Comportamento meccanico dei polimeri
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.
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
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.
Deformazione dei Termoplastici Deformazione elastica: - Stretching dei legami intramolecolari - Rotazione dei legami Deformazione plastica: - Scorrimento intermolecolare
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
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 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
Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Prova di Creep: - Carico costante - Deformazione vs tempo Prova di Rilassamento degli sforzi: - Deformazione costante - Sforzo vs tempo
Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Creep Utile in fase di progettazione: Correlazione fra sforzo, deformazione e tempo per curve isostress
Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Rilassamento degli sforzi t σ = σ exp 0 τ Decadimento esponenziale τ = tempo di rilassamento
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
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
Deformazione dei Termoplastici dipendente dal tempo Alcuni fra i modelli più usati: Modello di Maxwell Modello di Voigt Modello Standard Linear Solid (SLS)
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: