La plastica: tipologie e tecnologie.

Un po’ di storia sulle materie plastiche.

                        ImmagineImmagine

Nel 1920 H. Standinger teorizza che la plastica è formata da polimeri costituiti di macromolecole.

Tra il 1920 e 1930 si formulano il Cellophane, ossia un film trasparente, il cloruro di polivinile PVC, materiale utilizzato per creare fili elettrici e tubi; segue la creazione del Nylon per le fibre tessili, le resine ureiche per la produzione di casalinghi, il Perpex metacrilato polimerizzato per lenti, occhiali e macchine fotografiche e il Polistirolo che è una resina polistirenica ad uso espanso per coibentazione di case, aerei e frigo.

Nel 1950 si procede con altre creazioni come la fibra tessile, utilizzata per tessuti elastici e calze da donna, denominata Lycra; il politetrafluoretene PTFE noto con il nome di Teflon, con il quale si attuano il rivestimento anti-aderente delle padelle.

Nel 1953 viene scoperto da K. Ziegler il Polietilene PE che ha ricevuto il Premio Nobel; segue nel 1954 l’assegnazione di un altro Premio Nobel a G. Natta per la scoperta del Polipropilene PP. In seguito, nel 1970 nascono i tecnopolimeri, speciali formazioni di plastiche con caratteristiche meccaniche e fisiche di altissimo livello.

La materia prima.  

Per quanto riguarda le materie plastiche, si considera ora la loro composizione, costituita da polimeri, macromolecole di sostanze organiche a elevato perso molecolare. I polimeri derivano da avviluppamenti chimici di un gran numero di piccole molecole di monomero del medesimo tipo.

Le sostanze naturali da cui derivano le materie plastiche, dopo apportuni processi, sono:

  • cellulosa (legno)
  • oli vegetali
  • mais e semi di soia
  • cereali

La maggior parte delle materie plastiche oggigiorno vengono prodotte da:

  • carbone
  • gas metano
  • petrolio

I polimeri. 

La trasformazione della materia prima avviene attraverso la polimerizzazione, che è il processo che permette di trasformare le materie prime in materie plastiche. Le materie prime vengono polimerizzate attraverso differenti procedimenti per ottenere materie plastiche sotto forma di granuli, pastiglie, polveri o liquidi. Le possibili polimerizzazioni sono: in massa, in soluzione, in sospensione e/o in emulsione.

                                          Immagine

Le materie plastiche di base prodotte dalla polimerizzazione sono commercializzate sotto molte forme a seconda dell’impiego successivo come :

  • granuli, polveri per stampaggio di oggetti
  • resine liquide, da accoppiare a cemento, fibra di vetro, fibra di carbonio
  • vernici
  • adesivi
  • film

I campi di applicazione dei polimeri sono svariati.

In edilizia li ritroviamo nelle finestre in PVC, tubi per l’impianto idraulico PVC, fili elettrici PVC, canaline elettriche PVC, materiali espansi per le casseforme PS, calcestruzzo con resine sintetiche, fogli per impermeabilizzare bacini, strade, fondazioni PVC, lastre per isolamento termico PE PS PUR.

                                   Immagine            Immagine

In packaging utilizzati per film PE- LLD, contenitori PS, PC, in bottiglie PET.

                                                                             Immagine

Nei mezzi di trasporto come spoiler, paraurti, parafanghi, cofani, portelloni PUR ( poliuretani ) RIM ( poliuretano rigido ), fari PC, camper, interni autobus, barche SMC, fibra di vetro impregnata con resina, parte di aerei, fibre di carbonio impregnate con resina.

Attualmente le materie plastiche costituiscono in media il 10% del peso di un auto ( 70-150kg) ma la percentuale è in aumento. Il 65% degli aerei di linea è costituito da materiali compositi rinforzati.

In elettronica si usano nei materiali isolanti Termoindurenti classici, PA (Nylon), PC (policarbonato), carrozzerie di computer, oggetti elettronici in genere, cassette VHS ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), PS (polistirene), PC (policarbonato).

In casa nei mobili PP (polipropilene), PU (poliuretano) lampade PC (policarbonato), PMMA (polimetilmetacrilato).

Immagine               Immagine                Immagine

Produzione e Consumi. 

Si considera ora alcuni dati Economici e Produzione in Europa.

Nel 2003 nel settore della plastica sono state impiegate 1.000.000 persone e sono state prodotte materie plastiche per circa 29 miliardi di euro e prodotte macchine per la lavorazione delle plastiche per 9 miliardi di euro.

Per quanto riguarda i consumi nel 2002 sono stati consumati 96,6 Kg di plastica procapite e nel 2003 Kg. 98 procapite.

Inoltre nel settore del Packaging  nell’anno 2003 14 milioni di tonnellate di materiale, nel settore auto 3 milioni di tonnellate.

Le materie plastiche sono suddivise in tre grandi famiglie:

  • materiali termoplastici
  • materiali plastici termoindurenti
  • materiali plastici elastomerici (elastomeri)

I materiali termoplastici rammolliscono ripetutamente con il calore sino a diventare scorrevoli e solidificano per raffreddamento, In seguito ad un processo di trasformazione (stampaggio) essi assumono cambiamenti di stato re ersibili.

Gli scarti di lavorazione derivanti dallo stampaggio possono essere rigenerati e possono essere riutilizzati.

Possono essere termoformati (vasche da bagno o le cassette della frutta) e saldati.

Altri materiali plastici sono termoindurenti derivano da prodotti macromolecolari che, reagendo fra di loro, formano macromolecole strettamente reticolate dal lato chimico.

Non sono reversibili per cui, una volta stampati e avvenuta la reazione chimica non sono più utilizzabili se non come carica (particelle aggiunte alle plastiche per modificare le caratteristiche meccaniche).

Non sono termoformabili e saldabili.

Ora considerando i materiali plastici elastomerici, (elatomeri) possiamo specificare che sono materiali che a temperatura ambiente hanno un comportamento gommoelastico, e che se sollecitati a trazione o co,pressione di deformano, e che una volta eliminata la forza ritornano all’entità originale ( come gli stivali di gomma, le suole di ulcune scrpe, i tappi non di sughero per il vino, o la parte plastica delle chiavi delle macchine).

Si tocca ora il campo degli agenti ausiliari dei quali molti manufatti stampati hanno bisogno per migliorare la resistenza al fuoco, la sicurezza, l’igiene nel settore alimentare, le caratteristiche mecccaniche, la stampabilità.

Il processo di produzione dei semilavorati e dei manufatti.

                                                   Immagine

  • coloranti: pigmenti organici ed inorganiciinsolubili che conferiscono il colore alla palstica, sono chiamati masterbatch
  • cariche: sono polveri (farine di legno), fibre (legno, vetro allumimio, carbonio, araldite),

            sferette di vetro, servono a risparmiare materiale, migliorare la lavorabilità e le caratteristi che meccaniche

  • agenti scivolanti e distaccanti: abbassano la viscosità delle masse plastiche, facilitano il distacco dagli stampi
  • agenti stabilizzanti: diminuiscono il degrado delle plastiche agli agenti atmosferici, ai raggi UV, all’ossidazione
  • agenti antistatici: impediscono alla plastica di attirare la polvere per effetto dell’eletricità statica
  • ritardi di fiamma: diminuiscono l’infiammabilità delle plastiche
  • agenti flessibilizzanti: migliorano la flessibilità delle plastiche fragili
  • agenti plastificanti : regolano la tenacità delle materie plastiche rigide

Seguono le tecnologie di lavorazione del materiale plastico.

Miscelazione.

I materiali termoplastici devono essere miscelati con agenti ausiliari. Alcuni esempi di apparecchi per la miscelazione della plastica con gli agenti ausiliari sono la dosatrice gravimetrica e dosatrice volumetrica.

Plastificazione dei polimeri. 

                                            Immagine

Le premiscele di granuli o polveri ed additivi vengono fuse e omogeneizzate mediante estrusori-omogeneizzatori. La massa fusa viene poi lavorata a caldo o a freddo.

Per quanto riguarda la granulazione a freddo, una volta estruso il materiale ed omogeneizzato esce dalla matrice e viene raffreddato in un bagno d’acqua ed essiccato prima di passare alla granulatrice, una taglierina che riduce l’estruso filare i granuli cilindrici.

Con la granulazione a caldo invece, la massa fusa ed omogeneizzata, viene tagliata in granuli appena esce dalla matrice di estrusione. I granuli vengono raffreddati in acqua subito dopo il taglio. In questo caso i granuli hanno forma sferica o lenticolare.

Lo stampo.

                                            Immagine

                                            ImmagineImmagine

Lo stampo è composto di una matrice, detta anche femmina e di un punzone, detto anche maschio. L’unione dei due pezzi genera la forma da dare all’oggetto da stampare.

Può avvenire uno stampo a iniezione dove la vite per iniezione introduce la materia plastica nello stampo, mentre il pistone idraulico, attraverso un meccanismo a ginocchio, tiene lo stampo chiuso: infatti l’iniezione della plastica avviene ad alta pressione e tende ad aprire lo stampo.

                                              Immagine

Lo stampo ad iniezione avviene in diverse fasi; nella prima fase vengono introdotti i granuli e gli agenti. La vite incomincia a girare miscelando i granuli, mentre le resistenze riscaldano il materiale.

                                                                          Immagine

Segue la seconda fase in cui la vite avanza e spinge la massa fusa nello stampo,quindi la vite senza fine spinge la massa fusa nello stampo attraverso il canale d’iniezione ed inizia lo riempimento dello stampo. Per l’elevata spinta, la macchina tiene chiuso lo stampo attraverso un pistone idraulico. Lo stampo è opportunatamente riscaldato per permettere un buon flusso della plastica sino a riempire tutta la figura. Si arriva così alla terza fase in cui la vite senza fine esegue una post compressione a pressione più bassa per compensare il ritiro ( la plastica fusa, una volta solidificata tende a ritirarsi, cioè a diminuire il suo volume): a questo punto la vite sospende la spinta e il pezzo si raffredda per qualche istante nello stampo in modo che la plastica si solidifichi completamente per permettere al pezzo stampato di uscire dallo stampo senza deformarsi. Con la quarta ed ultima fase, l’iniezione è completata, il manufatto si è raffreddato ed è diventato solido e così è possibile aprire lo stampo per l’estrazione del pezzo stampato.

                                                     Immagine

                                                     Immagine

                                                    Immagine

Estrusione.

                                                Immagine

In questo processo la massa fusa viene spinta dalla vite attraverso una matrice d’estrusione. Attraverso il processo di estrusione possono essere estrusi differenti profili. Il più interessante è il profilo cavo per cui l’estruso può essere svuotato creando un profilo resistente e leggero. Questa tecnica permette di estrudere profili a sezione cava utilizzando l’aria per svuotare il profilo. La linea completa di estrusione è composta dall’estrusione, da un’unità di classificazione granulometrica, da un’unità di raffreddamento per poi passare al taglio. I profilati di norma sono tagliati a 6 m per problemi di trasporto sui camion. I profilati sono di tre tipi, ossia profilati cavi, profilati aperti e profilati a barra piena.

Estrusione di film soffiato.

                                                          Immagine

Questo tipo di estrusione consente di produrre ad esempio i sacchi per rifiuti di colore nero. La linea di estrusione di film soffiato è costituita da un estrusore con matrice ad anello, un anello di raffreddamento ad aria, un dispositivo per il trascinamento del film e i rulli di avvolgimento del prodotto finale. Il tubo soffiato viene stirato sino a ¾ volte il diametro della matrice ad anello.

Estrusione di film piatto.

L’apparecchiatura per un film piatto contiene un estrusone con matrice piatta, rulli refrigeranti, dispositivo di taglio e unità di avvolgimento. La massa fusa che esce dalla matrice è pressata contro il primo rullo refrigerante mediante aria calda. Il raffreddamento è seguito dal taglio e dall’avvolgimento.

Estrusione su cavo o tondino metallico.

Il cavo di rame, acciaio o alluminio è trainato attraverso una matrice rotonda rotante e ricoperto di plastica. Dopo il raffreddamento viene avvolto il bobine per il trasporto. Con questa tecnica si producono cavi elettrici, reti per recinzioni, cavi per stendere la biancheria e tubi metallici.

Estrusione/soffiaggio.

                                          Immagine

Questo processo consente di produrre oggetti cavi come bottiglie e flaconi. L’unità è composta da due sezioni: la prima è un estrusore che genera il parison, uno sbozzato di forma cilindrica cavo all’interno.

                                               Immagine

Nella seconda sezione il parison passa nello stampo (nell’esempio di una bottiglia). Lo stampo della bottiglia è aperto per consentire al parison di entrare senza interferenza in quanto è allo stato plastico. Entrato completamente il parison, lo stampo della bottiglia si chiude bloccando la parte del parison che va a formare il collo e il sistema di chiusura della bottiglia ( chiusura a vite). Dopodichè dal collo della bottiglia viene immessa aria compressa che deforma il parison, facendolo aderire alle pareti dello stampo, prendendo la forma del medesimo.

                                          Immagine

La bottiglia è formata. Lo stampo si apre per permettere a due taglierine di asportare le parti di plastica in eccesso dal collo della bottiglia e per staccarla dal parison. Dopodichè la bottiglia esce dallo stampo.

                                                  Immagine

Questo processo avviene in due fasi. Nella prima fase viene stampato con la tecnologia dell’iniezione uno sbozzato, un corpo cilindrico della forma di una provetta da laboratorio, che ha già la filettatura per avvitare il tappo. Lo stampaggio ad iniezione dà la sicurezza di avere spessori costanti ed alta precisione nella stampa della filettatura. Per essere rilavorato lo sbozzato viene sottoposto a riscaldamento per rendere deformabile la plastica. Nella seconda fase lo sbozzato opportunamente riscaldato, viene inserito nello stampo con la figura da realizzare. Immettendo aria compressa all’interno dello sbozzato, questo si deforma fino ad assumere la forma dello stampo. Terminata la formatura, lo stampo si apre e viene estratta la bottiglia finita.

Con il processo di produzione monofase, la macchina plurifunzione è in grado di produrre bottiglie finite partendo dai granuli di plastica. Una pressa stampa gli sbozzati che poi vengono spostati nella stazione di preriscaldamento; nella stazione successiva gli sbozzati vengono trasformati nella forma definitiva e quindi avviati al riempimento. Queste macchine sono situate direttamente nelle fabbriche di imbottigliamento ( acqua minerale, cosmetici, detersivi, oli) per risparmiare il trasporto di oggetti vuoti e voluminosi a basso valore.

Per quanto riguarda il processo di produzione bifase invece, gli sbozzati sono prodotti da aziende specializzate. Gli sbozzati, essendo meno ingombranti del prodotto finale, sono trasportati nelle aziende di imbottigliamento che hanno una macchina che soffia il prodotto finito da avviare all’imbottigliamento.

Iniezione/stiro/soffiaggio.

Questo processo avviene in tre fasi; nella prima fase viene stampato con la tecnologia dell’iniezione uno sbozzato o parison, un corpo cilindrico della forma di una provetta da laboratorio, che ha già la filettatura per avvitare il tappo. Lo stampaggio ad iniezione da la sicurezza di avere spessori costanti ed alta precisione nella stampata della filettatura. Per essere rilavorato lo sbozzato viene sottoposto a riscaldamento per rendere deformabile la plastica.

Nella seconda fase lo sbozzato passa in un altro stampo dove, attraverso la pre-soffiatura, viene trasformato un una preforma. La preforma è una forma cava di dimensione intermedia rispetto alla forma finale. Nella terza fase la preforma, opportunamente riscaldata, viene introdotta nello stampo definitivo per il soffiaggio. Questa tecnologia viene utilizzata quando si devono stampare contenitori di una certa dimensione e si vuole controllare la dilatazione e quindi lo spessore della pareti dello stampo.

Termoformatura.

Questo processo prevede lo stampaggio di una lastra di materia plastica riscaldata. La astra, allo stato plastico, viene forzata sulle pareti dello stampo creando depressione attraverso una macchina per il vuoto. La lastra è ottenuta da un premilastra che, tenendo fermi i bordi, obbliga la medesima a deformarsi per assumere la forma dello stampo. Lo stampo ha una serie di fori per permettere all’aria aspirata dalla macchina del vuoto di passare. La lastra viene riscaldata da una piastra che sovrasta lo stampo. Terminato il riscaldamento, la macchina del vuoto aspira aria e costringe l lastra a deformarsi e a prendere la forma dello stampo. Il manufatto stampato deve poi essere rifilato ai bordi.

Trasformatura a stampo positivo.

               ImmagineImmagine

              Immagine

Questo processo inverte il concetto della trasformatura classica: invece di aspirare la lastra sullo stampo, in questo caso è lo stampo che sale ed aderisce alla lastra, la quale è stata opportunamente riscaldata e deformata. Nella prima fase la lastra viene riscaldata dal riscaldatore sovrastante.

Nella seconda fase viene insufflata aria attraverso i buchi dello stampo in modo da trasformare la lastra. Nella terza fase la tavola stampo sale e lo stampo si posiziona della deformazione della lastra. Nella quarta fase si inverte il flusso d’aria compressa: si crea il cosiddetto “effetto vuoto” per far aderire la lastra allo stampo.

Stampaggio rotazione.

ImmagineImmagine

E’ una tecnologia che permette di stampare oggetti vuoti all’interno, come ad esempio un pallone da calcio che è vuoto all’interno e non sarebbe stampabile con qualsiasi altra tecnologia. Inoltre si possono stampare manufatti di grosse dimensioni con stampi in lamiera o vetroresina ( resina e fibre di vetro) di costo contenuto. E? Una tecnologia lenta e non richiede impianti sofisticati.  

Il processo avviene in quattro fasi. Nella prima fase viene introdotto nello stampo il materiale da stampare (PET,PP) in polvere. Nella seconda fase lo stampo, montato su un braccio che ruota contemporaneamente secondo tre assi, viene posto in un forno. La temperatura scioglie la polvere portandola allo stato liquido: questa incomincia a scivolare su tutte le pareti dello stampo disponendosi uniformemente su di esse. Nella terza fase, quando il materiale ha ricoperto tutte le pareti dello stampo, questo viene tolto dal forno continuando a ruotare. Nella quarta fase, quando il pezzo stampato è completamente raffreddato, viene estratto dallo stampo. Nell’immagine si nota un impianto per lo stampaggio rotazionale a ciclo continuo. Mentre un braccio entra nel forno, l’altro ne esce e passa nella stazione di raffreddamento mentre un terzo porta lo stampo pronto per essere caricato di polvere.

Nelle immagini sottostanti si nota che sul braccio rotante si possono montare o un solo stampo se questo è di notevoli dimensioni, oppure fino a quattro stampi più piccoli, accelerando noteolmente i tempi di produzione.

Stampaggio per colata del Polluretano PUR.

Il PUR può essere stampato allo stato flessibile (imbottitura in genere) o rigido (carrozzerie). Inoltre lo si può stampare a bassa o ad alta pressione. Nel processo a bassa pressione, la testa di miscelazione (in rosso) viene accostata allo stampo per colorare il PUR. Il PUR nasce dalla miscela di resine termoindurenti denominate Isocinato e Poliolo.

Per colare il Poliuretano si utilizzano macchine che hanno un braccio molle che sostiene la testa di miscelazione: così è possibile iniettare il PUR in più stampi contemporaneamente muovendo solo la testa. Il PUR flessibile può essere stampato anche “autopellante o integrale”: il materiale iniettato crea una pelle, una finitura ad effetto pelle come nei braccioli delle portiere delle auto, nei volanti o delle sedie.

Stampaggio per colata del Poliuretano RIM (Reaction Injection Moduling)

Questo processo permette di utilizzare miscele liquide per un miglior riempimento dello stampo con pressione di riempimento bassa e quindi utilizzano stampi in alluminio. Si possono ottenere pezzi di grosse dimensioni e di ottima finitura.

Stampaggio per compressione.

Questa tecnologia vine utilizzata per le resine termoindurenti e gli elastomeri. La resina viene introdotta nello stampo preriscaldato. Il punzone chiude lo stampo per cui la pressione e la temperatura provocano la liquefazione della resina. In uno o due minuti si ottiene la completa reticolazione della resina, dopodichè il pezzo è pronto per uscire dallo stampo. Successivamente il manufatto deve essere sbavato, ossia l’asportazione della resina in eccesso ai bordi.

Stampaggio ad espansione.

                                                                      Immagine

Questa tecnologia serve a produrre materiali che hanno la capacità di espandersi: ad esempio il polistirene ( polistirolo espanso). Vengono immessi in uno stampo di alluminio granuli con agenti schiumanti che rilasciano CO2 se riscaldati. Nello stampo viene immesso vapore a pressione 3 atm. I granuli si espandono anche 20 volte il loro volume iniziale sino a saturare lo stampo.

Calandratura.

Con questo procedimento si ottiene film di PVC partendo dalla resina. Passando fra i rulli la plastica viene gradatamente assottigliata sino a raggiungere lo spessore di 1,2 mm. I rulli possono anche goffrare il film imprimendo un disegno.

                                                                        Immagine

 

Materiale di supporto: slide Prof. Carola Esposito Corcione.

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...