Comportamento meccanico dei polimeri

Comportamento meccanico
dei polimeri
Proprietà meccaniche dei Polimeri
Il comportamento meccanico può essere molto
diverso a seconda della tipologia del polimero.
In generale tre comportamenti principali:
- elastico (fragile):
- elasto-plastico:
- altamente elastico:
TERMOINDURENTI
TERMOPLASTICI
ELASTOMERI
Alla luce di quanto visto siamo in grado di
correlare tali caratteristiche alla struttura dei
diversi materiali polimerici.
Proprietà meccaniche dei Termoplastici
Data la maggiore variabilità delle caratteristiche meccaniche dei termoplastici, ne
analizzeremo in dettaglio alcune peculiarità.
Dipendenza dalla temperatura:
Polipropilene
Variazioni notevoli di:
- Modulo Elastico
- Resistenza
- Allungamento
Proprietà meccaniche dei Termoplastici
Dipendenza dal peso molecolare e dal grado di cristallinità:
Tutto il polimero subisce transizione vetrosa
Solo la parte amorfa subisce transizione vetrosa
Il peso molecolare influisce principalmente sulla Per elevati gradi di cristallinità comportamento
viscosità e sulla temperatura di fusione, e, come resistente fino a fusione.
già descritto sulla Tg.
Deformazione dei Termoplastici
Deformazione elastica:
Deformazione plastica:
- Stretching dei legami intramolecolari
- Rotazione dei legami
- Scorrimento intermolecolare
Deformazione dei Termoplastici
Amorfi
Strizione:
-La strizione si manifesta con
l’allineamento delle catene nella
direzione dello sforzo;
- data la maggiore vicinanza fra le
molecole e quindi legami di Van
der Waals più forti tale regione è
la più resistente del polimero
- la strizione non si concentra ma
si estende a tutto il materiale
Tale meccanismo è sfruttato nella produzione di fibre in polimeri (stiro a freddo):
Le fibre presenteranno resistenza maggiore del materiale originario
Deformazione dei Termoplastici
Semicristallini
Presenza delle sferuliti altera il meccanismo dei polimeri amorfi:
-Deformazione elastica: deformazione collettiva delle sferuliti;
- deformazione plastica:
- sfaldamento delle sferuliti;
- allineamento delle zone amorfe
- frammentazione delle lamelle
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
Fin qui abbiamo detto che la deformabilità dei polimeri è pilotata dallo
scorrimento delle catene molecolari le une rispetto alle altre.
In realtà tale scorrimento prende una certa quantità di tempo:
- se applichiamo il carico lentamente le catene scorreranno facilmente;
- se applichiamo il carico velocemente le catene scorreranno con difficoltà.
Si dice quindi che i polimeri hanno un comportamento VISCOELASTICO:
- bassa velocità di deformazione o alta temperatura
- alta velocità di deformazione o bassa temperatura
⇒
⇒
alta duttilità
bassa duttilità
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
Prova di Creep:
- Carico costante
- Deformazione vs tempo
Prova di Rilassamento degli sforzi:
- Deformazione costante
- Sforzo vs tempo
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
Creep
Utile in fase di progettazione:
Correlazione fra sforzo,
deformazione e tempo per
curve isostress
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
Rilassamento degli sforzi
 t
σ = σ 0 exp − 
 τ
Decadimento esponenziale
τ = tempo di rilassamento
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
E
Elastico
Viscoso
Legge di Hook
Legge di Newton
σ = E ⋅ε
σ = η ⋅ ε&
E: modulo elastico
η: viscosità
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
Modello di Kelvin (o di Voigt)
σ0

−t /τ
(
t
)
1
e
=
⋅
−
ε

E

τ = η

E
(
σ = E ⋅ ε + η ⋅ ε&
)
Deformazione dei Termoplastici
dipendente dal tempo
Alcuni fra i modelli più usati:
Modello di Maxwell
Modello di Voigt
Modello
Standard Linear Solid (SLS)
Elastomeri
•
Gli elastomeri hanno un comportamento peculiare. Infatti, come visto in
precedenza, la forza da essi esercitata è una funzione crescente della T
(nei limiti di utilizzo del materiale). Con riferimento ad un cubo di lato L0, e
di volume V, di un elastomero di modulo elastico a taglio G, si può
dimostrare che l’energia W può essere espressa da: