Resistenza
La resistenza è una proprietà meccanica che tu immagini, ma della quale non sai il significato quando la si riferisce ai polimeri. Primo, esiste più di una resistenza. C'è la resistenza a trazione. Un polimero ha resistenza a trazione se resiste quando lo si sollecita in questo modo:
La resistenza a trazione è importante per un materiale che deve essere messo in tensione. Le fibre devono avere una buona resistenza a trazione.
Poi, c'è la resistenza alla compressione. Un polimero ha una buona resistenza alla compressione se resiste quando lo si sollecita in questo modo:
Il calcestruzzo è un esempio di materiale con una buona resistenza alla compressione. Qualunque cosa debba sopportare un peso deve possedere una buona resistenza alla compressione.
Esiste anche la resistenza alla flessione. Un polimero ha una buona resistenza alla flessione se resiste ad una sollecitazione come questa:
Esistono altri tipi di resistenza di cui possiamo trattare. Un polimero possiede una buona resistenza alla torsione se resiste quando viene torto. C'è la resistenza all'urto; un polimero ha una buona resistenza all'urto quando resiste ad un urto violento e rapido, come la caduta di un grave (ad esempio un martello).
Cos'è la Resistenza?
Ma cosa significa essere resistenti? C'è una definizione precisa. Riferiamoci alla resistenza a trazione per illustrarla. Per misurare la resistenza a trazione di un provino polimerico, prendiamo il provino e proviamo a tirarlo come nella figura di sopra. Di solito lo si fa con una macchina detta dinamometro (o Instron). Semplicemente, la macchina blocca le due estremita del provino e quando dai il via alla prova, tira una delle due estremità con velocità costante. Mentre tira il provino, misura la forza (F) che sta esercitando per allungarlo. Conoscendo la forza esercitata sul provino, dividiamo il valore per l'area del provino. Il risultato è la sollecitazione esercitata sul provino.
Allo stesso modo si possono immaginare prove simili per la compressione e la flessione. In tutti i casi la resistenza è la sollecitazione necessaria per la rottura del provino.
Poiché la sollecitazione a trazione è la forza applicata ad un campione divisa per l'area del campione stesso, la sollecitazione a trazione e la resistenza a trazione sono entrambe misurate in unità di forza divise per unità di superficie, normalmente N/cm2. La sollecitazione e la resistenza possono anche essere misurate in megapascals (MPa) o in gigapascals (GPa). E' facile convertire le due diverse unità di misura perché 1 MPa = 100 N/cm2, 1 GPa = 100,000 N/cm2 ed ovviamente 1 GPa = 1,000 MPa.
Altre volte la sollecitazione e la resistenza sono misurate nelle vecchie unità di misura inglesi, pounds per square inch (o psi). La conversione tra psi e N/cm2 si effettua tenendo conto che 1 N/cm2 = 1.45 psi.
Ma c'è altro da capire
sulle proprietà meccaniche dei polimeri, oltre a sapere quanto sono
resistenti. La resistenza massima ci dice quanta forza serve per rompere
un provino del materiale che ci interessa. Non ci dice, però, cosa
accade al provino quando cerchiamo di romperlo. Questo ce lo dice uno studio
sull'allungamento del provino. L'allungamento è un tipo di deformazione.
La deformazione è una semplice variazione della forma di qualunque
cosa sottoposta ad uno sforzo. Quando parliamo della resistenza a trazione,
il provino si deforma quando lo si stira e si allunga.Questo è
ciò che chiamiamo allungamento.
Normalmente si parla di allungamento
percentuale che è la lunghezza del provino dopo averlo stirato (L),
divisa per la lunghezza iniziale (L0),
poi moltiplicata per 100.
Ci sono un altre cose che
si possono misurare e che sono correlate all'allungamento. Quale sia la
più importante dipende dal materiale che stiamo studiando. Due importanti
proprietà che possiamo misurare sono l'allungamento a rottura e
l'allungamento elastico.
L'allungamento a rottura
è importante per tutti i materiali. Ci da, in pratica, quanto possiamo
allungare il provino prima che si rompa. L'allungamento elastico rappresenta
la percentuale di allungamento che si può raggiungere prima di avere
una deformazione permanente del provino. Cioé fino a quanto puoi
allungare il provino riottenendo la forma iniziale dopo averlo rilasciato
(come per un elastico). Questo è importante soprattutto se il tuo
materiale è un elastomero. Un elastomero
deve essere in grado di essere stirato molto e di ritornare nella forma
originale. La maggior parte di essi possono subire un allungamento dal
500 al 1000% e tornare alla lunghezza iniziale senza problemi.
Gli elastomeri devo possedere
un allungamento elastico elevato, ma per altri tipi di materiali, come
le plastiche, è auspicabile che
non siano allungabili e deformabili così facilmente. Se vogliamo
sapere quanto un materiale resiste alla deformazione, misuriamo qualcosa
detta modulo. Per misurare il modulo a trazione, facciamo lo stesso test
utilizzato per misurare la resistenza a trazione e l'allungamento a rottura.
Questa volta misuriamo lo sforzo che applichiamo al materiale e lo facciamo
mentre misuriamo la resistenza a trazione. Lentamente aumentiamo lo sforzo
e misuriamo l'allungamento ad ogni aumento dello sforzo stesso. Continuiamo
a farlo finché il provino non si rompe. Poi facciamo un diagramma
dove riportiamo lo sforzo in relazione alla deformazione, come quello seguente:
Questo grafico è chiamato
curva sforzo-deformazione (la deformazione include qualsiasi variazione
dimensionale, incluso l'allungamento. Allungamento è la parola usata
in specifico per la deformazione a trazione). L'altezza della curva quando
il campione si rompe è, ovviamente, la resistenza a trazione ed
il modulo a trazione è la pendenza di questa curva. Se la
pendenza è ripida, il campione ha un alto modulo a trazione, cioé
resiste alla deformazione. Se la pendenza è bassa, il campione ha
un basso modulo e, quindi, si deforma facilmente.
A volte si ottengono curve
sforzo-deformazione che non sono facili da interpretare come quella sopra.
Per alcuni polimeri, specialmente per le plastiche
flessibili, si ottengono curve con questa forma:
La pendenza non è
costante con l'incremento dello sforzo. La pendenza, che è il modulo,
cambia con lo sforzo applicato. In un caso simile la pendenza iniziale
è il modulo, come puoi notare nella curva sforzo-deformazione riportata
sopra.
In generale, le fibre hanno
il più alto modulo a trazione, e gli elastomeri il più basso;
le plastiche hanno moduli a volte più vicini a quelli delle fibre,
a volte più vicini a quelli degli elastomeri.
Il modulo è misurato
calcolando lo sforzo e dividendolo per l'allungamento; è quindi
misurato in unità di sforzo divise per unità di allungamento.
ma l'allungamento è adimensionale e non ci sono unità di
misura da poter usare. Così il modulo è misurato con le stesse
unità con cui si misura lo sforzo: N/cm2.
Il grafico dello sforzo e deformazione
ci dà un'altra informazione importante. Se si misura l'area sottesa
dalla curva sforzo-deformazione, colorata in rosso nel grafico sottostante,
il numero che si ricava è ciò che si definisce
tenacità.
La tenacità è,
realmente, una misura dell'energia che un provino può assorbire
prima di rompersi. Pensa, se l'altezza del triangolo nel grafico è
la resistenza e la base del triangolo è la deformazione, l'area,
quindi, è proporzionale allo sforzo per la deformazione. Poiché
lo sforzo è proporzionale alla forza necessaria a rompere il provino
e la deformazione è misurata in unità di distanza (la distanza
di cui il provino si è allungato), allora lo sforzo per la deformazione
è proporzionale alla forza moltiplicata per la distanza; ma, come
ci insegna la fisica, una forza moltiplicata per una distanza è
una energia. Ci siamo?
a
forza x distanza = energia
In che modo si diversificano
la tenacità dalla resistenza? Da un punto di vista "fisico", la
risposta è che la resistenza ci dice quanta forza ci serve per rompere
un campione e la tenacità, quanta energia è necessaria per
rompere un campione. Ma questo non ti dice qual'è la differenza
pratica tra le due proprietà.
Quello che è importante
sapere e che affinchè un materiale sia resistente non è necessario
che sia anche tenace.Osserviamo qualche altro grafico, per capire meglio.
Dai un'occhiata a quello di sotto, quello con le tre curve (una blu, una
rossa e una rosa).
La curva blu è la curva
sforzo-deformazione per un campione resistente, ma non tenace. Come puoi
vedere ci vuole molta forza per romperlo, ma non molta energia, vista la
piccola area sotto la curva. Quindi questo campione non si allunga molto
prima di rompersi. un materiale come questo è resistente, ma non
si deforma molto prima di rompersi ed è chiamato fragile.
D'altra parte la curva rossa
è la curva sforzo-deformazione per un campione che sia resistente
e tenace. Questo materiale non è resistente quanto quello della
curva in blu, ma l'area sotto la curva rossa è maggiore di quella
sotto la blu. Cioè assorbe più energia del campione blu.
Ma perché il campione
rosso assorbe più energia di quello blu? Guardali. Il campione rosso
si allunga molto di più del blu, prima di rompersi.Come vedi, la
deformazione permette al campione di dissipare energia. Se un campione
non si può deformare, l'energia non viene dissipata e porta alla
rottura del campione.
Nella vita di tutti i giorni
vogliamo materiali tenaci e resistenti. Idealmente sarebbe bello avere
un materiale che non si pieghi e non si rompa, ma questo è il mondo
reale. Dai ancora un'occhiata alle curve. Il campione blu ha un modulo
più alto di quello rosso. Un modulo alto è valido per diverse
applicazioni perché il materiale resiste alla deformazione, ma in
generale si preferisce un materiale che si pieghi piuttosto di uno che
si rompe e se durante la piegatura, lo stiro o la deformazione si evita
la rottura, tanto di guadagnato. Così. quando si progetta un nuovo
polimero o un nuovo composito, di solito
si sacrifica la resistenza a favore della tenacità.
Abbiamo parla a lungo in modo astratto, così ora è meglio
parlare di quali polimeri mostrano un tipo di comportamento meccanico piuttosto
che un'altro: cioé quali sono resistenti, quali tenaci,
ecc.
Questo spiega la presenza
del grafico alla tua destra. Paragona delle tipiche curve sforzo-deformazione
per diversi tipi di polimeri. Un materiale che ha un comportamento come
quello della curva verde è una plastica
rigida come il polistirene o il polimetilmetacrilato
e può resistere bene allo sforzo, ma poco all'allungamento prima
di rompersi. E' piccola l'area sotto la curva sforzo-deformazione in verde.
Diciamo che un materiale così è resistente, ma non tenace.
Inoltre, la pendenza della curva è molto ripida il che vuol dire
che ci vuole molta forza per deformare una plastica rigida (suppongo che
questo significhi essere rigido, non è vero?) Così è
evidente che una plastica rigida ha un alto modulo. In breve, una plastica
rigida tende a essere resistente ed a non deformarsi, ma non tende ad essere
molto tenace, nel complesso, cioé, è fragile.
Le plastiche flessibili come il polietilene ed il polipropilene differiscono dalle plastiche rigide perché non resistono così bene alla deformazione, ma tendono a non rompersi. Chiaramente il fatto
di deformarsi fa si che non si rompano. Il modulo iniziale è alto,
cioé resistono per un certo periodo alla deformazione, ma se si
applica una forza sufficiente ad una plastica flessibile, essa si deformerà.
Puoi provare a casa tua questa esperienza prendendo un sacchetto per la
spesa in plastica. Se cerchi di allungarlo, inizialmente farai fatica,
ma quando lo avrai allungato a suffiecenza, non opporrà più
resistenza e lo allungherai facilmente. In sintesi le plastiche flessibili
non sono così resistenti come quelle rigide, ma sono molto più
tenaci.
E' possibile modificare il comportamento sforzo-deformazione di una plastica utilizzando degli additivi detti plastificanti. Un plastificante è una piccola molecola che
rende le plastiche più flessibili. Senza il plastificante, ad esempio,
il polivinilcloruro, o PVC, è una plastica
rigida usata per fare i tubi per l'acqua. Ma con il plastificante, il PVC
è sufficentemente flessibile da essere usato per fabbricare piscine
gonfiabili per bambini.
Le Fibre
come il KevlarTM,
le fibre di carbonio ed il nylon
tendono ad avere curve sforzo-deformazione simili a quella color azzurro
acqua nel grafico di sopra. Come le plastiche rigide, esse sono più
resistenti che tenaci e non si deformano molto sotto una sollecitazione
a trazione. Ma quando hai bisogno di resistenza, le fibre ne hanno in abbondanza.
Sono più resistenti che le plastiche, anche delle rigide e alcune
fibre come il KevlarTM,
le fibre di carbonio ed i polietileni
ad altissimo peso molecolare, o UHMWPE, hanno una resistenza a trazione
maggiore dell'acciaio.
Gli elastomeri
come il poliisoprene, il polibutadiene
ed il poliisobutilene hanno un comportamento meccanico
completamente differente da quello degli altri materiali. Osserva la curva
in rosa nel grafico sovrastante. Gli elastomeri hanno un modulo molto basso.
Lo puoi vedere dalla scarsa pendenza della curva in rosa, ma questo, probabilmente,
già lo sapevi. Già sapevi che è facile allungare o
piegare un pezzo di gomma. Se gli elastomeri non avessero un basso modulo,
non sarebbero dei buoni elastomeri, non è vero?
Ma, un polimero, deve avere
qualcosa in più di un modulo basso per essere un elastomero. La
possibilità di essere allungato facilmente non è utile se
il materiale non ritorna in dietro alla posizione di partenza, quando lo
sforzo si interrompe. Gli elastici non sarebbero utili se si allungassero
senza tornare indietro. Ovviamente gli elastomeri tornano indietro alla
fine dello sforzo e questo è quello che li rende così meravigliosi.
essi non hanno solo un elevato allungamento, ma un elevato allungamento
reversibile.
Ok, tutto questo è
giusto, ma questa piccola discussione su quali polimeri abbiano un certo
tipo di comportamento meccanico è stato incentrato sulle proprietà
tensili. Diamo un'occhiata alle altre, quali quelle relative alla compressione
o alla flessione che possono essere completamente diverse. Per esempio
le fibre hanno una resistenza a trazione molto elevata ed una resistenza
alla flessione altrettanto elevata, ma normalmente hanno una scarsissima
resistenza alla compressione. Oltretutto hanno una eccellente resistenza
a trazione solo nella direzione delle fibre.
Abbiamo discusso a lungo di
come un polimero sia tenace, mentre altri siano resistenti e di come uno
debba raggiungere un compromesso quando progetta un nuovo materiale. Deve,
per esempio, sacrificare la resistenza a favore della tenacità.
Ma a volte possiamo combinare due polimeri con diverse proprietà
per creare un nuovo materiale con alcune delle proprietà di tutti
e due. Ci sono tre vie principali per fare ciò e sono la copolimerizzazione,la
miscelazione
(blending) e la produzione di materiali compositi.
Un esempio di un copolimero
che combini le proprietà di due polimeri è lo Spandex.
E' un copolimero che contiene blocchi di elastomero, il poliossietilene,
e blocchi di poliuretano capace di fare fibre
rigide. Il risultato è una fibra che si allunga. Lo Spandex è
usato per fare gli abiti stretch, come i pantaloncini da ciclista.
Il polistirene
antiurto, o HIPS, è una miscela eterofasica
di polimeri che combina le proprietà di due polimeri, il polistirene
ed il polibutadiene. Il polistirene è una
plastica
rigida. quando è miscelato con il polibutadiene, un elastomero,
forma una miscela a fasi separate che ha la resistenza del polistirene
con la tenacità aggiuntiva del polibutadiene. Per questo il HIPS
è molto meno fragile del polistirene normale.
Nel caso dei mateiali compositi,
si utilizza una fibra per rinforzare
una resina termoindurente. Le termoindurenti sono materiali reticolati
il cui comportamento allo sforzo è spesso simile a quello delle
plastiche. La fibra aumenta la resistenza a trazione del composito, mentre
la resina termoindurente fornisce la resistenza alla compressione e la
tenacità.
Allungamento
Modulo
Tenacità
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