attrito
L’attrito è la forza opposta che si sviluppa quando due superfici si muovono l’una rispetto all’altra. Fondamentalmente ci sono due proprietà di attrito esibite da qualsiasi superficie; attrito statico e attrito cinetico. Le gamme delle proprietà di attrito sono piuttosto estese. Le proprietà di attrito delle materie plastiche sono importanti in applicazioni come i prodotti delle macchine e in applicazioni di scorrimento come le cinghie e le unità strutturali come le porte scorrevoli. Nelle applicazioni di attrito suggerite così come in molte altre, ci sono aree importanti che riguardano il loro approccio progettuale.
Inizia nella selezione e modifica della plastica per fornire un alto o basso attrito come richiesto dall’applicazione. C’è anche la determinazione della geometria richiesta per fornire il livello di forza di attrito necessario controllando l’area di contatto e la qualità della superficie per fornire il livello di attrito. Un fattore di controllo che limita qualsiasi applicazione particolare della forza di attrito è la dissipazione del calore. Questo è vero se l’applicazione dei carichi di attrito è un processo continuo o un processo ripetitivo con un ciclo di lavoro elevato. L’uso di strutture di raffreddamento incorporate nei prodotti o l’uso di dispositivi di raffreddamento esterni come refrigeranti o flusso d’aria dovrebbe essere una considerazione progettuale. Per una progettazione di successo, il calore generato dall’attrito deve essere dissipato tanto velocemente quanto viene generato per evitare il surriscaldamento e il fallimento.
Il rapporto tra la forza normale e la forza di attrito è usato per definire il coefficiente di attrito statico. Il coefficiente di attrito è il rapporto tra la forza necessaria per avviare il movimento di attrito di una superficie contro un’altra e la forza che agisce perpendicolarmente alle due superfici in contatto. I coefficienti di attrito variano per una particolare plastica dal valore appena iniziato il moto al valore che raggiunge in movimento. Il coefficiente dipende dalla superficie del materiale, se ruvida o liscia. Queste variazioni e altre rendono necessario fare dei test accurati per un’applicazione che si basa sulle caratteristiche di attrito delle materie plastiche. Una volta che le caratteristiche di attrito sono definite, tuttavia, sono stabili per un particolare materiale fabbricato in un metodo prescritto.
Le caratteristiche a livello molecolare che creano forze di attrito sono le forze di attrazione intermolecolare di adesione. Se i due materiali che compongono le superfici di scorrimento a contatto hanno un alto grado di attrazione reciproca, il coefficiente di attrito è alto. Questo effetto è modificato dalle condizioni della superficie e dalle proprietà meccaniche dei materiali. Se il materiale è ruvido c’è un’interazione meccanica di bloccaggio che si aggiunge all’effetto di attrito. Lo scorrimento in queste condizioni rompe effettivamente il materiale e la resistenza al taglio del materiale è un fattore importante nelle proprietà di attrito. Se la superficie è lucida e liscia, il fattore determinante indotto dalle condizioni della superficie è la quantità di area di contatto tra le superfici. In una condizione di grande area di contatto e buona adesione, il coefficiente di attrito è alto poiché c’è un intimo contatto superficiale. Se una o entrambe le superfici di contatto hanno un basso modulo di compressione, è possibile creare un contatto intimo tra le superfici che porterà ad alte forze di attrito nel caso di plastiche con buona adesione. Si può aggiungere alle forze di attrito in un altro modo. Lo spostamento del materiale davanti all’oggetto in movimento aggiunge un elemento meccanico alle forze di attrito.
Per quanto riguarda la contaminazione della superficie, se la superficie è coperta da un materiale che impedisce alle forze di adesione di agire, il coefficiente si riduce. Se il materiale è un liquido, che ha una bassa viscosità di taglio, esiste la condizione di scorrimento lubrificato dove le caratteristiche del liquido controllano l’attrito piuttosto che le caratteristiche di attrito superficiale della plastica.
L’uso della plastica per ingranaggi e cuscinetti è l’area in cui le caratteristiche di attrito sono state esaminate più attentamente. Per esempio, le plastiche altamente polari come i nylon e i poliesteri TP hanno, come risultato delle forze superficiali sul materiale, un’adesione relativamente bassa per se stessi e per superfici di scorrimento come l’acciaio. Le plastiche laminate rendono eccellenti ingranaggi e cuscinetti. Il tipico coefficiente di attrito per tali materiali è da 0,1 a 0,2. Quando sono stampati a iniezione (IM), la pelle che si forma quando la plastica si raffredda contro lo stampo tende a essere più dura e più liscia di una superficie tagliata, così che il prodotto stampato presenta un attrito di scorrimento inferiore ed è eccellente per questo tipo di applicazione. Una buona progettazione per questo tipo di applicazione consiste nel rendere le superfici il più lisce possibile senza renderle lisce come il vetro, il che tende ad aumentare l’intimità del contatto e ad aumentare l’attrito al di sopra di quello di una superficie fine.
Per ridurre l’attrito, sono disponibili lubrificanti che abbassano l’attrito e aiutano a rimuovere il calore. Vengono utilizzate miscele di materiali additivi leggermente incompatibili come l’olio di silicone in una plastica IM. Dopo l’IM l’additivo migra sulla superficie del prodotto e agisce come una fonte rinnovabile di lubrificante per il prodotto. Nel caso dei cuscinetti si va oltre rendendo la plastica del cuscinetto porosa e riempiendola con un materiale lubrificante in modo simile ai cuscinetti in metallo sinterizzato, grafite e solfuro di molibdeno sono anche incorporati come lubrificanti solidi.
I riempitivi possono essere usati per aumentare la conduttività termica del materiale come fibre di vetro e metallo. Il filtro può essere un materiale come la plastica PTFE (politetrafluoroetilene) che ha un coefficiente di attrito molto più basso e il materiale esposto in superficie ridurrà l’attrito.
Con porte scorrevoli o nastri trasportatori che scorrono su superfici di supporto si incontrano diversi tipi di applicazioni a basso attrito o bassa resistenza. Le forze normali sono generalmente piccole e i problemi di carico di attrito sono di tipo aderente. Alcune materie plastiche presentano superfici eccellenti per questo tipo di applicazione. Il PTFE (tetrafluoroetilene) ha il coefficiente più basso di qualsiasi materiale solido e rappresenta una delle superfici più scivolose conosciute. Il problema principale con il PTFE è che la sua resistenza all’abrasione è bassa, così che la maggior parte delle applicazioni utilizzano composizioni riempite con materiali di riempimento ceramici per migliorare la resistenza all’abrasione.
Oltre al PTFE nel ridurre l’attrito usando materiali solidi così come film e rivestimenti, ci sono altri materiali con proprietà eccellenti per lo scorrimento superficiale. Il polietilene e le poliolefine in generale hanno un basso attrito superficiale, specialmente contro le superfici metalliche. L’UHMWPE (polietilene ad altissimo peso molecolare) ha un ulteriore vantaggio: ha una resistenza all’abrasione molto migliore ed è preferito per le applicazioni di trasporto e per quelle che prevedono lo scorrimento di materiali sul prodotto. Nell’industria tessile anche i prodotti da telaio usano ampiamente questo materiale perché può gestire gli effetti del filo e delle fibre che passano sulla superficie con un basso attrito e un’usura relativamente bassa.
Ci sono applicazioni dove gli alti attriti hanno applicazioni come nelle superfici di coppia nelle frizioni e nei freni. Alcune plastiche come i poliuretani e le composizioni viniliche plastificate hanno coefficienti di attrito molto alti. Questi materiali fanno superfici di trazione eccellenti per prodotti che vanno dalle cinghie di alimentazione ai rulli di trasmissione in cui la plastica guida o è guidata da un altro membro. I nastri trasportatori fatti di nylon orientato e tessuti sono rivestiti con composti di elastomeri poliuretanici per fornire sia la trazione motrice che per spostare gli oggetti trasportati su pendenze abbastanza ripide a causa dell’alto attrito generato. I rulli di trascinamento per lo spostamento della carta nelle macchine da stampa, nelle fotocopiatrici e nelle macchine per ufficio sono spesso ricoperti di uretano o di vinile per fungere da elementi di trascinamento con uno slittamento minimo.