Nel numero 13 di Enco Journal sono stati discussi i materiali compositi (vedere anche www.enco-journal.com => Gli Ultimi Numeri). In questo articolo vengono esaminati i materiali compositi a matrice polimerica. MISCELE POLIMERICHE Anche se è possibile conferire ad un materiale polimerico le caratteristiche richieste intervenendo sulla struttura molecolare questa via non é sempre percorribile. Da un lato, infatti, l'impiego di materiali polimerici richiede specifiche combinazioni di proprietà in funzione dei diversi settori d'impiego, dall'altro le ragioni economiche limitano il numero potenziale dei polimeri commerciali. Perciò solo un numero finito di combinazioni di proprietà risulta possibile senza ulteriore intervento esterno. Le miscele ("blends") polimeriche permettono proprio di realizzare questo duplice obiettivo: soddisfare le singole esigenze applicative con un prodotto "tailor made" (fatto su misura) e al tempo stesso contenere drasticamente i costi del materiale. Da questo punto di vista, quindi, una blend polimerica può essere definita come la combinazione fisica di due o più polimeri strutturalmente diversi in cui ognuno dei due componenti svolge un'azione ben definita. La stragrande maggioranza delle blends polimeriche é costituita da sistemi eterofasici che si comportano praticamente come dei compositi particellati polimero-polimero. La miscelazione di due polimeri conduce nella maggioranza dei casi, per ragioni termodinamiche implicite nella stessa struttura molecolare, a sistemi bifasici. In effetti le condizioni termodinamiche per la miscelazione presuppongono una variazione negativa dell'energia libera. Questa condizione é difficilmente realizzabile in un sistema polimerico a causa del basso contributo del termine entropico e del valore elevato del termine entalpico generalmente positivo. Tuttavia il fenomeno dell'incompatibilità, che può sembrare fortemente limitativo per sistemi polimerici, può essere trasformato in un punto di forza quando é possibile governare la fenomenologia considerata a livello microstrutturale. Un esempio evidentissimo é quello dei sistemi eterofasici progettati per migliorare la resistenza all'impatto dei materiali plastici. Occorre tuttavia sottolineare che l'eterogeneità di fase non può essere di per sé considerata condizione necessaria e sufficiente per impartire o migliorare questa peculiare caratteristica del materiale se non é associata ad alcune proprietà singolari dei materiali costituenti, quali la morfologia e l'adesione tra le fasi. L'esempio più calzante é quello delle resine acrilonitrile-butabiene-stirene (ABS). |
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Il materiale in questo caso é costituito da una fase continua, dovuta al copolimero acrilonitrile-stirolo e da una fase elastomerica dispersa (polibutadiene) leggermente reticolata, su cui é stato chimicamente innestato del polimero sempre a base di acrilonitrile-stirolo. Quest'ultimo artificio é necessario per creare intorno alla particella elastomerica uno strato compatibile con la forma continua (poliacrilonitrile-stirolo) che garantisca continuità al materiale e quindi la possibilità di trasferire le sollecitazioni. Ciò nonostante la resistenza ottimale all'impatto viene realizzata |
solo fornendo
un'opportuna dimensione alle particelle di gomma presenti: tali
microfasi gommose hanno infatti una notevole capacità di innescare
deformazioni plastiche e di provocare microfessurazioni della matrice
con rilevante assorbimento di energia.
COMPOSTI BIODEGRADABILI Il problema dell'impatto ambientale delle plastiche ha generato negli ultimi anni una crescente sensibilizzazione verso il riciclo di questi materiali. A fronte di situazioni in cui é possibile il loro recupero, esistono condizioni in cui non lo é perché il materiale risulta essere inquinato o difficilmente recuperabile e quindi il riciclo non é più una operazione economicamente conveniente. In questi casi l'uso di polimeri biodegradabili rappresenta una possibile alternativa in linea con l'ambiente. Polimeri biodegradabili vengono attualmente utilizzati in molte applicazioni biomediche, ma il loro uso in applicazioni meno nobili, come ad esempio nell'imballaggio e nell'agricoltura, non é diffuso a causa dei costi non ancora competitivi rispetto ai materiali tradizionali. Anche in questo settore, i compositi offrono l'opportunità di modificare le proprietà dei polimeri e, attraverso l'utilizzo di fibre naturali derivanti da risorse rinnovabili e poco costose, di ridurre il costo del materiale finale. Tale approccio é stato utilizzato per modificare le caratteristiche di polimeri termoplastici di uso comune come il polietilene, polipropilene, polistirene ecc.. L'uso di queste fibre naturali disperse in matrici biodegradabili permette la realizzazione di un composito totalmente biodegradabile ed ecocompatibile. Le fibre naturali più utilizzate possono essere suddivise in due categorie: |
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| La miscelazione di polimeri
idrofobi con fibre a base di cellulosa, cioè idrofile, dà origine
però a problemi di adesione ed inoltre la forte attitudine delle
fibre ad assorbire e cedere acqua, al variare del tasso di umidità
esterno, comporta una scarsa durabilità del materiale in applicazioni
dove é presente un ambiente umido. Per questi motivi, la ricerca nel
settore é indirizzata verso lo studio delle modifiche chimiche e/o
fisiche delle fibre e/o della matrice che consentano di migliorare
l'adesione tra le due fasi, e di modificare opportunamente le
proprietà meccaniche delle fibre e la loro resistenza all'umidità.
NANOCOMPOSITI I nanocompositi costituiscono una nuova classe di materiali compositi e presentano un elevato numero di peculiarità. Tra le caratteristiche di questi materiali quella più attraente, da un punto di vista applicativo, é la trasparenza. Macro- e micro-compositi (dimensione media delle particelle di alcuni (m) sono opachi a causa dei fenomeni di diffusione della luce prodotti dalle particelle di rinforzo. E' possibile ovviare a tale inconveniente sia utilizzando, come fase di rinforzo e matrice, materiali dall'indice di rifrazione quasi eguale, sia riducendo la dimensione della carica fino a valori nanometrici (precisamente inferiore a 50 nm). I nanocompositi risultano pertanto materiali trasparenti ed otticamente isotropi, ma dalle proprietà ottiche modificate rispetto a quelle del polimero non rinforzato. In aggiunta alla possibilità di rinforzare polimeri trasparenti senza perdita di trasparenza, l'impiego dei nanocompositi a matrice termoplastica in campo ottico consente numerose importanti applicazioni tra cui: colorazione di polimeri trasparenti senza perdita di trasparenza, preparazione di filtri ottici per la protezione di substrati polimerici o compositi da radiazioni ultraviolette (UV), modifica dell'indice di rifrazione di polimeri trasparenti. In particolare, un colorante organico, per poter essere introdotto in una matrice polimerica trasparente senza cristallizzare, e quindi dare fenomeni di diffusione della luce, deve essere presente in concentrazione sempre inferiore al proprio limite di solubilità che é funzione dell'affinità chimica tra le due molecole organiche. Una scarsa solubilità determina la formazione di un materiale contenente macro-cristalli di colorante e quindi opaco. Se invece la solubilità é elevata ciò che risulta é un polimero colorato esente da cristalli di precipitato e quindi trasparente. Una procedura alternativa consiste nel fare adsorbire il colorante organico sulla superficie di nanoparticelle inorganiche originando così un pigmento inorganico che può essere introdotto in matrice senza alcun limite di solubilità. Il pigmento, come il substrato, é nanometrico e quindi incapace di diffondere la radiazione luminosa. Se il colorante viene sostituito da un composto organico contenente gruppi cromofori in grado di assorbire le radiazioni nella regione UV, il nanocomposito che si ottiene può essere utilizzato come filtro ottico, in quanto é in grado di assorbire, più o meno completamente, a seconda del tenore di carica inclusa, la radiazione elettromagnetica ultravioletta. Tali materiali possono essere facilmente applicati, in forma di vernici su substrati polimerici o compositi, onde rallentare il loro processo di invecchiamento per esposizione ai raggi solari. L'indice di rifrazione degli ordinari polimeri trasparenti generalmente non si discosta significativamente da quello del vetro (1.3÷1.7). Solo alcune poliammidi aromatiche, il politiofene e pochi altri polimeri inusuali possiedono un valore di indice di rifrazione superiore ad 1.7. Per quanto riguarda i solidi inorganici, invece, molti di essi sono caratterizzati da valori di indice di rifrazione decisamente elevato. L'indice di rifrazione dei polimeri può quindi essere aumentato semplicemente per addizione di particelle inorganiche colloidali caratterizzate da un elevato indice di rifrazione come ad esempio il solfuro di piombo (PbS) che presenta un indice di rifrazione prossimo a 4 in un ampio intervallo di lunghezze d'onda. I polimeri trasparenti rinforzati con PbS presentano un indice di rifrazione intermedio tra quello del solo polimero e quello del rinforzo. Ad esempio, nel caso del composito polietilenossido/PbS l'indice di rifrazione ottenibile é nell'intervallo 3.0÷3.4 (tra 1000 e 2500 nm). Le applicazioni possibili per questi nanocompositi ad alto indice di rifrazione spaziano dalle fibre ottiche non lineari ai filtri ottici, ai materiali ad altissimo indice di rifrazione. |
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