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COMPOSITI - Coggle Diagram
COMPOSITI
Che cos'è un materiale composito?
Un materiale composito nasce dall'unione di due o più materiali diversi che non si sciolgono tra loro. Si uniscono per creare un materiale finale che è molto più forte dei singoli componenti presi da soli.
Ogni composito ha sempre due parti:
b: È la base (il "collante"), spesso plastica o resina, che avvolge tutto.
La Carica (o Rinforzo)
: È ciò che viene messo dentro per dare forza o risparmiare.
Le dimensioni del composito
possiamo guardare questi materiali a tre livelli:
Livello atomico
: Guardando gli atomi (ma non è questo il nostro caso).
Livello microscopico
: Cose visibili solo al microscopio (come alcune strutture dell'acciaio).
Livello macroscopico
: Cose visibili a occhio nudo (come la plastica con dentro i fili di vetro). I materiali di cui parliamo noi sono quasi tutti di questo terzo tipo.
Nota storica: All'inizio (nel 1910, con la prima plastica chiamata bachelite), si mettevano dentro polveri solo per spendere meno e riempire il materiale. Oggi si fa per dare qualità speciali.
Tipologie di Filler (Cariche) e Interazioni
Le sostanze inserite nella matrice polimerica prendono il nome di filler (o cariche) e si dividono in quattro categorie in base alla loro funzione:
Riempitivi
: Polveri economiche per fare volume e risparmiare soldi.
Rinforzanti
: Materiali che migliorano le proprietà meccaniche (rigidità, resistenza) e la stabilità termica.
Diluenti
: Sostanze aggiunte per sostituire additivi più costosi o per modificare la fluidità del polimero.
Funzionali
: Additivi costosi inseriti per conferire proprietà specifiche (conducibilità elettrica, magnetismo, autolubrificazione).
Interazione Matrice-Filler e Dimensione Particellare
Interazione nulla
: La polvere resta lì come un corpo estraneo e rischia di indebolire la plastica.
Interazione intensa
: Si verifica quando ci sono forti forze di adesione o legami chimici. Questo è favorito da matrici polari o dall'uso di trattamenti superficiali sulla carica.
Dimensione particellare
: Se il diametro delle particelle scende sotto lo 0.2 μm (micrometri), il limite elastico del composito aumenta in modo lineare al ridursi del diametro della particella.
Aggregazione
: Se le particelle microscopiche si uniscono formando agglomerati, creano il fenomeno del volume escluso (zone vuote o non impregnate), peggiorando drasticamente la resilienza (resistenza all'impatto).
Rapporto economico
: L'aggiunta di cariche aumenta la viscosità del materiale liquido e richiede temperature di processo più alte. Questo aumento dei costi energetici deve sempre essere compensato dal risparmio sul costo della carica.
Analisi delle Cariche Particellari Specifiche
Carbonato di Calcio (CC)
Caratteristiche
: È il filler più utilizzato perché economico, non tossico, bianco e con una bassa durezza (valore 3 nella scala di Mohs), il che significa che non usura i macchinari di lavorazione.
Tipologie
: Si divide in GCC (macinato naturale, privato di impurezze come ferro e silice) e PCC (precipitato chimicamente, con purezza e finezza geometrica molto più elevate).
Applicazioni
: Utilizzato nel PVC rigido (fino al 40% per estrudere tubazioni), nel PVC flessibile (fino a 100 phr - parti per cento di resina) e nel Polipropilene (fino al 60%).
Incompatibilità
: Ha una scarsa adesione naturale con il Polietilene. Per unirli è necessario usare agenti accoppianti (sostanze chimiche che fanno da ponte tra i due materiali).
Talco
Natura chimica
: È un silicato idrato di magnesio, spesso associato a impurezze naturali come calcite, magnesite e silice.
Morfologia
: Ha una struttura lamellare (a foglietti piatti). Il testo specifica che la morfologia lamellare è preferibile a quella aciculare (ad aghi) perché garantisce prestazioni meccaniche superiori.
Proprietà
: Incrementa il modulo elastico (la rigidità) e contrasta il fenomeno del creep (lo scorrimento viscoso, ovvero la deformazione continua nel tempo sotto un carico costante) in modo molto più efficace rispetto al Carbonato di Calcio.
Criticità
: Ha un'elevata superficie specifica (molta area di contatto esposta), il che richiede l'aggiunta di stabilizzanti termici per evitare che il polimero si degradi e ingiallisca durante la lavorazione.
Mica
Struttura
: Silico-alluminati naturali con struttura cristallina a strati, uniti da legami deboli.
Effetto geometrico
: Possiede un elevatissimo HAR (High Aspect Ratio), ovvero un rapporto di forma molto alto tra lunghezza e spessore. Durante lo scorrimento del fluido, questo causa un forte orientamento delle lamelle parallelamente alla superficie.
Prestazioni
: Alza enormemente il modulo elastico, ma causa un forte infragilimento del materiale.
Soluzione
: Per risolvere la fragilità, spesso si effettua una sostituzione parziale della mica con fibre di vetro corte, ottenendo un effetto sinergico sulla resilienza.
Cariche Sferiche e Microsfere
Sferette di vetro piene
: Hanno il minimo rapporto superficie/volume possibile. Questo riduce la viscosità del polimero fuso e minimizza le tensioni interne del pezzo stampato.
Microsfere cave
: Sere vuote all'interno (in vetro o carbonio) a bassissima densità, capaci però di resistere a pressioni idrostatiche superiori a 10 MPa.
Applicazioni avanzate
: Vengono usate per costruire schermi ablativi (scudi termici per veicoli spaziali), isolamenti missilistici e per produrre le schiume sintattiche.
Schiume sintattiche
: Materiali a celle chiuse usati nel settore marino Profondo. Resistono fino a 12.000 metri di profondità senza collassare, offrendo prestazioni nettamente superiori rispetto alle schiume espanse tradizionali.
Silice
Natura
: Biossido di silicio amorfo estremamente fine, che tende a formare aggregati e agglomerati stabili.
Funzioni
: Viene usata come rinforzo strutturale per le gomme siliconiche tipo HTV (vulcanizzabili ad alta temperatura), come agente anti-bloccaggio per evitare che i film plastici si appiccichino tra loro, e come opacizzante.