TEMA 1 – INTRO - Le plastiche - caratteristiche PDF

TEMA 1 – INTRO 1.1 Le plastiche - caratteristiche Cosa sono? Materiale sintetico Proprietà Classificazione prodotto dalla industria Discreta resitenza Imbalaggi: contenitori, chimica....

TEMA 1 – INTRO 1.1 Le plastiche - caratteristiche Cosa sono? Materiale sintetico Proprietà Classificazione prodotto dalla industria Discreta resitenza Imbalaggi: contenitori, chimica. meccanica tappi, etc Con il caldo diventano Isolamento elettrico Edilizie: tubi, guaine, pastosi per essere Facilità di lavorazione pannelli isolanti modellati. Articoli diversi: Con il freddo si induriscono arredamento, aparecchi e mantengono la forma. eletrici Medicali: protesi articolari, lenti a contatto, osteosintesi, impianti dentali. Premio Nobel per la polimerizzazione controllata del Polipropilene → il più diffuso in uso. La densità tipica é 1gr / cm3 Masterbach: sono i concentrati di colore → incide su un 2% del polimero e contiene il 50% degli additivi di pigmento. Stabilizzanti = 0,1 – 0,2% del polimero Additivi = 30 - 40% del polimero Plasticizzanti = oli minerali o vegetali Alcuni additivi sono stabili nel tempo, ma altri vengono espulsati dalla massa del polimero. struttura del polimero si può alterare col paso del tempo. Si può fare la estrazione di additivi con alcuni processi industriali costosi (per facilitare il riciclaggio). Il 96% dei polimeri sono prodotti di sintesi. Un 4-5% sono di derivati naturali → Bio-based. 1.2. Classifica secondo il comportamento alle T°: Elastomeri, Termoplastici, Termoindurenti Termoplastici: rammolliscono (se reblandecen) a T°alta fino a fondere, e sono malleabili quando si riscaldano. Al raffreddarsi si soldificano e possono essere rilavorati di nuovo. A ogni ciclo di rilavorazione perdono alcune caratteristiche. Termoindurenti: una volta che passano la variazione da fluido a solido non c'è più reversibilità. Le catene creano dei legami chimici → processo di Reticolazione → irreversibile. Si crea un network di catene in 3D polimeriche, essenzialmente rigide. I legami sono covalenti, stabili e irreversibili. Ci sono alcuni termo-indurenti (gomme). Se si riscaldano molto carbonizzano. Attack – colla = Le catene polimeriche si legano e si attaca alla superficie dove lo applico. La reticolazione accade col O2. Rigidi (termoindurenti): Resine termoindurenti per materiali compositi – epossidiche e fenoliche. Elastomeri (termoindurenti): Gomme vulcanizzate, coperte di ruote, suolle delle scarpe etc. Sono i polimeri meno durevoli, a causa di un alto n° di additivi. Vulcanizzazione: reazione di reticolazione data pello zolfo nelle catene. Il problema dil riciclo dei neumatici: è globale → si possono granulare e usare come materiali inerti, ma non é un ricilo completo.I neumatici sono un mix di + di 15 diverse catene polimeriche. E molto difficile da riciclare. Gli imbalaggi in plastica sono un 60-70% della produzione globale. Nella UE c'èoverpackaging. 1.3.Classifica secondo morfologia e struttura mollecolare – catene polimeriche Amorfi:Le catene non hanno una disposizione ordinata nello spazio. ◦ Amorfi sono sempre amorfi. ◦ La disposizione delle catene é casuale. ◦ Non gli posso fare cristallizzare. ◦ Otticamente sono trasparenti. ◦ Resine e gomme Semicristallini: le catene polimeriche si organizano regolarmente formanorete cristalline, che crescono radialmente attorno ai siti di nucleazione. Quando passano dal fusso al solido raffredandosi, cristallizano per solidificare. Piu scaldo velocemente → meno cristallizza. Proprietà ottiche opache. Non esistono polimeri 100% cristallini, ma tutti hanno delle zone amorfe. SI può modullare il grado di cristallizzazione variando la T°. ▪ Entaglenmts: enredos, ripiegazioni mollecolari ▪ Aditivi per cristallizzare: modellanno la cristallizzazione, per ottimizzare il tempo di produzione. ▪ Trasparenza del matteriale = basso grado di cristallinità= PET bottiglie ▪ Sferulite: domino cristallino di organizazz.lamellare. 1.4 Proprietà meccaniche, di sforzo, etc. Plastiche standard:HDT < 100°, 1-3€ kilo Plastiche ingegneristiche: HDT < 150°, 8-12€ kilo. I semicristallini in generale Plastiche ad alta Temp.:HDT >150°, 100-1000€ kilo. Metal replacements per alleggerire. Heat deflection temperature: piramide dei polimeri secondo il Comportamento Termomecanico e sotto sollecitazioni costanti. Commodities 100°C : limite sotto il quale la plastica può essere impiegata come materiale rigido. Duttilità: capacità di allungarsi prima di rompersi Elasticità: capacità di ritorno istantaneo → recupera la deformazione quando si rimuove il carico. TEMA 2 – PROPRIETA E STRUTTURA MOLECOLARE: 2.1 Peso mollecolare: Partindo di un monomero, faccio crescere la reazione di polimerizzazione e nasce una nuova catena polimerica. Sono pochisime i polimeri NON a base di CO MONOMERI: si ottengono del cracking di petroleo → le molecole si legano dopo. Reazione di polimerizzazione: ottengo piccole molecole di condensazione, e si crea un legame → monomero A + monomero B. Queste reazioni non sono mai 100% reversibili. ◦ Il peso delle catene mollecolare avrà un impatto sulle proprietà del polimero. ◦ Viscosità bassa = molto liquido ◦ Polimero ad alto peso mollecolare: catene lunghe e bassa processabilità Viscosità del fusso: Se ho uno stampo molto piccolo, deve essere totalmente riempito dal polimero fusso. Se invece la camera è piu grande, riesco a riempirla con un polimero più viscoso. MAPPE DI ASHBY: aiutano nella scelta del materiale. 1. Resistenza: molto inferiore rispetto a metalli e ceramici 2. Densità 3. Costo 4. Rigidezza I commodities 25 Mpa Polimeri molto perform. 70 MPa 1000-3000 Mpa = metalli 2.2 STRUTTURA DEI MONOMERI: Per definire la lunghezza media delle catene molecollare: Peso molecollare medio numerale: la media si fa sul n° di molecolle con un certo pm. Media matematica. Peso molecollare meido ponderale: Ci interesa più. Considera le catene molto lunghe come predominanti di pm. Massa totale. Ci interessa per la processabilità del polimero. OMOPOLIMERI: la catena di unità repetitive é composta dalla stessa unità. COPOLIMERI: '' composta da diverse unità. Come si alternano i MONOMERI? Co-polimero statistico:unità ripetente in modo diverso:(1-2-2-1-2-1-1) ◦ ABS: acrilonitrilo butadiene stirene ◦ SBR: stirene butadiene rubber Co-polimero alternato: unità ripetente alternate allo stesso modo (1-2-1-2-1-2). Sono pocchi perché é dificile controllare il processo chimico. Co-polimero a blocchi: unità ripetente alternate a blocchi (1-1-1-2-2-2-1-1-1) ◦ SBS: stirene butadiene stirene Co-polimero ad inesto (injerto): unità ripetente con catena polimerica ppale + unità diverse ai lati. (RAMMIFICATO). ISOTATTICO: quando il polimero viene da un monomero asimetrico. SINDITATTICO: quando il monomero entra in modi diversi in catena (alternato). ATATTICO: entra totalmente random. 2.3. CURVE TRANSIZIONE CON TEMPERATURA:(amorfo/semicrist./crist) Tm: temperatura di fussione del polimero (domini Cristallini) Tg: tempratura transizione vitrea → da vetroso a gommoso → da gommoso a liquido (domini Amorfi) Pollimero cristallino: Scaldando, il volume specifico aumenta → ragigunge Tm e fonde il cristallo. Pasa da solido (molecole ordinate) a fluido 8molecole disordinate). Solo i domini cristallini liquidificano. Polimero Amorfo: Raggiunge la Tg da solido, a fluido disordinato. Cambia la mobilitàdi atomi e molecolle. Polimero semicristallino: Ho domini che si comportano come Amorfi e come Cristallini. Vetroso + cristallino = stato solido Gommoso + cristallino = stato solido(cristallini) + stato fluido (amorfi) Liquido = stato fluido Tm > Tg Tm solo per termoplastici →i termoindurenti si descompongono. Campo di temperature e applicazioni strutturali: 2.4. COMPORTAMENTO MECCANICO DELLE PLASTICHE: VISCO-ELASTICO Meccanismi di deformazione: Deformazione elastica + plastica meccanismi elastici meccanismi plastici recuperabile togliendo irrecuperabile, permanente sollecitazione Vico-Elastico Creep Stress relaxation Comportamento meccanico termo-indipendente Velocità di applicazione del carico Durata applicazione del carico Comportamento Non-lineare 1. Comportamento di una probeta plastica sotto carico: es:polipropilene In t1 applico il carico → comportamento elastico lineare. In t2 rimuovo il carico, e recupero la deformazione di tipo elastico. La stessa deformazione del punto t1 è irrecuperabile (plastica). 2. Curva di creep perun elastomero: es: gomma naturale Qui le molecule sono riorganizzate. Crazing: meccanismo di rigido e fragile Scorrimento: deformazione irreversb. Creep: scorrimento a freddo. Ho sempre comportamento visco-elastico anche se sembra solo elastico. TEMA 3 : PROPRIETA MECCANICHE 3.1 GRAFFICO STRESS STRAIN – SFORZO DEFORMAZIONE Il PM va estrettamente legato alle proprietà meccaniche. Rigidezza: Lo da i lmodulo di young Resistenza: lo sforzo che devo applicare per rompere il materiale (Mpa) Modulo di Young: Impatto: trasferimento molto rapido di energia su una superficie, che lo dissipa o restituisce. Materiale che restituiscono: elastomeri, gomme. Materiale che Non resistono e dissipano la energia: vetro Duttilità: quanto si deforma un materiale sottoposto a uno sforzo senza rompere Sforzo: rispetto all area di sezione. Deformazione: allungamento Tratto 1: comportamento elastico lineare, la deformazione é recuperata. Sforzo: dipende dal modulo di Young. A: limite del comportamento lineare. Tratto 2: compt. Elastico Non-lineare. La deformazione é recuperata al rilascio dello sforzo, ma il tempo di recuperazione cresce... B: limite elastico , compto. Visco-elastico. Tratto 3: meccanismi di scorrimento → si cerca dissipare la energia. Se continuo a sollecitare arrivo al punto C → punto di snervamento = la deformazione é permanente. Tratto 4: le catene polimeriche si allineanon nella direzione della sollecitazione → comportm. Rigido, punto di resistenza ultima E. D: punto di rottura del materiale. COMPORTAMENTO DUTTILE: COMPORTAMENTO ELASTOMERICO: Materiale che snerva Recupero della deformazione Dopo il materiale cede Tenacità: energia disipata fino al punto di rottura GRAFFICO STRESS-RELAX: Comportamento di viti/bulloni: Se le vite/bulloni sono fatti in polimero, le tensioni si rilassano e si svitano. 3.2. VISCOELASTICITA e ISTERESI: Il polimero attiva la sua viscoelasticità e si disipa il calore → si perde energia. Più sollecito velocemente i polimeri, più rispondono in maniera rigida-fragile. Non serve la legge di Hook →la deformazione NON é lineare, non dipende dal carico Ciclo ISTERETICO : ISTERESI: é il calore dissipato per attività viscosa durante la deformazione. Parte della energia conferita al materiale si perde in forma di calore. L'isteresi è la caratteristica di un sistema di reagire in ritardo alle sollecitazioni applicate. 3.3 PROPRIETA PRINCIPALI DEI POLIMERI: ELASTOMERI RETICOLATI: (termoindurenti) Polibutilene, BS, silicone. Dipende del grado di reticolazione, hano un basso peso molecollare, e catene polimeriche articolate. Legami traverso le catene Basa Tg e bassa rigidezza Elevato allungamento RESINE(termoindurenti): Fenoliche, aminas, epossidiche, poliesteri. Molto resistenti, rigidi (allungamento tra 1-6%) Modulo elasticità alto (3-10 Gpa) TERMOPLASTICI: PE – polietilene PS-polistirene Alcuni si deteriorano, perche PP -polipropilene PMMA-polimetilmetacrilato assorbono radiazioni UV (non PVC-polivinilcloruro PC-policarbonato sono adatti all esterno) ESPANSI : PS espanso, PV espanso, PE espanso, PP espanso. Tutti i termoplastici/termoindurenti possono essere Condutibilità termica: molto bassa (buoni espansi. isolanti). Densità tipica: 30kg/m3 Processo di espansione: perle di Possono essere: Rigide/ Semirigide/ Flessibili Polistireno: é molto economico, 1-Pre- Morfologia: celle chiuse, aperte / chiuse- espansione (con vapore H2O, a 80-110°C), aperte. espande x30 volte volume iniziale. 2- Agenti evandenti (evasores): CO2. H2O, Sinterizzazione: a 110-120°C, sotto leggera solventi etc. pressione. RIEPILOGO DEI PRINCIPALI POLIMERI: FAMIGLIA CONSUMO MONDIALE PRESTAZIONI Polimeri di massa 80% facile lavorabilità PVC, PE, PP, PS condizione carico non eccessive Fascia intermedia 15% PMMA poco superiori ai polimeri Polimeri – stirolo di massa gradi speciali trasparenza, rigidi, resistenza, >prezzo Termopolimeri difficile lavorabilità PET 5% prop. Meccaniche e PC termice sup. Poliamide €€ trascurabile €€€ Superpolimeri lavorazione complessa elevate prestazioni in fase di sviluppo €€€€ Polimeri biologici Ottenuti per frantumazione non per sintesi prop. Tra polim. Massa e tecnolopolimeri. TEMA 4 : PROPRIETA OTTICHE Radiazione luminosa: radiazione elettromagnetica caratt. da un intervallo di lunghezza di onda Landa o di frequenze. I raggi UV interagiscono con i materiali, sono radiazioni ionizate ad alta energia, capaci di rompere strutture polimeriche e legami chimici. Raggio incidente: effetto della finitura superficiale: Gloss/matte TEMA 5: POLIMERI AMORFI: ELASTOMERI: -Gli amorfi hanno le catene polimeriche dissorganizate = flessibilità e rigidezza degli amorfi – dipendono dalla Tg. < Temp. Sotto Tg = estato vetroso , rigido, fragile, resistente. > Temp. Sopra Tg = stato gommoso, flessibile, tenace. La tg aumenta al aumentare il grado di reticolazione. Elastomeri: Hanno capacità di ritorno, recupero della deformazione totale e istantaneo, catene lunghe, liberi di muoversi, peso molecollare elevato. Amorfi, fluidi a temperature ambiente. Gli elastomeri possono vulcanizzarsi : reticolare in modo che c'é mobilità nelle catene. Lo zolfo crea legami e reticoli non-reversibili. Elastomeri termoindurenti: vulcanizzazione → reticolati → silicone Elastomeri termoplastici: elastomerici → domini rigidi → gomme di scarpe tipo Crocks PVC: Molto amorfo. Buona lavorabilità Buona resistenza chimica e alla fiamma. Alta Tg, a 80°C é rigido Scarsa resistenza ai raggi UV Alta temp. Di lavorazione , 190°C Non riciclabile (emmete accidi) Molto economico – 1€ kg Vietato per settore medicale / gioccattoli in UE e USA Uso: tubi, isolanti etc Ci sono 2 tipi di PVC: Rigido: snerva per scorrimento – tenace. A bassa T°, il snervamento cambia in crazing (fragile). Plastificato: mix con plasticizzanti per abassare la Tg, posso lavorarlo in quasi tutta la gamma di materiali: morbidi, lucidi, trasparenti. Curva Temp. Ambiente 25°C: Curva carico sforzo-deformazione PVC: PS: POLISTIRENE-POLISTIROLO Amorfo vetroso → colorabile Bassa resistenza al graffio e chimici Buona trasparenza Invecchiamento ambientale Alta Tg , 100°C A temp. Amiente é fragile, snerva per Economico : 1,6 € kg crazing Uso: posate, scatole dvd-cd, isolante in edilizia Co-polimerizza con gli -stiremici, vulcanizza per formare una gomma →High Impact PS → tenace. Uso vulcanizzato e espanso: articoli usa e getta, cartoleria. Curva Temp. Ambiente 25°C: Curva carico sforzo-deformazione PS: PMMA: POLIMETILMETACRILATO = plexiglass. Amorfo vetroso Tg 105 °C Resistente ai UV = non ha gruppi aromatici Molto rigido Scarsa resistenza a alcuni chimici (alcol, Trasparente olio, silicone) Alto indice di refrazione (bordi colorati, Non adatto a app. estrutturali ma costoso) Uso outdoor apropiato: lampade etc A Temp.4°C, il PMMA snerva per crazing. Comportamento fragile, ma rispetto al PS ha maggiore deformabilità. A Temp. 60°C, comportamento tenace e snervamento per scorrimento. Curva Temp. Ambiente 25°C: Curva carico sforzo-deformazione PMMA: PC: POLICARBONATO : sedia ghost Amorfo vetroso Elevata Tg = 150°C Rigido ma duttile, a T° amb é vetroso. Meno economico: 4€ kg Buona trasparenza- trasmittanza 90% - Ingrallisce = se estira proprietà ottiche. Usi: elettronico, imballaggi, sedie,... A Temp.ambiente 25°C, snerva per scorrimento, con comportamento tenace. Normalmente ha fragilità se nsi intaglia o il spessore é sottile a T° amb. Curva Temp. Ambiente 25°C: Curva carico sforzo-deformazione PC: ELASTOMERI – GOMME: Tg al meno di 100°C. Sono polimeri amorfi con Tg