capitolo 10 - McGraw Hill Higher Education - McGraw

CAPITOLO 10 – Materiali polimerici
ESERCIZI CON SOLUZIONE SVOLTA
Problemi di conoscenza e comprensione
10.1
Un polimero è una lunga catena molecolare formata da unità monometriche.
Le plastiche sono un grande e vario gruppo di materiali sintetici che vengono prodotti mediante processi di
formatura o fusione e vengono classificati come termoplastici e termoindurenti.
Gli elastomeri (gomme) sono plastiche ad alta flessibilità: quando sono sottoposte a sforzo, sono in grado di
esibire grandi deformazioni elastiche; una volta che lo sforzo viene rimosso, queste materie plastiche
recuperano, totalmente o quasi, la loro forma e le loro dimensioni originali.
10.7
(a) Le tre principali reazioni che avvengono durante la polimerizzazione a catena sono: iniziazione,
propagazione e terminazione. (b) Il catalizzatore iniziatore fornisce un radicale libero al monomero e quindi
attiva il monomero, permettendo lo stadio di propagazione della polimerizzazione a catena. (c) Una
reazione di polimerizzazione di catena lineare può essere terminata mediante reazione con un radicale
libero terminale o per combinazione con un’altra catena polimerica.
10.16
Il processo Unipol è un tipo di processo di polimerizzazione di massa in continuo nel quale il monomero
gassoso etilene e un co-monomero sono continuamente immessi in un reattore a letto fluido nel quale
viene aggiunto un catalizzatore. I vantaggi di questo processo sono quelli di una temperatura e una
pressione che sono un terzo più bassi rispetto a quelli impiegati negli altri processi di polimerizzazione.
10.20
a) Nel processo di stampaggio per iniezione, il materiale termoplastico, sia in polvere che in grani, viene
rammollito e poi forzato (iniettato) in uno stampo, permettendo di formare un solido rigido mediante
raffreddamento. Questo processo è simile alla colata in stampo per i metalli. (b) Lo stampaggio ad iniezione
a vite con moto alternato è un processo moderno che incorpora il meccanismo della vite reciproca per il
rammollimento e l’iniezione della materia plastica e uno stampo raffreddato ad acqua per una
solidificazione rapida del componente. (c) I vantaggi del processo di stampaggio per iniezione
comprendono: potenzialità per realizzazione componenti di alta qualità ad alta velocità di produzione, bassi
costi di lavoro, buona finitura superficiale, possibilità di un processo altamente automatizzato, facilità di
produzione di forme complesse. I principali svantaggi del processo di stampaggio a iniezione sono: grande
investimento iniziale richiesto per comprare la macchina necessaria per un ampia volume di produzione, il
processo deve essere molto ben controllato per produrre componenti di alta qualità. (d) Confrontato con il
processo precedente, stampaggio ad iniezione a vite con moto alternato è un processo più efficiente e
porta una massa rammollita più omogenea per l’iniezione.
10.22
(a) Nel processo di stampaggio a compressione,la materia plastica preriscaldata o a temperatura ambiente
vien posta tra piatti con la forma adeguata ad alta temperatura che contengono una o più cavità. La parte
superiore dello stampo è poi forzata verso la materia plastica. Questa pressione applicata, insieme al calore
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dello stampo, provoca la fusione del materiale e il riempimento della cavità o delle cavità. Ulteriore calore
può essere applicato allo stampo per completare la reticolazione del materiale polimerico. (b) I vantaggi
dello stampaggio a compressione comprendono: bassi costi iniziali dello stampo, minima usura e abrasione
degli stampi dovuta allo scorrimento relative del material, facilità di produzione di grandi componenti,
semplicità di progettazione dello stampo per stampo più complessi, mezzi di espulsione dei gas di reazione
durante il processo di stampaggio. I principali svantaggi di questo processo sono: difficoltà nella produzione
di configurazioni con parti complesse, incapacità di raggiungere basse tolleranze, costi aumentati associati
alle sbavature dei componenti formati.
10.27
I due più importanti poliesteri termoplastici sono il polibutilene tereftatalato (PBT) e il polietilene
tereftalato (PET). Le loro unità strutturali ripetitive sono mostrate di seguito.
10.30
Gli elastomeri (gomme) sono materiali polimerici le cui dimensioni possono essere significativamente
cambiate quando viene applicato uno sforzo e ritornano alle loro dimensioni originali o quasi una volta che
lo sforzo viene tolto. Esempi di materiali elastomerici sono la gomma naturale, il poliisioprene sintetico,
gomma stirene-butadiene, gomme nitrile, policloroprene e siliconi.
10.31
L’avvolgimento delle catene polimeriche della gomma naturale è attribuito all’impedimento sterico del
gruppo metile e atomo di idrogeno. Per definizione, l’impedimento sterico è la prevenzione o il ritardo di
una reazione chimica, causato dalla disposizione sterica (spaziale) degli atomi. In questo caso, il termine si
riferisce all’interferenza spaziale del gruppo metile e dell’atomo di idrogeno, causando l’avvolgimento della
macromolecola.
10.37
Al di sopra della temperatura di transizione vetrosa, i materiali polimerici mostrano un comportamento
viscoelastico, una combinazione di deformazione plastica ed elastica, nel quale le catene macromolecolari
sono in grado di scorrere una rispetto all’altra.
10.38
Una cricca è una regione altamente stressata che consiste in catene macromolecolari allineate con un’alta
densità di vuoti dispersi.
10.39
Quando il materiale polimerico è caricato e si avvicina al punto di snervamento, le catene macromolecolari
si svolgono e scorrono una rispetto all’altra, allineandosi nella direzione del carico applicato (vedi Fig.
10.55). Il processo continua fino a quando lo sforzo applicato supera la resistenza meccanica dei legami
covalenti nella catena e la catena si rompe.
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Problemi di applicazioni e analisi
10.62
Una molecola organica contenente un carbonio saturo ha solamente legami covalenti singoli nella sua
catena principale, una molecola contenente un carbonio insaturo ha uno o più doppi o tripli legami nella
sua catena principale.
10.68
(a) Una catena macromolecolare di polietilene ha una configurazione a zigzag perché, a livello microscopico,
i singoli legami covalenti carbonio-carbonio formano un angolo di circa 109°. (b) Tra le catene
macromolecolari di polietilene, i legami di dipolo permanenti forniscono legami secondari deboli. (c) Le
ramificazioni delle catene principali di polietilene riducono l’impacchettamento delle catene
macromolecolari. (d) Come risultato dell’impaccamento ampio, i legami secondari tra le catene sono
indeboliti e quindi la resistenza meccanica a trazione del polietilene ne in massa è abbassata.
10.77
(a) La sostituzione di ogni quarto atomo di fluoro con un atomo di cloro introduce irregolarità nella
struttura delle catene polimeriche. Come risultato, PCTFE è meno cristallino e ha minore temperatura di
fusione e viscosità allo stato fuso. Quindi, al contrario del PTFE, PCTFE può essere formato e estruso
utilizzando i processi di lavorazione convenzionali. (b) Le applicazioni importanti dei prodotti estrusi,
formati e lavorati alle macchine utensili in PCTFE sono attrezzature per processi chimici, applicazioni
elettriche, guarnizioni, O-ring, guarnizioni sigillanti e componenti elettrici.
10.86
Un poliestere insaturo è “insaturo” perché ha doppi legami carbonio-carbonio reattivi disponibili per la
reticolazione necessaria per ottenere dei termoindurenti.
10.87
L’isomero trans porta a un maggior grado di cristallinità perché il suo arrangiamento sterico è più
simmetrico e quindi non causa interferenza tra il gruppo metile e l’atomo di idrogeno.
10.89
I materiali elastomerici di policloroprene possono essere vulcanizzati utilizzando ossidi metallici. L’ossido di
zinco è tipicamente utilizzato come un catalizzatore per la vulcanizzazione che produce cloruro di zinco.
L’ossido di magnesio è usato come stabilizzatore per rimuovere il cloruro di zinco.
10.90
(a) Quando la percentuale di cristallinità aumenta, le catene polimeriche diventano più strettamente
impaccate e aumenta la resistenza meccanica a trazione. (b) Il modulo elastico a trazione viene anche
direttamente correlato alla cristallinità; il modulo aumenta con l’aumento della cristallinità. (c) Un aumento
di cristallinità corrisponde ad un incremento nella densità.
10.104
(a), (b) Il polimetilmetacrilato, comunemente chiamato Plexiglas e Leucite, ha la seguente unità
monomerica:
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Polimetilmetacrilato
(c) Il PMMA è rigido, duro e trasparente e ha una buona resistenza chimica per ambienti esterni.
10.107
I materiali polimerici a base di polifenilenossido sono importanti per applicazioni tecnologiche per la loro
eccellente stabilità dimensionale con basso creep, alto modulo, basso assorbimento di acqua, buone
proprietà dielettriche, eccellente resistenza all’impatto e ad ambienti chimici acquosi e buone proprietà
meccaniche in un ampio intervallo di temperature (-40 – 150°C).
10.111
Proprietà significative del polisolfone sono la sua alta temperatura di distorsione al calore compresa tra 150
e 174°C. Inoltre, il polisolfone ha un’eccellente resistenza meccanica a trazione per un termoplastico, pari a
70 MPa, una velocità di creep relativamente bassa e resistenza all’idrolisi in ambienti acquosi acidi ed
alcalini per il ponte ossigeno tra gli anelli fenilici, idroliticamente stabile.
10.112
(a) La polietereimmide ha buone proprietà di isolamento elettrico in un ampio intervallo di temperature e
frequenze. (b) Le proprietà che sono importanti per applicazioni nell’ingegneria meccanica sono la sua alta
resistenza al calore, la resistenza a creep e la rigidezza.
10.115 Le proprietà vantaggiose delle resine epossidiche comprendono: buona resistenza chimica e
ambientale, buone proprietà meccaniche, buone proprietà di isolamento elettrico, basso ritiro nel
trattamento di indurimento, forti proprietà adesive e eccezionali caratteristiche di bagnabilità. Queste
proprietà rendono le resine epossidiche una scelta naturale per un’ampia varietà di rivestimenti di
protezione e di decorazione, adesivi, materiali con matrice rinforzata con fibre, protezioni elettriche e
applicazioni di incapsulamento.
10.117
Le tipiche applicazioni delle gomme siliconiche comprendono sigillanti, guarnizioni, isolamenti elettrici, cavi
di accensione per automobili e elementi di protezione di candele.
Problemi di sintesi e di valutazione
10.119
(a) Utilizzando la Figura 10.45, la pendenza della curva nella regione elastica per LDPE è circa
e per HDPE
significativamente maggiore indicando una maggiore rigidezza.
(b) La tenacità può essere stimata calcolando l’area sottesa alla curva:
LDPE:
10 unità rettangolari
. HDPE ha un modulo elastico
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Ogni unità è pari a (6.89 MPa)(0.2 mm/mm)
Tenacità = (6.89)(0.2)(10) = 13.78 J
HDPE:
16 unità rettangolari
Tenacità = (19.30)(0.2)(16) = 61.76 J
HDPE risulta più tenace.
(c) L’aumento di rigidezza e di tenacità è un risultato dell’aumento nella massa molecolare delle
macromolecole presenti nell’HDPE e della percentuale di cristallinità.
10.121
Il materiale utilizzato per una valigia deve avere le seguenti caratteristiche:
1. leggerezza (bassa densità);
2. resistenza (alta resistenza meccanica);
3. rigidezza ragionevole (modulo elastico);
4. resistenza all’impatto (alta resistenza all’impatto);
5. essere ragionevolmente economica.
Dalla Tabella 10.5 e dall’Appendice, PVC, policarbonato e polipropilene sembrano essere adatti per questa
applicazione, soprattutto per la combinazione di alta resistenza meccanica, bassa densità e alta resistenza
all’impatto. Ci sono anche valigie realizzate in materiali tessuti di nylon. Questi possono essere meno
durature rispetto a quelle realizzate con materiali rigidi. Il polipropilene ha una buona combinazione di
bassa densità (0.9 g/cm3), sforzo a rottura (50 MPa), resistenza all’impatto (0.16 J) e costo (12.5 US$/lb).
10.124
a) Insieme a resistenza meccanica e duttilità, si deve anche essere sicuri che il materiali si comporti
adeguatamente ad alte temperature (quando le bottiglie vengono lavate nella lavastoviglie). Il materiale
non deve degradare in seguito a successivi lavaggi in acqua bollente. Il materiale dovrebbe essere sicuro e
non reagire con i liquidi che contiene. (b) Il polistirene ha una massima temperatura di utilizzo pari a 6.104°C. Il materiale si romperà se viene superato questo intervallo di temperatura. Questo materiale non è
una buona scelta. (c) Il policarbonato ha una massima temperatura di utilizzo leggermente più alta ed è più
sicuro. Comunque, ci sono degli additivi chimici nel PC che possono non essere sicuri se ingeriti. In generale,
i materiali utilizzati per l’industria alimentare dovrebbero essere completamente atossici. Quindi, la scelta
più sicura per i biberon dei neonati dovrebbe essere il vetro.
10.125
Dalla Tabella 10.2, il politetrafluoroetilene (PTFE) ha una massima temperatura di utilizzo pari a 288°C. Al di
sopra di questa temperatura, potrebbe rompersi e rendere tossico il cibo. Quindi, il produttore dovrebbe
essere cauto nell’impiegare temperature eccessivamente alte. Tutti i materiali polimerici sono prodotti a
partire da reagenti chimici e non dovrebbero essere ingeriti. Quindi, utilizzare una spatola di legno non
permetterebbe di rovinare il rivestimento di Teflon.
10.126
(a) I guanti proteggono I chirurghi dal contatto con I fluidi fisiologici del paziente e proteggono anche il
paziente da infezione che potrebbero essere trasmesse dal chirurgo. (b) Il materiale deve permettere una
buona aderenza al profilo della mano per ottenere un’eccellente sensibilità da parte del chirurgo. Deve
essere facile da lavare. Il Latex è comunemente utilizzato per questo impiego. Alcune persone sono
allergiche al Latex; in questi casi si possono usare guanti in vinile.
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10.128
(a) I materiali usati nel casco da calcio americano devono essere leggeri, duri e tenaci. Non dovrebbe
rompersi per impatto, quindi dovrebbe avere alta resistenza all’impatto. (b) Il policarbonato è il materiale
polimerico più spesso impiegato nei caschi (anche ABS viene usata). La capacità di assorbimento agli shock
del casco è dovuta allo strato di schiuma al di sotto del guscio in policarbonato. La combinazione di un
rivestimento duro e di uno strato poroso modulerà lo shock dovuto all’impatto.
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