Comportamento meccanico dei polimeri

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Armando Belloni
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1 Comportamento meccanico dei polimeri

3 Proprietà meccaniche dei Polimeri Il comportamento meccanico può essere molto diverso a seconda della tipologia del polimero. In generale tre comportamenti principali: - elastico (fragile): TERMOINDURENTI - elasto-plastico: TERMOPLASTICI - altamente elastico: ELASTOMERI Alla luce di quanto visto siamo in grado di correlare tali caratteristiche alla struttura dei diversi materiali polimerici.

In generale tre comportamenti principali: - elastico (fragile): TERMOINDURENTI - elasto-plastico:

4 Proprietà meccaniche dei Termoplastici Data la maggiore variabilità delle caratteristiche meccaniche dei termoplastici, ne analizzeremo in dettaglio alcune peculiarità. Dipendenza dalla temperatura: Polipropilene Variazioni notevoli di: - Modulo Elastico - Resistenza - Allungamento

5 Proprietà meccaniche dei Termoplastici Dipendenza dal peso molecolare e dal grado di cristallinità: Tutto il polimero subisce transizione vetrosa Il peso molecolare influisce principalmente sulla viscosità e sulla temperatura di fusione, e, come già descritto sulla T g. Solo la parte amorfa subisce transizione vetrosa Per elevati gradi di cristallinità comportamento resistente fino a fusione.

principalmente sulla viscosità e sulla temperatura di fusione, e, come già descritto sulla T g.

6 Deformazione dei Termoplastici Deformazione elastica: - Stretching dei legami intramolecolari - Rotazione dei legami Deformazione plastica: - Scorrimento intermolecolare

7 Deformazione dei Termoplastici Amorfi Strizione: -La strizione si manifesta con l allineamento delle catene nella direzione dello sforzo; - data la maggiore vicinanza fra le molecole e quindi legami di Van der Waals più forti tale regione è la più resistente del polimero - la strizione non si concentra ma si estende a tutto il materiale Tale meccanismo è sfruttato nella produzione di fibre in polimeri (stiro a freddo): Le fibre presenteranno resistenza maggiore del materiale originario

regione è la più resistente del polimero - la strizione non si concentra ma si estende a tutto il materiale Tale

8 Semicristallini Deformazione dei Termoplastici Presenza delle sferuliti altera il meccanismo dei polimeri amorfi: -Deformazione elastica: deformazione collettiva delle sferuliti; - deformazione plastica: - sfaldamento delle sferuliti; - allineamento delle zone amorfe - frammentazione delle lamelle

deformazione collettiva delle sferuliti; - deformazione plastica: -

9 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Fin qui abbiamo detto che la deformabilità dei polimeri è pilotata dallo scorrimento delle catene molecolari le une rispetto alle altre. In realtà tale scorrimento prende una certa quantità di tempo: - se applichiamo il carico lentamente le catene scorreranno facilmente; - se applichiamo il carico velocemente le catene scorreranno con difficoltà. Si dice quindi che i polimeri hanno un comportamento VISCOELASTICO: - bassa velocità di deformazione o alta temperatura alta duttilità - alta velocità di deformazione o bassa temperatura bassa duttilità

In realtà tale scorrimento prende una certa quantità di tempo: - se applichiamo il carico lentamente le catene scorreranno facilmente; - se

10 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Prova di Creep: - Carico costante - Deformazione vs tempo Prova di Rilassamento degli sforzi: - Deformazione costante - Sforzo vs tempo

11 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Creep Utile in fase di progettazione: Correlazione fra sforzo, deformazione e tempo per curve isostress

12 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Rilassamento degli sforzi t σ = σ exp 0 τ Decadimento esponenziale τ = tempo di rilassamento

13 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo E Elastico Viscoso Legge di Hook E: modulo elastico Legge di Newton σ = E ε σ = η & ε η: viscosità

14 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Modello di Kelvin (o di Voigt) σ = E ε + η & ε σ ε ( t) = E η τ = E 0 ( t /τ ) 1 e

15 Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Alcuni fra i modelli più usati: Modello di Maxwell Modello di Voigt Modello Standard Linear Solid (SLS)

17 Elastomeri Gli elastomeri hanno un comportamento peculiare. Infatti, come visto in precedenza, la forza da essi esercitata è una funzione crescente della T (nei limiti di utilizzo del materiale). Con riferimento ad un cubo di lato L0, e di volume V, di un elastomero di modulo elastico a taglio G, si può dimostrare che l energia W può essere espressa da:

della T (nei limiti di utilizzo del materiale).

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