1 MATERIALI NON METALLICI • Materie plastiche
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1 MATERIALI NON METALLICI • Materie plastiche
MATERIALI NON METALLICI • 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 • 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 1 • 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. • 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 2 Applicazioni dei compositi: • 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: • 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 3 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: • 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 4 - 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. • 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 5