EoW May 2008

italiano Elastomeri olefinici per applicazioni di fili e cavi

A cura di Day-Chyuan Lee, Ray Laakso, Larry Gross e Jack Muskopf, The Dow Chemical Company

Riassunto I materiali di isolamento e di rivestimento polimerici rappresentano un mezzo affidabile ed economico per la protezione di cavi, fili e fibre attualmente utilizzati per la trasmissione di energia e dati. La scelta del rivestimento polimerico per un’applicazione specifica dipende da numerosi fattori come le proprietà elettriche, ambientali e fisiche richieste per il cavo. I composti plastici ed elastomerici rappresentano due dei gruppi di materiali più comuni utilizzati nella maggioranza delle strutture di fili e cavi. Grazie alle sue buone prestazioni ed al suo costo relativamente basso, il polietilene è uno dei materiali plastici più utilizzati nell’industria del filo e del cavo, e per questo motivo mantiene un’ampia quota di mercato. Come per i materiali plastici, i cavi realizzati utilizzando composti elastomerici posseggono caratteristiche di prestazione specifiche che dipendono dalla loro particolare struttura polimerica. Gli elastomeri sono polimeri caratterizzati da un’estrema estensibilità elastica e flessibilità qualora soggetti a sollecitazioni meccaniche relativamente basse. La comparazione della struttura polimerica del polietilene con tre elastomeri attualmente commercializzati (etilene- octene (EO) (o etilene–butene (EB)), il polietilene clorurato (CM) e l’EPDM (terpolimero di etilene propilene diene) rivela delle somiglianze e delle differenze di queste classi di materiali e offre un’analisi delle relative prestazioni. Tutti questi polimeri presentano una catena principale satura, ma la flessibilità, la natura tattile e le prestazioni dei composti sono molto diverse. I materiali elastomerici EO/EB, CM, o EPDM più amorfi tendono a produrre composti più flessibili dei composti di polietilene. Il presente studio darà una visione generale del ruolo che questi polimeri elastomerici hanno nelle applicazioni dei fili e dei cavi ed illustrerà le somiglianze e le differenze dei materiali dovute alla loro struttura polimerica, focalizzando l’attenzione sulle resine elastomeriche. Verranno evidenziati in particolare i rapporti fra la struttura e le proprietà per spiegare più chiaramente i principali vantaggi e svantaggi offerti da ciascun tipo di polimero per l’industria del filo e del cavo Gli elastomeri possono essere utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, inclusi i sistemi termoplastici e termoindurenti come i sistemi di rivestimento, isolamento, materiale di riempimento, basse emissioni di fumo senza alogeno e isolamento a bassa tensione. A titolo esemplificativo, verrano forniti dei dati tecnici relativi all’utilizzo di questi polimeri nelle applicazioni tipiche di fili e cavi.

1. Struttura degli elastomeri

Gli elastomeri delle poliolefine sono copolimeri d’etilene con una o più alte alfa-olefine quali l’etilene-octene (EO), l’etilene-exene (EH) o l’etilene-butene (EB) come illustrato nella Figura 1 . Le gomme di etilene-propilene (EPR) sono copolimeri di etilene e propilene disposti in modo aleatorio per produrre polimeri gommosi e stabili. Per mantenere una catena principale satura e porre l’insaturazione reattiva in una catena laterale disponibile per la chimica di vulcanizzazione o di modifica del polimero si può utilizzare un terzo monomero dienico non coniugato ottenendo in modo controllato un terpolimero. La designazione ASTM per l’EPR è EPM per i copolimeri e EPDM per i termopolimeri dove “E” indica l’”etilene”, “P” il propilene, “D” il “diene” e “M” una catena satura tipo polimetilene. Una struttura polimerica EPDM con etilene norbornene (ENB) come il monomero dienico è illustrata nella Figura 2 . Il polietilene clorurato (CPE) è un elastomero sintetico prodotto per clorazione controllata della materia prima di alimentazione del polietilene [1] con atomi di cloro distribuiti aleatoriamente sulla catena principale del polimero. Una struttura chimica generalizzata per il CPE è illustrata nella Figura 3 . La designazione ASTM per il CPE è CM o cloropolietilene dove “C” indica il “cloro” e “M” indica una catena satura tipo polimetilene. Grazie alla catena principale stabile e satura del polimero, i composti ottenuti a partire da elastomeri di etilene sono preziosi per la loro eccellente combinazione di resistenza al calore e all’olio come indicato e classificato nella specifica ASTM D2000/SAE J200 [2,3] e illustrato nella Figura 4 . Oltre alla loro durevolezza in condizioni ambientali difficili, la loro flessibilità consente un’installazione più semplice dei cavi e permette di realizzare giunzioni e raccordi affidabili, in particolare a temperature molto basse. Grazie a queste caratteristiche, sono materiali particolarmente indicati per l’isolamento ed il rivestimento dei cavi. Le gamme di flessibilità degli elastomeri di etilene paragonati a quelle di altri materiali plastici sono illustrate nella Figura 5 . 2. Relazione fra struttura e proprietà La cristallinità, il peso molecolare (MW), la distribuzione del peso molecolare (MWD), la ramificazione, il tipo/livello di colipolimero/ dieno ed il contenuto di cloro sono alcune delle principali variabili della struttura della catena che si possono modificare per ottimizzare le prestazioni dei vari elastomeri di etilene commerciali.

Figura 1 ▲ ▲ : Struttura dell’elastomero di etilene-butene

Figura 2 ▲ ▲ : Struttura dell’EPDM con etilidene norbornene (ENB)

Figura 3 ▲ ▲ : Struttura del CPE

2.1 Cristallinità e peso molecolare Una disposizione ordinata e regolare di atomi o gruppi di atomi può formare una struttura cristallina. La cristallinità ed il punto di fusione cristallino dipendono dalla lunghezza dei blocchi di segmenti d’etilene e dalle imperfezioni cristalline degli elastomeri di etilene. Rispetto ai copolimeri di etilene con alfa-olefine più elevati, il copolimero di etilene propilene presenta tipicamente blocchi di etilene più corti e con più difetti nella fase cristallina. La cristallinità del CPE può essere modificata mediante il processo di clorazione per ottenere un prodotto amorfo o semi-cristallino. Il livello di cristallinità del polietilene residuo è altrettanto importante per controllare le proprietà fisiche globali del CPE. I blocchi di etilene sono troppo corti in un copolimero statistico per dare come risultato una cristallinità significativa ed un polimero amorfo. Il copolimero d’etilene amorfo è morbido e malleabile e generalmente presenta delle proprietà fisiche inferiori a quelle di un elastomero con una cristallinità superiore. A circa 60 wt% di etilene, un elastomero olefinico presenta una sufficiente cristallinità e durezza per essere ridotto in granuli. A causa del processo di clorazione, il CPE si presenta sempre sotto forma di polvere indipendentemente dalla cristallinità. La cristallinità ha una forte influenza sulle proprietà fisiche. Ad esempio con l’aumentare della cristallinità, del modulo e della resistenza alla trazione, aumentano anche la durezza e la resistenza alla lacerazione, mentre il comportamento a basse temperature, il recupero elastico e la resistenza alla flessione diminuiscono.

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EuroWire – Maggio 2008