Lezione Polimeri - Corso Aerospaziale
-
Upload
tiberiu-ceccotti -
Category
Documents
-
view
33 -
download
5
description
Transcript of Lezione Polimeri - Corso Aerospaziale
-
I Materiali Polimerici
-
I Materiali Polimerici
Un polimero costituito da molte unit molecolari ricorrenti, unite tra di loro per addizione sequenziale di molecole di monomero. Molte molecole del monomero A, (tipicamente da 1000 a 1 milione) possono legarsi luna allaltra formando ununica molecola di enormi dimensioni.
-
I Materiali Polimerici
Caratteristiche principali:
- sono materiali organici
- sono formati da lunghe catene ottenute dal ripetersi della stessa unit di base
- Gli elementi maggiormente presenti sono C e H con presenza di O, N, F e Cl, Si
- Hanno elevata formabilit e duttilit
- Presentano bassa densit e basso costo di produzione
- Hanno bassa resistenza meccanica se confrontati con i metalli
- Hanno basso punto di fusione
-
I legami dei materiali polimericiForze intramolecolari (> 50 kcal/mol)
Legami covalenti fra gli atomi della catena principale e dei gruppi laterali
Forze intermolecolari (< 10 kcal/mol)- dipolo dipolo- legami idrogeno- legami Van der Waals
-
Alcune propriet dei materiali polimerici
-
Resistenza nettamente inferiore a quella dei metalli Densit nettamente inferiore a quella dei metalli Costo mediamente inferiore a quello dei metalli
Alcune propriet dei materiali polimerici
http://www-materials.eng.cam.ac.uk/mpsite/interactive_charts/
-
Alcune propriet dei materiali polimerici
-
Produzione dei materiali polimerici
-
Utilizzo dei materiali polimerici
-
Utilizzo dei materiali polimerici% di materiali plastici nelle auto del gruppo Fiat
-
Alcune propriet dei materiali polimerici
-
Polimerizzazione
Etilene Polietilene
La polimerizzazione il processo che permette di ottenere le lunghe molecole di polimero a partire dalle piccole molecole del mer
-
Tipo di legame Energia di legame [KJ(g . mole)-1]C-C 369C=C 721
CC 964
Inizializzazione
Accrescimento
Terminazione
Polimerizzazione per addizione
Pu essere un processo molto veloce, (1000 mer in 10-210-3s)
-
Politetrafluoroetilene
Polivilnilcloruro
Polipropilene
Teflon
PVC
PP
Alcuni polimeri della famiglia del polietilene
-
Dimetiltereftalato Glicol etilenico
Etilene tereftalato Alcool metilico
Polimerizzazione per condensazioneI reagenti non hanno la stessa formula chimica del mer del polimero
ES: formazione del Polietilentereftalato (PET)
Formazione di prodotti di reazione che devono essere allontanati per mantenere elevata la velocit di reazione
-
Funzionalit: numero di legami possibili del mer.
Etilene: funzionalit pari a 2Tendono a formare catene
Fenol-Formaldeide: funzionalit pari a 3(base delle resine fenoliche)Tendono a formare strutture reticolate
Grado di polimerizzazione:Indica il numero di mer che hanno preso parte alla formazione di una molecola di polimero.Fornisce unindicazione sulla lunghezza e quindi sulla massa delle molecole del polimero.
-
Forma delle molecoleAnche per polimeri bifunzionali le molecole non saranno mai realmente lineari.Gli angoli non sono di 180 a causa dellibridizzazione degli atomi di carbonio
Inoltre i legami hanno la possibilit di ruotare
-
Forma delle molecoleQuindi a causa della struttura non lineare delle catene polimeriche e della possibilit dei legami di ruotare le molecole assumono forme complicate
Es: polietilene, ibridizzazione sp3
-
Quanto pu essere complicata la struttura dei polimeri?
In generale a parit di composizione chimica si possono avere diverse strutture, diversi modi in cui sono sistemati i mer che formano la molecola.
Prima divisione: un solo tipo di MER: OMOPOLIMERIpi tipi di MER: COPOLIMERI
OMOPOLIMERI:mer simmetrico: ramificazioni o reticolazionimer asimmetrico: ramificazioni,reticolazioni, isomerismi
COPOLIMERI:Strutture ancor pi complicate dalla presenza di sequenze di mer diversi
STRUTTURA DEI POLIMERI
-
STRUTTURA DEI POLIMERI Copolimeri:
Random
Alternato
A blocchi
A innesto
-
STRUTTURA DEI POLIMERI Omopolimeri:
Lineare
Ramificato
Reticolato
Reticolato a network
-
STRUTTURA DEI POLIMERI
Isomerie: - di posizione- di struttura- steriche
Isomeria di posizione:
Monomero delPolipropilene
- asimmetrico -
testacoda
Isomeriatesta-coda
Isomeriatesta-testa
-
STRUTTURA DEI POLIMERI Isomeria di Struttura:
Si verifica in presenza di un doppio legame C=C nello scheletro del polimero.I doppi legami non hanno la possibilit di ruotare: 2 possibili isomerie
POLIISOPRENE
CIS-poliisoprene
TRANS-poliisoprene
-
STRUTTURA DEI POLIMERI Isomeria Sterica:
Si verifica se un atomo di carbonio del mer legato a gruppi chimici diversi. La sequenza di ripetizione della posizione di tali gruppi pu essere regolare o casuale. Si possono avere 3 diverse isomerie.
Isomeriaisotattica
Isomeriasindiotattica
Isomeriaatattica
I polimeri atattici non possonocristallizzare! (PS, PMMA, )
-
PESO MOLECOLAREData la natura aleatoria del processo di crescita e di terminazione delle catene le molecole di un polimero avranno lunghezze e quindi pesi molecolari diversi.
E quindi necessario introdurre il concetto di peso molecolare medio, diversamente dalle altre classi di materiali, per i quali il peso molecolare fisso e costante!
PM in g/mol
PM e Resistenza meccanica (pi difficile realizzarli e controllare la reazione)
I polimeri commerciali presentano una elevata dispersione del peso molecolare
10.000 10.000.000
-
PESO MOLECOLARECi sono numerosi metodi per definire il peso molecolare medio di un polimero.I principali parametri utilizzati sono:
- il peso molecolare medio numerale- il peso molecolare medio ponderale
PESO MOLECOLARE MEDIO NUMERALE
Definiamo n(M) la frazione numerica di molecole che hanno il peso molecolare pari a M
Il PESO MOLECOLARE MEDIO NUMERALE quindi definito come:
=0
)( dMMnMM N
==M
Mtottot
M NNNNMn )()(
-
PESO MOLECOLAREPESO MOLECOLARE MEDIO PONDERALE
Utilizza la frazione in peso e non quella in numero w(M) frazione in peso delle molecole che hanno peso molecolare M
La relazione con MN la seguente:
Il PESO MOLECOLARE MEDIO PONDERALE quindi definito come:
==0
2
0
)(1)( dMMnMM
dMMwMMN
w
)()( MnMMMw
N
=
-
PESO MOLECOLAREEsempio:
4 pappagalli (1 kg ciascuno) ed 1 elefante (10000 kg)Massa totale i Ni Mi = i Wi =(4 x 1 kg) + (1 x 10000 kg) = 10004 kgNumero totale iNi = (4 + 1) = 5Massa media numeraleMn = (i Ni Mi/i Ni) = (10004 kg) / 5 2000 kg
Massa media ponderalei Wi Mi = (4 kg x 1 kg) + (10000 kg x 10000 kg) 108 kg2Mw = i Wi Mi/Wi = (108 kg2) / (10004 kg) 10000 kg
-
Peso molecolare numerale e ponderale possono essere notevolmente diversi
PESO MOLECOLARE
I diversi pesi molecolari medi si utilizzano per descrivere propriet diverse del polimero:
- La polimerizzazione legata al Peso molecolare medio numerale
- Molte propriet fisiche e meccaniche (come ad esempio la viscosit) sono correlate al peso molecolare medio ponderale
-
POLIMERI INGEGNERISTICI
POLIMERI
TERMOPLASTICI ELASTOMERI TERMOINDURENTI
AMORFI SEMICRISTALLINI
Scorrimento viscoso adalta temperatura
Termoindurenti conscarsa reticolazione Una volta formati non
sono pi in grado di attivare scorrimento viscoso.Se riscaldati ad alta temperatura degradano
-
POLIMERI INGEGNERISTICI
Le differenze principali fra le classi di polimeri sono principalmente strutturali:
Termoplastici: catene non reticolate
Elastomeri: basso grado di reticolazione
Termoindurenti: elevato grado di reticolazione
-
TermoplasticiFormati da catene libere, non reticolate.
La formatura avviene ad alta temperatura in condizioni di bassa viscosit.
I polimeri termoplastici possono essere amorfi o semicristallini.
Esempi di termoplastici amorfi:- il policarbonato usato per i materiali delle moto.- il plexiglas materiale rigido e fragile.
Esempi di termoplastici semicristallini:- polietilene ad alta densit.
-
Termoplastici
-
TermoplasticiModulo Elastico vs Temperatura
Allaumentare della temperatura diminuisce la resistenza meccanica
Comportamento resistente a bassa temperatura
Scorrimento viscoso ad alta temperatura
Brusco calo del modulo elastico in corrispondenza di una temperatura particolare, detta TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA
-
TermoplasticiLa temperatura di transizione vetrosa
A bassa temperatura si riduce la mobilit delle molecole sotto la temperatura di transizione vetrosa anche i moti delle catene laterali si bloccano il materiale risulta essere duro e fragile.
solidoamorfo
solidosemicristallino
-
TermoplasticiLa temperatura di transizione vetrosa
wgg M
ATT =
Dipendenza della Tg dal peso molecolare del polimero
Pi le molecole sono grandi pi si muovono con difficolt allinterno del materiale
-
Solidificazione dei Termoplastici
lo g t
ma ter ia le a mo rfo s tabile (ve tr ifica to )
1
2
3 inizio tras f. fine tras f.
cris ta llino
sta to fuso stab ile
260
60
140
T [C ]
Diagrammi di solidificazione dei polimeri, simili alle curve di Bain degli acciai.
Possibilit di trasformazione cristallina
Fine trasformazione:raggiungimento maxpercentuale di cristallinit(inferiore al 100 %)
-
Solidificazione dei Termoplastici
Cristallinit nei polimeri:
Presenza di regolarit nellarrangiamento delle molecole.
Es: polietilene
E comunque diverso dal caso di materiali cristallini come i metalli: I legami sono comunque di natura intermolecolare (secondari)!!
-
Solidificazione dei Termoplastici
La cristallinit del polimero dipende da molti fattori:- dalla velocit di raffreddamento per basse velocit di raffreddamento la struttura ha pi tempo di arrangiarsi in strutture ordinate- dalla complessit delle molecole: strutture lineari non ramificate cristallizzano pi facilmente. le strutture reticolate non possono cristallizzare (le molecole sono vincolate da distanze fisse imposte dalla presenza di legami primari)- dal grado di polimerizzazione: pi difficile cristallizzare catene lunghe
Dopo solidificazione il polimero formato da una porzione di volume caratterizzata da materiale cristallino ed una di materiale amorfo. Le sue propriet fisiche e meccaniche dipenderanno dalle loro frazioni volumetriche.
-
Modelli morfologici Termoplastici Semicristallini
-
Modello a catene ripiegate
Modelli morfologici Termoplastici Semicristallini
-
Le lamelle (zone cristalline) sono alternate a zone amorfe che garantiscono la continuit fra le molecole
Modelli morfologici Termoplastici Semicristallini
-
Alla fine del processo:Tutto il volume occupato dalle sferuliti.Il materiale amorfo si trova fra una sferulite e laltra e, allinterno di queste, fra una lamella e laltra.
Modelli morfologici Termoplastici Semicristallini
-
ElastomeriPoliisoprene (gomma naturale)
Catene molecolari lunghe e poco reticolate. Pochi punti di ancoraggio forniscono una memoria nel materiale e impediscono lo scorrimento plastico.
-
Elastomeri
La gomma naturale ha una scarsa reticolazione, ha un comportamento simile a quello dei polimeri termoplastici.
Processo di reticolazione artificiale VULCANIZZAZIONE
-
Vulcanizzazione Elastomeri
(Goodyear, 1839)
Vulcanizzazione della gomma naturale tramite aggiunta di zolfo:
140 180 C0,5 3 % S
Allaumentare del contenuto di zolfo:
Aumento della resistenza meccanica Diminuzione della duttilit
Alte percentuali di zolfo (20 30 %):
Materiale duro e fragile (tipo bachelite)
-
Resine Termoindurenti
Sono polimeri altamente reticolati, le cui molecole formano un network tridimensionale.
La reticolazione impedisce non solo lo scorrimento delle molecole ma anche la loro distorsione:
- elevata rigidezza e resistenza- scarsa duttilit
Esempi:Resine epossidicheResine fenolicheResine acriliche
Sono spesso formati da lunghe catene molecolari la cui reticolazione viene indotta nella fase di formazione del pezzo.
Dato che la reticolazione non reversibile, una volta formato il pezzo non possibile riciclare il polimero.
-
Resine Termoindurenti
Reticolazione resine epossidiche:
(uso di ammine come agenti reticolanti)
-
t
T [C]
prepo limero
Tf< Tamb
deco mposizio ne
A) ge lazio ne B) vetrificazio ne
1
2
3
Solidificazione delle Resine Termoindurenti
Tre curve importanti:- Gelazione- Vetrificazione- Decomposizione
Solitamente le reazioni di reticolazione sono esotermiche: necessario smaltire il calore prodotto, anche a causa della scarsa conducibilit termica dei polimeri.
-
Propriet meccaniche dei Polimeri
Il comportamento meccanico pu 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.
-
Propriet meccaniche dei TermoplasticiData la maggiore variabilit delle caratteristiche meccaniche dei termplastici, ne analizzeremo in dettaglio alcune peculiarit.
Dipendenza dalla temperatura:
Polipropilene
-
Propriet meccaniche dei Termoplastici
Dipendenza dal peso molecolare e dal grado di cristallinit:
Tutto il polimero subisce transizione vetrosaIl peso molecolare influisce principalmente sulla viscosit e sulla temperatura di fusione.
Solo la parte amorfa subisce transizione vetrosaPer elevati gradi di cristallinit comportamento resistente fino a fusione.
-
Deformazione dei Termoplastici
Deformazione elastica:
- Stretching dei legami intramolecolari- Rotazione dei legami
Deformazione plastica:
- Scorrimento intermolecolare
-
Strizione:
-La strizione si manifesta con lallineamento delle catene nella direzione dello sforzo;
- data la maggiore vicinanza fra le molecole e quindi legami di Van der Waals pi forti tale regione la pi resistente del polimero
- la strizione non si concentra ma si estende a tutto il materiale
Deformazione dei Termoplastici
Tale meccanismo sfruttato nella produzione di fibre in polimeri (stiro a freddo):Le fibre presenteranno resistenza maggiore del materiale originario
Amorfi
-
Deformazione dei TermoplasticiSemicristalliniPresenza 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 Termoplasticidipendente dal tempo
Fin qui abbiamo detto che la deformabilit dei polimeri pilotata dallo scorrimento delle catene molecolari le une rispetto alle altre.
In realt tale scorrimento prende una certa quantit di tempo:- se applichiamo il carico lentamente le catene scorreranno facilmente;- se applichiamo il carico velocemente le catene scorreranno con difficolt.
Si dice quindi che i polimeri hanno un comportamento VISCOELASTICO:
- bassa velocit di deformazione o alta temperatura alta duttilit- alta velocit di deformazione o bassa temperatura bassa duttilit
-
Deformazione dei Termoplasticidipendente dal tempo
Prova di Creep:
- Carico costante- Deformazione vs tempo
Prova di Rilassamento degli sforzi:
- Deformazione costante- Sforzo vs tempo
-
Deformazione dei Termoplasticidipendente dal tempo
Creep
Utile in fase di progettazione:
Correlazione fra sforzo, deformazione e tempo per curve isostress
-
Deformazione dei Termoplasticidipendente dal tempo
Rilassamento degli sforzi
Decadimento esponenziale
= tempo di rilassamento
-
Deformazione dei Termoplasticidipendente dal tempo
= 0
Legge di Hook = E
E: modulo elastico
Modello di Kelvin = E + .
Legge di Newton = : viscosit
.
(t) = 0/E (1 exp(-t/)) = /E
Pagina 1Pagina 2Pagina 3Pagina 4Pagina 5Pagina 6Pagina 7Pagina 8Pagina 9Pagina 10Pagina 11Pagina 12Pagina 13Pagina 14Pagina 15Pagina 16Pagina 17Pagina 18Pagina 19Pagina 20Pagina 21Pagina 22Pagina 23Pagina 24Pagina 25Pagina 26Pagina 27Pagina 28Pagina 29Pagina 30Pagina 31Pagina 32Pagina 33Pagina 34Pagina 35Pagina 36Pagina 37Pagina 38Pagina 39Pagina 40Pagina 41Pagina 42Pagina 43Pagina 44Pagina 45Pagina 46Pagina 47Pagina 48Pagina 49Pagina 50Pagina 51Pagina 52Pagina 53Pagina 54Pagina 55Pagina 56Pagina 57Pagina 58Pagina 59Pagina 60