Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi CAPITOLO 10 Materiali Polimerici 10-1.

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1 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi CAPITOLO 10 Materiali Polimerici 10-1

2 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Introduzione ai Polimeri Polimero molte parti Polimeri Plastiche TermoplasticiTermoindurenti Elastomeri Possono essere riscaldati e rimodellati in nuove forme Non possono essere rimodellati per calore. Formati per reazione chimica 10-2

3 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Plastiche - Vantaggi Ampia gamma di proprietà Minime operazioni di finitura Minima lubrificazione Buoni isolanti Bassa densità Riduzione di rumore controllo remoto piastre di wafer collettore di aspirazione d’aria Royalty-Free/CORBIS. (b) Charles O’Rear/ CORBIS. (c) Tom pantages 10-3

4 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimerizzazione Polimerizzazione per crescita di catena: piccole molecole legate covalentemente per formare lunghe catene (monomeri) Esempio: etilene Funzionalità: numero di legami attivi in un monomero H C H n C H calore pressione catalizzatore n n = grado di polimerizzazione (DP) (intervallo: 3500-25000) DP = Massa molecolare polimero (g/mol) Massa di un mero (g/mero) 10-4

5 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimerizzazione a Catena - Stadi Iniziazione:  è necessario un radicale  esempio: H 2 O 2 Uno dei radicali liberi reagisce con la molecola di etilene per formare un radicale libero con catena più lunga In generale 10-5

6 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimerizzazione a Catena - Stadi Propagazione: processo di estensione della catena polimerica per addizione di monomeri L’energia del sistema viene abbassata dal processo di polimerizzazione Terminazione:  per addizione di un radicale libero di terminazione  combinazione di due catene  impurezze R CH 2 CH 2 + CH 2 CH 2 R CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 R(CH 2 CH 2 ) m + R’(CH 2 CH 2 ) n R(CH 2 CH 2 ) m R (CH 2 CH 2 ) n R’ Accoppiamento di due catene 10-6

7 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Peso Medio Molecolare Il peso medio molecolare è determinato con speciali tecniche fisico-chimiche Esempio: = peso medio molecolare dei termoplastici M i = peso molecolare medio di ogni singola frazione ponderale f i = frazione ponderale del materiale che ha pesi molecolari di un ben preciso intervallo = 19,550 1 = 19,550 g/mole 10-7

8 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Struttura di Polimeri Lineari Non Cristallini Configurazione a zig-zag nell’etilene dovuta all’angolo di 109 gradi tra i legami covalenti del carbonio Le catene sono casualmente aggrovigliate L’aggrovigliamento aumenta la resistenza meccanica a trazione La ramificazione diminuisce la resistenza meccanica a trazione Da W. G. Moffatt, G. W. Pearsall, and J. Wulff, “The structure and Properties of Materials,” vol I: “Structure,” Wiley, 1965, p.65,104 10-8

9 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimeri Vinilici e Vinilidenici Polimeri vinilici: un atomo di idrogeno viene sostituito da un altro atomo o da un gruppo di atomi Polimeri vinilidenici: sia l’idrogeno che il carbonio sono sostituiti da un altro atomo o da un gruppo di atomi 10-9

10 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Omopolimeri e Copolimeri Omopolimeri: la catena polimerica è costituita da una singola unità ripetitiva Esempio: AAAAAAAA Copolimeri: le catene polimeriche sono costituite da due o più unità ripetitive  copolimeri casuali: monomeri differenti inseriti casualmente nelle catene. Es.: ABBABABBAAAAABA  copolimeri alternati: ordine alternato definito di monomeri diversi. Es.: ABABABABABAB  copolimeri a blocchi: monomeri diversi disposti in lunghe sequenze (blocchi). Es.: AAAAA…….BBBBBBBB……  copolimeri a innesto: un tipo di monomero inserito alla lunga catena di un altro. Es.: AAAAAAAAAAAAAAAAAAA BBBBBB BBBBBB 10-10

11 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Altri Metodi di Polimerizzazione Polimerizzazione a stadi: i monomeri reagiscono chimicamente tra loro per produrre polimeri lineari e una piccola molecola come prodotto secondario Polimerizzazione per reticolazione: la reazione chimica avviene in più di due siti di reazione (rete 3D) 10-11

12 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimerizzazione Industriale Materiali grezzi: Gas naturale, petrolio e carbone Granuli, pastiglie, polveri o liquidi polimerizzazione Polimerizzazione in massa: il monomero e l’attivatore sono miscelati in un reattore e riscaldato e raffreddato come richiesto Polimerizzazione in soluzione: il monomero viene sciolto in un solvente non reattivo e un catalizzatore Polimerizzazione in sospensione: il monomero e il catalizzatore sono sospesi in acqua Polimerizzazione in emulsione: il monomero e il catalizzatore sono sospesi in acqua insieme ad un emulsionante Da W. E. Driver, “Plastics Chemistry and Technology,” Van Nostrand Reinhold, 1979, p.19 10-12

13 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Solidificazione dei Termoplastici Non c’è una variazione improvvisa del volume specifico nel raffreddamento di un termoplastico non cristallino Per i termoplastici cristallini, avviene una repentina diminuzione nel volume specifico dovuta al maggiore impacchettamento delle catene polimeriche T g = temperatura di transizione vetrosa TgTg soprasotto vetro fragile gommoso T g per poliestere: –110 ° C per PVC: 82 ° C 10-13

14 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Struttura di Termoplastici Parzialmente Cristallini Maggiore lunghezza delle regioni cristalline: 5-50 nm Modello della micella frangiata: lunghe catene polimeriche di 5000 nm disposte in successione e disordinate per tutta la lunghezza della molecola polimerica Modello della catena ripiegata: sezioni delle catene molecolari ripiegate su se stesse Polietilene con catena ripiegata Da F. Rodriguez, “priciples of Polymer Systems,” 2nd ed., McGraw-Hill, 1982,p.42 Da R. L. Boysen, Olefin Polymers, in “Encyclopedia of Chemical Technology,” vol. 16, Wiley, 1981, p.405. 10-14

15 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Stereoisomerismo nei Termoplastici Stereoisomero: stessa composizione chimica, ma differente disposizione strutturale  Stereoisomero atattico: il gruppo metilico pendente del polipropilene è disposto casualmente su entrambi i lati della catena principale di carbonio  Stereoisomero isotattico: il gruppo metilico è sempre dallo stesso lato della catena di carbonio  Stereoisomero sindiotattico: il gruppo pendente si alterna regolarmente da un lato e dall’altro della catena principale Da G. Crepsi and L. Luciani, in “Encyclopedia of Chemical Technology,” vol. 16, Wiley, 1982, p.454. 10-15

16 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Lavorazione dei Materiali Polimerici Stampaggio a iniezione: utilizza un meccanismo di vite reciproca Avanzamento più uniforme del fuso da iniettare Alta qualità, basso costo di mano d’opera, ma alto costo iniziale Da J. Brown, “ Injection Molding of Plastic Components,” McGraw-Hill, 1979, p.28. 10-16

17 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Estrusione, Stampaggio per Soffiatura e Termoformatura Estrusione: la plastica fusa è forzata da una vite rotante in una matrice per produrre tubi, barre, … Stampaggio per soffiatura: l’aria compressa viene insufflata in un cilindro o tubo riscaldato di plastica per comprimerla contro la parete dello stampo Termoformatura: un foglio di plastica riscaldata viene forzato per pressione contro le pareti dello stampo Da H. S. Kauffman and J. J. Falcetta(eds.), “Introductin to Polymer Science and Technology” Wiley, 1977, p.462. 10-17

18 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Processi per Termoindurenti Stampaggio per compressione: viene applicata pressione, tramite la parte superiore dello stampo, alla plastica riscaldata e la plastica riempie le cavità  basso costo iniziale, semplice  bassa usura ed abrasione degli stampi  difficoltà di stampare parti complesse  si formano sbavature Da B. B. Seymour, Plastics Technology, in “ Encyclopedia of Chemical Technology,” vol. 15, Wiley, 1968, p.802. 10-18

19 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Stampaggio per Trasferimento Un pistone forza la materia plastica, posta in una camera fuori dallo stampo, nelle cavità dello stampo mediante canali ed aperture  non si formano sbavature  più pezzi nello stesso tempo  Può essere utilizzata per parti piccole e complesse Lo stampaggio per iniezione viene usato anche per lavorare i materiali termoindurenti Speciali camicie di riscaldamento-raffreddamento vengono aggiunte alle tradizionali macchine di stampaggio per iniezione Per gentile concessione di Plastics Engineering Co., Sheboygan, Wisc. 10-19

20 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Materiali Termoplastici per Uso Generale Polietilene, polivinil-cloruro (PVC), polipropilene e i poliesteri rappresentano la maggior parte delle vendite dei materiali polimerici Materials Engineering, May 1972 10-20

21 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polietilene Termoplastico trasparente, tendente al bianco translucido Tipologie:  bassa densità  alta densità  lineare a bassa densità Applicazioni: contenitori, isolamento termico, tubature per impianti chimici, bottiglie, oggetti per uso domestico,... 10-21

22 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polivinilcloruro e Copolimeri Il PVC è amorfo, non ricristallizza Gli atomi di cloro producono forti momenti di dipolo e causano anche repulsione elettrostatica L’omopolimero PVC ha alta resistenza meccanica (52-62 MPa) ed è fragile Composti del PVC: si modificano ed aumentano le proprietà  plasticizzanti: forniscono flessibilità. Es.: ftalati  stabilizzanti termici: prevengono la degradazione termica. Es.: composti di piombo e di stagno  lubrificanti: aiutano lo scorrimento del fuso del PVC. Es.: esteri grassi e saponi metallici  riempitivi: abbassano i costi. Es.: carbonato di calcio  pigmenti: danno il colore 10-22

23 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polipropilene Bassa densità, buona resistenza chimica, resistenza all’umidità ed al calore Buona durezza superficiale e stabilità dimensionale Applicazioni: oggetti per la casa, parti di apparecchiature, imballaggi, oggetti da laboratorio, bottiglie,... H C H CH 3 n Il gruppo metilico sostituisce un carbonio ogni due atomi di carbonio della catena principale Alto punto di fusione (165-177 ° C) e alta temperatura di deformazione al calore 10-23

24 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polistirene Applicazioni: parti interne di autoveicoli, quadranti e manopole, oggetti di uso domestico, alloggiamenti per apparecchiature H C H n Anello benzenico presente su atomi alterni di carbonio Non flessibile, rigido, trasparente e fragile Basso costo di lavorazione e buona stabilità dimensionale Bassa resistenza agli agenti atmosferici e facilmente attaccabile da solventi organici 10-24

25 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Poliacrilonitrile e Stirene-Acrilonitrile (SAN) Poliacrilonitrile Alta resistenza meccanica Buona resistenza alla umidità e a solventi Applicazioni: maglioni e coperte. Più comune per la produzione di SAN e ABS SAN Copolimero casuale e amorfo di stirene e acrilonitrile Migliore resistenza chimica, più elevata temperatura di deflessione al calore, tenacità e capacità di sostenere carichi del solo polistirene Applicazioni: lenti per fari di autoveicoli, componenti del cruscotto, maniglie, bacinelle per mescolare H C H C N n Non fonde 10-25

26 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi ABS ABS = acrilonitrile + butadiene + stirene (tre monomeri) Applicazioni: tubi e connessioni, parti di autoveicoli, alloggiamenti di computer e scatole telefoniche, … Da G. E Teer, ABS and Related Multipolymers, in Modern Plastics Encyclopedia,” McGraw-Hill, 1981- 1982. 10-26

27 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimetil Metacrilato (PMMA) Materiale acrilico noto comunemente come Plexiglas Applicazioni: vetrature di aerei, navi, lucernari, insegne pubblicitarie, occhiali di protezione È stato usato per lenti a contatto di tipo rigido H CH 3 C H C CH 3 O n Rigid and relatively strong. Completely amorphous and very transparent. 10-27

28 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Materie Plastiche Fluorurate I monomeri hanno uno o più atomi di fluoro Politetrafluoroetilene(PTFE): Applicazioni: tubature chimicamente resistenti, componenti elettrici stampati, rivestimenti antiaderenti, … F C F n T m = 327 ° C eccezionale resistenza agli agenti chimici utili proprietà meccaniche in un ampio intervallo di temperature alta resistenza all’impatto, la bassa resistenza meccanica a trazione buona resistenza all’usura e al creep Cristallino ad alta densità 10-28

29 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Policlorotrifluroetilene (PCTFE) Applicazioni: attrezzature per lavorazioni chimiche ed elettriche, guarnizioni, sigillanti e componenti elettriche F C F Cl n sostituzione di un atomo di cloro ogni quattro atomi di fluoro può essere estruso e stampato facilmente 10-29 T m = 218 ° C

30 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tecnopolimeri Bassa densità, bassa resistenza meccanica a trazione Alto isolamento elettrico, buona resistenza alla corrosione 10-30

31 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Poliammidi (Nylon) La catena principale contiene un gruppo ammidico ripetitivo Lavorati per stampaggio per iniezione Esempi: O H C N Legame ammidico 10-31

32 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Proprietà del Nylon Alta resistenza meccanica dovuta al legame idrogeno tra le catene macromolecolari La flessibilità della catena principali di carbonio contribuiscono alla flessibilità molecolare, alla bassa viscosità del fuso e alle elevate proprietà lubrificanti Applicazioni: componenti elettriche, parti per automobili, imballaggi, ingranaggi, componenti meccanici che devono funzionare ad alte temperature… After M. I. Kohan(ed.), “Nylon Plastics,” Wiley, 1983, p.274 10-32

33 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Policarbonato Applicazioni: componenti di precisione, camme, ingranaggi, elmetti, alloggiamenti e lenti per semafori, alloggiamenti per apparecchi elettrici portatili e terminali di computer Alta resistenza meccanica, tenacità e stabilità dimensionale Resistenza all’impatto molto alta Alta temperatura di distorsione al calore Resistenza alla corrosione Trasparenza 10-33

34 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Resine a Base di Fenilenossido Prodotto per accoppiamento ossidativo di monomeri fenolici Applicazioni: connettori elettrici, sintonizzatori TV, alloggiamenti di piccoli strumenti, griglie e cruscotti di autoveicoli Alta rigidezza, resistenza meccanica, resistenza chimica, stabilità dimensionale e temperature di distorsione termica Ampio intervallo di temperature, basso creep Elevato modulo elastico 10-34

35 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Acetali Termoplastici con la più alta resistenza meccanica (68.9 MPa) e rigidezza (2820 MPa) L’omopolimero è più duro e più rigido del copolimero Bassa usura e basso attrito, ma infiammabile Applicazioni: sistema di alimentazione del combustibile, cinture di sicurezza, maniglie per finestrini di automobili, accoppiamenti, giranti per pompe, ingranaggi e alloggiamenti H C O H n poliossimetilene T m = 175 ° C 2 tipi omopolimero copolimero eccellente capacità di sopportare carico a lungo termine e stabilità dimensionale 10-35

36 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Poliesteri Termoplastici Buoni isolanti: indipendenti dalla temperatura e dall’umidità Applicazioni: connettori, interruttori, relè, componenti per sintonizzatori TV, schede per circuiti, … Gli anelli fenilici conferisce elevata rigidezza Buona resistenza meccanica e resistenza a molti agenti chimici 10-36

37 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polisolfone e Polifenilensolfuro Polisolfone: l’anello fenilico determina elevata resistenza meccanica e rigidezza Applicazioni: connettori elettrici, anime per bobine, supporti per circuiti, sistemi per il controllo dell’inquinamento Polifenilensolfuro: rigido e resistente altamente cristallino Nessuna sostanza chimica può dissolverlo al di sotto di 200 ° C Applicazioni: componenti per processi chimici, apparecchiature per il controllo di emissioni, connettori elettrici può essere usato per tempi lunghi ad alta temperatura S n T m = 288 ° C 10-37

38 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polietereimmide e Leghe Polimeriche and Polymer Alloys Polietereimmide: Elevata resistenza al calore e al creep, alta rigidezza Buon isolante elettrico Applicazioni: alloggiamenti per interruttori di circuiti ad alto voltaggio, bobine, … Leghe polimeriche: miscele di omopolimeri o copolimeri strutturalmente differenti proprietà ottimizzate È necessario un qualche grado di compatibilità Esempio: Bayblend MC2500 (ABS/Policarbonato) 10-38

39 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Polimeri Termoindurenti Elevata stabilità termica e dimensionale, rigidezza, resistenza a creep, bassa densità Fonte: Materials Engineering, May 1972. 10-39

40 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Resine Fenoliche Basso costo, buone proprietà di isolante e meccaniche Prodotto per polimerizzazione da fenolo e formaldeide Composti per impieghi generali: di solito caricati con farina di legno per aumentare la resistenza all’impatto Composti ad elevata resistenza agli urti: caricati con cellulosa e fibre di vetro. Composti ad elevato potere di isolamento elettrico: caricati con minerali (ad es. mica) Composti resistenti al calore: caricati con minerali Applicazioni: impianti elettrici, componenti della trasmissione in automobili, laminazione del legno compensato, adesivi, materiale legante per sabbia da fonderia 10-40

41 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Resine Epossidiche Buona adesione, resistenza chimica e proprietà meccaniche Alta mobilità molecolare, basso ritiro durante l’indurimento Applicazioni: rivestimenti protettivi e decorativi, interruttori, isolanti ad alto voltaggio e laminati O CH 2 C H Gruppo epossidico 10-41

42 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Poliesteri Insature Bassa viscosità e possono essere rinforzate con materiali a bassa viscosità Sono usate le tecniche a stampo aperto per laminazione e a spruzzo per lavorare molti pezzi di piccolo volume Per pezzi di grande volume si utilizza lo stampaggio per compressione Applicazioni: pannelli e parti di carrozzeria di automobili, scafi di barche, tubature, recipienti, … hanno doppi legami covalenti reattivi carbonio-carbonio 10-42

43 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Resine Amminiche (Ureiche e Melamminiche) Ottenuti per reazione di formaldeidi con composti che contengono il gruppo -NH 2 Combinate con cellulosa come riempitivo per ottenere prodotti a basso costo con buone proprietà meccaniche Applicazioni: piastre a muro per impianti elettrici, suppellettili da tavola stampati, pomelli, pulsanti di controllo, maniglie, … 10-43

44 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Elastomeri (Gomme) Gomma naturale: prodotta dal lattice dell’albero Havea Brasiliensis Vulcanizzazione: riscaldamento della gomma con solfuri e carbonato di piombo Aumenta la resistenza a trazione Diminuisce il movimento molecolare per la reticolazione delle molecole H CH3 H H C C C C H H n 10-44

45 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Gomma Naturale - Proprietà Da M. Eisenstadt, “Introduction to Mechanical properties of Materials,” Macmillan, 1971, p.89. 10-45

46 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Gomme Sintetiche Gomma stirene-butadiene (SBR): maggiormente utilizzata Elasticità maggiore delle gomme naturali Più tenace e resistente, resistente all’usura. Assorbe solventi organici e rigonfia Gomme nitrile: 55-82% butadiene e 45-18% acrilonitrile Resistente a solventi e all’usura Minore flessibilità molecolare Policloroprene: aumentata resistenza a ossigeno, ozono, calore e condizioni climatiche Flessibilità a bassa temperatura, alto costo H Cl H H C C H n 10-46

47 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Vulcanizzazione degli Elastomeri Policlorepreni Gomme siliconiche: Ampio intervallo di temperature Usati per guarnizioni, isolanti elettrici, … 2ZnCl 2 + MgO OH 2Zn + MgCl Cl H2OH2O X Si O X CH 3 Si O CH3 n n Esempio 10-47

48 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Deformazione dei Polimeri Termoplastici Sotto T g deformazione elastica Sopra T g deformazione plastica Deformazione elastica Deformazione elsatica o plastica Deformazione plastica Da T. Alfrey, “mechanical Behavior of Polymers,” Wiley-Interscience, 1967. Da M. Eisenstadt, “Introduction to Mechanical properties of Materials,” Macmillan, 1971,p.264. 10-48

49 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Rafforzamento dei Polimeri Termoplastici Aumentando la massa molecolare media aumenta la resistenza meccanica fino ad un certo valore critico di massa Il grado di cristallinità aumenta la resistenza meccanica, il modulo di elasticità e la densità Lo scivolamento delle catene durante la deformazione permanente può essere reso difficoltoso dall’introduzione di gruppi atomici laterali sulla catena principale di atomi di carbonio La resistenza meccanica può essere aumentata da legami di atomi altamente polari sulla catena principale di atomi di carbonio 10-49

50 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi La resistenza meccanica può essere aumentata introducendo atomi di ossigeno e azoto nella catena principale di atomi di carbonio L’introduzione di anelli fenilici sulla catena principale con altri elementi aumenta la resistenza meccanica L’aggiunta di fibre di vetro aumenta la resistenza meccanica I polimeri termoindurenti possono essere rinforzati creando un reticolo di legami covalenti durante la sintesi Da J. A. Sauer and K. D. Pae, in “Introductin to Polymer Science and Technology,” Wiley, 1977, p.331. 10-50 Rafforzamento dei Polimeri Termoplastici

51 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Effetto della Temperatura sulla Resistenza Meccanica I polimeri termoplastici rammolliscono quando aumenta la temperatura La resistenza meccanica diminuisce sensibilmente dopo la Tg I polimeri termoindurenti rammolliscono, ma non diventano viscosi I polimeri termoindurenti sono più stabili ad alta temperatura dei termoplastici Da H. E Barker and A. E.Javitz, Plastic Modeling Materials for structural and Mechanical Applications, Electr. Amnuf., May 1960. 10-51

52 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Frattura dei Materiali Polimerici Polimeri termoindurenti frattura fragile Polimeri termoplastici frattura duttile o fragile in funzione della temperatura Da P. beahan, M bevis, and D. Hull, J. mater. Sci., 8: 162(1972). 10-52

53 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Materiali Polimerici per Applicazioni Biomediche I materiali polimerici sono utilizzati per applicazioni biomediche  impianti nel campo cardiovascolare, oftalmologico e ortopedico  impianti dentali, cementi dentali e basi per dentiere Bassa densità, facilmente lavorabili e possono essere resi biocompatibili Sviluppi recenti: materiali polimerici biodegradabili 10-53

54 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Applicazioni Cardiovascolari La valvola cardiaca può essere stenotica o incompetenti I polimeri sono usati per realizzare valvole cardiache artificiali I foglietti sono in carbonio L’anello di sutura è in PTFE o PET  Connette al tessuto cardiaco Il coagulo è un effetto laterale Il PTFE viene usato come graft vascolare nei bypass di arterie ostruite Ossigenatori per il sangue : membrane di polimero idrofobico utilizzate per ossigenare il sangue durante gli interventi di bypass  l’aria fluisce su una parte ed il sangue dall’altra parte; l’ossigeno diffonde nel sangue 10-54

55 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Applicazioni Oftalmologiche Le lenti da vista, le lenti a contatto e gli impianti intraoculari sono realizzati in materiale polimerico Gli idrogeli sono usati per le lenti a contatto morbide  Assorbe acqua e permette un adattamento confortevole  Permeabile all’ossigeno  Prodotte in poli-HEMA Le lenti rigide sono in PMMA  Non permeabile all’ossigeno  Copolimeri di metil metacrilato e silossanilalchil metacrilati per aumentare la permeabilità e l’idrofilicità Gli impianti intraoculari sono prodotti in PMMA 10-55

56 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Applicazioni Ortopediche Cemento per ossa: riempie lo spazio tra l’impianto e l’osso - PMMA  tecniche di centrifugazione e sottovuoto minimizzano la porosità Usati in protesi articolari (sostituzione ginocchio e anca) Altre applicazioni:  Sistemi di rilascio di farmaco: matrice polimerica con farmaco impiantata nel corpo umano  Materiali per suture: alta resistenza a trazione e allo strappo del nodo  non bioriassorbibili: polipropilene, Nylon  bioriassorbibili: acido poliglicolico 10-56

57 Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Futuro – Ingegneria dei Tessuti I materiali polimerici possono essere sintetizzati e miscelati per rispondere al meglio all’applicazione finale I polimeri biodegradabili sono utilizzati come scaffold per la generazione di nuovi tessuti In futuro, i tessuti possono essere generati in vivo o in vitro per il riparo o la sostituzione 10-57