C ONCLUSIONI

La tecnica della saldatura laser in trasmissione (TLW) è stata applicata al polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE). L'interesse speciale per questo specifico tipo di polietilene deriva dalle sue peculiari proprietà chimiche e fisiche e dalla resistenza meccanica. Il polimero è bianco, semitrasparente e semicristallino e ha un basso coefficiente di assorbimento alla luce visibile. Al fine di aumentarne l'assorbimento, l'UHMWPE è stato riempito con diverse quantità di pigmenti nanometrici laser- assorbenti (C, TiO2, Ag)

I risultati sperimentali fin qui mostrati hanno evidenziato la promettente possibilità di realizzare delle saldature di colore bianco/quasi bianco, molto vicino al tipico colore bianco latte del polietilene.

Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo I test meccanici hanno mostrato che la quantità ottimale per una migliore resistenza al taglio meccanica (di 169 N) è stata ottenuta dai giunti con filler carbonioso allo 0.016% mentre la minore resistenza (78 N) è stata raggiunta da quello riempito con il 4% di Ag, a causa di un potere di assorbimento del riempitivo inferiore e, di conseguenza, di una minore adesione all'interfaccia tra i polimeri. I valori di resistenza meccanica di questi giunti sono comunque apprezzabili ed in linea con il comportamento meccanico di altri giunti polimerici simili [5].

I risultati ottenuti hanno mostrato come l'energia del laser modifica le caratteristiche della superficie del polietilene in modo diverso a seconda della conduttività termica del riempitivo mentre le caratteristiche della massa sembrano essere principalmente dovute alla dimensione del riempitivo e quindi al loro grado di dispersione all'interno della matrice polimerica. Pertanto tutti i cambiamenti di superficie devono essere considerati all’atto della progettazione della saldatura laser di un giunto, specialmente se il dispositivo saldato polimerico deve essere immerso o in contatto con fluidi. Come evidenziato da Kurella e Dahotre, infatti, le caratteristiche della superficie sono molto importanti soprattutto per i biomateriali utilizzati per le applicazioni potesiche, come ad esempio l'UHMWPE biomedico, poiché un cambiamento nelle caratteristiche chimiche e/o fisiche può influenzare profondamente la sua biocompatibilità [108]. I fenomeni di degradazione (ossidazione, corrosione, usura, affaticamento), infatti, iniziano precisamente sulla superficie del materiale biomedico. Per tali motivi, i giunti polimerici a base di polietilene nano rinforzati presentano caratteristiche superficiali ed estetiche rilevanti.

Possibili sviluppi futuri potrebbero essere condotti verso lo studio dello spessore del film assorbente e dell'interazione termo-meccanica all'interfaccia; delle geometrie di saldatura in termini di superficie saldabile interessata e geometria del cordone di saldatura da applicare ai fini di una ottimale resistenza meccanica del materiale saldato. Interessante potrebbe essere ottimizzare le condizioni sperimentali per la realizzazione delle saldature laser tra il polietilene ed altri materiali, quali metalli, leghe, ceramici, etc per ulteriori applicazioni avanzate. Inoltre si potrebbe pensare di automatizzare il processo di saldatura laser, in modo da ottenere dei giunti caratterizzati da geometrie controllate e ripetibili.

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4 REALIZZAZIONE DI GIUNTI CON

ADESIVI SIGILLANTI A BASE DI

POLIETILENE

4.1 ATTIVITÀ DI RICERCA

Secondo quanto indicato nella norma UNI EN 923:2016, un adesivo è una sostanza in grado di unire diversi materiali mediante l’adesione superficiale [109]. La ricerca scientifica è rivolta alla produzione e allo studio di nuovi materiali adesivi che possono essere utilizzati con successo come sigillanti in tutte le applicazioni in cui è richiesta una buona adesione con vetro, metalli, altri polimeri, ecc. I polimeri a base di poliolefine possono essere utilizzati come materiali sigillanti in cui la materia plastica forma uno strato e crea un legame forte in grado di unire altri materiali [110]. Un processo di giunzione di alta qualità con materiali polimerici è particolarmente richiesto nella progettazione di celle solari per sigillare i due vetri conduttori e proteggere i materiali conduttivi interni, evitando i fenomeni degradanti (in particolare la penetrazione dell'acqua) e la perdita di potenza in uscita, con conseguente calo dell'efficienza delle celle [111].

L’attività di ricerca è stata focalizzata sullo studio di materiali polimerici adesivi che possono essere utilizzati con successo come materiali sigillanti in dispositivi fotoelettrici come DSSC o cella di Grätzel27 (Figura 4.1).

Tali materiali, infatti, devono possedere i requisiti di resistenza ai raggi solari, resistenza alla degradazione fotoossidativa, stabilità termica nell'intervallo di applicazione (generalmente da temperatura ambiente a circa 80 °C), e buona resistenza meccanica. Tali materiali devono, altresì, avere un buon carattere adesivo con i vetri utilizzati per la realizzazione delle celle solari al fine di sigillare le due controparti vetrose e proteggere la cella dall’ingresso di umidità e/o di gas. Questi ultimi fattori potrebbero inficiare negativamente sulla resa della cella fotovoltaica compromettendone la resa.

27 _{La cella di Grätzel è una cella solare di terza generazione a basso costo costituita da un anodo foto-}

Università degli Studi di Messina – Dottorato di Ricerca XXXII Ciclo L’obiettivo dell’attività di ricerca è stato quello di caratterizzare e confrontare le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche di due film polimerici basati su polietilene a bassa densità (LLDPE). In particolare l’attività di ricerca ha riguardato:

• la realizzazione dei giunti vetro/adesivo/vetro;

• la messa a punto delle condizioni di sollecitazione statica per la caratterizzazione meccanica dei giunti a taglio;

• la caratterizzazione meccanica a tre diverse temperature (temperatura ambiente nel periodo di misurazione – circa 28 °C - T=40 °C e T=80 °C) per definire il potere sigillante degli adesivi e comparali tra loro;

• la caratterizzazione termica tramite analisi DSC (Differential Scanning Calorimetry);

• la caratterizzazione termica tramite analisi TGA (Termo Gravimetric Analysis) in aria ed in inerte;

• la caratterizzazione della bagnabilità superficiale tramite test dell’angolo di contatto;

• la caratterizzazione delle proprietà di adsorbimento di superficie tramite test di assorbimento di gas (azoto).

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4.2 MATERIALI

Gli adesivi sigillanti utilizzati in questa tesi sono due materiali commerciali (Bynel 4164 e Surlyn 1702) entrambi prodotti dalla Dupont e utilizzati nelle celle solari di terza generazione per la loro sigillatura.

Un aspetto importante di questi film adesivi è la loro trasparenza, che permette un ottimale funzionamento delle celle solari. Entrambi sono a base di LLDPE opportunamente modificato.

I film polimerici sono basati su:

• Polietilene Lineare a Bassa Densità (LLDPE) puro, fornito da Polimeri Europa SpA, (ρ=990 kg/m3, aspetto: trasparente, Mw ≈ 105 g/mol), spessore 100 µm;

• Poli-Etilene Lineare a Bassa Densità (LLDPE) modificato con Anidride Maleica (codice: PE-MAH), fornito da Dupont (Bynel 4164, spessore 60 µm);

• Copolimero di Acido MetAcrilico Etilenico (codice: EMAA) in cui i gruppi acidi sono parzialmente neutralizzati con zinco o ioni sodio, fornito da Dupont (Surlyn 1702, spessore 25 µm).

Figura 4.2 - Formula chimica del PE-MAH (a); formula chimica dell’EMAA (b). a)

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4.2.1 S

Adesivo PE-MAH: densità di 0,93 gr/cm3; punto di fusione di 127 °C; punto di rammollimento di 110 °C.

Adesivo EMAA: densità di 0.95 g/cm3; punto di fusione di 94 °C; punto di rammollimento di 65 °C.

4.2.2 P

LLDPE

Per la realizzazione del film polimerico di LLDPE, è stato impiegato uno stampo circolare con diametro interno di 6 cm e di spessore 0.01 cm. La quantità di pellets di polimero da inserire nello stampo dipende dalla densità del LLDPE stesso.

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Figura 4.3 – Pellets di LLDPE (a); i

Il Volume è stato calcolato considerando n =

Quindi considerando il valore della densità dell’ quantitativo di pellets è pari a

Z = P ∙ Il materiale polimerico fogli di teflon, racchiuso termoformatura: è mantenuto

si pressa il materiale a 20 MPa per 16 minuti

pellets si sciolgono, e, quando si va ad aumentare la pressione, il foglio di teflon non sarà deformato, e la superficie del polimero risulterà liscia. Aumentando progressivamente la pressione come per i polimeri in polvere, i fogli di teflon si deformerebbero a causa dei vuoti tra i pellets, e la superficie finale risulterebbe irregolare. Segue poi un processo di

ambiente.