Approfondire le basi della reologia dei materiali termoplastici

La reologia è la scienza che studia il flusso e la deformazione dei materiali e che affonda le sue radici nelle leggi dell'elasticità e della viscosità proposte da Hooke e Newton alla fine del^XVII secolo. Le fusioni di polimeri termoplastici sono ampiamente utilizzate in molti processi industriali moderni per produrre una moltitudine di oggetti. I polimeri sono utilizzati perché sono relativamente economici e possono essere modellati in forme complesse allo stato fuso. Tuttavia, è necessario capire come scorrono quando vengono lavorati [1].

Fattori d'influenza sul comportamento di flusso dei polimeri

I polimeri sono materiali complicati da caratterizzare dal punto di vista reologico perché sono molti i fattori che influenzano le loro proprietà di flusso. Esempi di fattori che influenzano il comportamento del flusso possono essere la temperatura di lavorazione, la velocità di flusso, il tempo di permanenza, ecc.

Inoltre, le proprietà reologiche dei polimeri sono intermedie rispetto a quelle di un liquido e di un solido. Ciò comporta una dipendenza temporale delle proprietà di flusso e altre caratteristiche importanti, alcune delle quali sono discusse di seguito [1].

Importanti proprietà reologiche dei polimeri

È noto che laviscosità diTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione dipende in modo critico dalla temperatura. Abbassando la temperatura di uno stampo fino a quando il pezzo prodotto ha una finitura opaca, l'ingegnere di processo può imparare la temperatura minima (e quindi la massima viscosità della resina) alla quale il processo può essere eseguito senza che i difetti superficiali diventino evidenti. La riduzione della temperatura dello stampo consente di risparmiare energia e di ridurre i tempi di ciclo, per cui la comprensione della dipendenza dalla temperatura della viscosità della massa fusa è molto utile.

È noto che i polimeri fusi presentano un rigonfiamento della matrice quando vengono estrusi. Questo fenomeno si manifesta con un aumento del diametro dell'estruso dopo l'uscita dalla filiera. La quantità di rigonfiamento della matrice è correlata alla quantità di deformazione elastica del materiale all'ingresso della matrice. Un altro fatto da considerare è che il grado di rigonfiamento della filiera (più correttamente rigonfiamento dell'estruso) dipende dalla lunghezza della filiera quando il materiale viene estruso a velocità costante. In altre parole, i polimeri fusi dipendono dal tempo, poiché il materiale dimentica la deformazione elastica applicata all'ingresso della filiera; più tempo il materiale trascorre all'interno della filiera, minore è il rigonfiamento della filiera.

L'elasticità dellaTemperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione può anche avere profonde implicazioni per molti altri processi polimerici, come ad esempio:

• Lo stampaggio a soffiaggio, dove lo spessore della parete del componente soffiato dipende dal grado di rigonfiamento avvenuto durante il processo di estrusione prima della chiusura dello stampo.
• Formatura sottovuoto o termoformatura, dove il polimero deve mantenere un certo grado di elasticità per evitare che il materiale si afflosci prima di essere trascinato dal vuoto sullo stampo di formatura a freddo. Se il materiale non ha un'elasticità sufficiente, è probabile che entri in contatto con la matrice raffreddata prima che venga applicato il vuoto o la pressione [1].

Come caratterizzare il comportamento del flusso di fusione dei polimeri

Le proprietà di lavorazione dei polimeri dipendono anche dalla concentrazione di lubrificanti, plastificanti, cariche e altri componenti del composto da lavorare. Da questa breve introduzione, si può capire che una corretta caratterizzazione del comportamento del flusso del polimero fuso richiederà probabilmente una strumentazione sofisticata e versatile.

Dal punto di vista del reologo, il comportamento del flusso polimerico può essere convenientemente separato in tre componenti: Flussi di taglio ed estensionali, che sono caratterizzati dalle corrispondenti viscosità e comportamento elastico, che è caratterizzato dalla misurazione dei rapporti di modulo o rigonfiamento [1].

La giusta strumentazione è fondamentale

Per caratterizzare completamente un materiale, è necessaria una strumentazione in grado di estrarre questi parametri in un intervallo di temperature e velocità di taglio/estensione. Le moderne apparecchiature per prove reologiche di laboratorio possono essere suddivise in due grandi categorie: reometri rotazionali Kinexus e reometri capillari Rosand. Inoltre, la strumentazione per l'analisi termica, come la calorimetria differenziale a scansione, l'analisi meccanica dinamica e l'analisi termomeccanica, consente di ottenere preziose informazioni sulle proprietà dei materiali.

Nel prossimo articolo scoprirete come il nostro reometro rotazionale Kinexus può essere utilizzato per caratterizzare i materiali termoplastici.

Fonte

[1] Prove di reologia dei polimeri e determinazione delle proprietà mediante reometri rotazionali e reometri a estrusione capillare (azom.com)

Si ringrazia il dottor Bob Marsh (ex dipendente di Malvern Panalytical) come autore originale di questo articolo!