Materie plastiche

Materiali polimerici costituiti in genere da macromolecole organiche, caratterizzati dalla possibilità di essere modellati in qualsiasi forma, quando si trovano allo stato plastico; vengono lavorati mediante procedimenti vari, generalmente a caldo. Le unità di base della materie plastiche, cioè i polimeri, possono essere naturali (come la cellulosa, la cera e la gomma naturale), artificiali, cioè costituiti da polimeri naturali modificati (come l'acetato di cellulosa e il cloridrato di caucciù) o sintetici, cioè prodotti mediante reazioni chimiche di sintesi o di addizione (come il nylon, il polietilene ecc.). I materiali iniziali sono resine sotto forma di granulati, polveri o soluzioni, dai quali si formano le materie plastiche finite. Le materie plastiche sono caratterizzate da un alto rapporto resistenza-densità, un'eccellente proprietà di isolamento termico, elettrico e acustico, e una buona resistenza ad acidi, alcali e solventi. Le macromolecole dalle quali sono costituite possono essere lineari, ramificate o reticolate; nei primi due casi esse sono termoplastiche (lunghe catene aggrovigliate ma senza reticolazioni, rigidezza non elevata e bassa resistenza a temperature elevate), mentre nell'ultimo caso sono termoindurenti (catene con un numero elevato di reticolazioni tra catene stesse, buona rigidezza e resistenza a temperature elevate).

 

Catene Polimeriche

I polimeri sono delle catene organiche, il loro legame è permesso grazie al legame covalente, una catena polimerica consiste in una lunga sequenza di atomi di carbonio ai quali sono legati altri elementi "laterali" quali ad esempio H e O. Rispetto ai polimeri commerciali quelli ingegneristici sono ottimizzati per quanto riguarda le caratteristiche di resistenza meccanica.

Le catene di notevole lunghezza si aggrovigliano tra loro, ed è proprio il modo in cui si aggrovigliano/svolgono queste catene che determina le caratteristiche meccaniche del polimero. La lunghezza delle catene polimeriche si può esprimere in due modi:

 

I polimeri presentano varie strutture, quelle lineari: dove la posizione dei gruppi laterali possono modificare le caratteristiche, nella catena polimerica mer si possono avere accoppiamenti testa-testa oppure testa-coda, in quest'ultima considerazione i radicali si possono trovare tutti sullo stesso lato della catena (configurazione isotattica), oppure su lati opposti (configurazione sindiotattica) o in modo casuale (configurazione atattica). Nelle unità mer che presentano un legame C=C e due gruppi laterali questi si possono presentare sullo stesso lato (struttura cis) o su lati opposti (struttura trans).

 

 

 

 

 

Polimeri Termoplastici

Un polimero termoplastico non presenta legami incrociati, possono esistere legami deboli e sono catena aggrovigliate tra loro; questi polimeri si possono presentare in forma amorfa o parzialmente cristallizzata. Le catene polimeriche possono presentarsi anche con porzioni di catene disposte regolarmente nello spazio, la catene possono far parte di una o più lamelle, le quali si possono ripiegare più volte, tra le lamelle possono esistere porzioni di catene non regolari; quindi il polimero non sarà mai cristallino completamente, tali lamelle posso unirsi ulteriormente per formare sferulidi. Le caratteristiche tensili di durezza, oltre che le temperature di transizione vetrosa e di fusione dipendono da diversi fattori:

Per quel che riguarda la deformazione di un polimero, è interessante far notare come le lamelle si orientino nella direzione di carico e si frammentino in sottounità, con deformazioni estese si ottiene una struttura formata da piccoli cristalli allineati e corrispondenti sferuliti con forma distorta.

 

Il materiale scelto

Data la grande particolarità di tale progetto, si è reso necessario avere a disposizione un materiale plastico che riuscisse a garantire caratteristiche meccaniche molto vicine a quelle dei materiali impiegati attualmente per la realizzazione di biciclette. Esso doveva garantire grande resistenza meccanica, unita ad alta resistenza allo snervamento e una durata ottimale nei cicli di fatica, dopo svariate simulazioni con molti materiali plastici in ambiente FEM, la nostra scelta è ricaduta su una variante del Nylon 66. Questo materiale è composto da poliammidi (PA66) con del rinforzo alle fibre di carbonio, i processi di produzioni tra i vari poliammidi sono simili tra di loro: i monomeri allo stato fuso, oppure sciolti in quantità variabili d'acqua, vengono caricati in autoclave dove avviene la polimerizzazione le cui condizioni operative determinano la differente realizzazione dei diversi materiali. Questi parametri possono essere così riassunti: il tempo del processo, la temperatura e la pressione. Nel nostro caso il PA66 ha punto di fusione più alto (255-265°C), una durezza superiore, buona resistenza all'abrasione, facilità di stampaggio su particolari sottili, cicli molto rapidi. Viene molto usato per filatura. Le poliammidi oltre all'additivazione in polimerizzazione, possono essere colorate, caricate con fibre di vetro o, mediante successiva estrusione, con altre cariche minerali (come nel nostro caso con fibre di carbonio) ma in modalità rigorosamente controllate per evitare possibili degradazioni. Le poliammidi possono essere facilmente stampate ad iniezione, per soffiaggio e col sistema rotazionale oppure per estrusione, e necessitano di cicli di stampaggio molto rapidi. Fondamentale nel ciclo di produzione di tale plastica è evitare al minimo le infiltrazione d'acqua che causano una riduzione drastica delle caratteristiche meccaniche, per ovviare a questo problema si procede con l'inserimento di stabilizzanti nel processo di produzione in modo da ridurre praticamente a zero il possibile effetto degradante dell'acqua. Le poliammidi sono caratterizzate da ottime proprietà meccaniche, resistenza all'usura, basso coefficiente d'attrito, elevato punto di fusione, buona resistenza all'urto, elevata resistenza alla fatica. Ottima resistenza anche ai solventi organici (tranne acido formico ed m-cresolo). La denominazione del materiale scelto è la seguente:

LNP (GE Plastics) Stat-Kon® RC-1006 Polyamide 66, Carbon Fiber Reinforcement