delle cariche
PROPRIETÀ MECCANICHE
3.1.7 Nanotubi di carbonio
Gli atomi di carbonio sono in grado di comporre delle strutture ordinate di forma sferica, denominate fullereni, le quali, a seguito di un rilassamento, tendono ad arrotolarsi su se stesse dando origine ad una forma cilindrica, ossia a nanotubi di carbonio.
Come si può vedere in Figura 3.2, esistono due tipologie di nanotubi di carbonio: i single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) e i multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs).
Figura 3.2. Single-wall carbon nanotubes a sinistra e multi-wall carbon nanotubes a destra. I primi sono costituiti da un singolo foglio di grafite avvolto su se stesso, mentre i MWCNTs sono costituiti da più fogli avvolti coassialmente uno sull’altro e legati assieme da forze di Van Der Waals. Potenzialmente, per quanto concerne le proprietà elettriche, i SWCNTs sono più promettenti, in quanto caratterizzati da un elevatissimo rapporto di forma, il quale può raggiungere anche 𝑙 𝑑⁄ = 10000. Per questo motivo, bastano piccole concentrazioni di SWCNTs, immessi in una matrice isolante, per creare un percorso conduttivo e raggiungere la soglia di percolazione. Sperimentalmente è però difficile ottenere SWCNTs, pertanto si prendono in considerazione tipicamente i MWCNTs. Tuttavia, è difficile prevedere il comportamento risultante dei MWCNTs, in quanto ogni nanotubo si comporta indipendentemente. Inoltre, un secondo svantaggio è dato dal fatto che nei MWCNTs spesso si ha presenza di difetti, i quali limitano le potenzialità di questi materiali, riducendo alcune proprietà di ordini di grandezza. La forte anisotropia presente in queste strutture, oltre ad avere un impatto notevolissimo sulle proprietà elettriche, ha un effetto significativo anche sulle proprietà meccaniche e termiche. I nanotubi di carbonio possiedono, infatti, ottime proprietà meccaniche, soprattutto in termini di resistenza a trazione e modulo di Young, in direzione assiale. Ciò è una diretta conseguenza dell’aspetto microstrutturale, dal momento che è presente un’ibridazione 𝑠𝑝2 del legame carbonio-carbonio. Essi manifestano, inoltre, anche interessanti proprietà termiche,
andamento della conducibilità termica proporzionale a 𝑇2 per un range di temperature che va dai 30 K fino a temperatura ambiente, mentre si osserva una dipendenza lineare per temperature prossime allo 0 K. A temperatura ambiente è stata misurata una conducibilità termica radiale dei MWCNTs elevatissima, addirittura maggiore di 3000 𝑊 𝑚𝐾⁄ .
I nanotubi di carbonio possono essere sintetizzati mediante varie tecniche quali la deposizione da fase vapore (CVD), la scarica ad arco e la vaporizzazione laser. Tra queste la tecnica CVD è quella industrialmente più promettente in quanto permette di ottenere nanotubi caratterizzati da elevata purezza.
In generale i nanotubi di carbonio sono caratterizzati da una densità di circa 1.9 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3.
Sperimentalmente si sono utilizzati i NANOCYL® NC7000™, ossia una serie di MWCNTs prodotti mediante tecnica CVD. La principale caratteristica che li contraddistingue è l’elevata conducibilità elettrica, la quale ne permette l’utilizzo in dispositivi plastici dissipatori elettrostatici ad elevate prestazioni e nei rivestimenti. Vengono tipicamente utilizzati anche nel settore dei trasporti, energetico, in applicazioni industriali e in merci sportive per la buona processabilità, le buone proprietà meccaniche, la resistenza agli UV, la capacità di dissipare il calore e ritardare la fiamma, l’elevata riciclabilità nel caso di utilizzo in matrici termoplastiche e il costo relativamente basso.
In Tabella 3.11 sono riportate le principali proprietà, mentre in Figura 3.3 è presente una micrografia dei NANOCYL® NC7000™, realizzata al TEM.
Tabella 3.11. Principali proprietà nanotubi di carbonio.
Aspetto Polvere nera
Diametro medio 9.5 𝑛𝑚
Lunghezza media 1.5 µm
Area superficiale per unità di massa (BET) 250 – 300 𝑚2⁄𝑔
Percentuale di carbonio 90 %
L’aspetto di una polvere nera è dato dai nanotubi, i quali hanno la tendenza ad ammassarsi e agglomerarsi. A livello nanometrico, per sfruttare completamente le potenzialità dei nanotubi è importante evitare ciò ed avere una dispersione ottimale nella matrice.
Per quanto concerne le proprietà elettriche il produttore segnala che la soglia di percolazione dovrebbe essere raggiunta per percentuali ponderali di NANOCYL® NC7000™ inferiori al 5 %. Questa percentuale può comunque essere soggetta a variazioni a seconda del tipo di polimero (PC, PA, PP, HDPE) e delle relative proprietà reologiche, tra le quali viscosità e peso molecolare. Inoltre, bisogna tenere in considerazione che la dispersione dei nanotubi è più agevole in polimeri polari, rispetto a polimeri apolari.
Inoltre rispetto ad altri fillers conduttivi, quali grafite e Carbon black, la presenza dei nanotubi inficia meno negativamente alcune proprietà meccaniche, quali la resistenza all’impatto e l’allungamento a rottura.
Figura 3.3. Micrografia al TEM dei nanotubi.
A livello industriale l'utilizzo dei nanotubi di carbonio non è ancora estremamente diffuso nel mercato a causa del prezzo molto elevato, intorno ai 19 € 𝑔⁄ , il quale deriva da complesse tecnologie di
3.1.8 Grafite
La grafite è un minerale che rappresenta uno degli stati allotropici del carbonio. Dal punto di vista strutturale, essa è composta da atomi di carbonio, i quali formano un reticolo esagonale a strati. All’interno di ogni strato, quindi nello stesso piano, gli atomi di carbonio sono legati mediante legami forti σ e π, mentre i diversi strati sono tenuti insieme dalle forze di Van Der Waals, ossia da legami deboli. Ne consegue che la grafite è un materiale altamente anisotropo, ossia caratterizzato da proprietà elettriche, termiche e meccaniche molto diverse nelle direzioni radiale e assiale. In particolare si hanno conducibilità elettrica, conducibilità termica e modulo di rigidezza estremamente elevati in direzione radiale e piuttosto modesti in direzione assiale. L’utilizzo di grafite permette anche di ridurre attrito e usura e di incrementare la stabilità termica, ma se essa viene addizionata ad elevate percentuali, si ha un sensibile infragilimento del materiale composito sia in termini di allungamento a rottura che di resistenza all’impatto.
La temperatura di fusione della grafite è di circa 3500 °C, la densità di 2.2 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3 e la durezza di 1 – 1.5 nella scala Mohs.
Oltre alla realizzazione di compositi polimerici termicamente ed elettricamente conduttivi, la grafite viene utilizzata anche per produrre refrattari, lubrificanti, matite, coloranti ed elettrodi per l’elettroerosione.
È stato dimostrato che la grafite è il miglior additivo per la realizzazione di compositi a matrice polimerica termoconduttivi, particolarmente importanti per il settore automotive e dell’elettrodomestico. In Figura 3.4 è rappresentato l’andamento della conducibilità termica radiale e assiale di un composito a matrice polimerica in funzione della percentuale ponderale di grafite addizionata.
Figura 3.4. Andamento conducibilità termica composito a matrice polimerica rinforzato con grafite. La grafite utilizzata sperimentalmente è la TIMREX® C-THERM 001, prodotta dalla IMERYS in modo sintetico e quindi dotata di estrema purezza (contenuto di ceneri < 0.3 %), sviluppata al fine di massimizzare la conducibilità termica dei compositi. Da un punto di vista granulometrico si hanno nanoplatelets, ossia particelle aventi almeno una dimensione nanometrica. In questo caso si tratta dello spessore, mentre nel piano le due dimensioni sono dell’ordine delle decine di micron. Ne consegue che la grafite sia dotata di una struttura lamellare, caratterizzata da un rapporto di forma molto elevato. La densità della polvere è di 0.19 𝑔 𝑐𝑚⁄ 3. Il prezzo si aggira intorno ai 16 − 18 € 𝑘𝑔⁄ .
3.1.9 Antiossidanti
Gli antiossidanti hanno la principale funzione di prevenire l’ossidazione termica del polimero durante l’estrusione e lo stampaggio.
Sperimentalmente è stato utilizzato l’antiossidante IRGANOX® 1010, il quale è un antiossidante fenolico primario in polvere per la stabilizzazione termica del compound a lungo termine. Ha buona compatibilità e bassa volatilità. È inodore ed insapore, ha una
temperatura di fusione di circa 120 °C e una densità di 1.15 𝑔
𝑐𝑚3. La sua struttura chimica è rappresentata in Figura 3.5.
Figura 3.5. Struttura chimica ®IRGANOX 1010.