Materiali polimerici. Plastiche ed Elastomeri (o gomme) Termoplastici e Termoindurenti
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1 Materiali polimerici Polimeri sintetici e polimeri naturali Plastiche ed Elastomeri (o gomme) Termoplastici e Termoindurenti
2 Alcuni scheletri a cinque atomi di carbonio
3 L aggiunta della pelle di atomi di H allo scheletro di atomi di C
4 Temperatura di ebollizione dei primi 10 alcani non ramificati Effetto delle forze intermolecolari
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![PE polietilene -[CH 2 -CH 2 ]- n A -C-C- B](/docs-images/50/26523050/images/6-0.png "- H mero (unità monomerica) Catena")
6 PE polietilene -[CH 2 -CH 2 ]- n A -C-C- B - H mero (unità monomerica) Catena polimerica
7 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
8 PP polipropilene A -C-C- B -CH 3 ed H
9 Molecola di etilene (o etene) Rappresentazione dei legami covalenti nella molecola di etilene con (a) puntini, (b) trattini per indicare gli elettroni di valenza. Nella molecola di etilene vi sono: un doppio legame covalente carbonio-carbonio e quattro singoli legami covalenti carbonio idrogeno.
10 Il doppio legame C=C è chimicamente molto reattivo!!. Struttura dei legami covalenti di una molecola di etilene attivata. (a) I puntini rappresentano gli elettroni di valenza. Alle estremità di ogni molecola si creano elettroni liberi i quali sono in grado di legarsi covalentemente con gli elettroni liberi di altre molecole. Si noti che il doppio legame covalente fra gli atomi di carbonio è stato ridotto a un legame singolo. (b) Gli elettroni liberi che si creano agli estremi della molecola sono indicati da mezzi legami (trattini) che sono legati a un solo atomo di carbonio.
11 Reazioni di polimerizzazione poliaddizioni n calore pressione catalizzatore (monomero) etilene polietilene (PE) (polimero) n stirene polistirene (PS)
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13 policondensazioni Es Nylon 6,6
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15 Caratteristiche materiali polimerici Composizione chimica del monomero Dimensione (peso molecolare) Struttura Forma (ripiegamento catene) (termoplastici ed elastomeri) (termoindurenti) lineare ramificato reticolato a rete (network) stereisomeri atattico isotattico sindiotattico isomeri geometrici cis trans
16 Struttura lineari ramificati reticolato network
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18 lineare ramificato reticolato (cross-linked)
19 Polimero lineare e ramificato esempio: polietilene HDPE LDPE LLDPE Struttura delle catene dei differenti tipi di polietilene: (a) ad alta densità, (b) a bassa densità e (c) lineare a bassa densità.
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21 Rappresentazione schematica della vulcanizzazione della gomma. Nel processo atomi di zolfo formano ponti di reticolazione tra catene di 1,4 poliisoprene. (a) catena di cis-1,4 poliisoprene prima della reticolazione con zolfo. (b) catena di cis-1,4 poliisoprene dopo la reticolazione con zolfo in corrispondenza delle funzioni reattive (doppi legami).
22 Polimero reticolato esempio: gomma vulcanizzata zolfo polibutadiene
23 Network esempio: resina fenolica Reazione di polimerizzazione del fenolo (gli asterischi rappresentano i siti di reazione) con formaldeide
24 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
25 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
26 Omopolimeri e Copolimeri omopolimero copolimero random copolimero a blocchi copolimero ad innesto o graffato
27 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
28 Copolimero a blocchi Esempio: SBS
29 Esempio 2: polibutadiene e poliisobutilene
30 Struttura chimica del copolimero stirene-butadiene, gomma sintetica.
31 Copolimero graffato Esempio: HIPS
32 In un copolimero ci sono almeno 2 monomeri!! Reazione generale di polimerizzazione dei monomeri cloruro di vinile e acetato di vinile per la produzione di un copolimero polivinilcloruropolivinilacetato.
33 Caratteristiche materiali polimerici Composizione chimica del monomero Dimensione (peso molecolare) Struttura Forma (ripiegamento catene) (termoplastici ed elastomeri) termoindurenti lineare ramificato reticolato a rete (network) isotattico stereisomeri atattico isotattico sindiotattico isomeri geometrici cis trans
34 (a) Stereoisomeri (b) Isomeri geometrici
35 (a) Stereoisomeri Polistirene, PS
36 isotattico sindiotattico atattico
37 isotattico sindiotattico Polipropilene, PP atattico
38 atattico isotattico Polipropilene, PP sindiotattico
39 (b) Isomeri geometrici
40 (a) Stato amorfo (b) Stato semicristallino Polimeri sono amorfi oppure semicristallini. Il grado di cristallinità dipende dalla struttura del monomero (ingombro sterico dei sostituenti in catena), flessibilità della catena (natura del legame dello scheletro), struttura della catena (lineare o ramificata) e dall entità dei legami intermolecolari. Polimeri termoindurenti sono amorfi. Polimeri termoplastici sono amorfi o semicristallini
41 (a) Stato amorfo
42 (b) Stato semicristallino
43 Struttura sferulitica, Nylon 6,9
44 Struttura dello sferulite PE
45 amorfo cristallino
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47 Tutti i polimeri possono cristallizzare?
48 PS sindiotattico semi-cristallino PS atattico amorfo
49 Cosa favorisce il processo di cristallizzazione?
50 Nylon 6,6 poli-etilentereftalato (PET)
51 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
52 Temperatura di transizione vetrosa (Tg) e temperatura di fusione (Tm)
53 PP atattico, Tg -12 C
54 atattico isotattico Polipropilene, PP sindiotattico
55 Tg dipende dall ingombro sterico del sostituente Tg 72 C Tg C
56 (PEK) Tg 119 C Tg 225 C
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58 T m di alcuni polimeri termoplastici
59 Tg e Tm dei polimeri più comuni
60 Caratteristiche materiali polimerici Composizione chimica del monomero Dimensione (peso molecolare) Struttura Forma (ripiegamento catene) termoplastici elastomeri termoindurenti lineare ramificato reticolato a rete (network) stereisomeri atattico isotattico sindiotattico isomeri geometrici cis trans
61 Peso molecolare medio PM medio numerale M x n i M PM medio ponderale M w M w i i i
62 Grado di polimerizzazione medio (n) (a) numerale n n n n M mn M m n Peso molecolare monomero (b) ponderale n w M m w Peso molecolare monomero
63 Per applicazioni ingegneristiche il peso molecolare deve essere almeno !!!! Perché?
64 Peso molecolare e grado di cristallinità determinano le caratteristiche fisiche e meccaniche di un polimero PE peso molecolare
65 Proprietà meccaniche di materiali polimerici
66 Prova di trazione uniassiale comportamento fragile polimeri termoindurenti polimeri termoplastici vetrosi comportamento duttile polimeri termoplastici semicristallini
67 Proprietà meccaniche dei più comuni polimeri a temperatura ambiente
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70 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
71 Prova di resilienza
72 Polimero termoplastico semicristallino s s s r E Fino ad (1) comportamento elastico, il punto di massimo corrisponde al carico di snervamento (s s ), la resistenza a trazione o carico di rottura (s r ) corrisponde alla sollecitazione per la quale avviene la rottura del provino.
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77 Deformazione di polimeri semicristallini
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80 Le proprietà meccaniche dei polimeri dipendono dal grado di cristallinità?
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82 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
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84 Le proprietà meccaniche dei polimeri dipendono dalla temperatura?
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86 Prova di resilienza
87 Effetto della temperatura sul modulo elastico per PS amorfo (C), amorfo poco reticolato (B) e semicristallino (A).
88 Modulo elastico vs. temperatura PS, amorfo stato vetroso stato gommoso regime di transizione vetrosa flusso gommoso stato liquido
89 Elastomeri o gomme Esempio 1: poliisoprene isoprene poliisoprene
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92 Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Copyright 2008 The McGraw- Hill Companies s.r.l.
93 Le proprietà meccaniche dei materiali polimerici dipendono dal tempo?
94 Viscoelasticità Il comportamento caratteristico di polimeri organici termoplastici o polimeri poco reticolati intermedio tra il comportamento elastico ed il comportamento di un fluido. Anche materiali metallici e ceramici si comportano in modo viscoelastico ad "alta temperatura".
95 deformazione istantanea e x (a) materiale elastico (b) fluido viscoso (c) materiale viscoelastico Risposta ad una deformazione istantanea a gradino : (a) materiale elastico, (b) fluido viscoso e (c) materiale viscoelastico; è la viscosità del fluido e (t) un impulso di Dirac.
96 Modi di deformazione Rilassamento degli sforzi Variazione del carico nel tempo quando al materiale si impone una deformazione costante. Scorrimento (Creep) Variazione della deformazione nel tempo per azione di un carico costante. OSSERVAZIONE! I modi di deformazione (ad es. rilassamento e scorrimento) dipendono dal tempo, mentre i tipi di deformazione (ad es. estensione monoassiale, taglio semplice, compressione uniforme) dipendono dallo sforzo applicato: si può applicare qualunque modo di deformazione a qualunque tipo di deformazione.
97 rilassamento degli sforzi scorrimento (creep) Due modi di deformazione in viscoelasticità: (a) rilassamento degli sforzi, (b) scorrimento.
98 Qual è l origine del comportamento viscoelastico?
99 Nel caso dei polimeri il comportamento viscoelastico origina dalla contemporanea presenza di forze intermolecolari deboli (tra le catene) e intramolecolari forti (delle catene stesse). Quando si applica uno sforzo meccanico le catene non possono spostarsi liberamente nelle nuove posizioni di equilibrio, le proprieta' meccaniche sono quindi funzione del tempo.
100 Modulo di rilassamento Nel caso di una estensione monoassiale costante e x (t)=e x,0 : E r t s t e 0 Predisposizione allo scorrimento o cedevolezza Se si applica una tensione monoassiale costante s x (t)=s x,0 J c t e t s 0
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104 Tecnologie di fabbricazione di materiali polimerici
105 Stampaggio ad iniezione: macchina a vite reciproca
106 Stampaggio ad iniezione: macchina a vite reciproca
107 Estrusione
108 Stampaggio per soffiatura
109 Stampaggio per compressione
110 Stampaggio per trasferimento
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