Formulazione e caratterizzazione di compositi polimerici contenenti nitruro di boro: effetto del flusso elongazionale = Formulation and characterization of polymeric composites containing boron nitride: effect of the elongational flow

Lo scopo di questa tesi sperimentale è quello di formulare compositi a matrice polimerica con particolari proprietà meccaniche e di conducibilità termica, utilizzando una matrice a base di polipropilene caricata con nitruro di boro esagonale (BN). I compositi sono stati prodotti in due forme: prima estrusi, per compounding da fuso ed estrusione, poi in fibre, sottoponendo il materiale estruso a uno stiro non isotermo, quindi applicando un flusso elongazionale. Sono stati ottenuti compositi a diverse percentuali di BN: 5%, 10%, 20% e 30% di BN, in modo da caratterizzarli e confrontare le proprietà con la matrice pura. Il lavoro di caratterizzazione è stato suddiviso in analisi e studio delle proprietà di base dei materiali estrusi, quindi studio dell’effetto dell’aggiunta del nitruro di boro alla matrice polimerica, e in analisi e studio delle proprietà delle fibre, al fine di comprendere l’effetto dello stiro a caldo sulle proprietà dei compositi, in particolare sulla dispersione e orientazione del nitruro di boro. Infine, è stato studiato anche l’effetto dello stiro a freddo, applicato sulle fibre attraverso l’utilizzo del dinamometro, per capire se l’ulteriore applicazione di flusso elongazionale ha un effetto migliorativo sulla dispersione delle cariche, e quindi sulle proprietà meccaniche e di conduzione termica. Dalla caratterizzazione dei materiali estrusi è emerso che l’aggiunta di BN ha migliorato le proprietà meccaniche, in particolare ha incrementato il modulo di Young e la tensione a rottura, ma anche la conducibilità termica, soprattutto per il composito PP+30%BN, il quale registra un incremento del 97% rispetto al valore ottenuto per la matrice pura. Le proprietà meccaniche delle fibre sono state studiate in funzione del rapporto di stiro o drawing ratio (DR), ovvero il rapporto fra la velocità di stiro e la velocità di uscita dalla bocca di estrusione: fibre a basso DR hanno diametro grande, mentre fibre ad alto DR hanno diametro sottile. Le prove meccaniche hanno restituito risultati soddisfacenti, infatti il modulo elastico e la tensione a rottura aumentano al crescere del DR, e la crescita è maggiore per i compositi caricati al 20% e al 30%: in particolare, si ha un incremento netto dei valori del modulo al 20% di BN, e una crescita più veloce al crescere del DR per il PP+30%BN. Anche la conducibilità termica, misurata sulle fibre tal quali, ha fatto registrare un netto incremento rispetto ai valori ottenuti per i compositi estrusi; tale incremento, per il composito PP+30%BN, è del 37,9%. L’aggiunta di nitruro di boro e il flusso elongazionale risultano quindi migliorativi per le proprietà meccaniche e per la conduzione termica di un materiale che di per sé è isolante e con discreti valori di modulo elastico e tensione a rottura. Lo stiro a caldo dei materiali estrusi ha permesso di ottenere quello che ci si era prefissati come obiettivo: la dispersione e l’orientazione delle scagliette di nitruro di boro, anche grazie alla loro morfologia, tra le macromolecole polimeriche, anch’esse stirate, incrementano la rigidezza e la resistenza del materiale, mentre dal punto di vista delle proprietà termiche si ha la creazione di un network conduttivo, che quindi garantisce maggiori valori di conducibilità termica. Infine, la caratterizzazione dei materiali sottoposti a stiro a freddo non ha portato ad alcun incremento delle proprietà, suggerendo che ciò che è stato ottenuto con lo stiro a caldo è il massimo che si può ottenere