CAPITOLO 28 TIPOLOGIE DI POLIMERI TERMOPLASTICI

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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 28 - TIPOLOGIE DI POLIMERI TERMOPLASTICI
CAPITOLO
28
28 TIPOLOGIE DI POLIMERI TERMOPLASTICI
cui possono venire a contatto in condizioni di servizio.
Materiali polimerici con caratteristiche meccaniche e
termiche superiori sono stati sviluppati negli ultimi
decenni per venire incontro a tali esigenze. Le loro
capacità prestazionali ne hanno poi consentito l’estensione
anche in settori diversi; tuttavia, questi materiali di alte
prestazioni presentano dei costi che ne precludono un
utilizzo nelle applicazioni più comuni.
Sinossi
I
polimeri termoplastici costituiscono una classe
estremamente estesa di materiali. Molti di questi
materiali trovano applicazione grazie alle loro
caratteristiche estetiche o funzionali in una
grandissima varietà di oggetti e componenti. Le
caratteristiche di alcuni tra i più comuni polimeri sono
state già presentate nei Cap.21 e 26.
Tabella 28.1 – Caratteristiche di alcuni polimeri di interesse
ingegneristico.
Materiali polimerici con proprietà tali da potere essere
impiegati in applicazioni strutturali vengono spesso
definiti tecnopolimeri. La maggior parte di essi
possiede le seguenti caratteristiche: elevata rigidezza e
resistenza specifica, confrontabili con quelle di molti
metalli, eventualmente con la presenza di cariche e
rinforzi; mantenimento di resistenza, rigidezza,
tenacità, stabilità dimensionale in un ampio campo di
temperatura, resistenza all’invecchiamento. Altre
caratteristiche di rilievo per applicazioni specifiche
sono la resistenza ad abrasione, le proprietà elettriche
ed ottiche, la risposta al fuoco, la resistenza a fatica.
Spesso, nelle applicazioni aerospaziali ed avanzate in
genere, c’è la necessità di materiali in grado di
mantenere caratteristiche meccaniche strutturali utili
fino a temperature superiori a quelle consentite ai
comuni polimeri e tecnopolimeri, a volte superiori a
200 °C e più; inoltre questi materiali devono possedere
ottime caratteristiche di resistenza al fuoco e ad agenti
aggressivi, quali solventi, combustibili, lubrificanti con
Polimero
Resistenza
(MPa)
Modulo elastico
(MPa)
PA 66
POM
PET-PBT
PC
PMMA
PTFE
PPO-PPS
PEEKPEKPEKK
PSU-PES
PI-PAIPEI
PBI
LCP
62-84
50-75
40-72
56-67
50-77
25-36
55-93
80-110
1600-3700
1300-3600
1900-4000
2400
2200-3200
400-600
2500-3500
2700-4000
Massima temperatura
di uso continuo
(°C)
80-120
90-110
100
135
65-90
250
80-260
130-260
50-100
75-190
1600-2800
2600-6000
150-180
200-320
110
140-180
5800
9000-13000
420
150-180
In questo capitolo vengono riportate le principali classi di
quei polimeri termoplastici di interesse ingegneristico
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
1
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
fibre arammidiche, tra i quali il Kevlar® rappresenta uno
degli esempi commerciali più noti, saranno presentati
successivamente.
dotati di caratteristiche termiche e/o meccaniche
superiori, che li rendono adatti alla produzione di
componenti tecnici anche nel campo aerospaziale.
Molti di essi vengono impiegati anche come matrici
termoplastiche di compositi avanzati di alte
prestazioni, alternativi e competitivi rispetto ai più
tradizionali compositi a matrice termoindurente.
28.2 Le resine acetaliche. Poliossimetilene
L
e resine acetaliche, e tra queste il poliossimetilene
(POM), sono polimeri semicristallini con una elevata
cristallinità, 75-85%, e temperatura di fusione superiore di
165-175 °C. L'elevata cristallinità conferisce ottima
resistenza meccanica, rigidezza e stabilità dimensionale. Il
basso assorbimento di umidità e coefficiente di attrito, la
resistenza all'abrasione, la scarsa sensibilità a solventi e la
temperatura di servizio di circa 100 °C rendono questo
materiale una valida alternativa al nylon in applicazioni
motoristiche quali ingranaggi, pulegge, cuscinetti non
lubrificati, guide, camme, viti. Le resine acetaliche sono
impiegate come omopolimero (POM) o come copolimeri
che, rispetto all'omopolimero, presentano migliore
stabilità termica, maggiore flessibilità e deformabilità,
minore assorbimento di umidità, anche se a spese di
inferiori caratteristiche di resistenza statica, a fatica e a
impatto.
La Tabella 28.1 riporta alcune caratteristiche
meccaniche di queste classi di polimeri; va tuttavia
considerato che le proprietà specifiche di un materiale
possono risultare modificate dall'aggiunta di additivi.
28.1 Le poliammidi. I Nylon
I
l nome nylon, che originariamente definiva una
serie di materiali commerciali prodotti da DuPont,
viene ora comunemente utilizzato con riferimento ai
polimeri poliammidici (PA) in generale. Le
poliammidi vengono ottenute per policondensazione di
diammine e diacidi organici oppure a partire da
monomeri aventi sia una funzionalità amminica che
acida. Le diverse PA si differenziano quindi per il
numero di atomi di carbonio dei monomeri; si
ottengono quindi nylon 6, nylon 6/6, nylon 6/12 e cosi
via. Le poliammidi sono polimeri semicristallini,
tenaci, con basso coefficiente di attrito, che si prestano
ad applicazioni tecniche quali cuscinetti a scorrimento,
ingranaggi, pulegge.
Le resine acetaliche vengono processate con le comuni
tecniche di stampaggio ed estrusione dei polimeri;
possono essere facilmente lavorate per asportazione.
L'aggiunta di cariche o di modificanti fluorurati consente
di migliorare ulteriormente la resistenza ad usura e la
scorrevolezza.
Grazie alla presenza della fase cristallina, le
poliammidi si prestano ad operazioni di filatura che
producono fili ad alta resistenza e tenacità; questi, oltre
ai comuni utilizzi tessili, sono impiegati anche come
rinforzi tecnici e armature per tubi in pressione,
cinghie di trasmissione, rinforzi per pneumatici.
28.3 I poliesteri termoplastici
D
ella classe dei poliesteri trovano estese applicazioni
sia materiali termoplastici che termoindurenti. Tra i
termoplastici, il polietilentereftalato (PET), e a seguire il
polibutilentereftalato (PBT), sono quelli di maggiore
diffusione.
I nylon presentano Tg relativamente bassa (50/60 °C),
al di sopra della quale avviene una riduzione di
modulo elastico; tuttavia la fase cristallina, con
temperature di fusione a 220/260 °C, consente di
mantenere resistenze e rigidezze apprezzabili anche a
temperature più elevate.
Il PET è un materiale semicristallino, con temperatura di
fusione di 260-270 °C e temperatura di transizione vetrosa
di 65-75 °C. Anche a seguito della lenta velocità di
cristallizzazione, le molecole del polimero mantengono
facilmente l’orientamento imposto durante i processi
tecnologici. Questo consente di ottenere elevate proprietà
meccaniche nello stato orientato (fibre, film). La
cristallinità rende il materiale normalmente traslucido;
tuttavia il controllo delle dimensioni dei cristalli permette
di ottenere film e fogli notevolmente trasparenti.
Un fattore di rilievo per le poliammidi è rappresentato
dal marcato assorbimento di acqua, che può
raggiungere diverse unità percentuali e, se da una parte
ha effetto plasticizzante con aumento della tenacità e
flessibilità, dall'altra comporta una limitata stabilità
dimensionale per componenti sottoposti a variazioni di
umidità ambientale.
I poliesteri termoplastici presentano basso assorbimento di
umidità e buona stabilità dimensionale. Peraltro, anche
piccole quantità di umidità comportano facile
degradazione del fuso durante la produzione. Trova
impiego in forma di fibre, di film, di massa da
stampaggio. Le fibre sono usate estesamente nell’industria
tessile, ma, grazie all’ottima tenacità, trovano alcuni
impieghi anche come rinforzi in compositi. Film in PET
vengono impiegati come pellicole da imballaggio e film
distaccanti anche in applicazioni biomediche, grazie alla
sterilizzabilità. L’impiego di copolimeri amorfi consente
Una particolare classe di poliammidi aventi unità
aromatiche in catena, le arammidi, presentano
caratteristiche liquido cristalline con proprietà uniche
nell'ambito dei polimeri. La presenza di anelli
benzenici e la struttura molecolare particolarmente
rigida conferiscono grande resistenza termica e
permettono di ottenere fili di elevatissima resistenza
che trovano applicazioni in rinforzi per compositi e
protezioni balistiche. I polimeri liquido-cristallini e le
2
una trasparenza superiore. Film in PET (Mylar ®)
eventualmente metallizzati superficialmente, trovano
applicazione nelle coperte multistrato di protezione e
isolamento termico per componenti spaziali (MLI multilayer insulation) e in strutture dispiegabili.
possono attivare la formazione di crazes rendendo il
materiale fragile.
Il policarbonato richiede temperature di lavorazione
notevolmente superiori alla sua Tg. A causa della notevole
viscosità del fuso sono richieste temperature di
stampaggio anche maggiori di 300°C; peraltro la
degradazione anche ad alta temperatura è limitata, grazie
alla notevole stabilità termica.
L’uso più comune del PET è senz’altro quello dei
contenitori alimentari e delle bottiglie per acqua e
bibite, in cui vengono sfruttate le doti di resistenza
meccanica, bassa permeabilità all’anidride carbonica,
trasparenza, stabilità dimensionale e ambientale.
Poliesteri termoplastici possono essere facilmente
lavorati per asportazione e trovano impieghi tecnici in
ingranaggi e cuscinetti a strisciamento, viti e
accoppiamenti, coperture di protezione, grazie al basso
coefficiente di attrito e alla tenacità destinati ad
operare a temperature limitate.
Il PC può essere utilizzato in miscela con altri polimeri o
caricato con fibre e rinforzi per aumentarne ulteriormente
resistenza e rigidezza.
In campo aerospaziale, una delle principali applicazioni
del policarbonato è in finestre e calotte trasparenti (Figura
28.1).
28.5 I materiali acrilici. PAN, PMMA
P
28.4 Il policarbonato
oliacrilonitrile (PAN) e polimetilmetacrilato (PMMA)
sono i polimeri più comuni della famiglia degli
acrilici. PAN viene impiegato principalmente in miscela
con altri polimeri (SAN, ABS) o per la produzione di fibre
sintetiche. Fibre acriliche trovano largo impiego
nell'industria dei tessuti sintetici, ma vengono anche
impiegate come precursori nella produzione di fibre di
carbonio e grafite (vedi Cap.34).
I
l policarbonato (PC) è un polimero di
condensazione dotato di una struttura molecolare
piuttosto rigida, che comprende anelli aromatici.
Questa struttura conferisce ottime caratteristiche di
resistenza, tenacità, e stabilità termica. PC è un
polimero amorfo, che quindi si presenta con elevata
trasparenza, con Tg superiore a 140°C, temperatura
fino alla quale conserva ottime proprietà meccaniche e
che rappresenta il limite di utilizzo del materiale.
Queste caratteristiche rendono il policarbonato
materiale adatto a schermi e trasparenti, vetri
antiproiettile, protezioni da urti (caschi, elmetti),
strutture per elettrodomestici, DVD e computer, ecc.
La tendenza ad ingiallimento per effetto di prolungata
esposizione a raggi UV e la scarsa resistenza al graffio
del policarbonato rendono generalmente necessario
l'impiego di specifiche protezioni superficiali
Il PMMA (comunemente conosciuto col nome
commerciale di Plexiglas®), viene ottenuto per reazione di
addizione a partire da monomero metilmetacrilato
(MMA). Il polimero è amorfo, con Tg di circa 100 °C. Il
polimetilmetacrilato è una plastica rigida, resistente, con
buona stabilità dimensionale, ma fragile.
La caratteristica applicativa più importante è la
elevatissima trasparenza: PMMA presenta trasmittanza
ottica fino a 92%; inoltre è poco sensibile alle radiazioni
UV e all'invecchiamento ambientale in genere, così che le
doti di trasparenza sono mantenute nel tempo. Il PMMA
viene impiegato per vetri plastici, in sostituzione di vetro
ed è alternativo in molti usi con il policarbonato. Rispetto
a quest'ultimo presenta superiori doti di trasparenza e
stabilità ambientale, ma minore resistenza e tenacità, oltre
che minore costo. PMMA modificati presentano superiori
doti di tenacità, ma ridotta trasparenza. Viene anche
impiegato per la produzione di fibre ottiche polimeriche.
Anche il PMMA risulta sensibile al crazing per effetto di
esposizione a solventi clorurati, ma è resistente a soluzioni
alcaline e di acidi inorganici. PMMA può essere lavorato
con tutte le comuni tecniche di trasformazione dei
polimeri a temperature relativamente limitate (stampaggio
a 200/230 °C) ed è facilmente lavorabile in macchina per
asportazione; inoltre può essere impiegato in soluzione
con monomero per ottenere componenti per colata.
Componenti e lastre colate presentano ottime
caratteristiche di trasparenza e risultano esenti da
tensionamenti e distorsioni di lavorazione. PMMA,
insieme al policarbonato, viene impiegato per trasparenti
in campo aeronautico.
Figura 28.1 – Canopy in policarbonato del velivolo
militare F22- Raptor.
L'ottima resistenza e tenacità del PC possono risultare
sensibilmente ridotte a seguito di esposizione a
solventi e ad agenti aggressivi; in particolare alcoli,
solventi polari, solventi clorurati, soluzioni alcaline
3
largo impiego negli isolamenti elettrici in condizioni
critiche.
28.6 I polimeri fluorurati
I
polimeri fluorurati sono diversi dagli altri
tecnopolimeri in quanto il loro uso non è legato
primariamente alle loro prestazioni meccaniche, ma
solitamente alle particolari caratteristiche chimiche e
fisiche dovute alla presenza di fluoro. Il fluoro è
l’elemento più elettronegativo; attrae fortemente gli
elettroni, formando legami stabili con reattività
chimica molto bassa. Il rappresentante più comune di
questa classe, il politetrafluoroetilene (PTFE,
comunemente noto col nome commerciale di Teflon®)
ha una molecola semplice, costituita da una catena di
atomi di carbonio, su ciascuno dei quali sono legati
due atomi di fluoro (-(CF2-CF2)n-). Altri componenti
della serie hanno gli atomi di fluoro parzialmente
sostituiti con altri elementi (H, Cl, ecc.). In generale le
proprietà caratteristiche impartite dal fluoro sono tanto
più marcate quanto maggiore è il contenuto di questo
elemento. In generale la presenza di fluoro impartisce
inerzia chimica e termica (la decomposizione del
PTFE avviene a 500 °C), alta scorrevolezza
superficiale, bassissima adesività.
Le prestazioni meccaniche in termini di resistenza,
modulo,
durezza,
sono
relativamente
limitate,
confrontabili con quelli di comuni polimeri di largo
impiego (polietilene, polipropilene). La resistenza ad
abrasione può essere migliorata con aggiunta di fibre di
rinforzo (vetro, carbonio).
In campo aerospaziale i materiali fluorurati trovano
innumerevoli applicazioni, che includono guarnizioni,
sigillature, valvole, elementi di isolamento, diaframmi,
tubazioni, cavi. In campo spaziale, la particolare stabilità
chimica dei polimeri fluorurati li rende materiali primari
per rivestimenti superficiali a protezione da ossigeno
atomico.
Un particolare materiale fluorurato è rappresentato dal
Nafion® (DuPont), costituito da un polimero fluorurato
con gruppi sulfonici. Questi ultimi consentono al
materiale di assorbire acqua e consentire il passaggio di
protoni; per queste caratteristiche il Nafion è stato
impiegato come elettrolita polimerico in celle a
combustibile per la produzione di energia elettrica in
applicazioni spaziali sin dagli anni ’60.
PTFE è un polimero lineare cristallino, con
temperatura di fusione di 325 °C; tuttavia la
degradazione del materiale, che inizia a circa 260 °C
(temperatura massima di uso continuo) non consente
normalmente di raggiungere la fusione durante i
processi tecnologici, e impone alcune difficoltà di
lavorazione. Componenti in PTFE vengono
solitamente prodotti per sinterizzazione in stampo ad
alta temperatura (370 - 380 °C) o per asportazione di
truciolo a partire da semilavorati (tondi, lastre, tavole)
ottenuti per sinterizzazione. La sinterizzazione è
accompagnata da forti variazioni dimensionali, che
devono essere opportunamente considerate e
compensate. L’elevata cristallinità comporta anche
un’alta densità (2-2,3 g/cm3). Polimeri fluorurati con
minore contenuto di fluoro presentano temperature di
fusione inferiori e possono essere processati con le
convenzionali tecniche di stampaggio ed estrusione,
ma presentano prestazioni chimiche e fisiche inferiori
rispetto a PTFE.
28.7 I polimeri
prestazioni
termoplastici
con
alte
Q
uesti materiali si distinguono dai polimeri riportati in
precedenza a causa delle prestazioni eccezionali in
una o più proprietà caratteristiche, in genere mantenute
fino a temperature elevate. La loro scelta in applicazioni
specifiche è spesso obbligata, anche se associata a costi
rilevanti.
Tutti i polimeri di questa categoria sono formati da
molecole dotate di anelli benzenici (aromatici) in catena
legati con diversi gruppi funzionali o atomi. La loro natura
fortemente aromatica conferisce alta resistenza meccanica
e tenacità, stabilità termica e chimica, bassa
infiammabilità. Molti di questi polimeri termoplastici
vengono caricati con fibre corte o impiegati come matrici
in compositi a fibra lunga, solitamente a base di fibre di
vetro o carbonio; in questa forma sono competitivi con i
compositi a matrice termoindurente in applicazioni
avanzate quali quelle aerospaziali, elettroniche, sportive,
biomediche.
I polimeri fluorurati sono inerti nei confronti di quasi
tutte le sostanze, presentano ottima resistenza alle alte
temperature, scarsissima adesione con altri materiali
ed hanno coefficiente di attrito estremamente basso. Il
coefficiente di attrito del PTFE, pari a 0.05-0.10,
risulta il più basso tra i materiali industriali.
I polimeri per alte prestazioni vengono distinti in base al
tipo di molecola che costituisce la catena polimerica
principale.
Oltre che nei comuni usi domestici, rivestimenti con
polimeri fluorurati trovano impiego in componenti a
contatto con solventi e sostanze aggressive anche a
temperature elevate, rivestimenti di serbatoi, tubazioni
e guarnizioni che operano in condizioni estreme.
Nei polifenileni la catena molecolare è costituita da anelli
benzenici uniti da un atomo di ossigeno come nel
polifenilenetere (PPE), più comunemente denominato
polifenilenossido (PPO), o di zolfo come nel
polifenilensolfuro (PPS) (Figura 28.2).
I fluoropolimeri sono intrinsecamente autoestinguenti
e presentano resistività elettrica molto elevata; trovano
4
lavorazione in grado di operare a temperature non comuni.
Si presta a lavorazioni per asportazione.
PEEK viene utilizzato come matrice termoplastica di
compositi per alte prestazioni di interesse aerospaziale ed
elicotteristico in alternativa a compositi a matrice
termoindurente. L’interesse del settore aerospaziale per
questo materiale sin dalla sua iniziale disponibilità sul
mercato ha contribuito alla sua diffusione anche per
applicazioni avanzate diverse. Viene impiegato per la
produzione di componenti motoristici, pompe, tubazioni,
rivestimenti destinati ad operare in condizioni estreme per
temperatura e/o presenza di agenti aggressivi. I principali
settori applicativi dei poliarilchetoni sono quello
aerospaziale, militare, elettronico, biomedico.
Figura 28.2 – Struttura molecolare di PPO e PPS.
Sono dotati di ottima stabilità termica e resistenza alla
fiamma.
PPS è un materiale termoplastico, semicristallino, con
temperatura di fusione di 285 °C con ottima stabilità
termica, chimica e dimensionale; queste caratteristiche
possono essere ulteriormente migliorate a seguito di
trattamento termico e reticolazione successiva allo
stampaggio. È resistente a praticamente tutti i solventi,
fluidi idraulici e combustibili di interesse
automobilistico ed aeronautico fino a 200 °C. Viene
impiegato per la produzione di componenti meccanici
e idraulici quali valvole, pompe, rivestimenti protettivi
in
campo
motoristico,
per
componenti
elettrici/elettronici, strumenti chirurgici. Può essere
prodotto in film, fili e tessuti resistenti ad aggressivi
chimici e alte temperature. Inoltre viene utilizzato
come matrice in compositi caricati con fibre di vetro e
carbonio.
I polisulfoni sono caratterizzati dalla presenza di gruppi
sulfonici (SO2) nella catena (Figura 28.4) che, come i
gruppi chetonici nel PEEK, conferiscono rigidezza e
resistenza alla catena polimerica. Il polisulfone (PSU) e il
polieteresulfone (PES) sono polimeri amorfi, trasparenti,
con Tg superiore a 180 °C, a cui si approssima la
temperatura di uso continuo. Possiedono ottima stabilità
dimensionale e a creep, anche a temperatura relativamente
elevata; per questo trovano applicazione in componenti
motoristici e a contatto continuo con acqua calda e vapore.
Vengono impiegati come matrici di compositi
termoplastici e risultano competitivi con compositi
termoindurenti e metalli in termini di lavorabilità e costi
di lavorazione. Sono sensibili al contatto con diversi
solventi che possono indurre crazing e variazione di
proprietà fisiche e ottiche.
PPO ha un bassissimo assorbimento di umidità e
ottima resistenza ai solventi. Miscele di PPO con
polistirene rappresentano un caso raro di polimeri con
perfetta miscibilità e trovano applicazioni per
componenti automobilistici di elevata tenacità e
stabilità termica e dimensionale.
I poliarilchetoni, tra i quali il polietere-etere-chetone
(PEEK) è il principale rappresentante, sono costituiti
da sequenze di anelli benzenici uniti da atomi di
ossigeno (gruppi eterei) e gruppi chetonici (=CO)
(Figura 28.3).
Figura 28.4 – Struttura molecolare di PSU e PES.
Ai materiali polimmidici appartengono i polimeri con le
più alte caratteristiche di resistenza alla temperatura.
Poliimmidi termoplastiche (PI) oltre che termoindurenti
trovano impieghi in campo aerospaziale per applicazioni
che richiedono temperature di utilizzo anche superiori a
250-300 °C. La presenza in catena di gruppi immidici
aromatici (Figura 28.5) conferisce grande rigidezza e
stabilità termica all’intero polimero. Diverse poliimmidi
termoplastiche hanno temperature di transizione vetrosa
molto elevate, superiori a 300-330 °C, superiori a quelle
di tutti gli altri termoplastici. L’elevata temperatura di
rammollimento, prossima alla degradazione, di alcune PI
rende difficile la loro formatura, che quindi viene ottenuta
per sinterizzazione.
Figura 28.3 – Struttura molecolare di PEEK.
PEEK è un polimero semicristallino, con Tg di 143 °C
e temperatura di fusione superiore a 340 °C (e
superiore nei gradi ad alta cristallinità). È
estremamente stabile chimicamente, insolubile in quasi
tutti i solventi, resistente agli acidi e al fuoco. Grazie
alla cristallinità relativamente elevata (>30 %)
mantiene ottime doti di resistenza e rigidezza anche a
temperature ben superiori a Tg. Può essere formato
con le comuni tecnologie dei termoplastici, ma
l’elevata temperatura di fusione richiede attrezzature di
5
classe è il Kevlar® (DuPont). I cristalli liquidi polimerici
possiedono unità ripetitive particolarmente rigide nella
catena, che portano alla formazione di una organizzazione
ordinata, cristallina, già nella fase liquida. Durante il
processo i domini liquido-cristallini assumono
direzionalità e il loro orientamento viene mantenuto nella
solidificazione, rendendo il materiale fortemente
anisotropo e autorinforzato. La fase cristallina agisce da
rinforzo in modo simile a quanto avviene a seguito di
aggiunta di fibre; il materiale può tuttavia essere
ulteriormente caricato con fibre.
Nelle poliammidi-immidi (PAI) sono presenti in catena
anche gruppi ammidici che conferiscono maggiore
flessibilità, tenacità e processabilità. Ad esempio,
Torlon® (Solvay), è in grado di mantenere proprietà
strutturali fino a 260 °C (Tg 280 °C), pur essendo
processabile per stampaggio o estrusione.
Nella polietereimmide (PEI), come ad esempio Ultem®
(GE Plastics), la Tg di 220 °C (il materiale è amorfo),
consente le comuni lavorazioni dei termoplastici,
anche se l’elevata viscosità del fuso richiede
temperature di lavoro piuttosto elevate (350-400 °C).
La sua stabilità termica, la resistenza alla maggior
parte dei solventi, la bassa infiammabilità e il costo
inferiore alle altre PI ne consentono l’uso in molte
applicazioni sia allo stato di solo polimero che di
composito con fibre di vetro o carbonio.
Tabella 28.2 – Caratteristiche termiche e applicazioni di
alcuni polimeri di interesse ingegneristico.
Polimero
PI, PAI, PEI trovano impieghi in campo motoristico,
ingranaggi, cuscinetti, elementi di scorrimento a basso
attrito, film e rivestimenti resistenti ad alte temperature
e agenti aggressivi, componenti biomedici. Peraltro,
alcune poliimmidi, anche termoplastiche, possono
risultare critiche per la loro tossicità soprattutto
durante la lavorazione o a seguito di contatto continuo.
Materiali poliimmidici termoplastici e termoindurenti
di elevatissime prestazioni termiche sono stati
sviluppati dai laboratori LARC-NASA nel corso di
anni recenti. La difficoltà produttiva, legata in gran
parte alla tossicità del processo, e gli scarsi campi
applicativi hanno tuttavia limitato e spesso impedito a
molti di questi materiali di raggiungere lo stadio
commerciale.
PA 66
Tg
(°C)
57
Tm
(°C)
265
POM
-
160/175
PET
65
265
PC
150
-
PMMA
105
-
PTFE
-
320
PPS
85
285
PEEK
143
343
PES
220
-
PEI
220
-
PBI
413
-
LCP
-
280/320
Figura 28.5 – Struttura molecolare del gruppo immidico
aromatico.
Il polibenzimidazolo (PBI) ha una struttura molecolare
derivata dalle poliimmidi e possiede caratteristiche di
resistenza termica eccezionali. È in grado di sostenere
temperature di utilizzo continuo superiori a 420 °C e,
per brevi periodi anche oltre 750 °C. Come le più
comuni poliimmidi, è resistente ad agenti aggressivi
come acidi, basi, solventi organici, combustibili. Fibre
e tessuti in PBI trovano impiego in materiali di
protezione alla fiamma quali guanti, coperte, vestiti
protettivi. Può essere formato in stampo e lavorato per
asportazione. Possiede eccellenti caratteristiche
meccaniche, basso coefficiente di attrito, scarsa
adesività con altri polimeri, anche allo stato fuso.
Una particolare classe di materiali polimerici è quella
dei polimeri liquido-cristallini (LCP). Il materiale di
interesse ingegneristico più noto appartenente a questa
Applicazioni
principali
Ingranaggi, fili, film
cuscinetti, boccole,
isolanti
Ingranaggi, boccole,
guide, supporti e
componenti meccanici
Contenitori
alimentari, film,
tessuti, rinforzi per
pneumatici, boccole e
guide, cuscinetti e
ingranaggi,
ed elettrici
Trasparenti, caschi,
protezioni antiurto,
schermi e diffusori
ottici, CD, coperture
edili
Trasparenti, lenti,
coperture edili
Rivestimenti
antiaderenti e
antiattrito, cuscinetti e
boccole, tubazioni,
guarnizioni, isolanti
elettrici/termici
Componenti
meccanici ed elettrici,
pompe e valvole,
compositi,
rivestimenti
Compositi,
componenti
meccanici, elettronici,
biomedici,
rivestimenti
Componenti
meccanici ed elettrici,
tubazioni, compositi,
rivestimenti
Film, rivestimenti,
compositi,
Fibre, film,
rivestimenti,
Fibre, film, compositi,
componenti
meccanici, biomedici,
elettronici
6
La formazione della fase liquido cristallina può
avvenire in specifiche condizioni di temperatura (LCP
termotropici) oppure in soluzione in specifiche
condizioni di concentrazione (LCP liotropici). Le
caratteristiche del Kevlar (liotropico) saranno descritte
nel Cap.34.
Polimeri termotropici processabili dal fuso possiedono
eccellenti caratteristiche di resistenza e rigidezza,
basso coefficiente di espansione termica e di ritiro in
stampo, resistenza alle alte temperature e al fuoco.
Figura 28.8 – Isolamento termico multistrato (MLI)
costituito da film di kapton metallizzato.
Come si è già accennato, la maggior parte di questi
materiali è stata sviluppata a seguito delle esigenze
dell’industria aeronautica e spaziale. Successivamente,
grazie alle loro elevate prestazioni, gli impieghi si
sono estesi anche ad altri settori industriali, primi fra
tutti quello automobilistico e quello elettronico.
Mentre in alcuni casi il più esteso utilizzo ha
consentito una sostanziale riduzione dei costi di
produzione e una conseguente maggiore diffusione
commerciale, in altri casi le produzioni sono rimaste
limitate a settori di nicchia o sono state addirittura
sospese.
Bibliografia
[1]
Askeland, D.R.,
“The Science and Engineering of Materials” 3a ed.
Chapman and Hall, 1996
[2]
Brent Strong, A.,
“Plastics - Materials and Processing”
Prentice-Hall, 1996
[3]
La Tabella 28.2 riassume le principali caratteristiche
termiche e i principali campi applicativi di alcuni
polimeri termoplastici di interesse ingegneristico.
Nelle Figure 28.6-28.8 sono mostrati alcuni esempi
applicativi di polimeri termoplastici e compositi con
matrici termoplastiche in campo aeronautico e
spaziale.
Saechtling, H.,
“Manuale delle materie plastiche”
Tecniche Nuove, 2009
Figura 28.6 – Pannello di pavimento (sinistra) e
componente primario di coda (destra) di elicottero in
composito grafite/PEEK.
Figura 28.7 – Timone di coda di un velivolo Gulfstream
650 in composito carbonio/PPS.
7

CAPITOLO 28 TIPOLOGIE DI POLIMERI TERMOPLASTICI

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