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Studio dell'invecchiamento e della stabilizzazione delle materie plastiche

RDLab137, oltre alla possibilità di effettuare prove specifiche sui vostri materiali, predilige l'approccio scientifico allo studio dei diversi problemi legati alla degradazione, considerando il problema in tutte le sue variabili e considerando:

  • Conoscenze disponibili in azienda
  • Letteratura tecnico-scientifica
  • Analisi del materiale
  • Analisi delle condizioni di esposizione
  • Prove di invecchiamento comparative
  • Analisi del meccanismo di degradazione
  • Stabilizazione ottimale

1. Degradazione dei materiali

Sotto l'azione di: aria (ossigeno), luce, aria (vento), polvere, inquinanti atmosferici, microorganismi, ambienti particolari (acqua salata, benzina,...),i materiali si modificano chimicamente e meccanicamente (degradano). In particolare, per le materie plastiche, il meccanismo di degradazione è specifico per ogni tipo di materiale/polimero ed anche per lo stesso polimero ci sono differenze dovute al peso molecolare, alla distribuzione di pesi molecolari, al processo di sintesi, etc. Tali meccanismi di degradazione stanno alla base di quella che è la chimica della stabilizzazione, differenziata negli specifici eventi degradativi (luce, temperatura, ossigeno, polvere, etc.) L'esigenza che si verifica è quella di predire questi meccanismi di degradazione. Per questo motivo si cerca di velocizzare questi meccanismi, simulando il più possibile le condizioni di esposizione del manufatto/materiale. Partendo dal presupposto che una simulazione precisa è impossibile, si sono sviluppate nel tempo alcune procedure standard per l'esposizione dei materiali in modo tale che, almeno tra loro, possa esserci un'accettabile riproducibilità dei risultati. Esistono delle strumentazioni e delle metodologie che vengono generalmente utilizzate per sottoporre i materiali a cicli di invecchiamento accelerato rispetto all'esposizione naturale. Queste tecniche sono utilissime per paragonare il comportamento di diversi materiali, ma tutte le variabili devono essere attentamente valutate se si vuole predire la degradazione nel tempo.

2. Tecniche di invecchiamento accelerato

Per cercare di predire il comportamento di un materiale nel tempo, si utilizzano tecniche di invecchiamento accelerato. Partendo dal presupposto che non si possono riprodurre esattamente tutte le variabile esterne, anche perché è proprio lo stesso "invecchiamento naturale" che non è riproducibile, sono stati sviluppati degli apparecchi e delle metodologie che consentono il controllo delle variabili più importanti, quali lo spettro di emissione delle lampade, la potenza emessa, la temperatura, l'umidità, etc. Possiamo quindi dire che un materiale esposto in una macchina di invecchiamento accelerato, se tutte le variabili sono tenute sotto controllo, degrada allo stesso modo per lo stesso numero di ore di esposizione. Un buon laboratorio per studiare l’invecchiamento dei polimeri dovrebbe disporre di:

Postazione per invecchiamento naturale esterno
L'invecchiamento naturale, anche se non riproducibile, dovrebbe essere tenuto sempre in considerazione. I provini sono generalmente inclinati di 45° rispetto al terreno e anche l'esposizione (a sud, ad esempio) dev'essere scelta a priori. I portacampioni non devono interferire con la degradazione, e quindi essere di materiale inerte. È bene decidere se ripulire i campioni a intervalli periodici o no. L'ideale sarebbe avere una stazione climatica che registri i dati in continuo (irradianza a livello suolo, piogge, umidità, temperatura, etc.)

Degradazione termica: stufe termoventilate capaci di lavorare in aria, sotto vuoto e con correnti di gas specifici
La temperatura è uno dei parametri fondamentali per la degradazione. A volte può essere interessante studiare la degradazione puramente termica, ad esempio se vogliamo conoscere il comportamento degradativo di un materiale all'interno di una macchina di trasformazione. Inoltre è importante poter escludere o regolare la quantità di ossigeno: sempre parlando di trasformazione, l'ossigeno che viene a contatto col materiale durante il processo alle diverse temperature può essere più o meno importante. Oltre alle stufe termoventilate, che consentono una versatilità notevole, esistono apparecchi più specifici per studiare la termodegradazione, che però sono differenti a seconda del materiale in studio.

Strumento per invecchiamento con lampada allo Xeno con filtri e cicli adeguati alle condizioni di esposizione
Le lampade allo Xeno sono quelle che meglio riproducono, come andamento generale, lo spettro di irradianza medio del sole sulla superficie terrestre. Esiste una vasta gamma di strumenti di questo tipo, dai più piccoli raffreddati ad aria con area di esposizione limitata, a quelli più grandi che controllano un grande numero di variabili e che consentono di esporre centinaia di provini: il costo, sia dell'apparecchiatura che della manutenzione relativa è quindi molto variabile. Test di invecchiamento per materie plastiche durano tipicamente da qualche centinaio a diverse migliaia di ore (anche 10000).

Strumento per invecchiamento con lampade UV per studiare gli effetti delle radiazioni più implicate nella degradazione dei polimeri
La foto-degradazione dei materiali a base polimerica è dovuta principalmente alle basse lunghezze d'onda dello spettro di irradianza solare, cioè sostanzialmente alle radiazioni della parte UV. Per questo l'utilizzo di lampade UV, anche se non riproducono lo spettro solare, consente di avere un'idea dei fenomeni di degradazione indotta dalla luce (degradazione fotoindotta). Se a queste considerazioni si unisce il fatto che gli apparecchi costano meno e che le prove durano meno (da qualche decina fino al massimo a un migliaio di ore), può essere utile a volte pensare ad un invecchiamento con lampade UV invece che allo Xeno.

3. Quanto accelerano?

La domanda più frequente che ci si sente fare dai neofiti è: "A quanto corrispondono esternamente tot. ore di invecchiamento accelerato?"

La risposta corretta è: "dipende"
Dipende infatti da svariati fattori, non sempre controllabili. Due le strade da seguire, per avere un'idea della velocità di degradazione nelle macchine di invecchiamento e di come questa corrisponda ad un invecchiamento esterno:

  1. Fare confronti sperimentali sul materiale di interesse con le macchine di invecchiamento a disposizione e paragonarle con l'invecchiamento naturale. Di seguito riportiamo un esempio di confronto sperimentale:
  2. Fare conti di irradianza. Esistono tabelle con valori di irradianza medi sulla superficie terrestre. Sapendo esattamente l'irradianza delle nostre lampade, potremmo avere un'idea di quanta energia arriva sui campioni esposti e paragonarla con quella che arriva dal sole. In questo settore, si trova talvolta usata l'unità kLangley, che corrisponde a 1 kcal/cm2.

Detto così, è abbastanza semplice, tuttavia:

  1. I meccanismi di degradazione variano da materiale a materiale e sono dovuti soprattutto alle basse lunghezze d'onda,
    che corrispondono alle energie più alte dei fotoni capaci di interagire con le molecole dei nostri prodotti.
  2. La degradazione non è "lineare" con il numero di fotoni, cioè non è assolutamente detto che, ad esempio, raddoppiando l'energia luminosa, i tempi di degradazione si dimezzino.

 Dr. Maurizio Veronelli - RDLAB137 srl

Ultima revisione: 19/09/2017