ProprietÃ nel breve periodo - Solvay Plastics

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Fatica Fatica Quando un materiale viene sottoposto ciclicamente a sforzo, le rotture si verificheranno a livelli di sforzo molto inferiori alla resistenza limite del materiale nel breve periodo. Un buon esempio di un’applicazione che implica lo sforzo ciclico è un ingranaggio. Con la rotazione dell’ingranaggio conduttore, e la conseguente rotazione dell’ingranaggio condotto, ciascun dente, uno dopo l’altro, è sottoposto ad uno sforzo a cui segue per un certo periodo di tempo uno sforzo basso o nullo, sino a quando quel dente viene nuovamente impegnato nella rotazione. Molte applicazioni sono caratterizzate da fatica, dove il carico ciclico non è altrettanto evidente. Altri esempi includono boccole utilizzate per la guida di alberi rotanti, componenti soggetti a vibrazione e ciascun componente rotante in una pompa o in un compressore. Questo fenomeno è ben noto nei metalli ed i metallurgisti hanno coniato il termine "limite di resistenza alla fatica" per rappresentare lo sforzo ciclico massimo a cui un materiale può essere sottoposto illimitatamente. Generalmente, questo sforzo corrisponde allo sforzo più elevato che non causa la rottura dopo 10 milioni (10 7 ) di cicli di carico. Sebbene il termine "limite di resistenza alla fatica" sia utilizzato talvolta nell’ambito progettuale di materiali plastici, la risposta della plastica allo sforzo ciclico è più complessa di quella dei metalli, pertanto un limite di resistenza non può essere definito in modo rigoroso. Nel misurare e/o confrontare la resistenza alla fatica dei materiali plastici, è determinante specificare il modo (tensile, compressivo o flessionale), la frequenza ed il profilo dello sforzo. I dati di resistenza alla fatica sono stati generati in base alla norma ASTM D 671. Questo metodo utilizza una trave a sbalzo con un carico costante. In questo caso specifico, è stato utilizzato un provino per trazione di tipo "A", ad una frequenza di 30 Hz ed una macchina Sontag Universal Testing Machine, modello SF-01-U. Le curve di resistenza alla fatica a flessione per i gradi di polietersulfone RADEL A puri e rinforzati con fibra di vetro sono riportate in figura 34. Sebbene queste prove siano state eseguite sulle resine della serie RADEL A-200A, risultati analoghi sono previsti per le resine della serie A-300A. Figura 34 Resistenza alla fatica a flessione del RADEL A Proprietà termiche I modi in cui un materiale risponde alle variazioni della temperatura ambientale rappresentano le proprietà termiche del materiale stesso. Queste comprendono: modifiche in resistenza e rigidità; modifiche delle dimensioni; modifiche chimiche dovute a degrado termico oppure ad ossidazione; ammorbidimento, fusione o svergolamento; modifiche nella morfologia; semplici variazioni della temperatura. Le proprietà dei materiali allo stato fuso vengono descritte nella sezione relativa alla lavorazione, mentre il comportamento di questi materiali durante la combustione viene descritto nella sezione relativa alle proprietà di combustione. Temperatura di transizione vetrosa Generalmente, quando un polimero viene riscaldato diventa progressivamente meno rigido fino a quando non raggiunge uno stato gommoso. La temperatura alla quale il materiale passa da uno stato vetroso ad uno stato gommoso viene definita temperatura di transizione vetrosa (Tg). Tale dato è importante in quanto in corrispondenza di questa temperatura si verificano numerose variazioni fondamentali. Queste comprendono variazioni del volume libero del polimero, dell’indice di rifrazione, dell’entalpia e del calore specifico. La tabella seguente riporta un elenco delle temperature di transizione vetrosa per il polisulfone UDEL, il polietersulfone RADEL A ed il polifenilsulfone RADEL R. Le temperature di transizione vetrosa delle resine RADEL sono di 35 °C superiori a quelle del polisulfone UDEL. Questa differenza si traduce in migliori prestazioni termiche. Tabella 15 Temperatura di transizione vetrosa Temperatura di transizione vetrosa* Resina °F °C UDEL 365 185 RADEL A 428 220 RADEL R 428 220 * La temperatura di transizione vetrosa è definita come l’inizio della variazione della capacità termica misurata utilizzando la calorimetria differenziale a scansione. Generalmente, il valore misurato viene arrotondato ai 5 °C più vicini. Variazioni nelle proprietà meccaniche Con l’aumentare della temperatura ambiente, i materiali termoplastici diventano sempre più morbidi fino a diventare fluidi. Prima di questo punto, l’ammorbidimento può essere registrato tracciando un grafico che rappresenti il modulo elastico rispetto alla temperatura ambiente. Classificazione delle resine termoplastiche Le resine termoplastiche vengono spesso suddivise in due classi: amorfe e semicristalline. La figura 35 evidenzia in modo generale la differenza nella risposta alla temperatura di questi due tipi di resine. Il modulo delle resine amorfe diminuisce lentamente all’aumentare della temperatura fino a quando non viene raggiunta la temperatura di transizione vetrosa (Tg). Sforzo, kpsi a Sforzo, MPa Cicli a rottura Solvay Advanced Polymers, L.L.C. – 18 –
Proprietà termiche Variazioni nelle proprietà meccaniche Le resine amorfe non vengono normalmente utilizzate a temperature ambiente superiori alla rispettiva temperatura di transizione vetrosa. Il modulo delle resine semicristalline segue il comportamento delle resine amorfe fino alla temperatura di transizione vetrosa. Alla Tg, il modulo presenta una rapida diminuzione a un livello inferiore, ma rimane al nuovo livello o in prossimità di esso fino a quando non si raggiunge il punto di fusione Tm. Le resine semicristalline vengono spesso utilizzate a temperature ambiente superiori alla temperatura di transizione vetrosa, ma inferiori ai rispettivi punti di fusione. Effetto della temperatura sul modulo Il polisulfone UDEL, il polietersulfone RADEL A ed il polifenilsulfone RADEL R sono resine amorfe. Per queste resine, l’effetto della temperatura sul modulo a flessione è rappresentato in figura 36. Figura 37 Modulo a flessione in funzione della temperatura per le resine RADEL A caricate con fibra di vetro Modulo a flessione, kpsi Temperatura, o F Modulo a flessione, GPa Temperatura, o C Figura 35 Variazione tipica del modulo in funzione della temperatura Amorfo Figura 38 Resistenza alla trazione in funzione della temperatura per le resine pure Temperatura, o F Modulo Semicristallino Resistenza a trazione, kpsi Resistenza a trazione, MPa Temperatura Temperatura, o C Figura 36 Modulo a flessione in funzione della temperatura per le resine pure Temperatura, o F Figura 39 Resistenza a trazione in funzione della temperatura per le resine RADEL A caricate con fibra di vetro Temperatura, o F Modulo a flessione, kpsi Modulo a flessione, GPa Resistenza a trazione, kpsi Resistenza a trazione, MPa Temperatura, o C Temperatura, o C – 19 – Guida alla progettazione delle resine RADEL
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