Issue 2

L. Andena et al., Frattura ed Integrità Strutturale, 2 (2007) 17-24; DOI: 10.3221/IGF-ESIS.02.03 17 1 INTRODUZIONE Il Polibutene-1 isotattico (i-PB1) viene sempre più fre- quentemente usato come materiale per la fabbricazione di tubi per applicazioni quali riscaldamento e distribuzione di acqua potabile. Secondo la Polybutene Piping Systems Association (PBPSA), l’utilizzo dell’i-PB1 comporta di- versi vantaggi rispetto ai concorrenti più tradizionali, ad esempio per quanto riguarda le sue proprietà meccaniche nel lungo periodo ed il comportamento a temperature ele- vate. Vi sono studi approfonditi che riguardano la transi- zione dell’i-PB1 tra le sue due forme cristalline (denomi- nate I e II) in seguito alla fusione [1, 2]. Di contro le proprietà meccaniche dell’i-PB1 non sono state finora og- getto di grande attenzione in letteratura. Un fenomeno di sicuro interesse per i tubi in pressione in materiale polimerico è quello dell’innesco e successiva propagazione lenta di cricche a partire da difetti superfi- ciali. La resistenza del materiale a questo tipo di cedi- mento può essere caratterizzata mediante prove accelerate su tubi in pressione ad elevata temperatura. Un andamen- to tipico è riportato schematicamente in Fig. 1. Si distin- Applicazione della meccanica della frattura viscoelastica alla previsione della vita di tubi in polibutene Luca Andena, Marta Rink, Roberto Frassine Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta” RIASSUNTO. Il Polibutene-1 isotattico (i-PB1) è un materiale polimerico usato per la produzione di tubi per il trasporto di fluidi in pressione. In questo lavoro si sono studiati due tipi di i-PB1 prodotti da Basell che differiscono per grado di isotatticità. Si sono condotte prove di frattura a diverse temperature e velocità di spostamento imposte. Si è utilizzata una configurazione di flessione su provini con singolo intaglio (SENB) unitamente a quella di doppia trave a sbalzo (DCB), quest’ultima limitatamente allo studio della fase di propagazione. Al fine di individuare con precisione l’innesco della frattura e la velocità di propagazione della stessa si è fatto ricorso a metodi ottici. Dal punto di vista fenomenologico durante la propagazione si assiste alla formazione di zone in cui il mate- riale risulta fortemente stirato. La frattura in esse avanza con una lacerazione continua che si alterna a salti repentini in occasione del brusco cedimento di queste zone, associato a conseguenti cadute del carico. Que- sta parziale instabilità è stata osservata sui due materiali per entrambe le configurazioni di prova. I risultati ottenuti sono stati interpretati seguendo l’approccio della meccanica della frattura e applicando uno schema di riduzione di tipo tempo-temperatura che ha permesso di descrivere il comportamento viscoe- lastico del materiale su un intervallo temporale di diverse decadi. I risultati hanno permesso di applicare un modello analitico per la previsione della vita utile di tubi in pres- sione. Il modello si è mostrato in buon accordo con i dati sperimentali disponibili da prove condotte su tubi dello stesso materiale. ABSTRACT . Isotactic polybutene-1 (i-PB1) is a polymer used for the manufacturing of pressurized pipes. In this work two grades of i-PB1 with a different degree of isotacticity have been investigated; they have been supplied by Basell Polyolefins. Fracture tests have been performed at various temperatures and testing speeds. Two configurations have been used, single edge notch bending (SENB) and double cantilever beam (DCB), the latter only to study crack propagation. Optical methods have been used to detect crack initiation and measure propagation speed. From the phenomenological point of view, the formation of highly stretched material regions has been ob- served during crack propagation. A continuous tearing of these regions as the crack advances has often been interrupted by their sudden rupture, with the load decreasing accordingly. This partial instability has been observed on both material grades, with both testing configurations. Results of the tests have been interpreted using the fracture mechanics framework; a time-temperature su- perposition scheme has been adopted to represent viscoelastic behavior over several decades. An analytical model has been applied to predict the lifetime of pressurized pipes. A good agreement has been reported be- tween model predictions and experimental data obtained from tests on polybutene pipes. PAROLE CHIAVE . Polibutene; frattura; viscoelasticità; polimero