In questo capitolo sono riportate le formulazioni sviluppate e le condizioni operative utilizzate nel caso delle macchine di produzione del compound, di stampaggio e di caratterizzazione. Sono quindi riportati i principali risultati ottenuti, sulla base dei quali è stata effettuata una selezione delle cariche
6.1 Formulazioni
Sono state inizialmente progettate 10 formulazioni, una per ogni tipo di carica utilizzata al fine di effettuare delle analisi comparative e quindi di selezionare le cariche più promettenti. Al termine della fase di screening, sono stati realizzati dei compound con diverse percentuali di carica in modo da vedere l’andamento di una determinata proprietà e non solamente un valore isolato. Si è verificato sperimentalmente che la quantità minima di materiale da processare mediante estrusione e stampaggio ad iniezione è di 1 kg e pertanto, tenendo conto del fatto che una parte di materiale costituisce lo scarto di inizio produzione, sono state formulate delle ricette da 1.1 kg.
Per quanto concerne i compound termicamente isolanti si sono realizzati quattro compound a matrice polipropilenica caricati con il 30 % in volume di microsfere cave.
Da un punto di vista operativo, nella fase di preparazione delle microsfere cave che devono essere processate, è necessario convertire le frazioni volumetriche in frazioni ponderali. Questa conversione viene effettuata utilizzando l’equazione 6.1:
𝑊𝐻𝐺𝑀 =
𝑉𝐻𝐺𝑀·𝜌𝜌𝐻𝐺𝑀 𝑚 1 − (1 −𝜌𝜌𝐻𝐺𝑀
𝑚 )𝑉𝐻𝐺𝑀 (6.1) in cui 𝑊𝐻𝐺𝑀 rappresenta la frazione ponderale di HGM (hollow glass microsphere) e 𝑉𝐻𝐺𝑀 la frazione volumetrica di HGM nel campione composito, mentre 𝜌𝐻𝐺𝑀 e 𝜌𝑚 indicano rispettivamente le densità delle microsfere cave e della matrice.
In Tabella 6.1 sono riportate le conversioni effettuate.
Tabella 6.1 Conversioni da frazioni volumetriche a frazioni ponderali.
Pertanto, si riportano in Tabella 6.2 le formulazioni processate.
Tabella 6.2. Formulazioni relative a compositi caricati con microsfere.
Per quanto concerne i compound termicamente conduttivi, invece si sono realizzati cinque compound a matrice polipropilenica caricati con il 30 % in peso di allumina tri-idrata, idrossido di magnesio, nitruro di boro, grafite e Carbon black. Si è, inoltre, estruso un sesto
Compound 𝜌𝑃𝑃 [𝑔 𝑐𝑚⁄ 3] 𝜌𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 [𝑔 𝑐𝑚⁄ 3] 𝑉𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 𝑊𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 PP+K1 0.905 0.125 0.30 0.0559 PP+K37 0.905 0.37 0.30 0.1491 PP+iM16K 0.905 0.46 0.30 0.1789 PP+MIR 100 0.905 0.70 0.30 0.2490 Compound 𝑊𝑃𝑃 𝑊𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 𝑊𝑜𝑙𝑖𝑜 𝑊IRGANOX® 1010 PP+K1 0.9411 0.0559 / 0.003 PP+K37 0.8479 0.1491 / 0.003 PP+iM16K 0.7981 0.1789 0.02 0.003 PP+MIR 100 0.7480 0.2490 / 0.003
compound di PP caricato con il 5 % in peso di nanotubi di carbonio. A causa del costo elevato e della particolarità microstrutturale di questo materiale e quindi della conseguente complessità delle tecnologie di lavorazione, si è scelta una percentuale notevolmente più bassa di carica, ma che dovrebbe portare a dei risultati confrontabili secondo i dati riportati in letteratura. In Tabella 6.3 si riportano le formulazioni estruse.
Tabella 6.3. Formulazioni relative a compositi termicamente conduttivi.
Compound 𝑊𝑃𝑃 𝑊𝑐𝑎𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑊𝑜𝑙𝑖𝑜 𝑊IRGANOX® 1010 PP+Allumina tri-idrata 0.677 0.30 0.02 0.003 PP+Idrossido di magnesio 0.677 0.30 0.02 0.003 PP+Nitruro di boro 0.677 0.30 0.02 0.003 PP+Grafite 0.677 0.30 0.02 0.003 PP+Carbon black 0.677 0.30 0.02 0.003 PP+Nanotubi di carbonio 0.947 0.05 / 0.003
6.2 Preparazione dei campioni e condizioni operative delle
macchine
La maggior parte dei compositi è stata realizzata miscelando in dry blend le varie cariche alla matrice polipropilenica. Dal momento che questo tipo di miscelazione non dava risultati ottimali, in quanto la superficie del granulo non era perfettamente rivestita dalla carica, per facilitare la miscelazione con le varie cariche, al polipropilene è stato addizionato dell’olio paraffinico di uso farmaceutico denaturato. Si è ricavata la corretta percentuale di olio tramite varie prove su quantità limitate e si è ottenuto che la quantità ottimale è pari al 2% ponderale. Dal punto di vista operativo, in un primo tempo sono stati miscelati i granuli di PP con l’antiossidante IRGANOX® 1010, in secondo luogo essi sono stati miscelati con l’olio
paraffinico ed infine sono state aggiunte le varie cariche. Questa tecnica è stata utilizzata per l’ottenimento di compositi con l’immissione di microsfere cave di vetro iM16K, allumina tri-idrata, idrossido di magnesio, nitruro di boro, Carbon black e grafite. I nanotubi di carbonio e le microsfere cave K1, K37 e MIR 100 sono, invece, state aggiunte mediante una seconda tramoggia. Nonostante la presenza dell’olio, infatti, non si è riusciti ad ottenere una buona miscelazione in dry blend tra il polimero e le cariche, ma si è osservata una certa segregazione delle cariche stesse, le quali non ricoprivano quindi il granulo a causa principalmente dell’elevata differenza di densità dei due materiali.
Dal momento che le due tramogge sono caratterizzate da viti diverse in termini di passo e altezza dei filetti, ne consegue che anche l’avanzamento del materiale risulta diverso. Pertanto è stato necessario ricavare una retta di taratura dei due dosatori, in modo da realizzare compositi con la percentuale di carica desiderata.
Per quanto riguarda il dosatore principale, nel quale è stato immesso il polipropilene, opportunamente amalgamato con antiossidante e olio, si è ottenuta la retta di taratura illustrata in Figura 6.1, sulla base dei valori riportati in Tabella 6.4.
Tabella 6.4. Rapporto tra velocità di dosaggio del dosatore e portata ponderale di materiale che fuoriesce.
Velocità di dosaggio [%] Portata [𝑔 𝑚𝑖𝑛⁄ ]
15 8.78 20 12.39 25 15.58 30 19.50 40 25.77 50 32.90 60 37.95 70 44.92 90 57.09
Figura 6.1. Retta di taratura dosatore principale.
Come si può vedere dal grafico, si è partiti da velocità di dosaggio molto limitate, pari al 15 % della velocità massima, e si è gradualmente aumentata la velocità di dosaggio fino al 90 % della velocità massima. Per ogni velocità si è pesata la quantità di materiale fuoriuscita dalla vite nel tempo di un minuto e si è ripetuta l’operazione per tre volte. Si è preso un valore medio è si è quindi costruita la retta di taratura, la quale approssima piuttosto bene l’insieme dei dati sperimentali.
A questo punto, nota la retta di taratura per il polipropilene, si è proceduti con il determinare la corretta velocità di dosaggio da impostare nel dosatore secondario al fine di ottenere un composito con le frazioni dei vari componenti volute. Nel caso delle microsfere cave di vetro MIR 100 presenti al 30% volumetrico e quindi al 24.90 % ponderale, ad esempio, esse sono state estruse a 45 rpm, pertanto una velocità di dosaggio del dosatore principale consona è il 30 %. Se si impostano velocità di dosaggio superiori a parità di giri vite, molto probabilmente si ha che la vite del dosatore non è in grado di trasportare all’interno del cilindro dell’estrusore
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Po rta ta [g /m in ] Velocità dosaggio [%]