Alla scoperta della fisica dei materiali
FISICA DEI MATERIALI POLIMERICI
- non solo chimica e ingegneria Giancarlo Locati
6 - 9 settembre 2010 - Piancastagnaio
Plastics Logic Reader
Carbonio
Idrogeno
l’etilene
ll polietilene
0.15 nm
l’etilene
il propilene
il butadiene
Carbonio
Idrogeno
Gruppo metile (-CH3)
lo stirene
H H H H H H
C C C C C C
H H H H H H
polietilene
H CH3 H CH3 H CH3
C C
C C
C C
H H
H H
H H
polipropilene
H
C
H
C
H
H
C
H
C
H
H
C
H
C
H
polistirene
1
109.5°
1
2
2
109.5°
1
2
Random coil
Random flights
3
1
4
2
5
a
6
7
r
n
r
r
na
= distanza media testa-coda
è una misura della flessibilità della catena
entanglements
un sistema molto disordinato
(stato amorfo)
ne = numero di entanglement/cm3
… proprio come gli spaghetti!
Teoria cinetica dei gas
pV = nRT
Teoria della elasticità
della gomma
Ee = ne RT
Ee = modulo elastico
n = numero di moli
ne = numero di entanglement/cm3
Andamento generale delle proprietà dei polimeri
proprietà
Oligomeri
le
molecole
corte
formano
gas o
liquidi:
non
hanno
proprietà
Alti polimeri
Bassi
polimeri
al crescere di
M le molecole
cominciano ad
aggrovigliarsi:
si comincia ad
avere proprietà
le molecole
lunghe si
aggrovigliano
fortemente: le
proprietà vanno
a regime
peso molecolare
Andamento generale delle proprietà dei polimeri
proprietà
Bicchiere ‘infrangibile’
M ~ 5-7 Me
Bicchiere
fragile
Valore minimo di M al di
sotto del quale le proprietà
sono scadenti
peso molecolare
proprietà
Andamento generale delle proprietà dei polimeri
Limite superiore di M:
limite di lavorabilità
(viscosità troppo elevata)
M max
peso molecolare
Modulo - T per polimero amorfo
4
La temperatura di transizione vetro-gomma: Tg
3.5
3
log E (MPa)
2.5
Materiale rigido
(stato vetroso)
Tg
2
Materiale molle
(stato gommoso)
1.5
1
0.5
0
Materiale fuso
(stato fluido)
-0.5
-1
-200
-100
0
100
temperatura (°C)
200
300
La Tg é caratteristica di ogni specie polimerica
Materie
plastiche
Tg (°C)
Gomme
(elastomeri)
Tg (°C)
PVC
+ 80
Polibutadiene
- 100
Polistirolo
+100
Poli-isoprene
-56
PMMA
+ 100
SBR
Policarbonato
+ 150
-30 /-50
La Tg é la base per costruire teorie generali,
valide per tutti i polimeri (teorie universali)
Equazione WLF
WLF
log η
log η (T ) = log η (Tg ) −
14
12
10
8
a (T − Tg )
b + (T − Tg )
6
a = 17.44
b = 51.6
4
2
0
-2
-4
0
50
100
150
200
T-Tg (°C)
250
300
350
La temperatura di transizione vetro-gomma, Tg :
é la temperatura alla quale tutte le proprietà
fisiche cambiano drasticamente
é caratteristica di ogni specie polimerica
é la base per costruire teorie valide per tutti i
polimeri (teorie universali)
dal punto di vista termodinamico è una transizione
del secondo ordine (disordine-disordine)
Materie plastiche cristalline
NaCl
Polietilene
lamella
Materie plastiche cristalline
Materiale
T fusione
(°C)
Polietilene
130
Polipropilene
170
Poliammide 6
220
Poliammide 6,6
250
PoliEtilenTereftalato
255
Teflon
320
I cristalli di polietilene
Struttura zig-zag planare
H
H
H
H
C
C
H
H
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
C
C
H
H
H
H
H
H
C
C
H
C
H
H
C
H
I cristalli di polipropilene
Struttura ad elica
La struttura del DNA
CONFRONTO MATERIALI AMORFI E CRISTALLINI
Amorfi
Cristallini
Elevata trasparenza
Struttura dipendente dalla
lavorazione
Elevata rigidità
Buona resistenza a fatica
Elevato coeff. dilatazione
Basso coeff. dilatazione
Elevata viscosità
Bassa viscosità
Basso ritiro nello stampaggio
Elevato ritiro nello stampaggio
Caratteristiche migliorabili con
rinforzi
PI
SUPER POLIMERI
PSU
PES
PPS
PAR
PA
2- 5 €
PBT
PPO
PET
ABS
amorfi
15 %
POM
PMMA
COMMODITIES
PS
1%
PEEK
PC
TECNOPOLIMERI
>5€
PVC
< 2€
PE
PP
cristallini
Prezzi/kg
84%
Tipologie di prodotti
Termoplastici
solo entanglements
PE, PP, PA, PVC, …
Termoindurenti
(Resine)
Ent. + legami
chimici permanenti
Poliesteri,
Epossidiche,
Melamminiche,
Cianoacriliche,
Fenoliche, ….
Gomme
(Elastomeri)
Ent. + legami
chimici permanenti
Polibutadiene, SBR,,
poli-isoprene,
butiliche, nitriliche…
Proprietà ottiche dei polimeri
Poli metil metacrilato (PMMA, plexiglass, vetro acrilico)
Trasparenza
Materiale
Trasmittanza
%
Vetro
90
Polistirolo
90
PVC rigido
87
PMMA
92
Policarbonato
88
Trasparenza e flessibilità
Indice di rifrazione
Materiale
Indice di
rifrazione
PMMA (lastre acriliche)
1.49
Vetro
1.52
Policarbonato
1.58
Polistirolo
1.59
Cristallo
1.60
Cristallo
Policarbonato
Vetro
PMMA (acrilico)
Lenti, Guide di luce, Fibre ottiche, LED
Lenti fotocromatiche in vetro organico (plastica)
dal sito Internet della società PPG
La misura del colore
La fluidodinamica dei polimeri
‘Reologia dei polimeri’
Viscosità molto elevata
Viscosità dipendente
dalle condizioni di moto
Effetti elastici e viscosi
Viscosità molto elevata
ALCUNI VALORI TIPICI DELLA
VISCOSITA’
MATERIALE
VISCOSITA’
(Pa.s)
Aria
10-5
Acqua
10-3 (=1mPa.s)
Olio d’oliva
10-1
Glicerina
100
Miele
102
Grasso lubrificante 103
Mat. plastica fusa 102 – 106
Gomma
104 – 108
Vetro
1021
Viscosità dipendente dalle condizioni di moto
‘Curva reologica’
LUPOLEN 1810 D
(LDPE)
T = 200°C
T = 220°C
T = 240°C
log viscosity (Pa s)
5
4
3
2
1
0
-1
0
1
2
3
4
5
log s he ar rate (1/s )
(Shear rate: è una definizione generalizzata della portata)
trasformazione
Effetti elastici e viscosi
Effetti elastici e viscosi
Log E’: componente elastica
Log E”: componente viscosa
20
40
60
80
T (°C)
100
120
Fibre ad elevate prestazioni
Fibre di carbonio
Energia del legame C-C = 348 kJ/mole
Polimero orientato
… questi sono solo alcuni spunti di FISICA DEI POLIMERI…
Altri spunti:
) Polimeri conduttori di elettricità
) Elettreti
) Batterie litio-polimero
) Scintillatori per fotomoltiplicatori
) Leghe polimeriche
) Compositi con nanocariche…
Grazie dell’attenzione!
… se volete saperne di più….: [email protected]