Yield and post-yield behaviour of semicrystalline polymers: open issues of practical interest

This PhD thesis covers three different research topics in the field of science and technology of polymeric materials. They all have in common the fact that the knowledge of the yield and/or the post yield behavior is necessary for their analysis. Further, they all deal with semicrystalline polyolefins. In some cases a correlation between the macroscopic mechanical behaviour of the semicrystalline polyolefins investigated and semicrystalline polymers main deformation mechanisms was attempted. The first topic regards the study of the yield and post-yield behavior of syndiotactic polypropylene in relation to the strain-induced structural changes. A suitable experimental method was set up to overcome the necking effect which causes strain localization in a s-PP specimen during a tensile test. The effect of configuration regularity of s-PP on its yield and post-yield behaviour was also examined considering three commercial syndiotactic polypropylenes having different stereoregularity index. The second topic regards a methodology to characterize fracture toughness of polymeric films, the Essential Work of Fracture. This method allows to obtain a material’s specific fracture energy by performing fracture tests on several notched specimens (for example Double Edge Notched Tension DEN(T) specimens) differing in the cross-section width. The validity of this method requires that the fracture propagation occurs within plastically deformed material. The last topic concerns a method to predict the long term failure of polymeric materials under creep loading when the plasticity controlled failure occurs. A method based on short-term tests to predict failure in the plasticity controlled regime is reported in literature and adopted at first on amorphous polymers and recently to semicrystalline polymers. In this thesis the plasticity controlled failure of isotactic polypropylene was studied and data from creep tests on pipes were used for prediction validation.

Questa tesi di dottorato tratta tre diversi temi di ricerca nel campo della scienza e tecnologia dei materiali polimerici. Tutti hanno in comune il fatto che la conoscenza dello snervamento e/o del comportamento in post-snervamento è resa necessaria per la loro analisi. Inoltre, tutti trattano di poliolefine semicristalline. In alcuni casi, è stato possibile correlare il comportamento meccanico macroscopico delle poliolefine semicristalline esaminate e i principali meccanismi di deformazione dei polimeri semicristallini. Il primo argomento riguarda lo studio del comportamento a snervamento e in post-snervamento del polipropilene sindiotattico in relazione ai cambiamenti microstrutturali indotti dalla deformazione. E’ stato messo a punto un metodo sperimentale adatto a superare l'effetto di formazione del necking che comporta la localizzazione della deformazione in un campione di s-PP durante una prova di trazione. L'effetto della regolarità configurazione dell’ s-PP sul suo comportamento a snervamento e in post-snervamento è stato inoltre esaminato prendendo in considerazione tre polipropileni sindiotattici commerciali aventi differente indice di stereoregolarità. Il secondo argomento riguarda un metodo per caratterizzare la tenacità a frattura di film polimerici, detto metodo del lavoro essenziale di frattura. Questo metodo permette di ottenere un’energia specifica di frattura del materiale effettuando prove di frattura su diversi provini intagliati (per esempio provini DENT (Double Edge Notched Tension)) che differiscono nella larghezza della loro sezione resistente. La validità di questo metodo richiede che la propagazione della frattura avvenga in un materiale che si deforma plasticamente. L'ultimo argomento riguarda un metodo per prevedere il cedimento a lungo termine di materiali polimerici sottoposti a carico costante quando si verifica il cedimento controllato dalla plasticità. Un metodo basato su prove a breve termine per prevedere il cedimento in tale regine è riportato in letteratura ed è stato inizialmente settato su polimeri amorfi e recentemente adottato anche per polimeri semicristallini. In questa tesi è stato preso in esame il cedimento controllato dalla plasticità di un polipropilene isotattico e i dati sperimentali ottenuti da prove di creep effettuate direttamente su sezioni di tubazioni sono stati utilizzati per la validazione della previsione fatta.