ASTM D792: Misurazione della densità delle materie plastiche e dei polimeri

Lo standard ASTM D792 delinea una procedura precisa per determinare la densità e il peso specifico di un materiale plastico in base alla sua galleggiabilità in un liquido, tipicamente acqua. Anche se sembra facile, il test può dire molto su ciò che accade all'interno del materiale, sull'omogeneità e persino sulla formulazione.

Perché la densità e la gravità specifica sono importanti

La densità quantifica la quantità di massa contenuta in un volume specifico, mentre la gravità specifica è la stessa densità espressa come rapporto tra la densità e quella dell'acqua a una temperatura standard. La densità indica quindi quanto è "pesante" un materiale per le sue dimensioni, mentre la gravità specifica fornisce un modo conveniente per confrontare i materiali senza il bagaglio delle unità di misura.

Nella produzione e nella scienza dei materiali, questi numeri sono più che valori astratti su una scheda tecnica: sono anche identificatori di purezza, qualità e prestazioni del prodotto. Una densità errata in un polimero, ad esempio, potrebbe essere legata a vuoti, impurità o miscele errate di riempitivo. Per un ingegnere, questo può significare variazioni nelle proprietà termiche, nella rigidità o nella resistenza.

Il principio dell'ASTM D792

Il test ASTM D792 si basa sul principio di Archimede secondo il quale l'oggetto immerso è soggetto a una forza di galleggiamento pari al peso del fluido spostato. Questa semplice legge è alla base di uno dei metodi più utilizzati nelle prove sui materiali.

In pratica, il test consiste nel pesare un campione solido due volte: una volta in aria e una volta immerso in acqua. Dalla lettura di una meno quella dell'altra, è possibile ricavare sia la densità che il peso specifico. Le equazioni utilizzate sono:

Peso specifico (SG) = Wₐ/(Wₐ - Ww)

Densità = SG × Densità dell'acqua alla temperatura di prova

dove (Wₐ) è il peso del provino in aria e (Ww) è il suo peso quando è parzialmente immerso in acqua. A 23°C, la densità dell'acqua è di circa 0,9975 g/cm³, valore utilizzato nella maggior parte dei test, salvo diversa indicazione.

Procedure di prova e variazioni

L'ASTM D792 prevede diverse procedure, denominate da A a D, per adattarsi a campioni di tipo diverso. La procedura A si applica alle plastiche solide più pesanti dell'acqua, mentre la procedura B impiega un affondatore a filo per testare i campioni galleggianti. Le procedure C e D si applicano a situazioni più complesse, come nel caso di piccoli pellet, film sottili o polveri, che in genere utilizzano un picnometro o una colonna a gradiente di densità invece dell'immersione diretta.

Il controllo della temperatura è un'altra considerazione fondamentale. Piccole variazioni di temperatura possono comportare un cambiamento piuttosto piccolo nella densità dell'acqua e del campione, quindi gli esperimenti sono generalmente condotti a 23 ± 2°C per garantire una certa coerenza.

Interpretazione dei risultati dell'ASTM D792

I valori di densità e peso specifico ottenuti con l'ASTM D792 possono avere un intervallo molto ampio in base alla formulazione, al tipo di materiale e alla lavorazione. Per fare un paio di esempi, il polietilene (PE) è generalmente compreso tra 0,91 e 0,96 g/cm³, mentre il policarbonato (PC) è più denso con circa 1,20 g/cm³. All'estremo superiore, il PTFE (Teflon) ha densità superiori a 2,15 g/cm³, il che corrisponde alla sua struttura molecolare a pacchetti ravvicinati.

Un brusco spostamento della densità misurata dai livelli di riferimento stabiliti può essere indicativo di problemi di produzione. Valori molto bassi possono essere segno di vuoti interni o di intrappolamento di gas, mentre valori elevati possono indicare un eccesso di cariche o di contaminanti. Per questo motivo, la maggior parte dei laboratori di controllo qualità utilizza l'ASTM D792 come metodo di screening rapido per individuare eventuali anomalie prima di eseguire test su scala reale.

Applicazioni dell'ASTM D792 nelle industrie

Le informazioni ottenute attraverso i test ASTM D792 non sono solo di interesse accademico. Nella produzione di polimeri, consente ai produttori di verificare la consistenza dei lotti di resina e di individuare le derive della formulazione. Nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali, la conoscenza della densità dei polimeri compositi aiuta a verificare che i pezzi soddisfino precise specifiche di peso e prestazioni. Anche nella produzione di dispositivi medici, la misurazione precisa della densità aiuta a garantire che i tipi di polimero siano conformi ai requisiti di biocompatibilità e durata.

Densità tipiche dei materiali

Per mettere questi valori in prospettiva, ecco alcuni valori rappresentativi:

- Polietilene (PE): 0,91-0,96 g/cm³

- Policarbonato (PC): 1,19-1,22 g/cm³

- Nylon (PA): 1,13-1,15 g/cm³

- Politetrafluoroetilene (PTFE): 2,15-2,20 g/cm³

- Alluminio: 2,70 g/cm³

- Acciaio inossidabile: 7,90-8,05 g/cm³

- Tungsteno: 19,25 g/cm³

Come mostrano questi esempi, le materie plastiche e le leghe leggere occupano l'estremità inferiore della scala di densità, mentre i metalli, soprattutto quelli pesanti come il tungsteno o il piombo, si trovano all'estremità opposta.

Valori tipici di densità e peso specifico (riferimento ASTM D792)

Conclusione

L'ASTM D792 è un metodo semplice ma efficace per determinare la densità e il peso specifico delle materie plastiche e di altri materiali. Molto più di una procedura standard di laboratorio, è una ricca risorsa per ingegneri, produttori e ricercatori che hanno bisogno di sapere come la struttura, la formulazione e la lavorazione di un materiale influiscono sulle sue prestazioni finali.