Temperatura di transizione vetrosa dei polimeri

Quando si progettano pezzi per lo stampaggio a iniezione in plastica, si tiene conto di un aspetto importante ma spesso trascurato. Si chiama Tg, abbreviazione di glass transition temperature (temperatura di transizione vetrosa). Approfondiremo la scienza che sta alla base di tutto questo più avanti, ma per ora è sufficiente sapere che esiste una temperatura in cui i materiali amorfi passano da uno stato vetroso/rigido a uno ruvido/gommoso.

Cos'è la temperatura di transizione vetrosa (Tg)?

La temperatura di transizione vetrosa è la temperatura alla quale un polimero amorfo passa da uno stato duro/vetroso a uno morbido/ruvido o viceversa. La Tg è direttamente correlata alla resistenza e alle capacità di un materiale in una determinata applicazione finale. La temperatura di transizione vetrosa è legata alle proprietà meccaniche di un polimero, tra cui la resistenza alla trazione, la resistenza agli urti, il modulo di elasticità e l'intervallo di temperatura operativa, come si può vedere nella figura 1.

Confronto tra polimeri amorfi e semicristallini

I polimeri si dividono in due classi: termoindurenti e termoplastici. I polimeri termoplastici si dividono ulteriormente in due gruppi: quelli amorfi, come il policarbonato (PC) e il polistirene (PS), e quelli semicristallini (polipropilene e acetale sono due esempi).

Per poter esaminare ciò, è necessario ripassare le lezioni di chimica delle scuole superiori. Ma non c'è da preoccuparsi, non ci vorrà molto. Cominciamo dal primo giorno, quando l'insegnante pone la domanda: cosa sono i polimeri? Il secchione del primo banco che studia le lingue antiche per divertimento, sa che "poly" e "mer" sono le parole greche per "molti pezzi" e quindi risponde: "I polimeri sono lunghe catene di molecole più piccole unite insieme attraverso un processo chiamato polimerizzazione, il cui peso molecolare varia dalle centinaia alle centinaia di migliaia". Complimenti.

Polymer Structure

Lunghe catene molecolari

Ma cos'è il peso molecolare? E soprattutto, a chi interessa? A chiunque progetti parti in plastica. Il peso molecolare di un polimero determina la lunghezza delle "lunghe catene" appena menzionate e, quindi, le relative caratteristiche fisiche. Ad esempio, mentre una molecola di idrogeno "pesa" solo 1,01 g/mol (massa molare) e una di carbonio pesa 12,01 g/mol, una singola molecola di polietilene ad alta densità (HDPE), che non è altro che una serie collegata di queste due molecole, può pesare 250.000 g/mol o più.

Che si tratti di molecole di polietilene tereftalato (PET) che vanno da 8.000 a 31.000 g/mol o di molecole di polistirene (PS) che raggiungono l'incredibile peso di 400.000 g/mol, queste catene di monomeri simili a millepiedi, che sono gli elementi costitutivi dei polimeri, si organizzano in strutture amorfe o semicristalline.

Morfologia dei polimeri

I polimeri amorfi hanno una struttura a catena casuale/disordinata. Al di sotto della Tg, sono duri e fragili. Con l'applicazione del calore, iniziano gradualmente ad ammorbidirsi fino a diventare rudi e gommosi. Questa transizione è la transizione vetrosa. Continuando ad applicare il calore, il polimero diventa gradualmente fuso (modellabile), avendo superato la Tg fino a una temperatura in cui inizia a mostrare un flusso viscoso. Esempi comuni di polimeri amorfi sono i materiali duri e rigidi come il polistirene (PS) e il polimetilmetacrilato (PMMA) che vengono utilizzati allo stato vetroso e ben al di sotto della loro temperatura di transizione vetrosa.

I polimeri semicristallini presentano regioni cristalline altamente ordinate e regioni amorfe. Le regioni amorfe presentano lo stesso comportamento appena descritto. Tuttavia, nei materiali semicristallini, una volta che le regioni amorfe hanno superato la Tg, le regioni cristalline rimangono altamente ordinate e forniscono una struttura al materiale sciolto. Per questo motivo, molti materiali semicristallini possono essere utilizzati ben oltre la loro Tg. Materiali semicristallini come il polipropilene (PP), che ha una Tg di circa -20°C, sono utilizzati al di sopra della loro Tg in applicazioni come mobili da giardino che mostrano robustezza e flessibilità nei caldi mesi estivi, ma possono diventare fragili nei freddi inverni del Nord.

I polimeri termoindurenti hanno reticolati che legano tra loro le catene. Questi reticolati si formano tra le catene, trasformandole in un'unica grande molecola. È opportuno pensarci la prossima volta che si avrà tra le mani una palla da bowling. I reticolati forniscono una robusta struttura a catena che consente di utilizzare materiali elastomerici come la gomma siliconica liquida ben oltre la loro Tg. Altri materiali termoindurenti, come i fenolici, vengono utilizzati al di sotto della loro Tg e sono piuttosto rigidi. I reticolati formano legami tra le catene molecolari così forti che il punto di fusione dei materiali termoindurenti è superiore alla loro temperatura di decomposizione.

Pro e contro dei polimeri

I polimeri amorfi sono spesso trasparenti (il policarbonato e l'acrilico ne sono un esempio) anziché opachi come la maggior parte dei materiali semicristallini. In genere hanno una migliore stabilità dimensionale e hanno meno probabilità di deformarsi durante il processo di stampaggio. Sono generalmente resistenti all'acqua calda e al vapore (si pensi ai materiali idraulici) e hanno una buona rigidità e resistenza agli urti. Inoltre, come spiegato in precedenza, tendono ad ammorbidirsi gradualmente se esposti al calore.

I termoplastici semicristallini, grazie alla loro struttura interna, vantano legami molecolari molto forti. Questo attributo li rende resistenti agli attacchi chimici. Come il Teflon, molti di questi materiali hanno un basso coefficiente di attrito e sono quindi una buona scelta per superfici di appoggio e suscettibili all'usura o per i casi in cui il carico strutturale è elevato. Sono anche molto più resistenti alla fatica rispetto ai polimeri amorfi. Si ammorbidiscono quando sono esposti al calore, ma possono essere utilizzati al di sopra della loro Tg grazie alle regioni cristalline che mantengono la struttura fino alla temperatura di fusione del polimero.

I materiali termoindurenti, con la loro struttura interna reticolata, presentano un'ottima resistenza chimica, stabilità dimensionale e resistenza al calore. I termoindurenti variano da trasparenti a opachi, da elastomerici a rigidi. Possono essere utilizzati al di sotto o al di sopra della loro Tg e non hanno un punto di fusione.

Si tratta di un argomento complesso. Ci auguriamo che questa spiegazione piuttosto tecnica abbia contribuito a ridurre la confusione sull'argomento. Avete un progetto di stampaggio a iniezione? Telefonate al numero +39 (0)321 381 211 oppure scrivete all'indirizzo [email protected]. Siamo sempre felici di parlare di polimeri.