Analisi dinamico meccanica ultrasonora di materiali polimerici

Le onde ultrasonore, vibrazioni meccaniche con frequenza superiore alla soglia dell’udibile umano (16-20 kHz), si propagano nei materiali in conseguenza di una serie di spostamenti continui molto piccoli di atomi e segmenti di catene intorno alle loro posizioni di equilibrio a causa delle forze intramolecolari all’interno di un segmento di catena ed intermolecolari tra segmenti di catena adiacenti. La propagazione di onde acustiche nei polimeri dipende dalle loro proprietà viscoelastiche e densità, risultando significativamente influenzata dalle transizioni di fase che avvengono al variare di temperatura, pressione, stress, reazioni chimiche, ecc. Pertanto, l’applicazione di ultrasuoni di opportuna frequenza e intensità nei polimeri può essere considerata come una sorta di analisi dinamico-meccanica ad alta frequenza, in grado di monitorare il comportamento viscoelastico dei materiali polimerici, per esempio durante la transizione vetrosa, le reazioni chimiche di reticolazione, la cristallizzazione, la gelificazione fisica o chimica, il processing. Si noti che, a causa dell’elevata frequenza delle oscillazioni periodiche imposte al campione e della loro piccola ampiezza, l’analisi dinamico-meccanica ultrasonora è relativa alla mobilità a corto raggio di piccoli segmenti di catena, che in genere non coinvolge gli entanglements. Tra i vari tipi di onde ultrasonore, le più adatte per l’analisi dinamico-meccanica dei materiali polimerici risultano essere le onde longitudinali e quelle di shear, con la distinzione che le prime possono propagarsi senza difficoltà anche nei liquidi e quindi risultano di utilizzo più generale. Durante una misura ultrasonora, si calcolano velocità (c) e attenuazione (), parametri sufficienti a caratterizzare un materiale dal punto di vista acustico. La prima è la velocità di propagazione delle onde acustiche ed è calcolata sulla base del tempo di volo misurato, il tempo necessario all’onda per attraversare il campione, risultando proporzionale alla componente elastica del materiale. L’attenuazione è una misura delle perdite di energia meccanica (convertita in calore) dovute sia ad assorbimento sia a scattering delle onde ultrasonore nel materiale. Il contributo dello scattering è notevole quando il mezzo è non omogeneo e contiene particelle con dimensioni confrontabili con la lunghezza d’onda. L’assorbimento è invece legato a fenomeni di rilassamento del materiale, che avviene a causa del tempo finito necessario affinché in un solido l’energia assorbita nel semiperiodo positivo dell’onda venga restituita nel semiperiodo negativo, a causa dello scambio energetico tra moto di traslazione e moti vibrazionali e rotazionali delle molecole. Pertanto, in un materiale polimerico l’attenuazione è fortemente influenzata dalle variazioni strutturali delle macromolecole, come transizione vetrosa, fusione, cristallizzazione e reazioni chimiche. Nel seguito dell’articolo sarà descritto l’apparato sperimentale sviluppato nel laboratorio di Materiali Polimerici dell'Università di Lecce per l’analisi ultrasonora e saranno accennate alcune applicazioni nel campo dei materiali polimerici.