Comprendere e gestire il creep nei materiali plastici

Le materie plastiche sono utilizzate in tutti i modi nelle industrie. Sono economiche e leggere e possono essere utilizzate per molti scopi diversi. Ma, proprio come ogni altro materiale, anche la plastica presenta dei problemi. Uno dei problemi più gravi è il cosiddetto "creep". Quando una forza o un calore costante agiscono sui prodotti in plastica, il creep può farli fallire o funzionare male.

Questo testo parlerà di creep in modo molto dettagliato. Vogliamo aiutare ingegneri e progettisti a comprenderlo meglio, in modo da poterlo utilizzare nel loro lavoro. Queste conoscenze sono molto importanti per garantire che i prodotti, come le parti di automobili e le apparecchiature mediche, siano affidabili e sicuri. Inoltre, classificheremo lo scorrimento in diverse categorie, esamineremo le cause e parleremo di come risolverlo.

Che cos'è il creep nei materiali plastici?

Il creep, nel contesto dei materiali plastici, è un processo di deformazione la cui velocità dipende dalla sollecitazione, dal tempo e dalla temperatura applicata a un materiale plastico. La deformazione elastica percettiva si verifica nella fase iniziale dell'utilizzo di un carico e torna immediatamente indietro quando si solleva il carico. D'altra parte, il Creep continua anche in condizioni standard. La situazione è ancora più evidente nelle materie plastiche, perché sono più sensibili alle variazioni di temperatura e alle sollecitazioni meccaniche.

Il creep si verifica nei materiali viscoelastici, dove la deformazione può avvenire in modo continuo nel tempo a causa del calore o delle sollecitazioni. Questo comportamento è particolarmente evidente nelle applicazioni di carico, tra cui tubi, parti strutturali o elementi di tenuta sottoposti a forze o fluttuazioni di temperatura. Il materiale si allunga, si affloscia o si deforma. Pertanto, il Creep deve essere compreso per consentire il funzionamento sicuro delle parti in plastica in questo ambiente.

Perché si verifica il creep nelle materie plastiche?

Lo scorrimento nelle materie plastiche deriva dal loro comportamento ed è associato alle proprietà viscoelastiche. La proprietà viscoelastica significa che il materiale si comporta come un solido elastico e un liquido viscoso allo stesso tempo. I materiali tradizionali presentano una capacità di deformazione elastica sotto carico. Se il carico rimane invariato, la capacità di deformazione lenta e costante nel tempo è considerata "viziosa". Questo particolare comportamento dipende da molti fattori, come l'entità della sollecitazione, la temperatura ambientale prevalente o il tipo di plastica.

Fattori chiave che influenzano il creep

1. Livelli di stress

L'entità delle sollecitazioni nei materiali plastici determina la velocità con cui il materiale è soggetto a creep. Le parti in plastica, a un certo punto, subiscono livelli di stress più elevati. Queste sollecitazioni fanno sì che le catene molecolari scivolino più facilmente l'una sull'altra, provocando una deformazione graduale nel tempo, invece di provocare la rottura dei legami molecolari. Ciò finisce per provocare una deformazione rapida e più significativa. Ad esempio, una forza eccessiva su staffe o travi di plastica ne provoca l'abbassamento o l'allungamento molto più rapidamente rispetto a quelle sottoposte a carichi moderati.

A causa del suo limite di snervamento, la capacità del materiale di contrastare il Creep diminuisce quando il carico aumenta a livelli elevati. Questo scenario sviluppa la necessità di gestire le sollecitazioni.

Le sollecitazioni influenzano anche l'aumento della produzione di catene molecolari interne che si scontrano e l'ulteriore e graduale fluidità del materiale. Questa distribuzione causa una perdita di resistenza strutturale del materiale plastico, che quindi, in valore, rischia di cedere dopo qualche tempo.

Gli ingegneri ricorrono a misure quali la ripartizione del carico per ridurre la concentrazione delle sollecitazioni, l'aumento della sezione trasversale del componente o la scelta di una plastica più resistente. La consapevolezza degli effetti delle sollecitazioni e del Creep consente di utilizzare plastiche che non si deformano rapidamente in alcune applicazioni, concentrandosi sul cedimento strutturale dei componenti.

2. La temperatura

Uno dei fattori critici del Creep è la temperatura. Il calore riduce generalmente la rigidità del materiale, rendendolo più incline alla deformazione sotto sforzo meccanico. Con l'aumento della temperatura, la struttura molecolare della plastica diventa più mobile, consentendo al materiale di deformarsi più facilmente.

Le materie plastiche, in effetti, si modificano in termini di struttura quando la loro temperatura aumenta. La struttura molecolare e i legami si comprimono, consentendo alle molecole di spostarsi. Questa maggiore mobilità diminuisce la capacità di carico delle sollecitazioni e riduce il tempo necessario per il Creep. Per esempio, un tubo di plastica utilizzato negli impianti di acqua calda è probabile che si afflosci più di un tubo simile a temperatura ambiente.

In relazione alla temperatura, il livello di Creep può variare in base al tipo di plastica e alle sue proprietà specifiche. Ad esempio, temperature di transizione (Tg) e i punti di fusione determinano la possibilità che si verifichi il Creep. Il polietilene, ad esempio, ha una bassa Tg ed è quindi deformabile quando viene sottoposto a temperature moderate per formare il Creep.

Le plastiche ad alte prestazioni come il polietereterchetone sono più resistenti al calore rispetto ad altre forme di plastica.

Esistono opzioni per gestire l'aumento della temperatura, come l'utilizzo di materiali a prova di calore nella progettazione del prodotto o l'aumento del componente di isolamento termico. Gli ingegneri si assicurano anche che la temperatura dell'ambiente operativo non provochi il Creep.

3. Tipo di materiale

I diversi tipi di plastica presentano differenze nella struttura molecolare. Polimeri come il polietilene (PE) hanno forze intermolecolari deboli e una bassa Tg. Questi materiali subiscono più facilmente il Creep sotto carico statico a temperature moderate. Hanno molecole lunghe e lineari che possono spostarsi l'una sull'altra e subire una deformazione graduale.

Per lo stesso motivo, i tecnopolimeri come il policarbonato (PC) hanno una migliore resistenza al creep grazie alla loro struttura molecolare più ordinata e una migliore stabilità termica rispetto alle plastiche standard. Mantengono le loro caratteristiche meccaniche, ma anche la stabilità e la solidità in presenza di pressioni elevate per lunghi periodi e temperature elevate. Pertanto, questi materiali sono adatti per usi altamente compressi.

Considerando le variazioni nei processi di creep evidenziate dai vari tipi di plastica, gli ingegneri possono facilmente decidere le migliori materie plastiche.

Misurazione del creep

Gli ingegneri misurano il creep con le curve di creep. Le curve mostrano come un materiale cambia con un carico regolare. I tecnici ottengono queste curve durante le prove di scorrimento. Una prova di creep consiste nell'applicare un carico o una sollecitazione definita a un materiale e nel misurare la deformazione a intervalli regolari per un lungo periodo. Il tempo varia da ore, giorni o mesi.

Il grafico che otteniamo mostra i tre diversi stadi del Creep. Nel primo stadio, detto primario, il materiale inizia a deformarsi rapidamente, ma poi la deformazione diventa stabile. La seconda fase, o fase secondaria, è caratterizzata da un tasso di deformazione lento e costante. E nell'ultimo stadio, quello terziario, la deformazione accelera molto rapidamente e alla fine provoca il cedimento del materiale.

Queste curve consentono a ingegneri e ricercatori di capire come si comporterà il materiale dopo un lungo servizio. Inoltre, guidano la stima delle prestazioni del materiale nelle effettive condizioni di servizio e permettono di prendere le giuste decisioni in merito all'utilizzo del materiale in varie applicazioni.

Fasi di una tipica prova di scorrimento

Il test di scorrimento prevede i seguenti processi:

1. Applicazione di un carico fisso

Il test utilizza innanzitutto un carico costante su un campione di prova del materiale o una sollecitazione come percentuale della resistenza allo snervamento del materiale. Il tecnico applica il carico in modo preciso per esercitare una pressione simile su tutto il campione. Questo carico rappresenta le reali condizioni di carico che il materiale può subire, come sopportare un carico statico o superare un carico costante.

2. Monitoraggio della deformazione nel tempo

Dopo l'applicazione del carico, i tecnici monitorano la capacità del materiale di cambiare forma frequentemente per un determinato periodo di tempo. Il monitoraggio può durare da ore a giorni, fino a diverse settimane. Durante la prova, i tecnici utilizzano estensimetri per monitorare i cambiamenti, anche minimi, della forma del materiale.

Mantengono costante la temperatura durante la prova, poiché il calore influisce sul flusso di Creep nell'ambiente di prova. Questa fase prevede la misurazione regolare della deformazione del materiale nel corso del tempo per cogliere i cambiamenti nelle tre fasi del Creep.

3. Creazione di una curva di scorrimento

I tecnici raccolgono e presentano i dati sotto forma di grafico verticale degli assi del tempo e della deformazione. La curva di creep risultante illustra chiaramente il comportamento di creep del materiale sotto sforzo costante. Gli ingegneri possono dedurre varie proprietà da questa curva, tra cui il tasso di scorrimento durante il secondo stadio e il tempo di cedimento nel terzo stadio. Comprendendo questo comportamento, ingegneri e ricercatori possono determinare se il materiale soddisferà le aspettative a lungo termine e sarà adatto a determinate applicazioni, come quelle edilizie, aerospaziali o automobilistiche.

Esempi reali di creep

Il caso più noto di Creep è quello dei tubi di plastica. Si tratta dei tubi in plastica che trasportano l'acqua nelle tubature e nei canali di irrigazione. Questi tubi subiscono la pressione interna dell'acqua, che è costante, per cui il materiale è sottoposto a un carico continuo. Alla fine, la pressione si ripercuote sui tubi, che possono pendere o cambiare forma nelle aree in cui si allungano senza rinforzo. Le temperature elevate, ad esempio negli impianti di riscaldamento, spingono i tubi al punto di allungamento o di rottura molto più rapidamente rispetto alle temperature medie delle abitazioni.

La comprensione del concetto di Creep aiuta gli ingegneri a scegliere i materiali giusti, come il polietilene reticolato (PEX).

Lo scorrimento riguarda anche i componenti automobilistici, in particolare quelli soggetti a calore e sollecitazioni elevate. Ad esempio, i pannelli del cruscotto e le finiture interne in ABS (acrilonitrile butadiene stirene) appaiono sbiaditi e perdono la loro forma iniziale nel giro di pochi anni. Questi componenti sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche e all'esposizione al calore della luce solare, che hanno un aspetto sgradevole e interferiscono con le operazioni. I progettisti del settore automobilistico possono ovviare a questo problema utilizzando materiali resistenti al calore, rinforzi o modi per modificare le concentrazioni di stress.

Il creep è un fattore complicato nei dispositivi medici, poiché la sicurezza e l'affidabilità sono fondamentali. Ad esempio, i dispositivi protesici devono impiegare materiali polimerici per la struttura leggera. Questi materiali devono mantenere stabili la loro struttura e le loro prestazioni anche dopo anni di utilizzo. Il carico ciclico causato dal peso del paziente e dai movimenti può causare una deformazione graduale del carico se il materiale non ha un'elevata resistenza allo scorrimento. Per gestire questo rischio, i produttori utilizzano polimeri ad alte prestazioni come il polietereterchetone (PEEK) per produrre i dispositivi. Inoltre, incorporano i materiali compositi nel design dei dispositivi per renderli più duraturi e funzionali per un periodo più lungo.

Strategie di progettazione per ridurre al minimo il creep

Le misure per ridurre il Creep nei materiali plastici presentati iniziano con il miglioramento del materiale, come esemplificato nelle plastiche rinforzate. L'aggiunta di fibre come il vetro o il carbonio al polimero ne modifica le proprietà meccaniche. Questi elementi migliorano la capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni. Questi rinforzi rendono difficile il movimento delle catene polimeriche, che possono così scorrere l'una sull'altra nel lungo periodo. Ad esempio, il nylon rinforzato con fibra di vetro è utilizzato principalmente nell'industria automobilistica e in alcuni prodotti industriali. Questi componenti sono soggetti a carichi meccanici elevati. 

L'altra tecnica di gestione consiste nel ridurre le sollecitazioni in un determinato punto del componente attraverso un approccio di condivisione del carico. Gli stress raisers - territori con un'alta densità di forze applicate - aggravano il Creep nelle materie plastiche. Gli ingegneri superano questo problema evitando gli angoli acuti e creando transizioni graduali tra le geometrie. Inoltre, gli ingegneri incorporano nei percorsi di carico caratteristiche progettuali come nervature o flange per aumentare la superficie di carico. Ad esempio, nei sistemi di tubazioni in plastica, gli ingegneri forniscono i supporti in modo tale da ridurre al minimo i cedimenti tra di essi. Infine, la scelta di polimeri ad alte prestazioni è necessaria per ridurre il Creep. I materiali ad alta transizione vetrosa come il PEEK, il policarbonato e il PTFE hanno un'eccellente resistenza alla deformazione. Questi polimeri di nuova generazione si applicano solitamente in condizioni severe, come nelle applicazioni aerospaziali o mediche. Queste applicazioni non richiedono un compromesso di affidabilità a lungo termine sotto pressione e calore.

Comportamento a scorrimento in condizioni variabili

Le materie plastiche non si comportano sempre allo stesso modo. La tabella seguente considera diversi ambienti in termini di tassi di scorrimento.

Confronto del comportamento a scorrimento di plastiche comuni

Il grafico seguente mostra i tassi di scorrimento di diverse materie plastiche con una sollecitazione costante di 2 MPa a 25°C. Il PTFE presenta il valore più basso del tasso di creep, a dimostrazione del fatto che difficilmente si deforma nel tempo. Il PS possiede il valore più alto di creep rate, che indica la sua elevata tendenza a deformarsi nel tempo.

La resistenza di altre plastiche come HDPE E LDPE, PP, PVC, Nylon e PC variano nella loro capacità di resistere al Creep e tra le plastiche. Sia l'HDPE che il nylon sono più resistenti allo scorrimento rispetto all'LDPE e al PS.

Conclusione

La conoscenza delle cause del Creep, dei metodi per ridurne al minimo l'entità e degli effetti sulle strutture, informa gli ingegneri sulla scelta dei materiali plastici. Possono comprendere l'uso delle materie plastiche nelle applicazioni industriali per la fabbricazione di componenti a base di polimeri. Grazie a un adeguato rinforzo delle materie plastiche, a un'adeguata distribuzione dei carichi e alla corretta applicazione di polimeri ad alte prestazioni, gli ingegneri possono fare molta strada per ridurre l'effetto del Creep nei loro prodotti.

Anche se si tratta di applicazioni idrauliche, automobilistiche o addirittura mediche, il presente lavoro dimostra che gli ingegneri e i progettisti possono sviluppare progetti adeguati facendo le scelte giuste. Le prestazioni dei componenti in plastica possono aumentare con pochi compromessi a causa del creep, anche in condizioni di sollecitazioni prolungate dipendenti dal tempo.