Trasparenza, resistenza meccanica, effetto barriera possono variare, modificando il grado di cristallinità

di Marco Arezio

Abbiamo affrontato, in articoli precedenti, alcuni aspetti importanti nell’utilizzo del PET per la produzione di manufatti, come la viscosità e il peso molecolare o i principali fenomeni di degradazione del PET.

In questo articolo vediamo un altro aspetto centrale, che riguarda la gestione del grado di cristallinità del PET e come, il suo variare, può influenzare molti fattori strutturali, come la trasparenza dei manufatti, gli aspetti strutturali e meccanici e l’effetto barriera verso i componenti che il prodotto conterrà.

Per entrare subito in argomentazioni tecniche, possiamo dire che il PET è un polimero semicristallino, questo vuol dire che la sua struttura solida è costituita da una fase amorfa, in cui le macromolecole che lo costituiscono sono disposte in gomitoli statici, e da una fase cristallina, in cui le catene si dispongono in una forma geometrica precisa.

Detto questo, possiamo notare come il PET sia un polimero che possa essere sottoposto alla cristallizzazione, ma, come tutti i polimeri, non la raggiungerà mai completamente a causa della natura stessa delle macromolecole che lo compongono ed alla loro irregolarità.

Le catene, infatti, tendono a disporsi verso minime distanze intermolecolari, in quanto il principio generale che regola l'aggregazione delle macromolecole per la formazione di una struttura cristallina è la creazione di interazioni inter e intra-catena, attraverso regolarità degli angoli torsionali della macromolecola.

Il rapporto tra le due fasi dipende da molti fattori, come le caratteristiche intrinseche del materiale e i processi termici che ha subito.

Durante la fase di cristallizzazione del PET le macromolecole formano una struttura lamellare, in cui le catene si ripiegano su sé stesse in modo ordinato, ma, nello stesso tempo si verifica la creazione di zone esterne disordinate.

Il PET, essendo formato da queste due fasi, si dispone e si organizza in domini, in cui le due fasi coesistono, creando un limite massimo di cristallizzazione termica del 50-60% e, in certi casi, occorre utilizzare degli agenti nucleanti per raggiungere il valore limite.

Ricordando che la cristallizzazione non ottimale dei polimeri può portare ad una certa opacità dei manufatti, possiamo dire che il PET ha una bassa velocità di cristallizzazione e, per questo, unite ad altre proprietà, ha avuto una rapida diffusione del mondo del packaging.

Durante la lavorazione del PET, il picco di cristallizzazione si può raggiungere ad una temperatura di circa 160 - 170 °C, ma esiste anche una altro sistema per raggiungere questa fase, che è quella meccanica.

Infatti, con le operazioni di stiro meccaniche ad una certa temperatura, si crea una cristallizzazione indotta, che consiste in una orientazione forzata delle macromolecole nella direzione dello stiro.

Nell’orientazione uniassiale, in cui lo sforzo è applicato in un’unica direzione, si formano strutture dette fibrille, in quella biassiale, in cui lo sforzo ha due componenti perpendicolari tra loro, si formano cristalli larghi e piatti (plates).

Questo fenomeno è influenzato da quattro fattori principali:

- L’entità dello stiro

- La velocità dello stiro

- La temperatura

- Il peso molecolare

La combinazione di queste quattro entità determinano le caratteristiche del PET e, di conseguenza la qualità dello stesso, così, per definire un parametro che possa caratterizzare il prodotto in seguito a queste combinazioni, viene utilizzato un indicatore definito in ”grado di cristallinità”, con cui si vuole indicare la percentuale di materiale che si trova in fase cristallina rispetto alla quantità totale presa in considerazione.

In particolare, un aumento del grado di cristallinità comporta un maggiore impaccamento e, grazie alla presenza dei domini cristallini che fungono da nodi fisici del reticolo, vi è un miglioramento delle proprietà meccaniche.

Nello stesso tempo, come abbiamo già avuto modo di dire, un aumento della cristallinità del prodotto, può portare ad una certa opacità dello stesso, a causa dei diversi indici di rifrazione, infatti, questo deve essere preso in seria considerazione se si vogliono produrre delle bottiglie trasparenti.

Ma dobbiamo anche prestare attenzione alla dimensione dei cristalli, infatti, due contenitori con lo stesso grado di cristallizzazione possono avere trasparenze od opacità differenti, così, più grandi saranno i cristalli, maggiori possibilità si avranno di produrre flaconi opachi.

Alla cristallizzazione per stiro è legato il fenomeno di strain hardening, che comporta un aumento delle proprietà meccaniche, termiche e della resistenza a barriera del polietilentereftalato, determinando il successo nella produzione di contenitori.

Il punto che individua l’inizio di tale fenomeno è definito Natural Stretch Ratio (NSR).

Di conseguenza, quando si soffia una preforma, si deve raggiungere un grado di deformazione (rapporto di stiro) uguale o di poco superiore al NSR, per poter avere l’aumento delle proprietà necessarie per ottenere un prodotto leggero e conformante.

Un altro fattore importante da tenere in considerazione durante il soffiaggio delle preforme, che incide sulla cristallizzazione del materiale, è la presenza di acqua.

Infatti, se il contenuto di acqua nel PET può teoricamente arrivare all’1% del suo peso, bisogna considerare che la sua presenza può variare le proprietà fisiche, meccaniche e di barriera.

Questo si verifica perché l’acqua è un plasticizzante che ha effetto sull’orientamento del materiale, sulla stabilità termica e, quindi, anche sulla cristallizzazione indotta per stiro, creando una situazione di scorrimento tra le macromolecole, riproducendo una similitudine con un polimero di viscosità inferiore.

La percentuale di acqua influisce anche sul natural stretch ratio e, quindi, sulle proprietà del manufatto finito, a parità di stiro assiale e radiale, una preforma contenente acqua avrà proprietà inferiori, come se fosse soffiata a una temperatura più alta.

Traduzione automatica. Ci scusiamo per eventuali inesattezze. Articolo originale in Italiano.