Resistenza all’impatto e tenacita dei polimeri

Una plastica puo essere rigida, resistente e funzionare perfettamente sotto carico lento, e poi frantumarsi al primo urto. La tenacita — la capacita di assorbire energia prima di rompersi — e una proprieta a se, e dipende criticamente dalla velocita del carico, dalla temperatura e dalla presenza di intagli. Capirla e capire perche alcune plastiche resistono agli urti e altre no.

Vediamo che cos’e la tenacita, come si misura la resistenza all’impatto, cos’e la transizione duttile-fragile e come si tenacizzano i polimeri.

Tenacita: l’energia assorbita

La tenacita e la proprieta per cui un materiale assorbe energia prima di rompersi. Graficamente corrisponde all’area sotto la curva sforzo-deformazione: un materiale tenace combina una resistenza ragionevole con una buona capacita di deformarsi, cosicche l’area — cioe il lavoro fino a rottura — e grande. Un materiale rigido e resistente ma fragile ha una curva ripida che termina presto: poca area, poca tenacita. La tenacita non e dunque ne la sola resistenza ne la sola duttilita, ma una loro combinazione.

La resistenza all’impatto

La tenacita misurata sotto un carico applicato molto rapidamente e la resistenza all’impatto. Si valuta con prove dedicate in cui un pendolo munito di mazza colpisce un provino e si misura l’energia assorbita nella rottura. Le due configurazioni classiche sono la prova Izod (provino fissato come una mensola verticale) e la prova Charpy (provino appoggiato come una trave su due supporti). In entrambe si usa spesso un provino intagliato, perche l’intaglio concentra lo sforzo e mette in evidenza la fragilita del materiale.

tenacità = area sotto la curva sforzo-deformazione = energia assorbita fino a rottura

La resistenza all’impatto e una proprieta separata dal modulo e dalla resistenza statica: un materiale puo avere modulo e resistenza elevati ma scarsa resistenza all’impatto. Per questo va misurata a parte, nelle condizioni di servizio piu critiche.

La transizione duttile-fragile

Molti polimeri mostrano una transizione duttile-fragile: sopra una certa temperatura assorbono molta energia e si deformano prima di rompersi (comportamento duttile, alta resistenza all’impatto); sotto quella temperatura diventano fragili e si frantumano con poca energia. La transizione e legata alla mobilita delle catene: al freddo le catene non riescono a muoversi abbastanza in fretta per dissipare l’energia dell’urto. Lo stesso effetto si osserva aumentando la velocita del carico: un urto rapidissimo non lascia tempo alle catene di rispondere, e il materiale appare piu fragile che sotto carico lento.

Come si tenacizzano i polimeri

Un polimero fragile si puo rendere piu tenace aggiungendo modificanti d’urto: tipicamente piccole particelle di una fase gommosa dispersa nella matrice. Quando arriva una sollecitazione, queste particelle innescano una moltitudine di microdeformazioni (crazing e bande di taglio) che assorbono e dissipano l’energia, impedendo che una singola cricca si propaghi catastroficamente. E il principio dietro materiali come l’ABS o il polistirene antiurto (HIPS): una matrice rigida resa tenace da una fase gommosa.

Perche conta nella pratica

La resistenza all’impatto e spesso la proprieta che decide se un componente di plastica sopravvive all’uso reale: una caduta, un urto, una sollecitazione improvvisa. Un materiale rigido e resistente ma fragile fallisce dove uno meno rigido ma tenace regge. Conoscere la transizione duttile-fragile e verificarne la posizione rispetto alla temperatura minima di servizio e essenziale per componenti esposti al freddo. E sapere che i modificanti d’urto possono tenacizzare una matrice fragile permette di scegliere il grado di materiale giusto invece di un polimero base inadatto agli urti.

Domande frequenti

Che cos’e la tenacita di un polimero?

E la capacita del materiale di assorbire energia prima di rompersi, misurata come area sotto la curva sforzo-deformazione. Combina resistenza e duttilita: un materiale tenace ha sia una resistenza ragionevole sia la capacita di deformarsi, cosicche il lavoro fino a rottura e grande. Non coincide ne con la sola rigidita ne con la sola resistenza.

Come si misura la resistenza all’impatto?

Con prove in cui un pendolo munito di mazza colpisce un provino e si misura l’energia assorbita nella rottura. Le configurazioni classiche sono la prova Izod (provino fissato come una mensola verticale) e la prova Charpy (provino appoggiato come una trave su due supporti). Spesso si usa un provino intagliato, perche l’intaglio concentra lo sforzo e rivela la fragilita del materiale.

Che cos’e la transizione duttile-fragile?

E il passaggio, al variare della temperatura, fra un comportamento duttile (il materiale assorbe molta energia e si deforma prima di rompersi) e uno fragile (si frantuma con poca energia). Sotto la temperatura di transizione il polimero e fragile. Dipende dalla mobilita delle catene: al freddo non riescono a muoversi in fretta per dissipare l’energia dell’urto.

Perche una plastica diventa fragile al freddo?

Perche a bassa temperatura le catene polimeriche perdono mobilita e non riescono a riorganizzarsi abbastanza in fretta per dissipare l’energia di un urto. L’energia non assorbita porta alla propagazione rapida di una cricca e alla frattura fragile. Lo stesso effetto si osserva aumentando la velocita del carico: un urto rapidissimo non lascia tempo alle catene di rispondere.

Come si rende piu tenace un polimero fragile?

Aggiungendo modificanti d’urto, tipicamente piccole particelle di una fase gommosa dispersa nella matrice. Sotto sollecitazione queste particelle innescano numerose microdeformazioni che assorbono energia e impediscono a una singola cricca di propagarsi in modo catastrofico. E il principio dei materiali tenacizzati come l’ABS e il polistirene antiurto, dove una matrice rigida e resa tenace da una fase gommosa.