02 le materie plastiche

Ing. Alessandro Salmi Politecnico di Torino Dipartimento di Ingegneria Gestionale e della Produzione (DIGEP)

e-mail: [email protected]

Progettazione di processo con metodi numerici Le materie plastiche

Introduzione

Vengono classificate come materie plastiche tutte le sostanze organiche ottenute attraverso reazioni chimiche di prodotti naturali o di sintesi derivanti dalla scissione chimica del carbone, del petrolio e del gas naturale

Vengono altresì definite materie plastiche i semilavorati destinati alla trasformazione, sia infine i prodotti che presentano caratteristiche di comportamento fortemente dipendenti da quelle dei loro costituenti organici

Le materie plastiche primarie ottenute in modo informe sia allo stato solido che liquido, vengono successivamente trasformate in semilavorati oppure in pezzi finiti

Progettazione di processo con metodi numerici – Le materie plastiche 2

Introduzione: un po’ di storia….

I materiali polimerici sono materiali relativamente recenti che devono la loro comparsa allo sviluppo della moderna chimica di sintesi a partire dal XVIII secolo


Materiali polimerici

La parola “polimero” deriva dal greco polimeres = dalle molte parti e fu introdotta per la prima volta dal chimico svedese Berzelius nell’800

Il tedesco Staudinger nel 1920 teorizzò l’esistenza di sostanze ad altissimo peso molecolare (macromolecole) che avessero la stessa costituzione delle molecole semplici (monomeri) che le avevano originate

I polimeri sono sostanze composte da macromolecole, cioè molecole molto grandi formate dalla successione di un piccolo gruppo molecolare, caratteristico del polimero stesso, che si ripete in modo uguale per centinaia o migliaia di volte, così come indicato dal nome

L’unità ripetente è definita monomero


Principali classi di polimeri


Materiali polimerici

Materiale grezzo (petrolio, carbone, …)

Monomeri

Polimeri

Processi di trasformazione

Semilavorati o prodotti finali

Poliaddizione (a catena)

Policondensazione (a stadi)

(polimerizzazione)

ADDITIVI Stampaggio ad iniezione Estrusione Soffiaggio Stampaggio rotazionale Termoformatura ecc.


La polimerizzazione

Esistono molti tipi di reazioni di polimerizzazione a seconda del tipo di monomero di partenza e del polimero che si vuole ottenere.

In generale le reazioni di polimerizzazione possono essere classificate secondo:

il meccanismo

polimerizzazioni a stadi;

polimerizzazioni a catena.

la stechiometria

poliaddizioni, in cui il polimero finale è dato dalla somma dei monomeri di partenza;

policondensazioni, quando durante la polimerizzazione viene eliminata una molecola semplice, in genere acqua.

Nella maggioranza dei casi le reazioni di poliaddizione procedono con meccanismo a catena, mentre le policondensazioni hanno meccanismo a stadi.


Polimerizzazioni a catena (o poliaddizioni)

Sono caratterizzate da tre fasi principali:

iniziazione: creazione sul monomero di un centro attivo 𝐼∗ 𝑀 + 𝐼∗ ⟶𝑀1𝐼

∗

propagazione: la macromolecola si accresce di una unità ad ogni atto di reazione

𝑀1𝐼∗ +𝑀 ⟶ 𝑀2𝐼

∗; …; 𝑀𝑛−1𝐼∗ +𝑀 ⟶ 𝑀𝑛𝐼

∗

termine: il centro attivo viene espulso dalla macromolecola o trasferito ad una molecola di monomero

𝑀𝑛𝐼∗ ⟶𝑀𝑛 + 𝐼

∗; …; 𝑀𝑛𝐼∗ +𝑀 ⟶ 𝑀𝑛 +𝑀1𝐼

∗

La fase di iniziazione è normalmente lo stadio lento di tutto il processo, poi la reazione procede velocemente formando macromolecole dal peso molecolare elevato. Il controllo della lunghezza delle catene è ottenuto agendo sulla reazione di termine.




Stirene (monomero)

Perossido di benzoile

Radicale benzilico

Stirene (monomero)

Macromolecola in accrescimento di

polistirene



Per ottenere una catena il monomero deve avere una funzionalità almeno doppia.

Polimerizzazioni a stadi (o policondensazioni)

Ogni atto di reazione è la somma di due tronconi di catena.

Nel primo stadio si forma un dimero 𝑀1 +𝑀1 ⟶𝑀2

Nel secondo stadio, sono possibili due reazioni del dimero per formare un trimero o un tetramero:

𝑀2 +𝑀1 ⟶𝑀3 oppure 𝑀2 +𝑀2 ⟶𝑀4

In pratica dopo pochi istanti dall'inizio della reazione il monomero è completamente scomparso, e sono presenti solo oligomeri di diversa lunghezza che, man mano che procede la reazione, diventano sempre più lunghi.

La velocità di reazione diminuisce man mano che essa procede e, per avere alti pesi molecolari, occorrono tempi di reazione lunghi, associati alla necessità dell’allontanamento del sottoprodotto della reazione.



17 Progettazione di processo con metodi numerici – Le materie plastiche


HO – C - - C - OH

O O

HO – CH2 – CH2 – OH

H2O

HO – C - C

O O

O – CH2 – CH2 – OH

Acido Tereftalico Glicole Etilenico

Etilen-tereftalato


(n)


Grado di polimerizzazione (n)

Rappresenta il numero di unità ripetitive che vanno a costituire una catena.


Curva di distribuzione dei PM

𝑃𝑀𝑛 = 𝑃𝑀𝑖 ⋅ 𝑊𝑖𝑖

𝑊𝑖𝑖


Effetto del peso molecolare e del grado di polimerizzazione sulla resistenza e sulla viscosità dei polimeri

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Progettazione di processo con metodi numerici – Le materie plastiche

PM

crescente


n PM

PM: peso molecolare; Tr: temperatura di rammollimento


Grado di polidispersità

Dato che i polimeri non hanno peso molecolare definito, ma variabile in rapporto alla lunghezza della catena polimerica che li costituisce, vengono caratterizzati da un parametro (indice di polidispersità - PD) che tiene conto della distribuzione di pesi molecolari riferibile ad una sintesi.


Grado di reticolazione

pastoso


Configurazione delle macromolecole

A seconda di come procede la polimerizzazione, la configurazione delle macromolecole assume aspetti diversi

Polimero lineare Le macromolecole possiedono i forti legami covalenti carbonio–carbonio solo lungo le catene. Tra le catene si istaurano solo delle deboli interazioni, che, allo stato solido danno luogo a legami di tipo secondario. Basta un limitato aumento di temperatura per consentire lo scorrimento tra le catene ed il passaggio allo stato fluido.

secondari

legami



Polimero ramificato La crescita della catena non avviene più solo lungo il suo asse, ma si ha anche la formazione di catene laterali più o meno lunghe. Le catene, anche se ramificate, rimangono indipendenti ed interagiscono solo con legami secondari. La presenza delle ramificazioni porta comunque ad maggiore difficoltà di scorrimento per semplici ragioni fisico- geometriche



Polimero reticolato. Le macromolecole non sono più indipendenti, ma hanno dei tratti di catena covalente trasversali, che le collegano in maniera stabile e forte. Lo scorrimento tra le catene è impedito e le caratteristiche del materiale dipende dalla lunghezza del tratto di catena principale tra due legami trasversali consecutivi. Se tale tratto è sufficientemente lungo il comportamento è gommoso o elastomerico. Se le reticolazioni sono molto strette il materiale è rigido e fragile. All’aumentare della temperatura il polimero arriva alla temperatura di decomposizione prima di potersi trasformare in fluido.


Cristallinità

Un polimero può essere una massa disordinata di catene continue o ramificate. In tal caso è un solido amorfo soffice (es. gomma piuma).

Se invece le catene del polimero sono allineate in modo ordinato, il polimero ha un elevato grado di cristallinità. Questo avviene quando le catene sono legate insieme da interazioni secondarie, cioè forze intermolecolari (legami a idrogeno, interazioni dipolo-dipolo, Van der Wals, ioniche, ecc.)


Cristallinità

Un polimero allo stato solido può presentare zone con struttura cristallina e zone con struttura amorfa.

Lo stato amorfo può essere a sua volta di tipo vetroso o gommoso, a seconda della temperatura (temperatura di transizione vetrosa).


Grado di cristallinità


Grado di reticolazione

pastoso


Temperatura di transizione vetrosa

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Temperatura di transizione vetrosa


Dipendenza del modulo elastico dalla temperatura


Tatticità

La tatticità è il modo in cui i gruppi costituenti sono disposti rispetto alla catena principale di un polimero.

Spesso il polistirene è disegnato come un polimero piatto, così:


Tatticità

Se tutti i gruppi fenilici sono dalla stessa parte della catena diciamo che il polimero è isotattico. Se i gruppi fenilici sono alternativamente da una parte o dall’altra sono della catena, diciamo che il polimero è sindiotattico. Se I gruppi fenilici sono su entrambi i lati in modo casuale, diciamo che il polimero è atattico.

In realtà i polimeri non sono veramente piatti. Gli atomi di carbonio non sono disposti in linea retta, ma a zigzag e anche I gruppi fenilici non sono disposti ad angoli retti perfetti.


Isotattico Sindiotattico Atattico

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La classificazione dei polimeri


Classificazione

Le materie plastiche vengono generalmente classificate in modi differenti e i principali sono:

1. classificazione storica;

2. classificazione tecnico economica;

3. classificazione chimico tecnologica.

Classificazione storica Rispecchia lo sviluppo storico delle materie plastiche:

1. Materie plastiche da sostanze naturali;

2. Materie plastiche da condensazione di resine;

3. Prodotti di polimerizzazione.


Classificazione

Classificazione tecnico economica Suddivide le materie plastiche in rapporto alla loro collocazione sui mercati, in modo da rendere più agevoli le valutazioni economiche di un settore che si presenta in continua espansione:

1. Fibre chimiche;

2. Gomma sintetica e prodotti in gomma;

3. Resine sintetiche.

Classificazione chimico-tecnologica Basata sulla differenziazione degli aspetti chimici delle materie plastiche, sulle modalità della loro trasformazione e sulle caratteristiche fisico comportamentali dei prodotti ottenuti che rappresentano la base per la trasformazioni in manufatti finiti. Secondo questo tipo di classificazione le materie plastiche vengono suddivise i 3 gruppi principali:

1. termoplastici;

2. termoindurenti;

3. elastomeri.


Materiali termoplastici

Sono costituiti da polimeri (grosse molecole costituite da monomeri in un determinato ordine strutturale) a catena lineare o leggermente ramificata

Le catene sono usualmente disposte a caso ma possono subire orientamenti per effetto della lavorazione a cui vengono sottoposte



Se sottoposti a riscaldamento rammolliscono fino alla scorrevolezza e sono in grado di riacquistare consistenza solida se riportate a bassa temperatura

Tale ciclo può essere ripetuto un numero infinito di volte purché non venga superata la massima temperatura di esercizio del materiale

Lo scarto di lavorazione può dunque essere rigenerato e riutilizzato a meno che non sia stato danneggiato da una eccessiva sollecitazione termica

I materiali termoplastici sono di regola solubili in solventi senza subire alcun processo di degradazione chimica



Questi materiali si dividono in due gruppi:

termoplastici amorfi (PVC – PS – PMMA – PA)

termoplastici semi‐cristallini (PE – PP – POM – PA)

I termoplastici amorfi sono solidi, rigidi e fragili a 20°C. Allo stato naturale e cioè privi di colorazione , si presentano trasparenti come il vetro. Presentano un ritiro ridotto in fase solida dopo lo stampaggio (0.2 – 0.8 %) ed un intervallo di fusione di 30 – 40 °C

I termoplastici semicristallini a temperatura ambiente sono tenaci, stabili e rigidi, ed inoltre allo stato naturale , cioè senza colorazione, si presentano con un colore biancastro. Presentano un maggior ritiro in fase solida dopo lo stampaggio ( 1 – 1.6%) rispetto ai termoplastici amorfi.




ABBREV. MATERIAL COMMERCIAL NAME MELTING

RANGE (°C) SHRINKAGE (%)

ABS Acrylonitrile Butadiene

Styrol Kralon, Forsan, Diapet, Urtel, Ravital,

Cycolac 170 200

0.4 0.7

CA Cellulose Acetate Cellidor A, Dexel, Plastacele 130 170

0.3 0.7

CAB Cellulose Acetate

Butyrate Cellidor B

130 170

0.4 0.6

CP Cellulose Propionate Cellidor CPM 130 170

0.4 0.5

HI-PS High Impact Polystyrene Hostiren, Sicostyrol, Polistirol 140 190

0.5 0.6

PC PoliCarbonate Latilin, Makrolon, Sivet, Novarex,

Copec 220 260

0.5 0.8

PMMA Poly(Methyl

MethAcrylate) Vedril, Plexidur, Altulite, Oroglas,

Diakon, Luprenale 150 180

0.8

PSO PolySulphone Victrex 310 390

0.6 0.7

PPO Poly(Phenylene Oxide) Lataril 240 270

0.5 0.7

PS PolyStyrene Fostarene, Diarex 130 160

0.3 0.6

PVC Poly (Vinyl Chloride) Hostalit, Vipla, Vestolit, Breon,

Epicom, Gracom 130 160

0.4 0.8

SAN Styrene AcryloNitrile Cebian, Hilube 140 170

0.5 0.7


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ABBREV. MATERIAL COMMERCIAL NAME MELTING RANGE (°C) SHRINKAGE (%)

PA Poly Ammide Durethan B, Canadian, Utramid,

Elvamid, Grilon, Renyl 200

0.8 2

PA6 – GR PA6 Glass Reinfroced Nivionplast 260 0.3 1

PA66 Poly Ammide 66 Durethan A, Utramid 255 1.5 2.5

PA66 PolyAmmide 66 Zytel 255 0.3

PA66 PolyAmmide 66 Minlon 290 0.9 1.1

PA610 PolyAmmide 610 Decaplast 220 0.8 2

PBT PolyButadiene

Terephthalate Celanex. Crastin 225

1.2 2.5

HDPE High Density PolyEthylene

Hostalen, Lupolen, Alathon, Eltex, Amoco, Fortiflex, Moplen, RD

130 1.5 4

LDPE Low Density PolyEthylene

Sirtene, Rulan, Ryblene, Eraclene, Alathon, Hostalen

110 0.6 1.2

PET Poly Ethylene Terephthalete

Rynite, Orgater, Gafite 250 0.5 1.2

PET Poly Ethylene Terephthalete

Zytel 255 1.2 5

POM Poly

(OxyMethylene) Delrin 175

1.5 3.5

PP Poly Propylene Moplen, Hostalen PP, Carlona P,

Kastilene 165

1 2.5

Materiali termoindurenti

Sono costituiti da grosse molecole tridimensionali le cui catene sono collegate tra loro attraverso una fitta rete di legami trasversali

I monomeri durante la trasformazione si saldano dando origine ad un reticolo tridimensionale molto fitto che garantisce l’irrigidimento dell’intera struttura



Ottenuto il reticolo i materiali termoindurenti non sono più in grado di riacquistare lo stato fluido

Sono tipicamente costituiti da due componenti: la resina ed il relativo indurente

Gli scarti di lavorazione non sono riutilizzabili, i termoindurenti non sono inoltre saldabili tra di loro e non sono solubili nei solventi



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ABBREVIATION MATERIAL

PF Phenol Formaldehyde

MF Melamine Formaldehyde

UF Urea Formaldehyde

DAP Diallyl Phthalate

EP Epoxy Resin

UP Unsatured Polyester

UR, PUR PolyUrethane

SI Silicon

CSF Casein Formaldehyde

Termoplastici vs. termoindurenti


Materiali elastomerici

Sono costituiti da polimeri reticolati a maglia larga che presentano alla temperatura ambiente un comportamento gommo-elastico

La struttura è prevalentemente lineare. Soggette a sollecitazione le macromolecole si orientano, al cessare delle sollecitazioni recuperano rapidamente la configurazione iniziale


Materiali elastomerici

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La vulcanizzazione provoca una modificazione della conformazione molecolare del polimero alla quale è dovuto l'aumento di elasticità e resistenza a trazione, la soppressione di proprietà negative quali l'abrasività e l'appiccicosità oltre che una maggiore resistenza agli effetti dell'ossigeno atmosferico e a molte sostanze chimiche.

La vulcanizzazione viene realizzata, praticamente, utilizzando l'elastomero, una fonte di zolfo e additivi vari. L'insieme di questi prodotti costituisce la mescola. Le condizioni di pressione e temperatura variano in funzione dello specifico processo coinvolto.


Omopolimeri e copolimeri

Se durante la polimerizzazione le unità ripetenti derivano da un solo monomero, il prodotto è un omopolimero.

Se provengono da due o più monomeri (normalmente in quantità relative variabili) si hanno i copolimeri.

Reattività e composizione della miscela dei monomeri di partenza controllano la composizione del copolimero e le relative proprietà fisiche e meccaniche risultano intermedie rispetto a quelle dei corrispondenti omopolimeri.

A seconda del modo di susseguirsi delle unità ripetenti lungo la catena si hanno:

Copolimeri statistici (o random) = sequenza casuale

Copolimeri alternati = sequenza regolare alternata

Copolimeri a blocchi (o segmentati) = le unità ripetenti si raggruppano in sequenze più o meno lunghe formando dei blocchi

Copolimeri aggraffati (o innestati) = se una catena polimerica si accresce lateralmente da un punto di un'altra catena.


Copolimeri

A seconda del modo di susseguirsi delle unità ripetenti lungo la catena si hanno:

Copolimeri statistici (o random) = sequenza casuale

Copolimeri alternati = sequenza regolare alternata

Copolimeri a blocchi (o segmentati) = le unità ripetenti si raggruppano in sequenze più o meno lunghe formando dei blocchi

Copolimeri aggraffati (o innestati) = se una catena polimerica si accresce lateralmente da un punto di un'altra catena.


Copolimeri


Leghe polimeriche


Il materiale è il risultato della miscelazione di due monomeri che polimerizzano senza combinarsi chimicamente

I quattro polimeri principali


La produzione mondiale (2009)

Fonte: PlasticsEurope Market Research Group (PEMRG)


La richiesta in Europa (2009)

Fonte: PlasticsEurope Market Research Group (PEMRG)


Polietilene (PE)

Si ottiene per polimerizzazione del gas etilene C2H4

Il polietilene ha basso costo, trasparenza, notevole resistenza chimica, sia agli acidi che alle basi.

In fibra serve per produrre camici e guanti per laboratorio; in film è usato per imballaggi, per coperture di serre, per sacchetti della spesa o della spazzatura. Per il suo potere isolante è in grado di rivestire i cavi elettrici e in forma rigida per tubi atti al trasporto di fluidi non caldi. Può anche essere stampato per fare oggetti solidi resistenti.


Polipropilene (PP)

Si ottiene per polimerizzazione del gas propilene, derivante dai processi di Cracking del petrolio, con meccanismo simile a quello dell'etilene.

Si possono avere tre isomeri:

Isotattico. I gruppi CH3 sono disposti ordinatamente dallo stesso lato della catena di atomi di C, che non è lineare, ma si curva in modo elicoidale. Struttura altamente cristallina (fino al 75%). Ha buone caratteristiche meccaniche, è leggero, ha alto punto di fusione (circa 175 °C), è isolante, resistente a molti aggressivi chimici. Estruso in filamenti sottili da una fibra tessile molto leggera, resistente agli agenti atmosferici, che serve per produrre corde e reti da pesca, mentre in fiocco è utilizzata per coperte, maglieria, tappeti e moquette. In pellicola trasparente è adatto all'imballaggio. Serve per realizzare giocattoli, contenitori e vari oggetti.

Sindiotattico. I gruppi CH3 sono disposti alternativamente sopra e sotto rispetto l'asse della catena. Il prodotto ha migliori caratteristiche rispetto all'atattico

Atattico. I gruppi CH3 sono disposti in maniera disordinata. Il prodotto ha proprietà scadenti. Struttura amorfa e vetrosa. Questo permette di usarlo per involucri trasparenti per proteggere vestiti.


Polivinilcloruro (PVC)

Si ottiene facendo polimerizzare in emulsione o in sospensione il gas cloruro di vinile

Il polimero ottenuto si presenta sotto forma di polvere bianca, molto fine, inodore ed insapore. E' più rigido e resistente rispetto al polietilene, ha peso specifico 1,36-1,40 g/cm3 e fonde a 180 °C. Resiste a moltissimi aggressivi chimici. E' insolubile in acqua alcol e benzina, ma piuttosto solubile in acetone, affonda nell'acqua data la sua densità.

Il PVC può essere sottoposto ad estrusione o trasformato in granuli e quindi lavorato a compressione o a iniezione.

In commercio esistono due tipi di di PVC: Rigido. Il PVC rigido in edilizia serve per realizzare pavimentazioni (piastrelle rigide),

zoccolature, corrimani, tapparelle, gronde, tubi per fognature, lastre ondulate, infissi resistenti agli agenti atmosferici, leggeri, indeformabili ed inifrangibili

Plastificato. Il PVC plastificato, con aggiunta di plastificanti (tipo esteri dell'acido ftalico, adipico e fosforico) da sostanza molto dura si trasforma in prodotto flessibile come la gomma (vinilpelle) e si impiega per rivestimenti di divani, sedili, pareti, pavimentazioni e tendaggi.


Polistirolo (PS)

Questa resina termoplastica deriva dalla polimerizzazione dello stirolo.

liquido oleoso che polimerizza spontaneamente, ma lentamente, se esposto all'aria ed alla luce.

Il polimero è duro, trasparente, incolore; ha notevole resistenza all'acqua ed all'umidità; Ha peso specifico 1,05 g/cm3, buone proprietà meccaniche, ma una discreta fragilità.

Può essere facilmente colorato con aggiunta di pigmenti e si lavora bene per stampaggio ad iniezione.

Il polistirolo si usa in radiotecnica perché è un ottimo isolante elettrico e nell'industria delle confezioni (astucci, recipienti, contenitori per cosmetici), articoli da disegno, parti di frigoriferi, accessori per auto rigonfiando il polimero con clorofluorometano (CH2ClF), si trasforma in una massa spugnosa (polistirolo espanso) dotata di ottime caratteristiche isolanti termiche


Il costo dei principali polimeri (EUR/kg)


Il triangolo delle plastiche


L’albero della plastica


Polimeri acrilici (PMMA)

Le resine acriliche si ottengono dalla polimerizzazione di diversi acidi, come l'acido acrilico, metacrilico e dai loro esteri (ad esempio il metacrilato di metile)

La più importante resina è il polimetacrilato di metile, conosciuta in commercio con il nome di plexiglas, ottenuta per polimerizzazione del monomero metacrilato di metile, estere dell'acido metacrilico.

Ha peso specifico 1,24 g/cm3 e fonde a 160 °C.

Il Plexiglas un polimero termoplastico, leggero, molto stabile alla luce, poco ossidabile, più trasparente del vetro, duro, con buone caratteristiche meccaniche, abbastanza resistente agli aggressivi chimici, ma facilmente scalfibile.

I semilavorati si congiungono per incollaggio o saldatura delle parti attraverso il calore e possono essere metallizzati od opacizzati.


Poliesteri

Sono prodotti ottenuti per policondensazione tra un alcol polibasico, come ad esempio il glicole etilenico, ed un acido polivalente, come ad esempio l'acido maleico

I poliesteri possono essere suddivisi in:

poliesteri saturi: sono polimeri termoplastici a catena lineare, tra cui il polietilene tereftalato;

poliesteri insaturi: contengono al loro interno dei legami carbonio-carbonio doppi (C=C) o tripli (C≡C); vengono rinforzati con fibre di vetro, trovando applicazione nella costruzione di carrozzerie per automobili o scafi di imbarcazioni;

poliesteri modificati o resine alchidiche: sono polimeri reticolati, utilizzati nella produzione di vernici.


Policarbonati

Si tratta in pratica di resine ottenute per policondensazione tra il fosgene (o esteri dell'acido carbonico) ed il bis-fenolo.

Sono prodotti lineari termoplastici, aventi proprietà particolari di trasparenza ed infrangibilità, resistenza termica (fino a 135 °C) e meccanica, oltre che per le buone proprietà elettriche e per la durezza. Hanno il difetto di ingiallire (per assorbimento dei raggi UV) e dilatarsi al calore.

I policarbonati vengono usati nei più svariati campi di applicazione: nell’ottica per le lenti degli occhiali, nell’elettronica per i computer e per i CD ed i DVD, nel campo delle costruzioni per coperture e pannelli trasparenti e colorati, nel settore dei trasporti per i caschi e per le coperture dei fanali.

Nel campo medico il policarbonato ha trovato largo impiego: la possibilità di sterilizzare gli oggetti di tale materiale ne ha permesso l’utilizzo nelle apparecchiature per la dialisi artificiale e per la cardiochirurgia, per la prima infanzia (biberon, incubatrici) e le cure domiciliari (aerosol). Il policarbonato spesso sostituisce il vetro a differenza del quale è curvabile a freddo.


Resine fenoliche

Sono resine ottenute dalla policondensazione tra aldeide formica ed il fenolo

Una di esse, la bachelite, è considerata la prima materia plastica sintetica comparsa al mondo (inizi 1900). In seguito sono state messe in commercio con il nome di "fòrmica".

Sono in genere materiali termoindurenti, ovvero non possono essere ulteriormente fusi dopo lo stampaggio, perché possiedono una struttura reticolare.

Hanno elevata durezza, caratteristiche meccaniche medie, temperature di utilizzo fino a 130 °C, bruciano senza dare fiamma (carbonizzano).

Servono per produrre legno compensato resistente agli agenti atmosferici (compensato marino), vernici, laminati plastici. Quest'ultimi sono adatti a rivestire pannelli di truciolare e di compensato.


Acrilonitrile Butadiene Stirene (ABS)

Resina stirolica termoplastica ottenuta per polimerizzazione di gomma butadienica con acrilonitrile e stirene o copolimero acrilonitrile/stirene.

L' ABS rappresenta una delle più pregiate mescolanze tra una resina e un elastomero e deve il suo successo alle ottime proprietà tecniche che lo caratterizzano. È infatti un materiale rigido e tenace anche a basse temperature, molto duro, resistente alle scalfitture, con elevata resistenza all'urto.

Viene principalmente impiegato per la produzione di imballaggi, componenti per l'industria automobilistica, mobili, giocattoli, vernici e gusci o coperture per casalinghi e articoli elettronici di largo consumo (televisori, telefonini ecc.).

Il materiale è facilmente riciclabile se non contaminato da altre tipologie di plastiche non compatibili.

Molte grandi società produttrici di ABS e di apparecchiature elettriche ed elettroniche sono coinvolte in programmi di riciclo di questo polimero. Sono diverse le sperimentazioni nel campo della telefonia, dove l’ABS riciclato dai telefoni viene nuovamente utilizzato per i medesimi prodotti. La raccolta differenziata di questo materiale è resa possibile dalla specificità delle applicazioni e già oggi una parte dell’ABS utilizzato per computer, telefoni ed altri impieghi viene riciclato.


Proprietà meccaniche delle materie plastiche

Le materie plastiche si differenziano molto dalle sostanze solide ordinarie; in particolare i materiali termoplastici non presentano una transizione netta tra il campo delle deformazioni puramente elastiche a quello delle deformazioni puramente plastiche

Il fenomeno di rottura spesso avviene soltanto dopo una deformazione plastica enormemente più spinta che nei materiali metallici

Le proprietà meccaniche sono fortemente influenzate dalla temperatura

I termoplastici hanno una rigidezza inferiore di due ordini di grandezza inferiore a quelle dei metalli, mentre il carico di rottura è di un ordine di grandezza inferiore



Curva carico-deformazione per il policarbonato (termoplastico) (a); provetta per trazione del polietilene ad alta densità, che presenta un

allungamento uniforme (b).



Prova di trazione su tre tipologie di materiali plastici.


Proprietà meccaniche delle materie plastiche (polimero amorfo)


Proprietà meccaniche delle materie plastiche (polimero semi-cristallino)


Proprietà meccaniche delle materie plastiche (effetto della velocità di deformazione)



Effetto della temperatura sulla curva carico-deformazione per l’acetato di cellulosa (Si nota la notevole riduzione della resistenza e l’aumento di duttilità

con incrementi di temperatura relativamente bassi)



Effetto della temperatura sulla resilienza di vari plastici (piccole variazioni di temperatura possono avere un effetto significativo sulla resilienza)



Il ciclo antiorario, che indica la curva di carico e scarico, rappresenta le perdite per isteresi. L’isteresi consente di dissipare energia, smorzare le vibrazioni ed assorbire

gli urti, come è necessario negli smorzatori di vibrazioni posti nei macchinari.


Proprietà meccaniche e fisiche


Impeghi principali di alcune materie plastiche


Prestazioni dei materiali termoplastici


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Invecchiamento e degrado

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L’invecchiamento fisico è un fenomeno che riguarda i polimeri amorfi e la parte amorfa dei semicristallini, al di sotto della temperatura di transizione vetrosa: riguarda la fase di raffreddamento dei prodotti plastici, la quale, non essendo condotta lentamente, non permette il raggiungimento di condizioni di equilibrio. Con il tempo, le macromolecole, cercando un nuovo equilibrio, tendono ad addensarsi, aumentando così la rigidità e diminuendo il volume del polimero.

L’invecchiamento è un fenomeno reversibile, poiché, quando il polimero viene riportato sopra la sua temperatura di transizione vetrosa, recupera le proprietà iniziali.

Parlando di degrado, è bene considerare che le condizioni e le situazioni che lo generano sono in relazione con le caratteristiche intrinseche di ciascun materiale polimerico.



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Temperatura

Le materie plastiche, e in particolare le termoplastiche, sono sensibili alle variazioni di temperatura dell’ambiente, che convenzionalmente è fissata a 20°C. Variazioni anche minime determinano modifiche significative sulle caratteristiche meccaniche dei polimeri e sui loro comportamenti, che da duttili possono trasformarsi in fragili. Nello specifico, il degrado termico può essere fisico (variazione del comportamento in corrispondenza della temperatura di transizione vetrosa) o chimico (rottura dei legami delle catene molecolari). Il primo è reversibile, il secondo irreversibile. I fenomeni che caratterizzano il degrado termico sono la perdita del colore o l’ingiallimento del materiale.

Raffreddamento rapido

Un raffreddamento troppo rapido del polimero in fase di produzione può determinare nelle macromolecole una condizione di disequilibrio, che può interessare i polimeri amorfi o la parte amorfa di quelli semicristallini. Con il tempo le macromolecole tendono a portarsi verso una condizione di equilibrio provocando però una leggera diminuzione di volume, l’aumento di rigidità e l’addensamento del materiale. Per fare recuperare al polimero le sue proprietà iniziali è sufficiente portarlo sopra la temperatura di transizione vetrosa e successivamente raffreddarlo lentamente sopra la temperatura di transizione vetrosa e successivamente raffreddarlo lentamente.



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Fuoco

Data la loro origine da composti organici, le materie plastiche sono combustibili e quando bruciano sviluppano molto calore e talvolta anche prodotti tossici. Di conseguenza, quando vengono utilizzate soprattutto in luoghi pubblici è necessario conoscerne la resistenza e il comportamento al fuoco (velocità di combustione, densità dei fumi, quantità e tipo di sostanze rilasciate dal polimero). In alcuni materiali però la combustione è ritardata o addirittura inibita grazie alla presenza in essi di quantità significative di cloro (come nel PC) o di fluoro (come nel PTFE o ETFE).



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Solventi

A differenza dei materiali metallici, i polimeri non si corrodono in maniera elettrochimica, poiché non possiedono elettroni liberi. Le materie plastiche, come il PE, il PVC e soprattutto il PTFE o l’ETFE, offrono in genere buona resistenza ad acidi e basi inorganiche, ma possono reagire con solventi organici (ad esempio l’acetone) e talvolta con l’acqua (ad esempio il nylon). L’acqua può essere dannosa per i polimeri con gruppi polari e buona affinità: penetrando nel materiale provoca la rottura dei legami intermolecolari, la diminuzione del modulo elastico e il rigonfiamento del materiale, che a sua volta genera tensioni interne, causa spesso della formazione di fessure. Oltre che dall’umidità, il rigonfiamento può essere provocato dalla penetrazione fra le macromolecole di molecole piccole. Il PTFE e l’ETFE e tutti i materiali plastici con legami trasversali sono particolarmente resistenti alle variazioni di dimensioni.

Raggi ultravioletti

L’azione dei raggi ultravioletti a risulta dannosa nel lungo periodo, perché non solo deteriora l’aspetto del materiale decolorandolo o imbrunendolo, ma riduce anche le sue proprietà meccaniche.

Ossidazione

La riduzione delle proprietà meccaniche può essere determinata anche dall’ossidazione: i radicali liberi provenienti dalla rottura di legami chimici delle catene fissano l’ossigeno. Particolarmente sensibile a questo tipo di degrado è il polipropilene.


Gli additivi

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Antimicrobici / Biostabilizzatori

Antiossidanti

Agenti antistatici

Plastificanti / plastificanti biodegradabili

Agenti schiumogeni

Lubrificanti esterni/interni

Riempitivi/Espandenti

Ritardanti di fiamma

Fragranze

Stabilizzatori termici

Modificanti antiurto

Pigmenti

Coadiuvanti di processo

Rinforzanti


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Proprietà meccaniche delle materie plastiche (polimero rinforzato)

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Stre

ss [

kg/c

m2]

Strain %

Fracture

Rischi per la salute e per l’ambiente

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Le materie plastiche sono relativamente inerti ed i prodotti finali non presentano generalmente rischi per la salute degli addetti alla lavorazione e degli utenti.

Alcuni monomeri usati nella fabbricazione di materie plastiche sono cancerogeni.

I problemi collegati alla fabbricazione di materiale plastico sono paralleli a quelli dell’industria chimica.

La maggior parte delle materie plastiche sintetiche non è biodegradabile

(a differenza del legno, della carta, delle fibre naturali e persino dei metalli e del vetro, le materie plastiche non si decompongono né si rompono con il tempo).

Diversi studi sono volti a rendere biodegradabili le materie plastiche. Il sistema più promettente sembrerebbe quello di aggiungere degli zuccheri alla composizione chimica delle materie plastiche, che rendano tali materiali appetibili ai batteri del terreno.


Riciclabilità


02 le materie plastiche

Engineering

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