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Leggi qui la Parte 1 .

Immagina questo: hai inciampato su una scatola di materiale senza etichetta o documentazione identificabile. Cosa fai? Scarteresti il materiale o cercheresti di identificarlo? Che tu sia un ricercatore, uno scienziato dei materiali, un ingegnere, uno studente o un individuo curioso, identificando un polimero sconosciuto. Questo blog vi guiderà attraverso le fasi della caratterizzazione del materiale polimerico.

Caratterizzazione avanzata dei polimeri:

Come accennato in precedenza, esistono tecniche e metodi che possono essere utilizzati per caratterizzare un polimero senza la necessità di apparecchiature analitiche avanzate. Tuttavia, l’uso di apparecchiature analitiche può aiutare a semplificare il processo di caratterizzazione, fornendo al contempo maggiore precisione e accuratezza. Come per qualsiasi tipo di test, è necessario un campione di materiale. Anche l’ispezione visiva e fisica del campione può essere una fase vantaggiosa. Di seguito sono descritte alcune tecniche avanzate di caratterizzazione dei polimeri.

• Analisi spettroscopica: L’analisi spettroscopica prevede lo studio dell’interazione tra materia e radiazione elettromagnetica che può aiutare nell’identificazione della composizione chimica e della struttura molecolare di un materiale.
  
  • Spettroscopia visibile con ultravioletti (UV): La base di questa tecnica è analizzare l’assorbimento o la trasmissione della luce nelle regioni ultraviolette (UV) e visibili dello spettro elettromagnetico. Questo metodo aiuta a identificare i composti chimici e la loro concentrazione in una soluzione.
    
    
  • Spettroscopia a infrarossi (IR): La spettroscopia IR studia il modo in cui un campione interagisce con la luce infrarossa attraverso l'assorbimento, l'emissione o la riflessione della luce infrarossa. Questa analisi fornisce informazioni sulle vibrazioni molecolari, che a loro volta aiutano a identificare i gruppi funzionali nei composti organici, a determinare la struttura molecolare e ad analizzare il legame chimico.

Figura 2. FTIR di PA 6 [1]

• Analisi termica: Le tecniche analitiche vengono utilizzate per studiare in che modo le proprietà fisiche e chimiche cambiano in funzione della temperatura. Alcune tecniche comuni utilizzate nell'analisi termica sono TGA e DSC.
  
  • Analisi termogravimentrica (TGA): TGA quantifica il cambiamento di massa di un campione man mano che subisce riscaldamento o raffreddamento a una velocità costante, consentendo al test di identificare degradazione termica, decomposizione, e il rilevamento di componenti volatili nel materiale.

Figura 3. TGA di PA 6,10 [1]

• Analisi cromatografica: L’analisi cromatografica dei polimeri si riferisce all’uso di tecniche cromatografiche per separare, identificare e quantificare i polimeri. La cromatografia è un metodo analitico versatile che consente la separazione di miscele complesse attraverso interazioni con una fase stazionaria e mobile. Questo tipo di analisi può essere usato per determinare la composizione di un polimero, la distribuzione del peso molecolare, i tratti strutturali, monitorare i processi di polimerizzazione e valutare la purezza del polimero. Due metodi comuni di analisi cromatografica sono GPC/SEC e HPLC.
  
  • La cromatografia a permeazione in gel (GPC) o la cromatografia a esclusione dimensionale (SEC) differenziano i polimeri in base alle loro dimensioni molecolari, in particolare al loro volume idrodinamico o peso molecolare. In questo metodo, molecole polimeriche più grandi hanno ridotta penetrazione nella fase stazionaria porosa. Ciò porta a tempi di ritenzione distinti e facilita la separazione in base alle dimensioni molecolari.

Figura 5. Come GPC/SEC separa molecole di diverse dimensioni [4]

• Cromatografia liquida ad alte prestazioni (riguarda la dissoluzione di una sonda polimerica e il sottoporla a una fase mobile liquida ad alta pressione e a una fase stazionaria che crea separazione. L’HPLC è più comune per l’analisi di materiali a basso peso molecolare, additivi e oligomeri.

• Microscopia: La microscopia può aiutare a studiare il polimero e il comportamento a livello microscopico tramite osservazione fisica. Ciò consente di comprendere le proprietà polimeriche, la cristallinità e gli additivi all'interno di una matrice polimerica. La distribuzione di un additivo può mostrare l'uniformità dell'additivo nel polimero e la concentrazione può mostrare il volume di additivo rispetto al polimero. Alcuni metodi di microscopia comuni sono i seguenti:
  
  • Microscopia ottica: La microscopia ottica è una tecnica comune per osservare i campioni sotto luce visibile. Questo metodo consente l'osservazione della topografia superficiale, della morfologia di fase e dei difetti dei materiali. Un approccio modificato a questo metodo comporterebbe luce polarizzata, che può aiutare a identificare regioni birifrangenti nel materiale per rivelare l’orientamento molecolare e gli effetti indotti dallo stress.
    
    
  • Microscopia elettronica a scansione (SEM): Il SEM utilizza un fascio elettronico focalizzato per scansionare la superficie di un campione. Ciò genera quindi immagini ad alta risoluzione delle superfici polimeriche, che possono rivelare dettagli cruciali sulla topografia superficiale, sulla porosità e sulla presenza di riempitivi o additivi.

Figura 6. SEM vs TEM di silicio [5]

• Microscopia elettronica della trasmissione (TEM): TEM è una tecnica potente utilizzata per studiare campioni polimerici su scala nanometrica. Questa tecnica trasmette elettroni attraverso sezioni sottili di un materiale, che fornisce quindi un'analisi dettagliata delle strutture cristalline, della separazione di fase e della morfologia.

Tabella 2. Confronto tra SEM e TEM [6]

SEM	TEM
Raggio di messa a fuoco	Fascio ampio
Topografica/superficie (immagine 3D)	Struttura interna (immagine 2D)
Il fascio non penetra nel campione	Il fascio penetra nel campione
Test più rapido, meno costoso	Test più lento, più costoso

• Test meccanici: I test meccanici delle proprietà offrono informazioni preziose su come i polimeri gestiscono forze, sollecitazioni e ceppi, che possono quindi fornire informazioni sull’idoneità di un materiale per le applicazioni dei polimeri. Alcuni metodi di test meccanici standard dell'American Society for Testing Materials (ASTM) sono i seguenti:
  
  • Test di trazione (ASTM D638): Il test di trazione sottopone un materiale a una forza di trazione assiale lungo il suo asse longitudinale fino a quando non si rompe. L’obiettivo del test di trazione è determinare l’area sotto tensione (curva sotto sforzo fino al punto della frattura). Il test viene solitamente eseguito su una macchina come la macchina di test universale Instron. I test di trazione possono aiutare a identificare il comportamento di un materiale sotto tensione, offrendo indizi sulla sua composizione. I dati di stress-strain generati durante questo test sono unici per ciascun materiale testato e possono portare a informazioni sulle proprietà meccaniche. La pendenza della regione lineare iniziale (regione elastica) della curva di sollecitazione-cedimento fornisce il modulo elastico che è indicativo della rigidità del materiale. I materiali polimerici hanno moduli elastici distinti, rendendo questo parametro un utile elemento di differenziazione.

Figura 7. Tipica curva stress-affaticamento di un materiale termoplastico [7]

• Test di flessione (ASTM D790): Il test di flessione, o test di piegatura, viene eseguito quando viene applicata una forza perpendicolare all'asse longitudinale di un campione, causandone la piegatura. L’obiettivo di questo test è quello di determinare, cosa che viene tipicamente eseguita su una macchina come la macchina di test universale Instron. La resistenza alla flessione è la sollecitazione massima che un materiale può sopportare prima che si guasti quando è sottoposto a un carico di piegatura. Con i polimeri aventi forze di flessione distinte, ciò può essere indicativo dell’integrità strutturale e della rigidità di un materiale. Come la forza di flessione, il modulo di flessione (modulo di elasticità nella piegatura) è la misura di una rigidità quando sottoposto a piegatura. Questo test può fornire informazioni sulla rigidità del polimero e i valori di test possono essere equivalenti a quelli presenti in una scheda tecnica

Figura 8. Macchina di test universale Instron [8]

• Test d’impatto (ASTM D256 Impatto sugli izodi/ASTM D6110 Impatto sugli spigoli): Il test di impatto valuta la capacità di un materiale di resistere a carichi improvvisi e dinamici come forze di impatto o urti. L’obiettivo dei test di impatto è determinare. La resistenza all'impatto è la misura della capacità del materiale di resistere a crepe o deformazioni in caso di urti o carichi d'urto improvvisi, mentre la resistenza alla frattura è correlata alla propagazione delle crepe. I test Izod e Charpy sono simili, tuttavia, il test Charpy utilizza un fascio a sbalzo per colpire un campione in una posizione dentellata, mentre il test Izod utilizza il fascio a sbalzo per colpire il lato del campione opposto alla tacca. Il test di impatto Izod/Charpy viene condotto su una macchina di test a pendolo. I polimeri saranno sottoposti a fratture fragili o duttali, che sono correlate alla loro struttura molecolare e alla loro tenacità e comprendere questi meccanismi può aiutare nell’identificazione del materiale

Figura 9. Macchine per test di impatto a pendolo [9]

• Analisi reologica: L’analisi reologica, o reologia, esplora il modo in cui i materiali fluiscono e si deformano sotto l’influenza delle forze applicate. I test reologici sono fondamentali per comprendere la viscosità di un materiale.

Figura 10. Reometro capillare Dynisco LCR7000 Series [10]

Conclusione:

Il processo di identificazione di un polimero sconosciuto può comportare alcune tecniche di test di base o metodi analitici complessi. L’identificazione di un polimero sconosciuto può sbloccare il potenziale di innovazione e sviluppo di nuove applicazioni. Le procedure di test semplicistiche e i metodi analitici avanzati possono essere noiosi e devono essere esaminati con un esperto di polimeri. Non esitare a contattare il tuo team tecnico Nexeo locale per domande relative ai test dei materiali polimerici.

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[1] Vahur, Signe, et al. “Raccolta spettrale ATR-Ft-IR di materiali di conservazione nella regione estesa di 4000-80 Cm–1 - Chimica analitica e bioanalitica”. SpringerLink, Springer Berlin Heidelberg, 11 marzo 2016, link.springer.com/article/10.1007/s00216-016-9411-5.

[2] Spurrell, Timothy. Timothy Spurrell, Billerica, MA, 2016, pagg. 7–7, Esperimento II - Test TGA e UL94HB.

[3] Spurrell, Timothy. Timothy Spurrell, Billerica, MA, 2016, pagg. 5–5, Esperimento III - Test DSC e punto di fusione.

[4] Introduzione alla cromatografia a permeazione gel e alla cromatografia ad esclusione dimensionale, 30 aprile 2015, www.agilent.com/cs/library/primers/Public/5990-6969EN%20GPC%20SEC%20Chrom%20Guide.pdf.

[5] “Microscopia elettronica a trasmissione vs Microscopia elettronica a scansione”. Microscopia elettronica | TEM vs SEM | Thermo Fisher Scientific - Stati Uniti, www.thermofisher.com/us/en/home/materials-science/learning-center/applications/sem-tem-difference.html#:~:text=The%20difference%20between%20SEM%20and,sample)%20to%20creare%20an%20immagine. Accesso il 10 ottobre 2023.

[6] Gleichmann, Nicole. “SEM rispetto a TEM.” Analisi e separazioni dalle reti tecnologiche, 4 settembre 2023, www.technologynetworks.com/analysis/articles/sem-vs-tem-331262.

[7] Campo, E. Alfredo. (2006). Manuale completo di progettazione delle parti - Per lo stampaggio a iniezione di materiali termoplastici - 2.2.1 Comportamento stress-affaticamento (pp. 7). Editori Hanser. Recuperato da

https://app.knovel.com/hotlink/pdf/id:kt004X3IB1/complete-part-design/stress-strain-behavior

[8] “Sistema di test universale | Instron.” SISTEMI DI TEST UNIVERSALI, www.instron.com/en-us/products/testing-systems/universal-testing-systems/low-force-universal-testing-systems/6800-series. Accesso il 10 ottobre 2023.

[9] “Sistemi di test d’impatto | Instron.” IMPATTO DEI SISTEMI DI TEST, www.instron.com/en-us/products/testing-systems/impact-systems. Accesso il 10 ottobre 2023.

[10] “Reometri capillari: Apparecchiature per la caratterizzazione dei materiali.” Reometri capillari | Apparecchiature per la caratterizzazione dei materiali, www.dynisco.com/polymer-evaluation/laboratory-quality-control-testing/capillary-rheometers/lcr7000-series. Accesso il 10 ottobre 2023.