Influenza della temperatura sui prodotti resinosi

IL PRESENTE ARTICOLO È UN ESTRATTO DEL LIBRO “SISTEMI RESINOSI PER PAVIMENTAZIONI” DI CIRO SCIALÒ, EDITORE SISTEMI EDITORIALI, IMREADY.
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L’azione della temperatura sui prodotti resinosi si esplica in modo differenziato in relazione allo stato fisico in cui si trovano i prodotti: liquidi, prima dell’uso ed in fase applicativa; solidi dopo l’applicazione durante l’utilizzazione della pavimentazione.
Nel primo caso essa agisce sul prodotto, fluido, modificando le sue caratteristiche fisiche fino a compromettere la lavorabilità o addirittura l’uso dello stesso; nel secondo caso, la temperatura agisce sul prodotto finito modificando la struttura molecolare e compromettendone l’utilizzo come rivestimento. Iniziamo con l’esaminare in che modo la temperatura può modificare le caratteristiche meccaniche del rivestimento resinoso perfettamente indurito. Non è usuale che una pavimentazione venga sottoposta ad alte temperature (T ≥ 80°C), comunque possono determinarsi, per particolari destinazioni d’uso dei locali, condizioni di surriscaldamento del rivestimento resinoso, che potrebbero comprometterne le caratteristiche di resistenza meccanica. Un esempio è il surriscaldamento indotto dalle ruote motrici, in gomma piena dei muletti, quando , per assenza di presa girano a vuoto inducendo per attrito il surriscaldamento del rivestimento; conseguenza: la disgregazione locale del sistema che si presenta con la tipica forma concava della larghezza delle ruote. (vedi Figura 1).

Figura 1. Danneggiamento dovuto all’effetto di surriscaldamento indotto dalle ruote motrici dei muletti.

I formulati resinosi, presentano un limite di resistenza alla temperatura definito col termine: temperatura di transizione vetrosa Tg, dall’inglese glass transition temperature.
La Tg è la temperatura alla quale un formulato resinoso epossidico o poliuretanico, subisce una variazione strutturale passando dallo stato solido molto rigido a uno stato plastico, attraverso il rammollimento della struttura semicristallina. Le resistenze meccaniche del prodotto vengono compromesse dalla temperatura. Questo fenomeno è legato alla struttura reticolare dei polimeri utilizzati per la realizzazione dei rivestimenti resinosi.
Una sostanza si dice amorfa quando presenta una distribuzione molecolare disordinata, simile ai liquidi ma caratteristiche esteriori dei solidi: rigidezza, resistenza. Una sostanza amorfa non è considerata come solido vero e proprio, ma un liquido ad altissima viscosità. Le molecole, “bloccate” nella loro disposizione caotica tipica dello stato liquido, conferiscono alla sostanza caratteristiche proprie dello stato solido.
Tali sostanze, però, non presentano un punto di fusione, come le sostanze cristalline.
Potremmo definire, in modo semplice, le sostanze amorfe, come quelle che allo stato solido si presentano trasparenti.
Quando forniamo calore, a pressione costante, a una sostanza cristallina allo stato solido, la temperatura della sostanza aumenta in modo progressivo. Quando la temperatura raggiunge un determinato valore, la sostanza incomincia a fondere. Da questo punto in poi la temperatura resta costante su tale valore fino a quando tutta la sostanza passa allo stato liquido. Fornendo ancora energia, la temperatura risale fino al successivo passaggio di stato: da liquido ad aeriforme, dove la temperatura ritorna a essere costante.
I passaggi di stato, di una sostanza cristallina possono essere rappresentati con i grafici riportati in Figura 2.

Figura 2. Passaggi di stato di una sostanza cristallina

Ben diverso è il comportamento nel caso di sostanze amorfe. In questo caso quando si fornisce energia a un solido amorfo, a pressione costante, esso si riscalda e la sua temperatura aumenta, come per un solido cristallino. Ma a differenza del solido cristallino, quando la temperatura raggiunge un determinato valore, Tg, temperatura di transizione vetrosa, la sostanza incomincia a rammollire, la temperatura continua ad aumentare, e la sostanza non passa allo stato liquido.
Non vi è un calore latente. Il grafico che riproduce tale fenomeno è diverso da quello delle sostanze cristalline.
Come nel mondo inorganico vi sono sostanze cristalline e sostanze amorfe, anche nel mondo organico, vi sono polimeri cristallini e polimeri amorfi. I polimeri cristallini, come le sostanze inorganiche cristalline, hanno una temperatura di fusione ben definita e quindi, un calore latente di fusione.
La fusione avviene quando le catene di polimero, per effetto del riscaldamento, perdono la loro struttura ordinata, caratteristica dello stato solido e passano a quello di disordine tipico dei liquidi.

Figura 3. diagramma transizione vetrosa polimero amorfo

I polimeri amorfi, non presentano una struttura cristallina, ma le loro molecole sono sparse in modo disordinato, anche se il polimero si presenta allo stato solido. Esse, come le sostanze amorfe inorganiche, per riscaldamento non fondono, ma subiscono la transizione vetrosa.
Ogni polimero ha una sua determinata temperatura di transizione vetrosa. Al di sotto di tale temperatura il polimero è solido, rigido, fragile come un vetro. Al di sopra di tale temperatura il polimero è allo stato plastico flessibile.
Vi sono polimeri la cui Tg è più alta della temperatura ambiente e pertanto, essi si presentano rigidi, come le epossidiche, le poliuretaniche, i polimetilmetacrilati. Vi sono polimeri la cui Tg è più bassa della temperatura ambiente, per cui essi si presentano plastici, pieghevoli, come il polietilene.

Figura 4. Struttura molecolare di un polimero amorfo reticolato

Si può rendere un polimero più plastico, pur avendo una Tg alta, mediante l’aggiunta di plastificanti. Tali sostanze, costituite da piccole molecole, si collocano tra le catene polimeriche, che costituiscono il polimero, distanziandole l’una dall’altra e permettendo così che le stesse possano muoversi mutuamente, consentendo la deformabilità del prodotto. Il processo che comporta il distanziamento delle catene del polimero per opera delle molecole del plastificante viene definito come “incremento del volume libero”. Col tempo tali molecole di plastificante, andranno via dal polimero, e quindi si perderà l’effetto plastificante. Un polimero elastico, con Tg inferiore alla temperatura ambiente, perde la propria deformabilità diventando rigido e fragile, quando lo si porta a una temperatura molto bassa, lontana dalla Tg.
Sarà certamente capitato di abbandonare una sedia di plastica all’esterno. Dopo un lasso di tempo la sedia non ha più la stessa elasticità. Così come in inverno, con le basse temperature, alcuni oggetti di plastica sono più fragili.
Questi fenomeni sono dovuti alla perdita dei plastificanti, nel primo esempio, all’allontanamento dalla Tg e al consequenziale irrigidimento nel secondo esempio.
Le resine comunemente impiegate per la realizzazione dei sistemi resinosi per pavimentazioni hanno una Tg variabile tra i 60°C e gli 80°C. Sono temperature relativamente basse e quindi possono verificarsi casi in cui il rivestimento possa essere sottoposto a tali temperature. Fortunatamente, nel settore delle pavimentazioni, ciò accade molto di rado e in zone ristrette. Ne sono esempi i locali dove possono aversi cadute di liquidi molto caldi, ambienti con pavimentazioni prossime a fonti di calore come forni, caldaie o laddove l’attività industriale o commerciale richiedano lavaggi insistenti e perduranti con vapore surriscaldato.
Un sistema resinoso trova limitazioni applicative anche nel caso di basse temperature. In tal caso diventano importanti gli stati tensionali che si instaurano e di conseguenza gli sforzi di scorrimento che il rivestimento trasferisce al sottostante supporto all’interfaccia tra i due elementi.
Sappiamo, infatti, che i corpi se sottoposti a variazioni di temperatura, si dilatano o si contraggono. Tale effetto trova particolare importanza quando due sostanze non omogenee sono in aderenza tra loro, proprio come i sistemi resinosi “incollati” su supporti di diversa natura. Se non compensati, tali deformazioni, determinano distacchi e/o fratture. Può accadere che la variazione di temperatura sia molto forte ma limitata nel tempo, ad esempio la caduta accidentale di acqua bollente. In questo caso il rivestimento resinoso sarà sottoposto a una repentina variazione di temperatura (shock termico), che indurrà una brusca modificazione dimensionale dello stesso (allungamento). Qualora l’adesione tra rivestimento e supporto non fosse sufficientemente tenace, si determinerebbero raggrinzimenti o distacchi localizzati.
I prodotti elastomerici come le resine poliuretaniche riescono ad assorbire tali deformazioni in modo migliore dei prodotti epossidici.
La deformazione di una sostanza per effetto della temperatura viene determinata mediante la formula:
ΔL = λ L (T2 – T1)
dove λ è il coefficiente di dilatazione termica [°C ^-1]; L è la lunghezza [ m ]; ΔL è la variazione di lunghezza [m]; (T2 – T1) è la variazione della temperatura [°C].
La temperatura agisce in modo particolare anche durante la fase applicativa.
La variazione di temperatura modifica la velocità di reazione dei prodotti applicati. Infatti, se la variazione di temperatura avviene prima che gli stessi siano induriti, il processo rallenta e per particolari basse temperature, addirittura si blocca. Così, ad esempio, se si applica un prodotto verso sera, e durante la notte la temperatura si abbassa di molto, la reazione potrebbe anche fermarsi, certamente si rallenta di molto, per riprendere quando la temperatura risalendo, al mattino, raggiunge valori tali da consentire una sufficiente mobilità delle molecole.
Viene sconsigliata l’applicazione con temperatura al disotto dei 5°C.
È bene precisare che è anche importante tenere sotto controllo, non solo la temperatura ambientale, che certamente per quanto detto influenza molto la reazione tra base ed indurente di un composto resinoso, ma anche la temperatura del supporto sul quale stendere il prodotto. Casi limiti sono i supporti metallici esposti al sole, che potrebbero surriscaldarsi a seguito dell’insolazione diurna, e in antitesi le pavimentazioni troppo fredde delle celle frigorifere.