1 MATERIALI NON METALLICI • Materie plastiche

MATERIALI NON METALLICI
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Materie plastiche
CLASSIFICAZIONE
Le materie plastiche si dividono in due grandi categorie: resine termoplastiche e termoindurenti.
1) Resine termoplastiche
Le resine termoplastiche sotto l’azione del calore rammolliscono e, quindi, diventano fluide.
Esse hanno macromolecola lineare.
Tra le più importanti ricordiamo le:
- resine acriliche (es.: plexiglas)
“ polipropioniche (es.: moplen)
“ viniliche (es.: vipla)
“ poliviniliche (PVC)
“ polietileniche (PET)
2) Resine termoindurenti
Le resine termoindurenti sotto l’azione del calore, dapprima rammolliscono, poi induriscono
irreversibilmente: al di sopra di una certa temperatura si carbonizzano ma non tornano allo stato
plastico.
Esse hanno macromolecole reticolate.
Tra le più importanti ricordiamo le:
- resine fenoliche (es.: bachelite)
“ poliestere (hanno come materia prima il polistirolo)
“ poliuretaniche
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Caratteristiche ed impieghi delle materie plastiche
Le caratteristiche delle materie plastiche sono talvolta differenti a seconda che si tratti di resine
termoplastiche o di resine termoindurenti.
In generale, le materie plastiche hanno:
- Basso valore della massa volumica (0,9 ÷ 1,8 kg/dm3)
- Facilità di lavorazione per deformazione plastica, per fusione e per asportazione di truciolo
- Buona resistenza agli agenti atmosferici ed agli acidi
- Buone caratteristiche autolubrificanti
- Scarsa resistenza a trazione (10 ÷ 90 N/mm2)
- Limitata resistenza al calore (40 ÷120 °C)
- Scarsa resistenza alle basse temperature
- Scarsa durezza
- Buona resistenza agli urti (termoplastiche)
- Scarso modulo elastico (E = 7 000 [N/mm2] per le fenoliche novalacche, 1 000 [N/mm2] per le
termoplastiche polietilene a. d.)
- Allungamento buono per le termoplastiche (100 %), scarso per le termoindurenti (1,5 %)
- Elevato valore del coefficiente di dilatazione termica (90 · 10-6 [1/°C])
- Bassa conducibilità termica (Es.: polietilene 0,34 ÷ 0,52 [J/m · s · °C])
- Buone proprietà isolanti (scarsa conducibilità elettrica)
- Buona saldabilità nel caso delle materie termoplastiche
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Lavorazioni delle materie plastiche
Le materie plastiche si prestano bene ad essere lavorate per asportazione di truciolo, per
stampaggio e ad essere saldate.
Alle macchine utensili si possono
ottenere pezzi finiti partendo da
semilavorati (barre o piastre) in nylon,
teflon, plexiglas … Si fabbricano così,
per esempio, anelli, boccole, ruote,
rulli, perni ecc,
Molto utilizzata è la lavorazione di
stampaggio a iniezione, che consiste
nell’iniettare sotto pressione la materia
plastica
(termoplastica
o
termoindurente), rammollita e fusa all’interno di un cilindro, dentro appositi stampi chiusi.
Le materie termoplastiche possono anche essere saldate. I sistemi di saldatura sono diversi. Le
materie plastiche non vengono fuse ma solamente rammollite mediante una sorgente di calore che è
aria calda a circa 300 °C (phon).
Molto diffusa è anche la saldatura ad ultrasuoni, che sfrutta il moto vibratorio prodotto sulle
superfici da unire e quindi l’attrito che si genera tra di esse, che produce il calore sufficiente a
fonderle localmente.
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Materiali compositi
Sono oggi richiesti materiali ad elevate proprietà meccaniche, permanenti anche a temperature
medio-alte, accompagnate a caratteristiche di leggerezza e, possibilmente, a costi contenuti.
Fra questi materiali innovativi assumono particolare importanza i materiali compositi.
PROPRIETÀ MECCANICHE DI ALCUNI COMPOSITI –
CONFRONTO CON ACCIAIO E LEGA DI ALLUMINIO
Massa volumica
Resistenza a rottura
Modulo elastico
COMPOSITO
[kg/dm3]
[N/mm2]
[N/mm3]
VETRORESINA
2
1 400
48 000
CARBORESINA
1,6
1 000
220 000
ACCIAIO
7,7
1 100
210 000
LEGA LEGGERA
2,7
400
77 000
Vantaggi dei compositi:
-
basso peso
assenza di corrosione
elevata rigidità
elevata resistenza
Svantaggi dei compositi:
-
necessità di progettazione specifica
poche conoscenze sulla durata per tempi molto lunghi
costi superiori ai materiali tradizionali
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Applicazioni dei compositi:
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aeronautica (alianti, aviogetti …)
costruzioni navali e marine (canoe, barche …)
applicazioni sportive (sci, racchette da tennis, bob, aste per salto in alto, carrozzeria auto da
corsa, canne da pesca …)
guide per macchine utensili …
Gomme, conglomerati, isolanti
Le gomme sono materiali caratterizzati da un elevato
allungamento ed un rapido ritorno. Le gomme possono
essere naturali o sintetiche. Esse hanno basse caratteristiche
meccaniche e sono utilizzate per la preparazione di collanti
e mastici; le gomme sono utilizzate come elementi
antivibranti (es.: ruote di carrelli), per guarnizioni di tenuta
(anelli), tappeti antiscivolo ecc.
I conglomerati sono miscele omogenee nelle quali il
legante tiene uniti materiali lapidei chiamati inerti o
aggregati. Se l'impasto è costituito da cemento, sabbia e
acqua si hanno le malte cementizie, se si aggiunge anche
ghiaia o pietrisco si ottiene il calcestruzzo. Talvolta alle malte si aggiunge anche calce idraulica. Il
cemento normalmente usato nelle malte cementizie è il Portland.
Il calcestruzzo, quindi, è un impasto di cemento, acqua e sabbia o ghiaia di varie dimensioni.
Esso è utilizzato in alternativa ai mattoni per la costruzione di fondamenta, murature e solette
soggette a sforzi di compressione.
La quantità di elementi va scelta in funzione della resistenza che il calcestruzzo deve possedere.
Una composizione tipo potrebbe essere:
-
cemento = 300 [kg]
sabbia = 0,4 [m3]
ghiaia = 0,8 [m3]
acqua = 120 [l]
I materiali isolanti (o dielettrici) si caratterizzano per l’elevatissima resistenza al passaggio
della corrente elettrica. Tra essi ricordiamo:
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il vetro, utilizzato nelle linee aeree a bassa tensione
la porcellana, utilizzata nelle linee aeree ad alta tensione, negli interruttori, in portalampade
e fusibili
materie plastiche, utilizzati nei rivestimenti di cavi, supporti …
Materiali ceramici
I materiali ceramici tradizionali sono prodotti con tre componenti base:
- argilla
- silice
- feldspato
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I materiali ceramici avanzati sono composti “puri” o “quasi puri” formati soprattutto da ossidi,
carburi o nitruri. Alcuni dei più importanti materiali ceramici avanzati sono:
- Allumina (Al2 O3)
- Nitruro di silicio (Si3 N4)
- Carburo di silicio Si C
- Zirconia Zr O2
I materiali ceramici “strutturali” sono una nuova classe di materiali che alle caratteristiche dei
ceramici tradizionali quali:
- resistenza alle alte temperature
- resistenza agli agenti ambientali
- durezza
Uniscono:
- buona resistenza meccanica
- elevata resistenza all’usura
- buona stabilità dimensionale
Attualmente i materiali ceramici strutturali trovano applicazione, oltre che in elettronica,
telecomunicazioni ed ottica, in vari campi della progettazione meccanica quali:
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scambiatori di calore
motori termici volumetrici
turbine a gas
cuscinetti a rotolamento
formatura dei metalli
rivestimenti
biomeccanica
applicazioni militari
Vetri e refrattari
Il vetro è un materiale molto utilizzato per la sua durezza e scarsa reattività. Molti oggetti di uso
comune sono di vetro, come bicchieri, scodelle, bottiglie, lampadine, specchi, tubi catodici per
televisori e monitor, oltre alle finestre.
Con il termine cristallo viene indicato un vetro pregiato con il quale si producono articoli per la
casa, calici, bicchieri e altri prodotti di elevata qualità. Le caratteristiche principali che distinguono
il cristallo dal vetro comune sono la particolare lucentezza (dovuta all'indice di rifrazione più
elevato) e la "sonorità" (particolarmente apprezzata nei calici). Il cristallo viene ottenuto
aggiungendo ossido di piombo (PbO) alla miscela silicea.
Nei laboratori di chimica, fisica, biologia e altri campi, flaconi, vetrerie per analisi, lenti e altri
strumenti sono fatti di vetro. Per queste applicazioni è spesso utilizzato un vetro con borosilicati (o
vetro Pyrex), a causa della maggiore robustezza e minore coefficiente di dilatazione termica, che
garantisce una buona resistenza agli shock termici e maggiore precisione nelle misure ove si hanno
riscaldamenti e raffreddamenti. Per alcune applicazioni è richiesto il vetro di quarzo, che è però più
difficile da lavorare.
I refrattari sono materiali non metallici aventi una temperatura di fusione maggiore o uguale a
1500 [°C].
Sono costituiti generalmente da miscele di ossidi metallici aventi:
- inalterabilità alle alte temperature
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- resistenza agli sbalzi di temperatura
- resistenza all’attacco chimico
Per quanto riguarda la composizione chimica, si possono avere refrattari in
- silice (ossido di silicio Si O2), resistente fino a 1540 °C
- allumina (Al2 O3), resistente fino a 1850 °C
- silico-alluminosi, resistenti fino a 1450 °C
- dolomite (carbonato di calcio e magnesio [Ca Mg (C O3)2], resistente fino a 2 000 °C
- …
Sono impiegati nella costruzione di forni, crogiuoli ed in tutte quelle parti di apparecchiature
che devono sopportare elevate temperature.
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Legno
Il legno è un materiale naturale che si ricava dai tronchi degli alberi.
Esso è caratterizzato da buona resistenza in rapporto al modesto peso, buona lavorabilità,
aspetto gradevole, discreta reperibilità, semplicità di collegamento tra diversi elementi, buona
elasticità e capacità di assorbire urti.
Esso viene utilizzato sia come combustibile sia come materiale da costruzione nelle industrie
edili e dell’arredamento.
Dopo il taglio e la stagionatura, che può essere naturale o artificiale, si ottengono i semilavorati
commerciali (travi, travetti, tavole …).
I semilavorati vengono assemblati per la costruzione di strutture più complesse mediante
giunzioni ottenute con colle, chiodi, piastre, viti o bulloni. Quando la struttura è sottoposta a sforzi
elevati, si ricorre agli incastri a coda di rondine sempre rinforzati con colle, chiodi o viti.
I principali derivati del legno sono:
- compensati
- paniforti
- fibre di legno
- truciolati
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