Materiali plastici modificati

Materiali caricati con fibre e compositi

Le proprietà di un materiale plastico possono essere modificate selettivamente aggiungendo additivi o cariche studiate per ottenere caratteristiche specifiche. I compound che ne risultano consentono di migliorare diverse caratteristiche rispetto al polimero di base non caricato, come ad esempio quelle termiche, meccaniche, elettriche, ottiche ed altre ancora. Le cariche e gli additivi più comuni, oltre ai coloranti, sono fibre di rinforzo, stabilizzanti di processo e lubrificanti per ridurre attrito e usura.

Fibre di rinforzo

Nei materiali rinforzati con fibre, il tipo e la quantità di fibra di rinforzo definisce le proprietà del compound. In molti casi, la resistenza meccanica pura delle fibre è superiore rispetto a quella della matrice polimerica - e spesso anche superiore a quella dei più comuni metalli. La densità delle fibre più comunemente usate, per contro, è solitamente inferiore rispetto a metalli leggeri come l’alluminio, il che significa una maggior possibilità di progettare particolari a basso peso, a parità di resistenza o addirittura superiore. Diventa molto importante anche l'interazione all'interfaccia tra le fibre e la matrice polimerica, che è alla base della resistenza meccanica del compound e che può essere migliorata con dei trattamenti superficiali mirati delle fibre. Le fibre maggiormente impiegate per produrre materiali caricati sono le fibre di vetro, di carbonio e aramidiche. Per il progettista spesso le caratteristiche meccaniche del materiale sono uno degli elementi più importanti.

Materiali caricati con fibre di vetro

Le fibre di vetro sono le fibre di rinforzo più comunemente usate nei polimeri caricati. Rispetto al polimero di base i materiali caricati con fibra di vetro guadagnano proprietà meccaniche superiori, in particolare rigidità e resistenza a trazione e, in alcuni casi, anche maggiore durezza superficiale.

Materiali caricati con fibre di carbonio

I polimeri caricati con fibra di carbonio sono estremamente resistenti e leggeri.  Possono risultare costosi da produrre, ma vengono impiegati soprattutto quando è necessaria alta rigidità con un elevato rapporto resistenza-peso. Questa categoria di materiali è molto utilizzata in settori come quello aerospaziale, automotive e in molte altre applicazioni tecniche.

Materiali caricati con fibre aramidiche

Le fibre aramidiche sono una classe di fibre resistenti al calore e robuste, utilizzate in applicazioni che richiedono requisiti estremi in termini di resistenza agli urti, smorzamento e resistenza all'abrasione, insieme a doti di leggerezza fuori dal comune.

Altri tipi di cariche

Esistono numerose altre tipologie di cariche utilizzabili, che apportano benefici tecnici un po' meno evidenti ma servono magari per ridurre i costi o il peso: Ensinger offre, per esempio, mica, talco e sfere di vetro.

Ensinger fornisce inoltre materiali caricati con ceramica, in un’innovativa soluzione composita che migliora, tra gli altri aspetti, le proprietà fisiche e soprattutto le caratteristiche di lavorazione alle macchine utensili, per realizzare componenti di micromeccanica estremamente precisi.


Cariche che riducono attrito e abrasione

Oltre al PTFE (Teflon®), noto materiale per scorrimento, altri materiali classici con proprietà antifrizione come PA e POM vengono spesso impiegati non modificati per le loro buone proprietà tribologiche. È ovviamente possibile migliorare ulteriormente le proprietà di questi materiali, in termini di attrito e resistenza all’usura, utilizzando diversi additivi che possono essere miscelati con la matrice del polimero. Di seguito sono elencati quattro tra gli additivi lubrificanti più comuni:

Grafite

La grafite è una forma di carbonio puro che, aggiunto sotto forma di polvere finemente macinata, mostra effetti lubrificanti significativi. Se miscelata in modo uniforme in un materiale plastico, la grafite può ridurre significativamente il coefficiente di attrito, soprattutto in ambienti umidi.

Polietilene

L’additivazione con polietilene porta ad un effetto simile a quello ottenuto utilizzando il PTFE, anche se le proprietà di scorrimento non migliorano allo stesso livello. Il PE, come additivo, è però vantaggioso sia in termini di costi che di facilità di trasformazione. 

BiSolfuro di molibdeno

Il bisolfuro di molibdeno è impiegato soprattutto come agente nucleante, grazie al quale, se aggiunto anche in piccola quantità ad un polimero semicristallino, si forma una struttura cristallina molto fine e regolare. Come risultato di un più alto ed uniforme livello di cristallinità, viene migliorata resistenza all'abrasione e ridotto il coefficiente di attrito del materiale plastico. 

Ensinger fornisce anche compound speciali che combinano diversi additivi a basso attrito. Un esempio è costituito dalla famiglia di materiali PVX, che contiene PTFE, grafite e fibra di carbonio, con un quantitativo del 10% ciascuno. La combinazione di PTFE e grafite conferisce al materiale eccellenti proprietà di scorrimento, mentre l’aggiunta delle fibre di carbonio migliora resistenza meccanica e resistenza all'abrasione. Questi materiali offrono eccellenti proprietà di scorrimento a secco, anche in assenza totale di lubrificazione e condizioni di carico elevato.

Politetrafluoroetilene

Il PTFE è un polimero  fluorurato per alte temperature con comportamento marcatamente antiadesivo. Quando viene utilizzato come additivo nei materiali caricati, sotto sollecitazione a compressione e strisciamento il PTFE contenuto nel materiale abraso forma una sottile pellicola polimerica sulla superficie di scorrimento. Questo fenomeno consente di raggiungere un coefficiente di attrito molto basso. Con le dosi opportune, è anche possibile ridurre o evitare del tutto il cosiddetto effetto stick-slip, fonte di vibrazioni e movimento irregolare.

PRODOTTI compositi

Ensinger offre anche dei materiali compositi stratificati a base PEEK, con la famiglia prodotto denominata TECATEC. A differenza degli altri materiali caricati con fibre di vetro e di carbonio, in cui le fibre sono corte e disperse uniformemente all'interno del polimero, Il TECATEC garantisce resistenza meccanica, termica e stabilità dimensionale superlative, grazie agli strati di tessuto intrecciato di fibra di carbonio che vengono integrati ad alta pressione con la matrice polimerica in PEEK. Lo speciale processo di lavorazione consente di ottenere un’eccellente integrazione della fibra con la resina.
L’elevata resistenza al vapore surriscaldato, agli agenti chimici e la trasparenza ai raggi X fanno del TECATEC un prodotto ideale per la tecnologia medicale, ma le proprietà meccaniche straordinarie lo rendono interessante in numerosi altri ambiti ad alta tecnologia. Il TECATEC è disponibile caricato al 50% o 60% in peso con tessuto di fibre di carbonio.