Temperatura e polimeri

Ora che abbiamo una migliore comprensione della struttura del materiale, approfondiremo le sue proprietà termiche per capirne il comportamento in funzione della temperatura. Per fare ciò, prima dobbiamo definire il test che rivelerà le proprietà termiche di un polimero: la DSC.

Definizione di DSC

La calorimetria differenziale a scansione (DSC) è un tipo di analisi termica in cui un campione viene posto all'interno di una camera e viene misurata la quantità di calore necessaria per aumentare continuamente la temperatura interna della camera. Questa forma di analisi è progettata per individuare le temperature alle quali il campione subisce determinate transizioni di stato, ad es. transizione vetrosa, cristallizzazione e fusione, documentando come un polimero reagisce all'aumento graduale di calore tramite il suo livello di assorbimento e rilascio di energia.

DSC

Temperatura di transizione vetrosa (Tg)

La temperatura di transizione vetrosa può essere trovata in tutti i polimeri; si riferisce alla temperatura alla quale lo stato fisico di un polimero passa da vetroso (duro e fragile) a gommoso (morbido e flessibile). La Tg è solitamente usata per evidenziare la massima temperatura di lavoro di un polimero amorfo.

Temperatura di cristallizzazione (Tc)

La cristallizzazione avviene tra Tg e Tm (temperatura di fusione). È il processo in cui le molecole del polimero si allineano per formare cristalli. La temperatura di cristallizzazione è il punto in cui i polimeri cristallizzano alla massima velocità.

Temperatura di fusione (Tm)

La temperatura di fusione è il punto in cui i domini cristallini di un polimero semicristallino iniziano a fondere/deformarsi. I polimeri amorfi non hanno una temperatura di fusione definita.

Temperatura di decomposizione (Td)

La temperatura di decomposizione è la temperatura alla quale un materiale inizia a deteriorarsi, il che significa che lo scheletro del polimero inizia a disgregarsi.

Note sul grafico e sulle definizioni sopra

Un modo semplice per capirlo è che il calore (energia) immesso nella camera sarà utilizzato per aumentare la temperatura interna; tuttavia, se il campione (polimero) all'interno della camera assorbe parte dell'energia termica per un riallineamento strutturale, sarà necessario immettere più calore per aumentare continuamente la temperatura a una velocità costante.

Riferendosi al grafico sottostante, all'inizio viene applicata al sistema una quantità costante di calore per aumentare la temperatura a una certa velocità. Alla Tg (temperatura di transizione vetrosa), possiamo notare che è richiesto più calore per aumentare la temperatura alla stessa velocità; ciò avviene perché il campione assorbirà parte dell'energia termica per rompere i suoi legami non covalenti e permettere ai polimeri di muoversi più liberamente (con conseguente ammorbidimento del materiale).

Dopo questa transizione di fase, il campione avrà una capacità termica più elevata, quindi il sistema richiederà ancora una quantità costante di calore da immettere per aumentare la temperatura del sistema alla stessa velocità, ma questa quantità sarà maggiore rispetto a prima della Tg. L'energia continuamente assorbita dal campione farà sì che la microstruttura del polimero si muova sempre più liberamente (le ecciterà). Alla Tc (temperatura di cristallizzazione), la catena polimerica del campione avrà sufficiente libertà di movimento per formare cristalli. Il campione rilascerà allora energia (calore), il che significa che sarà necessario immettere meno calore nel sistema per aumentare la sua temperatura.

La ragione è che la struttura cristallina (una struttura più ordinata) deriva da una struttura più disordinata, la quale richiederà meno energia, determinando quindi il rilascio dell'energia in eccesso. Una volta formati i cristalli, non verrà più rilasciata energia dal campione al sistema. Tuttavia, poco dopo la formazione dei cristalli, alla Tm (temperatura di fusione), le catene polimeriche continueranno ad acquisire energia (movimento) che le ecciterà eccessivamente e farà rompere la struttura cristallina, assorbendo così energia dal sistema e rendendo necessario immettere più energia nel sistema per continuare ad aumentare la temperatura a una velocità costante. Dopo la rottura di tutti i cristalli, il campione non richiederà ulteriori energie dal sistema. Questo spiega i due picchi opposti a Tc e Tm. Alla Td (temperatura di decomposizione), il campione inizierà a decomporsi, il che significa che i legami covalenti cominceranno a rompersi, il campione perderà la sua capacità termica e di conseguenza sarà necessario meno calore per aumentare la temperatura del sistema.

Ora che le transizioni termiche e il comportamento dei polimeri in funzione della temperatura sono più chiari, possiamo usare queste conoscenze per spiegare alcuni dei fenomeni della stampa 3D: