FISICA DEI MATERIALI POLIMERICI - non solo chimica e ingegneria - Giancarlo Locati

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1 Alla scoperta della fisica dei materiali FISICA DEI MATERIALI POLIMERICI - non solo chimica e ingegneria - Giancarlo Locati 6-9 settembre Piancastagnaio

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7 Plastics Logic Reader

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13 l etilene Carbonio Idrogeno ll polietilene 0.15 nm

14 l etilene il propilene il butadiene Carbonio lo stirene Idrogeno Gruppo metile (-C 3 )

15 C C C C C C C C 3 C C C 3 C C C 3 C C C C C C C polietilene polipropilene polistirene

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17 Random coil 1 2 a 3 4 Random flights 5 r 6 7 n r = distanza media testa-coda r n a è una misura della flessibilità della catena

18 entanglements un sistema molto disordinato (stato amorfo) n e = numero di entanglement/cm 3

19 proprio come gli spaghetti!

20 Teoria cinetica dei gas Teoria della elasticità della gomma pv = nrt E e = n e RT E e = modulo elastico n = numero di moli n e = numero di entanglement/cm 3

21 Andamento generale delle proprietà dei polimeri Oligomeri Bassi polimeri Alti polimeri proprietà le molecole corte formano gas o liquidi: non hanno proprietà al crescere di M le molecole cominciano ad aggrovigliarsi: si comincia ad avere proprietà le molecole lunghe si aggrovigliano fortemente: le proprietà vanno a regime peso molecolare

22 Andamento generale delle proprietà dei polimeri Bicchiere infrangibile proprietà Bicchiere fragile M ~ 5-7 M e Valore minimo di M al di sotto del quale le proprietà sono scadenti peso molecolare

23 Andamento generale delle proprietà dei polimeri proprietà Limite superiore di M: limite di lavorabilità (viscosità troppo elevata) M max peso molecolare

24 Modulo - T per polimero amorfo 4 La temperatura di transizione vetro-gomma: T g Materiale rigido (stato vetroso) log E (MPa) T g Materiale molle (stato gommoso) temperatura ( C) Materiale fuso (stato fluido)

25 La T g é caratteristica di ogni specie polimerica Materie plastiche T g ( C) PVC + 80 Polistirolo +100 PMMA Gomme (elastomeri) T g ( C) Polibutadiene Poli-isoprene -56 SBR -30 /-50 Policarbonato + 150

26 La T g é la base per costruire teorie generali, valide per tutti i polimeri (teorie universali) log η WLF logη ( T ) = logη( T ) Equazione WLF g a T b + ( T ) g ( T T ) g a b = = T-Tg ( C)

27 La temperatura di transizione vetro-gomma, T g : é la temperatura alla quale tutte le proprietà fisiche cambiano drasticamente é caratteristica di ogni specie polimerica é la base per costruire teorie valide per tutti i polimeri (teorie universali) dal punto di vista termodinamico è una transizione del secondo ordine (disordine-disordine)

28 Materie plastiche cristalline NaCl Polietilene lamella

29 Materie plastiche cristalline

30 Materiale T fusione ( C) Polietilene 130 Polipropilene 170 Poliammide Poliammide 6,6 250 PoliEtilenTereftalato 255 Teflon 320

31 I cristalli di polietilene Struttura zig-zag planare I cristalli di polipropilene Struttura ad elica C C C C C C C C C C C C

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33 La struttura del DNA

34 CONFRONTO MATERIALI AMORFI E CRISTALLINI Amorfi Elevata trasparenza Elevata rigidità Cristallini Struttura dipendente dalla lavorazione Buona resistenza a fatica Elevato coeff. dilatazione Basso coeff. dilatazione Elevata viscosità Bassa viscosità Basso ritiro nello stampaggio Elevato ritiro nello stampaggio Caratteristiche migliorabili con rinforzi

35 SUPER POLIMERI PSU PI PEEK > 5 1% PES PPS PAR TECNOPOLIMERI PPO PC PA PBT % PET POM COMMODITIES PS ABS PMMA PVC < 2 PE PP 84% amorfi cristallini Prezzi/kg

36 Termoplastici Tipologie di prodotti Termoindurenti (Resine) Gomme (Elastomeri) solo entanglements Ent. + legami chimici permanenti Ent. + legami chimici permanenti PE, PP, PA, PVC, Poliesteri, Epossidiche, Melamminiche, Cianoacriliche, Fenoliche,. Polibutadiene, SBR,, poli-isoprene, butiliche, nitriliche

37 Proprietà ottiche dei polimeri Poli metil metacrilato (PMMA, plexiglass, vetro acrilico)

38 Trasparenza Materiale Trasmittanza % Vetro 90 Polistirolo 90 PVC rigido 87 PMMA 92 Policarbonato 88

39 Trasparenza e flessibilità

40 Indice di rifrazione Materiale Indice di rifrazione PMMA (lastre acriliche) 1.49 Vetro 1.52 Policarbonato 1.58 Polistirolo 1.59 Cristallo 1.60

41 Cristallo Policarbonato Vetro PMMA (acrilico) Lenti, Guide di luce, Fibre ottiche, LED

42 Lenti fotocromatiche in vetro organico (plastica) dal sito Internet della società PPG

43 La misura del colore

44 La fluidodinamica dei polimeri Reologia dei polimeri Viscosità molto elevata Viscosità dipendente dalle condizioni di moto Effetti elastici e viscosi

45 Viscosità molto elevata ALCUNI VALORI TIPICI DELLA VISCOSITA MATERIALE VISCOSITA (Pa.s) Aria 10-5 Acqua 10-3 (=1mPa.s) Olio d oliva 10-1 Glicerina 10 0 Miele 10 2 Grasso lubrificante 10 3 Mat. plastica fusa Gomma Vetro 10 21

46 Viscosità dipendente dalle condizioni di moto Curva reologica LUPOLEN 1810 D (LDPE) T = 200 C T = 220 C T = 240 C log viscosity (Pa s) log shear rate (1/s) (Shear rate: è una definizione generalizzata della portata)

47 trasformazione

48 Effetti elastici e viscosi

49 Effetti elastici e viscosi Log E : componente elastica Log E : componente viscosa T ( C)

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51 Fibre ad elevate prestazioni

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53 Fibre di carbonio Energia del legame C-C = 348 kj/mole Polimero orientato

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56 questi sono solo alcuni spunti di FISICA DEI POLIMERI Altri spunti: Polimeri conduttori di elettricità Elettreti Batterie litio-polimero Scintillatori per fotomoltiplicatori Leghe polimeriche Compositi con nanocariche Grazie dell attenzione! se volete saperne di più.: