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I CRITERI PRINCIPALI NELLA SCELTA DEI MATERIALI E DEI COMPOUND

Nel loro lavoro quotidiano stampatori e progettisti spesso si orientano su marchi noti quando scelgono dei materiali, perché quei nomi-materiali sono sinonimo di una certa matrice polimerica, con caratteristiche standard note (meccaniche, fisiche, chimiche e superficiali) e ormai consolidate.

Nella produzione di Composti tecnici ad hoc, i produttori si concentrano invece sulle matrici polimeriche ideali partendo dalle loro specifiche caratteristiche fisiche, meccaniche e reologiche.
Lo scopo finale del loro lavoro e dei loro sforzi, è quello di produrre una materia prima specifica, con comportamenti precisi, adatti a soddisfare esigenze di specifiche applicazioni.

Questo è il motivo per cui essi devono chiedere ai clienti maggiori informazioni sull’applicazione finale. A volte risultano un po’ curiosi, investigativi, agli occhi del cliente, ma il motivo è solo quello.

Le informazioni ricevute guidano la loro ricerca e sviluppo verso la realizzazione di un prodotto soddisfacente per tutti. Alternativo alle soluzioni standard e con il miglior equilibrio tra prestazioni e prezzo.

Morfologia e proprietà termiche nelle applicazioni

Una delle domande chiave riguarda, in genere, la temperatura di lavoro dell’applicazione.

Seguita sempre dalla domanda sul tipo di lavoro che l’oggetto finale deve, o dovrebbe, svolgere a quella determinata temperatura.

Perché?
È abbastanza noto che ogni matrice polimerica ha un diverso comportamento termico e fisico in base alle sue origini (amorfo o semi-cristallino) e questo influenza le prestazioni fisiche e meccaniche finali dell’applicazione (ad esempio: anisotropia = maggiore deformazione dovuta alle differenze di ritiro volumetrico dei semi cristallini, o isotropia = maggiore planarità grazie ad un ritiro uniforme tipico degli amorfi).

Il modulo elastico (la rigidità del materiale), lo sappiamo, dipende dalla temperatura e varia in funzione di essa.

I polimeri amorfi sotto questo aspetto sono più prevedibili nella perdita di modulo all’interno del loro intervallo di applicabilità, perché non sono influenzati da fattori diversi (ad esempio l’assorbimento di umidità) oltre la temperatura. La loro stabilità è pressoché costante fino alla loro Tm (Temperatura di Rammollimento) che precede la T di lavorazione. Da notare che la T di lavorazione nei materiali amorfi è solitamente circa 100 -150°C superiore alla Tm.

I semi-cristallini tecnici in temperatura presentano invece una variabile in più. In genere hanno una “Tg” (transizione vetrosa causata dal movimento delle parti amorfe), quindi un primo cedimento del modulo, che avviene intorno ai 50-60°C.

Per contro la loro “Tm” è nettamente più alta e più vicina alla T di lavorazione (la differenza tra le due temperature si muove attorno ai 50°C.), offrendo così un più ampio range termico di impiego rispetto agli amorfi.

Cariche e rinforzi aggiungono a queste matrici una maggiore resistenza termica e un modulo elastico superiori rispetto ai loro “cugini” Amorfi.

Variabili ambientali

Nel caso del PA6 (Poliammide) c’è anche una terza variabile: l’umidità.

Il polimero assorbendola in quantità variabili a seconda dell’ambiente in cui si trova, viene “plastificato” da essa e ciò influenza il suo modulo elastico che diminuisce (vedere nel grafico la curva in condizione “ secco” vs. quella in presenza di umidità) aumentandone però la tenacità.

Questo è il motivo per cui tutti i test sul materiale sono effettuati in condizioni “a secco”, per evitare questa significativa “variabile”.

Va ricordato che l’assorbimento di umidità può modificare anche le dimensioni del pezzo stampato. Un elemento da tenere presente quando ci si trova di fronte ad accoppiamenti meccanici tra due o più pezzi.

All’interno dei semi-cristallini, il Polipropilene si muove invece in modo diverso, poiché sopra gli 0°C la sua Tg è stata superata, ciò che rimane solo la Tm di fusione. Ma a differenza di un amorfo o di altri semi-cristallini, continua a perdere modulo, grado dopo grado. La sua perdita è continua e termina a 162 ° C. (Tm). Temperatura alla quale è processabile con tecnologie ad iniezione.

Tuttavia, proprio perché la sua curva di caduta del modulo è predicibile diviene quindi abbastanza “gestibile” nel momento in cui si conosce la temperatura alla quale il manufatto finale dovrà lavorare.

Il modulo non è influenzato dall’umidità, per questo le cariche e rinforzi disponibili possono servire a allo scopo di ottenere il modulo necessario per una data temperatura di lavoro.

Il grafico qui rappresentato (vedi in alto) è stato realizzato per mostrare il comportamento tipico di prodotti Amorfi, Semi Cristallini e Polipropilene standard. Prendendo come elemento di raffronto la variazione del modulo in funzione della temperatura, viene qui messo a confronto il comportamento tipico.

Pensiamo che questo possa essere un buon modo per visualizzare e ricordare tali differenze che torneranno utili per qualsiasi sviluppo applicativo si decidesse di affrontare.

I materiali e compound semi cristallini

Questo tipo di materiali raggiunge comportamenti meccanici (moduli) superiori grazie a cariche e riempitivi.

Il Vetro per un modulo elastico superiore e le cariche minerali quando serve un compromesso tra modulo e planarità.

In generale la loro struttura chimica consente maggiore libertà nella scelta dei riempitivi (tipologia e quantità), rispetto ai prodotti amorfi. Le cariche e i riempitivi migliorano, in maniera maggiore che negli amorfi, le loro proprietà termiche.

Questo aspetto è immediatamente riscontrabile nei valori di HDT (Heat Distortion Temperature o temperatura di deformazione sotto carico), sia a 0,45 MPa (c.ca 4,5Kg) che a 1,80 MPa. (c.ca 18kg).

I valori termici sono un elemento molto importante da considerare nella fase di selezione di una materia prima, perché ad essi è spesso legato il corretto funzionamento dell’applicazione tecnica finale.

Queste variabili ormai consolidate nel mondo dei materiali fossili, faranno presto parte anche del mondo dei prodotti completamente bio e biobased (ibridi).

Mano a mano che i materiali Bio entreranno a far parte del nostro quotidiano, applicazioni sempre più complesse richiederanno risposte e prestazioni precise. Le recenti evoluzioni nel settore delle bioplastiche aprono la porta e offrono opportunità alla creatività di designer e progettisti per nuove applicazioni più sostenibili e a minore impatto ambientale.

Articolo a cura di Emilio Sitta

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