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Oct 19, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5701 (2022) Citare questo articolo

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I polimeri e i compositi termoplastici sono onnipresenti nel settore per le loro capacità di rimodellamento e fusione a temperature elevate. La qualità delle interfacce termoplastiche termofusibili è di grande interesse per le applicazioni di adesione, rivestimento e saldatura, in particolare quelle tra materiali dissimili. L'evoluzione cinetica delle microstrutture definisce le prestazioni meccaniche delle interfacce termoplastiche per fusione a caldo, che qui vengono studiate utilizzando polietilene e polipropilene come esempio. Fattori chiave come la viscosità e la compatibilità dei polimeri, nonché il tempo e la temperatura di fusione vengono discussi combinando simulazioni a livello molecolare ed esperimenti di compressione a caldo a livello strutturale. L'interdiffusione e l'entanglement delle catene polimeriche sono identificati come i due passaggi cinetici elementari della fusione, che dominano rispettivamente il controllo sulla rigidità e sulla resistenza delle interfacce. I dati sperimentali mostrano che la qualità delle interfacce fuse può essere migliorata riducendo la viscosità e il parametro di interazione. Seguendo lo stesso insieme di relazioni di scala temporale identificate nelle simulazioni, le caratteristiche a due fasi e i loro effetti sulla rigidezza e sulla resistenza vengono validati sperimentalmente. Sia la simulazione che i risultati dell'esperimento mostrano che il modulo di Young delle interfacce fuse si ripristina più velocemente della resistenza che è controllata in larga misura dall'entanglement del polimero, piuttosto che dalla diffusione. Questi risultati aggiungono spunti alla progettazione dei processi di fusione, ponendo le basi per le applicazioni di polimeri e compositi termoplastici.

La plastica e i suoi compositi sono uno dei materiali sintetici più utilizzati al mondo, con oltre un terzo di miliardo di tonnellate di produzione globale ogni anno1,2,3,4. Apparsi per la prima volta all'inizio del XX secolo e non applicati commercialmente fino agli anni '50, i prodotti in plastica stanno crescendo straordinariamente, soprattutto nel mercato degli imballaggi2, dei prodotti elettrici ed elettronici5, degli edifici e delle costruzioni, dei tessili, dei trasporti e delle apparecchiature mediche6. Le elevate esigenze di prodotti in plastica riutilizzabili, sicuri, economici e funzionali accelerano l’evoluzione delle tecnologie di lavorazione della plastica. A differenza dei polimeri termoindurenti, i materiali termoplastici sono convenienti per le loro capacità di rimodellamento e riciclaggio, che li rendono candidati ideali per applicazioni emergenti negli adesivi7, nei rivestimenti8 e nei materiali per la produzione additiva9,10, nonché nei componenti strutturali11,12. La fusione a caldo o la saldatura termica dei materiali termoplastici è un mezzo comune per unire parti polimeriche, dove due superfici vengono portate a stretto contatto al di sopra della loro temperatura di transizione vetrosa, \(T_{\mathrm{g}}\), consentendo l'interdiffusione per un periodo del tempo, t13. La fusione dei materiali termoplastici ha attirato particolare attenzione a causa della necessità di interfacce rigenerate ad alte prestazioni in polimeri o compositi9,14,15.

Sono stati compiuti molti sforzi per comprendere l'evoluzione microstrutturale delle interfacce termoplastiche e la sua correlazione con le loro prestazioni meccaniche. Negli studi teorici, si presume solitamente che il movimento diffusivo delle catene polimeriche sia limitato all'interno dei tubi iniziali16. È stato quindi utilizzato un modello di reptazione per calcolare la crescita delle interfacce di fusione tra polimeri identici o compatibili, ottenendo una relazione di scala tra lo spessore (h) e il tempo di fusione (t) prima che venga stabilito l'equilibrio17, ovvero \(h(t )\sim t^{1/2}\). Questo modello prevede anche la forza delle interfacce in funzione di t e del peso molecolare (M) come \({\sigma }_{\mathrm{s}}\sim t^{1/4}M^{\alpha }\ ), dove \(\alpha = -1/4\) entro il tempo di rinnovo del tubo \(T_{\mathrm{r}}\), e \(-3/4\) per \(T > T_{\mathrm {r}}\)17. In questo modello viene considerata la dinamica microscopica della diffusione e della randomizzazione. Per le interfacce tra due polimeri immiscibili, Helfrand e Tagami18,19 hanno stimato il limite superiore dello spessore interfacciale seguendo l'equazione di miscelazione di Flory-Huggins, che è proporzionale a \({\chi }^{-1/2}\). Qui \(\chi\) è il parametro di interazione tra i due polimeri. Le suddette teorie sulla fusione sono limitate ai polimeri amorfi allo stato fuso o al di sopra della temperatura di transizione vetrosa, \(T_{\mathrm{g}}\). Come mostrato da Boiko et al.20, la teoria sviluppata per i polimeri amorfi non si applica a quelli semi-amorfi in prossimità di \(T_{\mathrm{g}}\), come nello stampaggio a iniezione9 e nella produzione additiva di polimeri10. Viene sviluppata una struttura multifisica che incorpora i processi di trasferimento di calore, trasporto di massa e cristallizzazione per modellare la complessità sottostante della fusione21. Tuttavia, il quadro a livello molecolare dietro la relazione di scala, i passaggi cinetici chiave come la diffusione e l'entangling e il significato fisico di \(T_{\mathrm{r}}\) non sono stati risolti. Anche gli effetti delle condizioni di fusione sulle prestazioni meccaniche delle interfacce polimeriche non sono ben chiariti.