Le prove di caratterizzazione dei polimeri eseguite dai laboratori accademici e industriali sono determinanti per le fasi successive di progettazione e produzione: un’indagine preventiva delle caratteristiche prestazionali di un materiale polimerico riduce il rischio di insuccesso e favorisce un’ottimizzazione dei processi in relazione alla prestazione richiesta.
A seconda degli ambiti di utilizzo, i materiali devono ad esempio possedere proprietà tali da
- resistere alle sollecitazioni meccaniche, all’usura e alla corrosione
- essere lavorabili, assumere cioè una forma e dimensioni definite come da progetto
- possedere un certo grado di rigidezza e subire deformazioni contenute
- preservare nel tempo caratteristiche prestazionali il più costanti possibili.
Quanto detto è ancora più vero nel caso dei materiali polimerici.
Materiali polimerici cosa sono:
Sono macromolecole, ovvero molecole dall’elevato peso molecolare, formati da catene di molecole di dimensioni inferiori, chiamate monomeri. Possono essere suddivisi in:
Polimeri Naturali Organici
come la cellulosa e il caucciù.
Polimeri Artificiali
come i polimeri termoplastici, plastiche termoindurenti, elastomeri ottenuti dalla modifica di polimeri naturali.
Polimeri Sintetici
come PVC e PET, prodotti in laboratorio.
Cenni storici:
I primi polimeri utilizzati sono stati quelli naturali come la gomma estratta dagli alberi di caucciù e la cellulosa ricavata dal legno e da numerose materie prime vegetali (ad esempio le fibre tessili, in particolare il cotone). Fu però solo nel XIX secolo che iniziarono le prime ricerche allo scopo di scoprire nuovi polimeri e sintetizzarli in laboratorio. Le prime scoperte inerenti alle materie plastiche risalgono al 1839 quando Charles Goodyear scoprì il processo di vulcanizzazione della gomma: aggiungendo zolfo all’albero della gomma e successivamente sottoponendola a riscaldamento la si rende molto più elastica e resistente. Negli anni a seguire furono condotti diversi studi e ricerche sulla caratterizzazione dei polimeri e sul loro comportamento. Un’altra tappa importante nella storia dei polimeri fu il 1963 quando Giulio Natta e Karl Ziegler ottennero il premio Nobel in seguito alla scoperta del polipropilene isotattico.
Per un approfondimento del discorso ti rinviamo al nostro articolo Storia dei Polimeri
Prove di caratterizzazione dei polimeri: perché sono importanti
Sono molte le proprietà che contraddistinguono i materiali polimerici, decretandone il successo fin dai loro primi utilizzi.
I polimeri sono perfetti isolanti termici ed elettrici, hanno bassa densità e sono leggeri, hanno ridotta stabilità dimensionale, possono essere amorfi o semi-cristallini, sono morbidi, facilmente modellabili e duttili (caratteristica, quest’ultima che permette di lavorarli facilmente e, soprattutto, di realizzare anche forme molto complicate); inoltre, se riscaldati si ammorbidiscono fino a liquefarsi ma si induriscono per raffreddamento (processo reversibile).
Per tali evidenti ragioni, i polimeri vengono utilizzati in una gamma sempre più ampia ed eterogenea di applicazioni, sostituendo non di rado materiali più tradizionali: ai giorni nostri i materiali polimerici sono largamente impiegati nei settori edile, alimentare, farmaceutico, tessile, medico, sportivo e dei trasporti.
Le loro capacità prestazionali, però, dipendono fortemente dai monomeri costituenti e dalla struttura molecolare dominante. Per questa ragione è fondamentale effettuare delle prove di caratterizzazione dei polimeri mirate a conoscere struttura e comportamento, in particolari condizioni, prima di impiegarli in una specifica produzione su larga scala.
La caratterizzazione dei polimeri è, infatti, risolutiva quando bisogna valutare la competitività di un prodotto, quando occorre migliorarne le prestazioni o effettuare un’indagine su un nuovo polimero sintetizzato.
Di qui l’esigenza di illustrare, attraverso questo articolo, le proprietà di maggiore interesse per i settori di produzione e partendo da queste, considerare le principali prove di caratterizzazione dei polimeri insieme agli strumenti di prova da utilizzare e, ovviamente, alle normative di riferimento.
Prove di caratterizzazione dei polimeri: principali test di prova e strumenti
Specializzata nella fornitura di macchine di prova materiali, Amse S.r.l. propone una gamma completa di strumenti per l’esecuzione delle principali prove di caratterizzazione dei polimeri.
Intaglio e preparazione dei provini
La preparazione dei provini è rilevante ai fini dell’affidabilità del test di prova in relazione agli standard previsti dalle normative di riferimento. Per un approfondimento ti rinviamo a questo articolo del nostro blog:
Preparazione dei provini: una gamma di strumenti su misura
La preparazione dei provini è una fase delicata quanto rilevante ai fini della riuscita del test di prova. Il processo di lavorazione integrato non solo varia da materiale a materiale, ma è basato sull’impiego di una gamma diversificata di macchine …
Per quanto riguarda i polimeri in particolare, diversi sono gli strumenti di preparazione utilizzati dai laboratori di prova per le attività di Ricerca e Sviluppo (R&D) e di Controllo della Qualità (QC):
Le intagliatrici manuali a coltello intercambiabile sono utilizzate per l’esecuzione dell’intaglio (Notch) su campioni usati per prove d’impatto secondo i metodi Charpy e Izod in funzione di quanto richiesto dalle normative internazionali di riferimento.
AMSE Intagliatrice motorizzata
Le intagliatrici motorizzate a coltello intercambiabile sono utilizzate per l’esecuzione dell’intaglio (Notch) su campioni usati per prove d’impatto secondo i metodi Charpy e Izod in funzione di quanto richiesto dalle normative internazionali di riferimento.
Disponibile in due modelli, lo strumento è composto da una fresatrice motorizzata e di una serie di dime di riferimento per ricavare provini in materiale polimerico.
AMSE Misuratore della profondità di intaglio
Strumento per misurare la profondità dell’intaglio dei provini per test di impatto.
Mini pressa verticale per stampo provini
La pressa ad iniezione verticale è molto utile per la produzione di un’ampia varietà di campioni di prova da laboratorio come placchette colore, provini per prove di trazione e di impatto nonché piccoli componenti da sottoporre a prove meccaniche.
Prove di impatto sui polimeri
I test di impatto sui polimeri sono prove di tipo distruttivo che provocano la rottura del campione impiegato. Le prove di caratterizzazione dei polimeri servono a misurare la resilienza di un materiale polimerico intesa come capacità di resistere agli urti. Questi test di prova consentono infatti di misurare l’energia necessaria per rompere, con un unico colpo, un provino di dimensioni normalizzate, intagliato nella sua metà più lunga e appoggiato su due sostegni. A questo proposito consigliamo:
Disponibili in vari modelli in funzione del metodo di prova (Charpy o Izod) e del range di energia necessario (0,5J – 50 J), i pendoli sono in grado di eseguire le prove di impatto sui polimeri secondo le normative internazionali: ISO 179, ISO 180, ASTM D 256 ed altre equivalenti.
AMSE propone il pendolo modello XJLD 50 dedicato per la prova di impatto a trazione secondo la normativa internazionale: ISO 8256.
AMSE Ball Drop Tester modello XJB-30
Strumento per prove di impatto su film plastici conforme ai metodi descritti dalle normative internazionali: ISO 7765, ASTM D1709 ed equivalenti.
Prove meccaniche e funzionali sui polimeri
Le prove meccaniche servono a determinare le proprietà meccaniche di un polimero sottoposto a sollecitazioni esterne (forze statiche o dinamiche) al fine di individuare:
- Il comportamento elastico, plastico, viscoelastico (diagramma sforzo-deformazione) e le proprietà di resistenza a trazione (punti di snervamento e rottura).
A questo proposito ti rinviamo alla lettura di questo articolo:
Prova di trazione sui polimeri: perché è così importante
La prova di trazione è una prova di caratterizzazione che riveste una grande importanza, perché consente di esaminare il comportamento dei materiali polimerici sottoposti a prove di resistenza a trazione e valutarne la struttura.
- La resistenza alle alte temperature (temperatura di inflessione per calore HDT e la temperatura di fusione o rammollimento del polimero Vicat).
A questo proposito ti rinviamo alla lettura di questo articolo:
HDT polimeri: perché sono importanti?
I test HDT Polimeri – essenziali per misurare la sensibilità alla temperatura dei materiali plastici e termoplastici – stanno assumendo un ruolo tanto più rilevante quanto più ampia e differenziata è la gamma di applicazioni relative alla plastica.
- La durezza di un polimero intesa come capacità di resistere alla scalfittura e all’abrasione.
- La tenacità di un polimero intesa come capacità di resistere frattura
- La resistenza a fatica.
Molte prove meccaniche e funzionali dei polimeri possono essere eseguite grazie all’impiego di un unico strumento versatile, completo, disponibile, universale.
SHIMADZU Dinamometro elettromeccanico
Disponibile in svariati modelli a seconda della gamma di prove e dell’ambito di utilizzo:
Serie AGV-X
Macchine a doppia colonna caratterizzate da una elevata rigidità strutturale. Disponibili in versione da banco e da pavimento con capacità a partire da 10 kN per arrivare fino a 600 kN. Sono particolarmente adatte per applicazioni in cui è richiesta un’alta frequenza di campionamento dati.
Serie AGS-X
Strumenti a doppia colonna utilizzabili per eseguire prove di trazione, compressione, flessione a 3 e 4 punti e di peeling. Ideale per innumerevoli tipologie di applicazioni e materiali quali metalli, polimeri, gomma, legno, ceramica, vetro, compositi e molti altri.
Serie EZ Test
Serie mono colonna, ideale in qualsiasi ambito in cui le forze in gioco siano relativamente basse.
Altri strumenti utili per l’esecuzione delle prove meccaniche sui polimeri sono:
AMSE propone una gamma completa di strumenti scientifici per la determinazione delle temperature HDT e Vicat dei materiali polimerici. Normative di riferimento: ISO 75, ISO 306, ASTM D648, ASTM D1525 ed altre equivalenti.
AMSE Environmental Stress Cracking (ESCR)
L’Environmental Stress Cracking è la causa più comune di rottura dei manufatti in plastica. L’ESC può essere definito come l’accelerazione dello stress cracking dovuta al contatto con un fluido (liquido o vapore, per esempio soluzioni caustiche sul polipropilene) o con agenti “rigonfianti” senza degradazione chimica.
SHIMADZU Macchine per prove a fatica Serie Servopulser
Disponibili in modelli elettromeccanici ed idraulici in funzione dei carichi e delle frequenze da raggiungere, questi strumenti consentono di valutare la capacità di un polimero di resistere al processo di deformazione e rottura se sottoposto a determinati carichi di fatica variabili nel tempo.
Prove di densità dei polimeri
La densità di un materiale [g/cm3] è definita come il rapporto tra la massa e il volume occupato. Rappresenta uno tra i parametri utilizzati per caratterizzare un polimero dato che differenze anche relativamente piccole di densità, nell’ambito di uno stesso materiale, portano a proprietà meccaniche del materiale notevolmente diverse.
Tra gli strumenti di prova utilizzabili, indichiamo:
AMSE Strumento per determinare la densità apparente
Lo strumento è progettato per determinare la densità apparente di granuli e polveri. È ideale per il controllo qualità delle materie prime.
Sono disponibili vari modelli che variano in base alla metodologia di prova prevista dalla normativa di riferimento.
Prove elettriche sui polimeri
Nella maggior parte dei casi i polimeri sono materiali isolanti. Le prove servono a misurare la capacità di un materiale di resistere al passaggio di corrente a livello superficiale o strutturale interno.
Tra gli strumenti di prova indicati per l’esecuzione di questi tipi di test, segnaliamo:
Il teraohmetro HM 307 DE viene utilizzato per determinare la resistenza elettrica di superficie e di volume applicata ai materiali plastici dielettrici sottoposti a tensioni definite. Normative internazionali di riferimento: ISO284, ASTM D257, ASTM D1169 ed altre equivalenti.
Tracking index
Lo strumento permette di determinare gli indici di resistenza dei materiali isolanti solidi con tensioni sino a 600 V, quando la loro superficie è esposta, sotto sollecitazione elettrica, all’azione dell’acqua contenente contaminanti ionici. Normative internazionali di riferimento: IEC 60112, IEC 60335, IEC 60065, IEC 61029.
Prove di invecchiamento dei polimeri
Le prove di invecchiamento sui polimeri sono fondamentali per valutare le variazioni che può subire un materiale polimerico per azione di agenti esterni (condizioni meteorologiche, agenti chimici) per usura e per sua stessa struttura (proprietà fisiche). Rientrano in questo gruppo di prova:
- I test di invecchiamento accelerato ai Raggi UV e alla luce artificiale – Xenon Test
A questo proposito ti rinviamo alla lettura di questo articolo:
Test di invecchiamento accelerato sui polimeri: l’importanza di prevedere la vita utile di un prodotto
Analizzare il comportamento di un materiale entro un certo lasso di tempo e in determinate condizioni ambientali, è una delle problematiche più rilevanti nel campo della scienza dei materiali. Le variabili da esaminare non sono poche …
- Le prove di abrasione.
A questo proposito ti rinviamo alla lettura di questo articolo:
Test di resistenza all’abrasione sui prodotti in gomma
L’abrasione è uno tra i difetti più indesiderati ma inevitabile, di qualunque sistema dinamico: generalmente i prodotti in gomma in movimento sono più esposti all’abrasione rispetto a quelli statici. Con quali conseguenze? La porzione di superficie, costantemente sottoposta a sfregamento, a raschiamento o a compressione, tende con il tempo ad appiattirsi e deformarsi: a causa di questo processo di usura abrasiva …
Tra i tanti strumenti utili per l’esecuzione delle prove di invecchiamento accelerato sui polimeri disponibili a catalogo troviamo:
La BGD 852 è una camera da banco per prove d’invecchiamento accelerato a raggi UV, di semplice utilizzo e dal costo contenuto.
E’ dotata di tre lampade UV da 20Watt.
Camera a raggi UV- BGD 855 e 856
La BGD 855 e la BGD 856 sono camere d’invecchiamento accelerato da pavimento che utilizzano lampade fluorescenti a raggi UV. La temperatura e l’umidità interna possono essere adeguatamente controllate per consentire di effettuare una valutazione completa.
La BGD 862 è una camera per test di invecchiamento accelerato con lampada Xenon caratterizzata da grandi dimensioni della camera di prova, alta potenza della lampada e ampia superficie di esposizione all’irraggiamento.
La BGD 865 è una piccola camera allo Xenon, molto semplice ed economica. Utilizza una lampada raffreddata ad aria a bassa potenza, sufficiente per produrre un considerevole irraggiamento in un piccolo spazio.
Tutti gli altri parametri (irraggiamento, tempo di test, Black Panel Temperature, etc.) sono modificabili direttamente tramite touch screen. Tutti i dati possono essere esportati su un PC tramite interfaccia USB.
La camera BGD 867 B-SUN utilizza 3 lampade e comprende sia il sistema di controllo per l’umidità che il generatore d’acqua pura.
Per quanto riguarda più nello specifico le prove di abrasione, segnaliamo:
Macchina da usare insieme ad una particolare bilancia per rilevare l’abrasione di prodotti in gomma. Normative di riferimento: CNS 743,K6264,BS-903-A9, GB/T 1689.
La macchina viene usata per determinare il grado di usura su gomme varie. Il provino viene posizionato a contatto con la carta abrasiva che poi ruotando su di una apposita bobina permette di determinare il grado di abrasione del materiale. Normative di riferimento: ASTM D1630.1
Prove termiche sui polimeri
Le prove termiche sui polimeri determinano valori importanti legati al comportamento di un materiale polimerico sottoposto a variazione di temperatura:
- dilatazione termica
- capacità termica
- conduttività termica
- resistenza allo shock
Tra gli strumenti utili per l’esecuzione delle prove termiche sui polimeri segnaliamo:
Forni a muffola per trattamento termico con vari intervalli di temperatura e capacità fino a 1300ºC.
Soddisfano tutte le applicazioni termostatiche di piccola entità. Disponibili nelle versioni da 8 Litri e 20 Litri.
Estrusione dei polimeri
Tra gli strumenti di prova specifici per i polimeri, indichiamo anche un gruppo di macchinari e impianti utili per l’esecuzione dei processi di estrusione di materie plastiche all’interno dei laboratori accademici e industriali o per piccole linee di produzione.
A questo proposito ti rinviamo alla lettura di questo articolo:
Macchine Estrusione Plastica
Le macchine estrusione plastica si rivelano degli strumenti di lavorazione estremamente utili per i laboratori di ricerca, le università, i centri di formazione, i laboratori industriali che vogliono testare su piccola scala la fattibilità e la qualità dell’estruso prima di procedere con la fase di produzione vera e propria.
Tra gli strumenti utili per l’estrusione materie plastiche segnaliamo:
Disponibili con vite in vari diametri a partire da 20mm fino a 45mm.
L/D =30 ed output da 6 kg/h a 60 kg/h.
LABTECH Estrusori a doppia vite
Labtech offre una serie completa di estrusori bivite che vanno dal diametro minimo di 12mm fino a 26mm, con rapporti L/D da 32 a 52 (ad eccezione del diametro 12mm che è disponibile solamente con L/D=36).
LABTECH impianto per film in bolla co-estrusi di 3 e 5 strati
L’impianto è stato progettato per laboratori di ricerca su film multi strato e per valutazione di additivi quali coloranti ed altro sul prodotto finale. Il sistema include 3/5 estrusori mono-vite 30L/D ..
LABTECH Sistemi per produzione di film in bolla monostrato e multistrato
Sono disponibili diversi sistemi per produzione di film in bolla, sia mono strato che multistrato (fino a 9 strati).
LABTECH Linee per film in bolla
La linea è composta da estrusore monovite o bivite di dimensioni variabili, filiera “pancake”, sistema di creazione e collassamento bolla e sistema di raccolta del materiale. Vasta scelta di optional disponibili. Sono disponibili sistemi di co-estrusione fino a 9 livelli.
LABTECH Sistemi per produzione di film in foglia monostrato e multistrato
Un sistema per film in foglia si compone di estrusore, filiera, calandra di raffreddamento del film, sistema di trazione, taglio dei bordi e bobinatura del film.
LABTECH Linee per film in foglia
La linea è composta da estrusore monovite o bivite di dimensioni variabili a seconda delle esigenze, filiera a testa piatta, chill roll, sistema di tiro,taglio e raccolta del materiale. Sono disponibili sistemi di co-estrusione fino a 7 livelli.
