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Descrivere la prova di creep e il comportamento dei polimeri: creep -> sforzo costante nel tempo. Il polimero sottoposto alla prova risente di una deformazione elastica correlata dalla legge di Hook al crescere dello sforzo (1). Quando lo sforzo diviene costante, il polimero non si comporta come un metallo (ovvero sforzo costante – deformazione nulla (2)), ma ha un aumento non lineare delle proprie dimensioni (3). Questo è dovuto alla presenza degli entanglements fra le catene. Questi nodi, nel tempo, sotto l’azione dello sforzo vengono “sciolti”, facilitando la mobilità delle catene portando il polimero ad un aumento delle dimensioni. Lo sforzo iniziale, troppo veloce per lo scioglimento dei nodi, porta il polimero ad essere un classico materiale elastico (ovvero che segue la relazione sforzo = E*deformazione), mentre l’applicazione nel tempo porta il polimero a comportarsi da materiale viscoso (descritto dalla legge di Newton). Modello di Voight-Kelvin per la descrizione della prova di creep: la parte elastica e la parte viscosa vengono messe in parallelo, sforzo = E * deformazione sforzo = viscosità * deformazione nel tempo si risolve il differenziale e si ottiene il modello Descrivere la prova di rilassamento degli sforzi e il comportamento dei polimeri: rilassamento degli sforzi -> deformazione costante nel tempo Il polimero posto a deformazione costante risente in un primo tratto un andamento lineare seguendo la legge di Hook, dove lo sforzo aumenta in modo lineare con la deformazione (1). A deformazione costante, sussegue un rilassamento degli sforzi, dove lo sforzo diminuisce nel tempo (2) (mentre nei materiali elastici rimarrebbe costante sino alla fine dell’applicazione della deformazione (3)). Lo sforzo può arrivare ad annullarsi, nel caso di assenza di reticolazione. Questo avviene perché fra le catene sono presenti gli entanglements, che, sottoposti a deformazione nel tempo, si sciolgono, aumentando il moto delle catene, che possono formare una nuova conformazione, andando a diminuire le tensioni interne, annullando lo sforzo. Nel caso di reticolazione, gli entanglements reticolati non riescono a sciogliersi, impedendo il raggiungimento dello sforzo nullo. Si può utilizzare il modello di Maxwell per la descrizione della prova: parte elastica e viscosa sono messi in serie, portando ad avere la seguente relazione fra deformazione e sforzo: Definire la viscosità di un fluido e i materiali newtoniani e non newtoniani: La viscosità di un fluido è la caratteristica del fluido di opporsi ad una deformazione imposta al fluido stesso. Vi sono due tipi di comportamento:
- Materiali che seguono la legge di Newton, detti Newtoniani: sforzo = viscosità * deformazione nel tempo, quindi viscosità costante o Binghan: è necessario uno sforzo iniziale prima che la viscosità rimanga costante alla variazione dello sforzo
- Materiali che non seguono la legge di Newton, detti non Newoniani, dove la viscosità non rimane costante: o Pseudoplastici: all’aumentare dello sforzo la viscosità diminuisce (tipico dei polimeri fusi) o Dilatanti: all’aumentare dello sforzo la viscosità cresce Descrivere i comportamenti non newtoniani dei materiali shear-dipendenti: All’aumentare dello shear rate, la viscosità dei materiali non newtoniani varia.
- Pseudoplastici: la viscosità diminuisce all’aumentare dello shear rate
- Dilatanti: la viscosità aumenta all’aumentare dello shear rate Il cambiamento della viscosità è dovuto al grado di ordine del materiale: più un materiale è ordinato (tendendo quindi alla completa struttura cristallina perfetta), più la viscosità aumenta. Questo perché in un materiale completamente amorfo, andando ad applicare una deformazione, le molecole si ricombinano con altre molecole, trovando però le stesse caratteristiche di disordine iniziale. In un materiale cristallino questo non avviene: alla deformazione, la struttura deve cercare un nuovo ordine attraverso uno stadio di
disordine, dando un abbassamento consistente della viscosità. Questo porta che nei materiali cristallini la viscosità decresce più velocemente che nei materiali amorfi, anche se ha valori assoluti maggiori. Questo è applicabile ai polimeri in termini di densità di nodi, peso molecolare, lunghezza delle catene, struttura del polimero tanti nodi, sistema molto rigido, ma appena si sciolgono minore viscosità che un sistema a pochi nodi. Pochi nodi, miglior adattamento alla nuova conformazione senza modifica delle viscosità. Descrivere la tipica curva viscosità in funzione della velocità di deformazione per un polimero: La curva, con assi in logaritmo, è suddivisibile in tre sezioni:
- (1) la viscosità rimane costante: la deformazione applicata non implica cambiamenti della viscosità, in quanto si hanno valori troppo bassi per lo scioglimento dei nodi. La struttura riesce a deformarsi senza cambiare la propria viscosità, ma riadattandosi in una nuova conformazione mantenendo gli stessi nodi
- (2) ginocchio: punto in cui la viscosità decresce in modo lineare con lo shear rate (in scala ln)
- (3) viscosità decresce: la viscosità decresce in quanto si ha lo scioglimento degli entanglements, portando la struttura polimerica a riordinarsi in nuove conformazioni La curva è descritta dalla legge di Carveu, con la quale si può determinare lo shear rate da applicare ad un macchinario (es estrusore (alta viscosità per autosostenere la struttura estrusa, iniezione, bassa viscosità per riempire lo stampo) Descrivere come e perché varia una tipica curva viscosità vs shear rate in funzione di diversi parametri (pm, distribuzione dei pesi, ramificazioni, temperatura): Peso Molecolare : all’aumentare del PM, la struttura del polimero presenta un aumento degli entanglements, aumentando la viscosità iniziale. Diventando una struttura a maggiore complessità, la viscosità tenderà a diminuire prima che per sistemi più semplici, in quanto l’applicazione di una deformazione provoca un adattamento alla nuova configurazione portando allo scioglimento di più entanglements, abbassando la viscosità. In sistemi più semplici, invece, a parità di deformazione, il sistema riesce a riadattarsi senza lo scioglimento dei nodi, non diminuendo la viscosità. Caratteristica tipica delle curve è un innalzamento della viscosità iniziale e un ginocchio spostato verso sinistra più il PM è elevato. Le curve ad alti shear rate tenderanno tutte con lo stesso andamento. Distribuzione dei pesi : si possono distinguere due casi:
- Catene polimeriche di egual lunghezza (1): il polimero perderà prima la viscosità in quanto si ha uno scioglimento di nodi più efficace che nell’altro caso
- Catene polimerica con diversa lunghezza (2): la viscosità decresce più lentamente in quanto il sistema riesce ad riadattarsi senza lo scioglimento degli entanglements Ramificazioni : più un polimero è ramificato più nodi saranno presenti, più a viscosità iniziale sarà alta e prima perderà la propria viscosità. Le curve non finiranno nello stesso punto. Ad alti shear rate, preso uno shear rate, il ramificato avrà viscosità minore che un non ramificato. Temperatura : l’aumento di temperatura diminuisce la viscosità del polimero, in quando viene fornita maggiore energia alle catene per lo scioglimento dei nodi. Il ginocchio si sposta verso destra e le curve ad alto shear rate tenderanno tutte ad avere lo stesso andamento. Una catena a minor temperatura ha una struttura più disordinata, complessa, che una struttura ad una temperatura maggiore, che sarà più “amorfa”, e quindi con viscosità iniziale minore, ma con una caduta di viscosità a shear rate più elevati. Descrivere uno degli effetti viscoelastici tipici dei polimeri che si verificano durante la trasformazione degli stessi: Effetto Weissenberg : l’effetto weissenberg è l’effetto che si ha quando un polimero sottoposto ad uno sforzo rotazionale causato da un cilindro, produce una risalita del cilindro, invece di creare un vortice attorno ad esso. Questo effetto può creare dei problemi all’interno dei reometri Effetto die swell : un flusso polimerico, all’uscita di un ugello o di un capillare, produce una deformazione della propria sezione. Il rapporto fra i due diametri è detto Numero di Deborah: B = D/D La variazione del diametro è dovuto alla memoria di forma del polimero: il restringimento del capillare porta il polimero a seguire la nuova forma, ma se la memoria di forma è elevata, all’uscita il polimero
Esistono diversi tipi di vite con diverse proprietà, fra le più comuni: vite universale: rapporti del 50 25 25 delle tre zone vite barriera: presenta due filetti differenti, uno con altezza molto maggiore dell’altro, in grado di bloccare il polimero non ancora fuso. Il filetto ad altezza inferiore avrà la funzione di fluidificare il polimero ancora solido. Vite con pin: una sequenza di pin permette alla vite di applicare in modo più omogeneo gli sforzi al polimero Quali sono le fonti di calore utilizzate per plastificare il polimero in una pressa a iniezione? Il 20-30% del calore è apportato da resistenze elettriche presenti lungo il cilindro. Il restante calore è generato dall’attrito del polimero attraverso lo sfregamento delle superfici interne del cilindro, dei filetti e della vite. Il polimero è un cattivo conduttore, e si avranno dei gradienti termini fra la parte a contatto con le superfici e la parte più a cuore. Descrivere il funzionamento del puntale (con anello) di una vite da stampaggio e cosa si intende per “cuscino di materiale”: il meccanismo permette di creare una zona separata nel cilindro, fra la zona di alimentazione, compressione e dosaggio e la parte di accumulo per il materiale da iniettare nello stampo in un ciclo. Quando il polimero raggiunge la giusta viscosità per essere iniettato, viene spinto nella zona di accumulo del cilindro. Raggiunte le giuste quantità per il completo riempimento dello stampo, la vite traslerà verso lo stampo muovendosi sul proprio asse, aumentando le pressioni nella zona di accumulo. Questo movimento porterà la vite a bloccare il passaggio di materiale fra la zona di dosaggio e quella di accumulo, attraverso l’uso di un anello e del puntale (disegno). Il cuscino di materiale è l’avanzo di materiale (accuratamente calcolato) che rimane nella zona di accumulo, sotto pressione attraverso l’effetto della vite punzonante. Il cuscino serve per evitare vuoto all’interno dello stampo dovuti a ritiro di materiale per la solidificazione. Il cuscino applicherà una pressione al materiale nello stampo, andando a riempire i vuoti che si possono creare. Descrivere le fasi del ciclo della pressa a iniezione: Il polimero viene essiccato nell’estrusore tramite aria secca o vuoto. Viene condotto all’interno della tramoggia evitando il contatto con l’aria. Dalla tramoggia cade per gravità all’interno del cilindro del macchinario. La vite produrrà degli sforzi sul materiale, diminuendone la viscosità. Le resistenze termiche aiutano aumentando la temperatura del polimero. Il polimero passa nella zona di compressione, fondendosi. Una volta raggiunta la giusta viscosità e temperatura, passa nella zona di dosaggio, andando ad accumularsi nella zona di accumulo, accessibile in quanto la vite è in posizione retratta permettendo il materiale di passare. La vite, posizionandosi in posizione avanzata, bloccherà l’accesso del materiale nella zona di accumulo e andrà a spingere il materiale all’interno dello stampo. Il controllo è effettuato solamente dalla velocità di riempimento dello stampo. Quando il volume dello stampo sarà occupato dal polimero, si ha il passaggio di controllo di velocità a quello di pressione, dove la pressione è applicata dalla vite sul cuscino di materiale che tiene in pressione il materiale all’interno dello stampo. Si ha un aumento di pressione in condizioni isoterme, detto pressurizzazione. In seguito si ha un processo isobaro per evitare che il pezzo vada in ritiro dovuto al raffreddamento, detto mantenimento. Si ha un raffreddamento in condizioni isocore, dove si ha apporto di materiale nelle zone di ritiro dal cuscino. Essendo a volume costante e in raffreddamento, si avrà anche una diminuzione della pressione, che alla fine del ciclo sarà pari a quella atmosferica per permettere l’apertura dello stampo. Si ha un raffreddamento isobaro con diminuzione del volume quando il gate è congelato, impedendo l’apporto del cuscino. Infine si avrà l’estrazione del pezzo. Quando il gate sarà congelato, la vite si porta in posizione arretrata, permettendo a nuovo polimero di entrare nella zona di accumulo per un nuovo ciclo. Sintesi: riempimento -> pressurizzazione -> mantenimento -> raffreddamento -> estrazione
Quali sono le differenze tra lo stampaggio di un materiale semicristallino e di uno amorfo? Durante la fase di controllo della pressione, per materiali amorfi, per il quali si ha un ritiro preferenziale vicino al punto di iniezione, si utilizza una pressione minore, che può anche diminuire nel tempo, rispetto ai materiali cristallini, che avranno un ritiro omogeneo su tutto il pezzo, richiedendo pressioni maggiori sino all’avvenuta cristallizzazione del materiale. In entrambi i casi bisogna evitare una pressione troppo elevata, che si trasformerebbe in sovra impacchettamento. Nella decompressione (o risucchio, attraverso un piccolo ritiro della vite) si crea una depressurizzazione in modo tale che non si abbiano perdite dall’ugello. In entrambi i casi la pressione aumenta durante il riempimento dello stampo. Arrivati al completo riempimento, si passa alla fase di mantenimento in pressione, con raffreddamento del materiale e spinta di nuovo materiale per evitare i ritiri volumetrici. Quando il materiale al gate si solidifica, non si può più avere apporto di materiale, e si avrà una diminuzione di pressione tramite diminuzione di temperatura a volume costante. La pressione giungerà sino a temperatura ambiente. Negli amorfi, la pressione è in continua diminuzione una volta raggiunta la fase di mantenimento. Per i cristallini, durante il mantenimento si ha pressione costante per permettere al materiale di raggiungere la cristallizzazione, e successivamente si avrà una diminuzione di materiale. Quali sono le parti principali di uno stampo? Quali sono i parametri per simulare un processo di stampaggio a iniezione? Canali di alimentazione, gate, sistema di raffreddamento, pistoni di chiusura, estrattore piano o a punzone, cavità. I canali di alimentazione, primari o secondari, portano il flusso polimerico dall’ugello del cilindro alla cavità, contenente, determinate la forma. I canali devono essere ben studiati per poter riempire in modo omogeneo il pezzo, uniformando tutti i flussi all’interno della forma. Si definiscono hot runners i canali in grado di evitare la materozza, attraverso il riscaldamento del canale. Il punto di ingresso all’interno della cavità è il gate, il quale, una volta congelato (ovvero materiale solidificato), impedirà il passaggio di polimero fuso. Il condizionamento può essere effettuato tramite acqua, con temperatura massima di 100°C, o olio, con temperatura massima di 180°C. I pistoni di chiusura devono esercitare la giusta pressione per evitare l’apertura dello stampo, che si trova ad elevate pressioni per evitare il ritiro del materiale all’interno della forma. L’estrattore del pezzo avviene tramite estrattori, che spingeranno l’oggetto al di fuori dello stampo. In caso di pezzi piccoli si utilizza un estrattore piano, in grado di spingere l’intero pezzo al di fuori dello stampo. I parametri di controllo sono:
- Geometrici: controllo delle dimensioni della cavità, in modo tale che le dimensioni del pezzo permettano un raffreddamento omogeneo. Posizione del gate e del sistema di raffreddamento, in modo che il polimero si raffreddi nel giusto momento.
- Parametri di processo: la temperatura dello stampo e del fuso, la velocità di iniezione e la pressione a cui è mantenuto il pezzo. Si può fare riferimento ai grafici PVT per trovare la giusta combinazione di temperatura e pressione Descrivere una vite standard per estrusione ed elencare le possibili variabili Una vite da estrusore ha rapporti standard fra le sezioni, dove ogni sezione occupa un terzo della vite (sezioni equivalenti fra alimentazione, compressione e dosaggio). Il rapporto fra la L/D è compreso fra i valori di 24 e 34 (a differenza dell’iniezione che potevano essere fra 18 e 20, e fra 20 e 24) mentre il rapporto hf/hi, detto rapporto di compressione è compreso fra 2 e 4 (nell’iniezione era fra 2 e 2,3 per gli amorfi e 3 e 3,5 per i cristallini). Nel caso la vite abbia passo quadro (D = al passo della vite), i filetti sono direzionati con una angolatura di 17°. Le variabili possono essere:
- Filetto aggiuntivo iniziale: serve per evitare le fluttuazioni di pressioni e per bilanciare le forze della vita. Un passo corto infatti elimina le fluttuazioni, mentre uno lungo aumenta il peso sulla parte iniziale.
90°. Inoltre sono intervallati da elementi di trasporto per far sì che vi sia una pressione di spinta che porti il materiale che riduce la propria velocità nell’elemento di masticazione a proseguire il cammino lungo l’estrusore. L’elemento di retroflusso farà sì che il materiale in quella zona possa ritornare nell’elemento di masticazione a 90°. Descrivere com’è possibile valutare la distribuzione dei tempi di permanenza in estrusore e come questa vari a seconda del disegno della vite, temperatura e rpm Per valutare il tempo di permanenza si introduce una carica di colorante all’interno della tramoggia e si cronometra il tempo necessario per far sì che dall’estrusore esca del polimero colorato dal colorante. Si fanno diverse prove, di inizio colorazione e fine colorazione del filo estruso, prendendo tutti i tempi. Si procede a fare una spettroscopia di vari spezzoni del filo estruso, in prossimità delle variazioni più significative di colore, portati a forma di piattino attraverso una termoformatura per stampaggio. Dalla spettroscopia si ottiene un andamento a campana di Gauss, non simmetriche, con una coda che si prolunga verso destra. Il picco massimo indica il tempo di permanenza medio di una pellet di polimero all’interno dell’estrusore. A parità di elementi della vite:
- Temperatura fissa, rpm bassi: il polimero ha tempi di residenza maggiori rispetto a rpm alti
- Rpm fissi, temperatura bassa: cambia la pressione in testa, aumentando considerevolmente rispetto a una temperatura più alta. Cambia anche il tempo di residenza, che diventa maggiore. A parità di temperatura:
- Rpm fissi, con più elementi di masticazione e mescolazione si risente un forte aumento del tempo di residenza, in quanto il materiale fa più fatica a passare nel cilindro rispetto a minori elementi di masticazione. Elencare la tipologia di manufatti che provengono da un processo di estrusione e descriverne uno a scelta: Possono essere prodotte: lastre, tubi e film.
- Tubi : oltre all’estrusore (vite, cilindro, tramoggia, ecc.) il sistema di estrusione prevede un mandrino, per allineare il flusso polimerico e diminuire la memoria di forma data dalla vite, degli spider legs, necessari a sostenere la testa di estrusione, che determineranno dei difetti nel flusso polimerico, un sistema di tiraggio, un sistema di taglio automatico, in grado di dare la lunghezza desiderata all’estruso, un calibratore per ridefinire la dimensione del pezzo attraverso un la calibrazione del raggio ed infine un controllo finale per verificare l’assenza di difetti, il raggio di curvatura e la compatibilità con gli standard. Il calibratore ha sulla superfice molti fori, che risucchiano l’aria in modo da far aderire perfettamente il polimero alla superficie. Durante la calibrazione il tubo viene raffreddato tramite aria o acqua. Il calibrato può essere anche a pressione interna, dove una sovra-pressione spinge il tubo ad aderire perfettamente alle pareti metalliche.
- Lastre : le lastre prodotte da estrusione hanno uno spessore che va dai 1,2 ai 6 mm, e lunghezze di 2200 mm. Per la produzione di lastre si usa una filiera a testa piana, che riceve il flusso polimerico e lo suddivide in più sezioni, dove ogni sezione sarà una lastra. Queste lastre in genere saranno utilizzate per una successiva termoformatura. Siccome il flusso in arrivo dall’estrusore è concentrato in un piccolo volume rispetto a quello della testa di filiera, si utilizzano delle cadute di pressione in modo che il flusso si distribuisca uniformemente su tutta la filiera, progredendo in modo uniforme verso la bocca di uscita, ottenendo lastre uniformi su tutte le dimensioni.
- Film : si può arrivare a creare spessori di 20 um, spessori più piccoli non sono consentiti in quanto si avrebbero sovrapressioni troppo elevate. Con 20um si arriva a pressioni di 300bar. Si utilizza una testa ad attaccapanni, Elencare le differenze più significative fra l’extrusion blow molding e l’injection blow molding: L’extrusion blow molding è caratterizzato da una estrusione verso il basso di un tubo, il quale viene racchiuso successivamente all’interno di uno stampe e tagliato dal flusso polimerico. Lo stampo viene quindi portato in una seconda sezione, dove un ugello soffierà dell’aria all’interno, spingendo il polimero ad aderire alle pareti dello stampo, raffreddate, in modo che il polimero prenda la forma. I pezzi stampati
attraverso questa tecnica presentano saldature lungo i fianchi, dovute alle interfacce di chiusura dello stampo. I difetti tipici sono l’allungamento verso il basso dovuto al proprio perso del tubo estruso, che creerà spesso più sottili verso la parte più alta, e l’effetto die swell, che provocherà una dimensione differente del diametro di uscita del tubo rispetto a quella prevista dalla testa di filiera. L’injection blow molding è caratterizzato dalla creazione del parison tramite iniezione del polimero all’interno di uno stampo. Questo, una volta raffredatosi e presa la forma, viene trasferito in un secondo stampo, dove verrà riscaldato e soffiato, prendendo la forma definitiva. Infine si avrà il raffreddamento del pezzo e l’estrazione. L’extrusion blow molding è un processo più rapido, ed è utilizzato per oggetti superiori ai 200gr, ma crea degli sfridi nella realizzazione del pezzo. L’injection blow molding, invece, è più adatto a pezzi piccoli e non crea sfridi aumentando inoltre la precisione geometrica del pezzo finale. È inoltre in grado, attraverso la techinca streching injection blow molding, di portare il materiale a non perdere la cristallinità, generando un’alta trasparenza nel pezzo finale. Descrivere i passaggi fondamentali di uno stampaggio rotazionale: Inserimento di vernici distaccanti nello stampo -> Inserimento del materiale nello stampo -> riscaldamento dello stampo all’interno di forni o con sistemi di riscaldamento delle pareti -> rotazione sugli assi di movimento -> pressione interna per mantenere il materiale attaccato alle pareti -> raffreddamento dello stampo nella camera di raffreddamento -> apertura stampo Il materiale si distribuisce sulle pareti per effetto della gravità. I cicli e i movimenti sono molto lenti impedendo che il materiale subisca forza centripeda. Attraverso la velocità si può controllare con grande precisione lo spessore del pezzo. Il raffreddamento è effettuato tramite acqua fredda o aria fredda, che entra in contatto con le pareti dello stampo. Nello stampo è necessaria la presenza di sfiatatoi, in quanto durante il riscaldamento la pressione aumenta, rendendo necessaria la fuoriuscita dell’aria all’interno. Inoltre si può avere formazione di vapore o liberazione di gas intrappolati nel polimero. Ci possono essere diverse tipologie di macchinari per lo stampaggio rotazionale:
- Carosello: un cilindro centrale collegato da tre a sei braccia, in grado di avere ciascuna il proprio riscaldamento e raffreddamento. Lo svantaggio si ritrova nel fatto che le braccia si muovono contemporaneamente, rendendo necessaria la sincronizzazione delle lavorazioni per ogni braccio. Con le ultime tecnologie si è potuto sviluppare un carosello a braccia indipendenti, in grado anche di poter avere alcuni bracci nel forno, altri nella camera di raffreddamento.
- Macchina Shuttle: lo stampo è montato su un carrello, in grado di spostarsi fra il forno e l’ambiente di raffreddamento.
- Rock and Roll: azione di rocking attorno ad un asse e di rotazione secondo l’altro asse. È la macchina più semplice Elencare le diverse metodologie per la termoformatura e descriverne una a scelta: Applicazione manuale, applicazione tramite spray-up, autoclave, sacco a vuoto, stampaggio a compressione (RIM e RTM), poltrusione, filament wilding. Applicazione manuale: per pezzi molto grandi, tipo scafi navali, dove la resina viene stesa attraverso pennelli da operatori. Il principale difetto è la mancanza di uniformità negli strati. Il raffreddamento avviene a temperatura ambiente. Spray-up: evoluzione dell’applicazione manuale, dove attraverso un sistema di spruzzaggio viene ricoperto il pezzo. Alla resina si possono unire fibre tagliate direttamente attraverso la pompa spray. Sacco a vuoto e autoclave: si creano delle lastre su cui si distribuisce la resina, che poi viene formata all’interno dell’autoclave o nel sacco sotto vuoto. Poltrusione: il flusso di polimero viene fatto passare attraverso una testa forata, in grado di creare molteplici fili, che passeranno poi all’interno di una vasca per venire ricoperti dalla resina. Filament wilding: per oggetti con geometria cilindrica, il filo ricoperto di resina viene avvolto in diverse direzioni.
POLIMERI CON ADDITIVI
Si andranno a cambiare le performance del materiale. Spesso sono fibre, lunghe o corte (mm e um) organiche e inorganiche (polimero o fibre di vetro, di carbonio...). Non confondere con i materiali compositi. Si ha una matrice termoplastica con una fibra discontinua, delle cariche che non hanno delle continuità, anche se tenderanno ad allinearsi facendo degli stampaggi per estrusione. Possono anche essere dei riempitivi per gli oggetti, arrivando anche addirittura all’80% (tipo la sabbia). Possono essere delle polveri di scarto per diminuire il costo sul polimero. Essendo cariche inorganiche hanno densità maggiori del polimero, quindi non si va a ridurre il peso, quindi non posso esagerare troppo con la carica riempitiva inorganica (in applicazioni dove mi concentro sul peso soprattutto). RINFORZANTI E CARICHE: da 10 sino ad 80% in peso all’interno del polimero ADDITIVI: percentuali più basse, intorno all’1% che a 10% e sono lubrificanti, plastificanti, pigmenti, stabilizzanti (servono per evitare il degradarsi quando si va in temperatura, catturando i radicali liberi che si forma, prima che si ossidino), ecc. I plastificanti e i lubrificanti servono per lavorare meglio il polimero nelle macchine, e spesso è già presente nel polimero di partenza. Durante l’estrusione si vuole miscelare in maniera ottimale tutte queste cariche. PLASTIFICANTI: Devono essere dal punto di vista chimico il più miscibili possibile con il polimero, perché non vogliamo che si separino. Gli additivi devono essere poco volatili, o con volatilità nulla, perché nell’estrusore si va su in temperatura, e quindi non vogliamo che le sostanze passino allo stato gassoso. Devono essere anche chimicamente inerti perché se no andremo a cambiare la natura del polimero, modificandone le proprietà finali. RINFORZANTI: possono essere organiche o inorganiche, di scarti volendo. Possono essere caolino, polvere di marmo, scarti del legno (al posto di bruciarlo).
TIPOLOGIE DI MESCOLAZIONE: DISTRIBUTIVA E DISPERSIVA
Due tipi di miscelazione, che vanno ben distinti: DISTRIBUTIVA : per avere una buona distribuzione della carica nel polimero, occorre che in ogni porzione del materiale si deve avere la stessa concentrazione di additivo. Si cerca l’omogeneità della distribuzione dell’additivo. Sarà meglio distribuito più quanto sarà più piccolo il volume che si può prendere con densità omogenea di distribuzione.
Nell’estrusore, il polimero avrà una deformazione di taglio (shear) e una deformazione di elongazione. Unendo i due effetti si avrà una deformazione totale del polimero. A seconda degli elementi con cui si costruisce la vita, si ha l’insieme di questi due effetti, che, su particelle (immaginate consecutive) comportano:
- Dando uno shear , la distanza relativa fra le diverse particelle cambia, ma di poco. Su una certa direzione, mantiene la stessa distanza fra le particelle iniziali, sull’altra direzione, cambia di poco. Se questo processo viene ripetuto molte volte, si può risentire un effetto distributivo, anche se non ho una completa mescolazione, in quanto su un piano le particelle rimarranno sempre le stesse.
- Flusso elongazionale : facendo passare le particelle in una sezione più piccola, si può ottenere una distribuzione più mescolata. Permette una mescolazione migliore rispetto ad un flusso di taglio. Presi due polimeri A e B, in cui all’inizio si ha A a destra e B a sinistra. Si vuole mescolare i due, attraverso l’utilizzo delle deformazioni elongazionali. Si vuole aumentare le superfici di contatto fra A e B. Questi due polimeri passano attraverso un filetto, che produrrà uno sforzo elongazionale e di taglio. Si ha una diminuzione dello spessore del gruppo AB, comportando l’aumento dell’area di contatto, con la stessa quantità di materiale. L’efficacia di distribuzione ha un ottimo andamento nei primi 10 diametri della vita, per poi essere costante. Questo perché dopo una serie di passaggi, il filetto diventerà orizzontale, non subendo più nessuno sforzo nei passaggi successivi. Per incrementare la proprietà di distribuzione nell’estrusione monovite, si inseriscono uno o più ELEMENTI MESCOLATORI , dove si rompe il flusso standard del filetto, che se no avrebbe sempre lo stesso angolo e lo stesso passo. Questo serve per disomogenizzare i flussi di polimeri che si sono creati, dove l’attività distributiva non è più efficace. L’elemento mescolatore è composto da dei pin , senza filetti, che comporteranno una variazione del profilo di velocità del fuso polimerico, disorientando e disorganizzando le catene che oramai si erano allineate secondo l’andamento del flusso, producendo un mixing distributivo. Ci possono essere anche altre tipologie, ma non è importante sapere tutti i nomi dei vari mescolatori. Ci possono essere anche degli elementi che interessano anche il cilindro, dove si hanno delle variazioni sugli andamenti geometrici con delle cavità. La mescolazione distributiva va bene avendo due tipi di polimeri per esempio, ma quando si hanno delle particelle solide, come le cariche, queste partono come degli agglomerati di particelle, con viscosità differenza dei polimeri. Bisogna riuscire a disperdere la carica, e non solo distribuire la carica nel polimero. DISPERSIVA : si vuole disagglomerare gli agglomerati. Per ottenere un mix dispersivo occorre che lo sforzo che noi andiamo ad applicare alla miscelazione sia almeno maggiore ad uno sforzo di taglio critico che è necessario per disaggregare gli aggregati. Questi sforzo dipende dalla natura delle particelle e dalla tipologia di polimero (che è in quantità maggiore). Si parte da una certa condizione di processo e si verifica passo per passo per vedere se si ha una dispersione attraverso lo sforzo di miscelazione applicato. Si può andare a cambiare il filetto della vite, inserendo ELEMENTI DISPERSIVI , con filetti barriera , che fanno si di aumentare lo sforzo di taglio, sino a farlo tendere ad uno sforzo elongazionale. Ci possono essere delle barriere nel filetto, andando a forzare il movimento delle particelle. Il problema è che si riduce molto la velocità di flusso, aumentando il tempo di residenza del polimero e la temperatura, facendo si che il polimero rimanga troppo tempo nel cilindro, andando a degradarsi. Una variante che può fare senza cambiare la vite è quella di aggiungere un anello Blinster , che si inserisce sulla vite, obbligando il materiale a passare attraverso una fessura ad anello, in modo che tutto il materiale debba passare nella strizione creata prima di uscire dall’estrusore, passandoci per pressione e non per trascinamento (come avviene nei filetti). Questo può creare degli aumenti di pressioni elevate, per un accumulo di aggregati di particelle. Il miscelatore Zorro , ha una forma a Z, che porta perdite di carico più modeste. Si usa però un estrusore BIVITE , due viti gemelle, che stanno all’interno del cilindro, che avrà la sezione di un infinito. La differenza più importante è che la forma non è più cilindrica. Le viti sono gemelle e hanno D
PARAMETRI CONTROLLANTI:
portata, velocità rotore, temp impostat, temp del fuso uscente, tipo di vite sono i parametri che possono essere cambiati dall’utente. Temperatura in uscita, coppia motrice, pressione in testa, tempo di residenza, sono gli output dati dal sistema.
- Portata : quanti kg/h si inseriscono nell’estrusore. L’estrusore non è mai a bocca piena. Da 1,5 a 10 kg/h
- Velocità rotore : velocità al quale ruotano le due viti, dal basso 100 rpm a 400 rpm
- Temperatura impostata : sono quelle medie, dai 180 (bassa) ai 220 (alta)
- Vite : come imposto io la vite
- Temperatura del fuso in uscita : è misurabile, non la imposto, prendendo la temperatura del materiale in uscita dall’estrusore.
- Pressione in testa : si misura con un sensore di pressione, e ci dice quali sono le condizione del materiale dal punto di vista delle pressioni, che possiamo collegare al grado di dispersione della carica. Può variare in maniera significativa. Esempio: a parità di variabili, da una T di 180 si ha una pressione di 26 Bar, ad una T di 220 si ha una pressione di 12 Bar, decresce molto! Aumentando la temperatura, il materiale è meno viscoso, dando una minore pressione in testa. Cambiando invece la velocità, la pressione non cambia
- Coppia motrice rilevata : è l’unico parametro che è correlato direttamente allo sforzo critico da superare per la disgregazione degli aggregati. Serve per verificare che lo sforzo sia efficace. Controllando la coppia motrice si può vedere lo sforzo che il motore sta facendo per dare quella coppia. Più è alta la percentuale, più il sistema si è sforzato, più il materiale ha subito lo sforzo.
- Tempo di residenza : si ha una distribuzione dei tempi di permanenza. Il compoundig è l’azione di tagliare il filo raffreddato ad aria o ad acqua, creando dei granuli di polimero, che tenderanno ad essere più omogenei possibili.
