle macromolecole vi è una struttura a due fasi (microfasi)

• segmenti hard (legami a idrogeno) ➔ buone proprietà meccaniche
• segmenti soft (no legami a idrogeno) ➔ materiale gommoso.

(TPU ➔ Poliuretano termoplastico!)

Elastomeri

Polimeri reticolati ma con basso grado di reticolazione ➔ alta deformazione elastica.

Gomma Naturale

Viene raccolta dal lattice dell'albero coltivato in Asia. È formata principalmente da cis - 1,4 - poliisoprene miscelato con grassi e proteine.

Gomme Stirene - Butadiene (SBR)

Contiene circa il 20% di stirene. I doppi legami del butadiene consentono al polimero di essere vulcanizzato con zolfo. Il butadiene conferisce elasticità mentre lo stirene tenacia e resistenza.

Basso costo ➔ molto usata (pneumatici)

Difetto ➔ assorbe solventi organici.

Aggiunta di cariche di rinforzo

Migliorano la lavorabilità e le proprietà dei materiali. Inoltre possono essere usate come agenti di diluizione per risparmiare resina e/o ridurre i costi. Fino all'80% del manufatto. Suddivisibili in classi:

• materiali a struttura particellare (sabbia, quarzo)
• lamellare (mica, talco)
• fibrosi (cotone, nylon, carbonio...)
• nano fillers (silice, silicati...)

La capacità di rinforzo dipende da L/D.

Compositi rinforzati con legno (E ~10GPa) -> or resine È plastica = 2/3 GPa.

↑ E , ↑ σ_B , ↓ ε_B

Nanocompositi

Nanocompositi polimerici sono sistemi contenenti nanoparticelle disperse in una matrice polimerica.

• dimensioni < 100 nm
• quantità 1 – 10% in peso.

Migliorano le proprietà dei materiali. Grafite, nanotubi di carbonio, carbon black.

Estrusione

Una delle principali tecniche di trasformazione di polimeri termoplastici. Utilizzata anche per la produzione di masterbatches (polimeri contenenti alte quantità di cariche).

Dal punto di vista costruttivo, l'estrusore è composto da motore elettrico, cambio (per modificare la velocità della vite), da un cilindro in acciaio dove è alloggiata la vite e dove il polimero fonde, e di una testa che determina la geometria del pezzo.