Come determinare la stabilità chimica dei materiali

La determinazione della stabilità chimica dei materiali può essere effettuata secondo i seguenti aspetti:

I. Analisi teorica

1. Analisi della composizione chimica

– Comprendere la composizione chimica dei materiali costituisce la base per valutarne la stabilità chimica. Ad esempio, per i materiali metallici, la stabilità chimica dei metalli puri è generalmente correlata alla loro posizione nella serie di attività dei metalli. I metalli preziosi, come l’oro (Au) e il platino (Pt), presentano proprietà chimiche relativamente stabili poiché si trovano nella parte finale della serie di attività dei metalli e non tendono a reagire con acidi, basi e sali comuni. Metalli come il ferro (Fe) e lo zinco (Zn) sono invece relativamente più reattivi e presentano una stabilità chimica leggermente inferiore.

– Per i materiali polimerici, la loro stabilità chimica è legata alla struttura e alla composizione delle catene molecolari. I materiali polimerici contenenti un numero maggiore di legami insaturi (ad esempio doppi legami carbonio-carbonio) possono presentare una stabilità chimica inferiore, poiché i legami insaturi sono soggetti a reazioni di addizione, ossidazione e altre reazioni. Ad esempio, la gomma naturale contiene un elevato numero di doppi legami carbonio-carbonio ed è facilmente ossidata dall’ossigeno, causando l’invecchiamento della gomma.

2. Analisi della struttura cristallina (per materiali cristallini)

– La struttura cristallina dei materiali può influenzarne la stabilità chimica. Ad esempio, nei cristalli metallici, le strutture cristalline compatte (come l’impaccamento a facce centrate e l’impaccamento esagonale compatto) sono generalmente più stabili rispetto ai cristalli metallici con struttura a impaccamento a corpo centrato. Ciò è dovuto al fatto che la struttura compatta avvicina maggiormente i legami tra gli atomi, rendendo più difficile la penetrazione e la reazione di sostanze esterne.

– Per i cristalli ionici, il valore dell'energia reticolare può anche rifletterne la stabilità chimica. I cristalli ionici con elevata energia reticolare (ad esempio l'ossido di magnesio, MgO) presentano una relativa elevata stabilità chimica, poiché i legami ionici sono forti e occorre una quantità relativamente elevata di energia per romperli, rendendo così i cristalli meno propensi a subire reazioni chimiche nelle condizioni normali.

II. Prove sperimentali

1. Prove di resistenza alla corrosione

Prova alla nebbia salina: Questo è un metodo di prova ampiamente utilizzato per materiali metallici e per materiali dotati di rivestimenti protettivi. I campioni del materiale vengono posti in una camera per la prova alla nebbia salina e viene nebulizzata una soluzione di cloruro di sodio (ad esempio, nella prova alla nebbia salina neutra si utilizza una soluzione salina di cloruro di sodio con concentrazione di 50 g/L e pH compreso tra 6,5 e 7,5) per simulare un ambiente salino, come quello dell’oceano o delle zone costiere. Si osserva se, entro un determinato periodo di tempo (ad esempio 24 ore, 48 ore, 72 ore, ecc.), si verificano fenomeni quali formazione di ruggine, corrosione, rigonfiamento (blistering) o altri difetti sulla superficie del materiale. Se il materiale mostra una corrosione evidente in un tempo relativamente breve, ciò indica che la sua stabilità chimica è scadente.

– Prova di immersione: selezionare la soluzione di immersione corrispondente in base all’ambiente di utilizzo del materiale. Ad esempio, per i materiali che potrebbero essere impiegati in un ambiente acido, è possibile immergerli in una soluzione acida di determinata concentrazione (ad esempio acido solforico, acido cloridrico, ecc.); per i materiali utilizzati in un ambiente alcalino, si procede all’immersione in una soluzione alcalina (ad esempio soluzione di idrossido di sodio). Osservare la variazione di massa e la variazione della morfologia superficiale del materiale durante il processo di immersione. Se, nel corso dell’immersione, il materiale subisce una notevole perdita di massa e compaiono fossette da corrosione sulla sua superficie, ciò indica che la sua stabilità chimica non è adeguata.

2. Prove di stabilità termica

Analisi termogravimetrica (TGA): sotto un controllo programmato della temperatura, si misura la relazione tra la massa del materiale e la temperatura. Quando il materiale viene riscaldato, se si verifica una perdita di massa evidente a una temperatura relativamente bassa, ciò potrebbe essere dovuto a reazioni chimiche come la decomposizione o l’ossidazione. Ad esempio, alcuni materiali polimerici organici subiscono decomposizione termica ad alte temperature e, mediante la TGA, è possibile determinare la temperatura di decomposizione termica per valutare la loro stabilità chimica in un ambiente ad alta temperatura.

– Calorimetria differenziale a scansione (DSC): consente di misurare la variazione di calore del materiale durante il riscaldamento o il raffreddamento. Se il materiale presenta picchi endotermici o esotermici durante il riscaldamento, ciò può essere dovuto a transizioni di fase, reazioni chimiche, ecc. Analizzando la posizione e l’entità di tali picchi, è possibile valutare la stabilità chimica del materiale. Ad esempio, alcune leghe subiscono transizioni di fase a temperature specifiche e tali transizioni possono influenzare la stabilità chimica del materiale.

3. Prove di stabilità all’ossidazione Prova accelerata di ossidazione: Per i materiali soggetti a ossidazione (ad esempio metalli, grassi, ecc.), la stabilità all’ossidazione può essere valutata mediante una prova accelerata di ossidazione. Ad esempio, in un ambiente ad alta temperatura e ad alto contenuto di ossigeno, si osserva la velocità di ossidazione del materiale. Per i materiali metallici, è possibile misurare lo spessore di crescita del film ossidico e l’aumento di massa per valutarne la stabilità all’ossidazione. Per i grassi, il grado di ossidazione può essere determinato rilevando indicatori quali il valore di perossidi. Se il materiale presenta una velocità di ossidazione elevata nella prova accelerata di ossidazione, ciò indica che la sua stabilità chimica è scarsa.

4. Test di reattività con altre sostanze – Il materiale può essere sottoposto a un test di contatto con altre sostanze con cui potrebbe venire a contatto (ad esempio solventi, altri materiali, ecc.). Ad esempio, per i materiali da imballaggio, è necessario verificare la reattività con i componenti alimentari (quali grassi, acidi, basi, ecc.). Il materiale viene messo a contatto con simulanti alimentari e, rilevando l’eventuale migrazione di sostanze e le eventuali modifiche subite dal materiale, se ne valuta la stabilità chimica. Per i materiali compositi, è necessario verificare se possano verificarsi reazioni chimiche tra i diversi costituenti, che potrebbero influenzare le prestazioni complessive del materiale.