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L’etilene-vinilacetato (EVA) è un copolimero morbido e semicristallino che convince per l’elevata flessibilità, le eccellenti proprietà di smorzamento e una finestra di proprietà eccezionalmente ampia, proprio dove i classici polietileni, le termoplastiche rigide o gli elastomeri fragili raggiungono i loro limiti. Regolando in modo specifico il contenuto di acetato di vinile (VA) e il grado di reticolazione, l’EVA può essere personalizzata da trasparente e morbida a strutturalmente stabile e altamente ammortizzante. Per questo è la prima scelta in settori come le suole delle scarpe, gli elementi ammortizzanti, gli incapsulanti solari o le pellicole flessibili. [1]
Cristallinità: la chiave della flessibilità e dell'ammortizzazione
L’EVA è un copolimero casuale di etilene e acetato di vinile in cui il contenuto di VA interferisce significativamente con la cristallizzazione del segmento di polietilene. Con l’aumento del contenuto di VA, il contenuto cristallino diminuisce da circa il 50-60% nel PE puro a strutture quasi amorfe a circa il 40% di VA in peso, rendendo il materiale significativamente più morbido e gommoso. [2]
La cristallinità controlla sia la rigidità che la resilienza: una cristallinità più elevata conferisce resistenza meccanica, mentre una cristallinità più bassa porta a uno smorzamento pronunciato e all’assorbimento di energia – un motivo fondamentale per cui l’EVA si comporta così bene sotto carichi ciclici, ad esempio nelle scarpe sportive o nei cuscinetti antivibranti. Nelle reti di EVA reticolate (cEVA), i domini cristallini possono essere utilizzati anche come punti di ancoraggio fisico, migliorando la resistenza e la stabilità dimensionale anche a temperature più elevate. [1]
Punto di fusione e lavorabilità termica
Il punto di fusione dell’EVA è direttamente collegato alla cristallinità e quindi al contenuto di VA. Mentre i tipi di EVA cristallini e ricchi di PE hanno picchi di fusione nell’intervallo di circa 110-120 °C, l’intervallo di fusione si sposta verso un intervallo più ampio e significativamente più basso di circa 40-60 °C in presenza di alti contenuti di VA (circa 40 wt.%). [2]
In pratica, questo significa che i tipi di EVA con un contenuto moderato di VA combinano un punto di fusione sufficientemente alto per la resistenza termica con una buona lavorabilità nei processi di estrusione, stampaggio a iniezione o schiumatura. Nei sistemi EVA reticolati, il classico punto di fusione diventa meno importante, poiché la reticolazione chimica impedisce un flusso completo; le transizioni termiche, tuttavia, rimangono all’interno del punto di fusione. Segnale DSC visibile. [1]
Temperatura di transizione vetrosa e comportamento di attenuazione
La temperatura di transizione vetrosa(Tg) dell’EVA è tipicamente compresa tra -25 °C e -30 °C, a seconda del contenuto di VA e della morfologia della rete, per cui l’influenza del contenuto di VA sulla Tg è relativamente bassa. Le analisi meccaniche dinamiche (DMA) mostrano inoltre due processi di rilassamento: un rilassamento profondo intorno a circa -90 °C, attribuito ai segmenti di PE amorfi, e un ulteriore rilassamento tra circa -50 °C e +30 °C con un massimo di attenuazione pronunciato tra -32 °C e -3 °C. [1]
Questi processi di rilassamento sono decisivi per il comportamento di smorzamento: nell’area del fattore di perdita massimo, l’EVA mostra un assorbimento di energia e uno smorzamento delle vibrazioni particolarmente elevati – un motivo fondamentale per il suo utilizzo nelle scarpe sportive, nelle imbottiture protettive e nelle applicazioni acustiche. Se i componenti vengono fatti funzionare specificamente nella finestra di temperatura del rilassamento principale, lo smorzamento può essere massimizzato senza dover passare a elastomeri separati. [5]
Stabilità termica e meccanismi di degradazione
Le indagini termogravimetriche Le indagini mostrano una degradazione termica a due stadi per l’EVA: in primo luogo, la deacetilazione dei segmenti VA avviene tra circa 300-410 °C, seguita dalla degradazione della catena della spina dorsale dell’etilene tra circa 420-510 °C.
Questo meccanismo spiega perché l’EVA può essere lavorato in modo sicuro a temperature di lavorazione moderate (in genere inferiori a 250 °C), ma tende a rilasciare acido acetico e a provocare un degrado strutturale quando viene esposto a uno stress termico eccessivo. [1]
La stabilità termica può essere notevolmente migliorata con stabilizzatori e reticolazione adeguati, il che ne consente l’uso in laminati fotovoltaici, isolamento di cavi e schiume tecniche a temperature elevate. Nelle applicazioni soggette a sollecitazioni termomeccaniche dinamiche, i gradi EVA reticolati garantiscono la stabilità del modulo e le proprietà di smorzamento in un intervallo di temperature esteso. [4]
Resistenza chimica, UV e meccanica
Dal punto di vista chimico, l’EVA mostra una buona resistenza all’acqua, a molti mezzi polari e alle soluzioni acquose; ci sono dei limiti quando si tratta di sostanze chimiche fortemente ossidanti o di alcuni solventi organici. Rispetto al PE puro PE l’adesione e la compatibilità con le cariche – un vantaggio importante per i composti, gli adesivi e i sistemi compositi. [4]
In caso di esposizione ai raggi UV, si verificano processi di invecchiamento come ingiallimento, fragilità e cambiamenti delle proprietà meccaniche, soprattutto in caso di esposizione prolungata. Questi effetti sono fortemente influenzati dal pacchetto di additivi: i gradi di EVA formulati con assorbitori UV e antiossidanti adeguati migliorano notevolmente la resistenza a lungo termine e sono quindi adatti ad applicazioni esterne come moduli fotovoltaici, suole esterne e guarnizioni. [3]
Dal punto di vista meccanico, l’EVA è caratterizzata da un’elevata resistenza agli urti, una buona resistenza alla lacerazione e un’eccellente resilienza, soprattutto in presenza di un contenuto medio-alto di VA e/o di reticolazione. La combinazione di una matrice morbida e di strutture reticolate consente di ottenere contemporaneamente smorzamento e stabilità dimensionale, un profilo di proprietà che altre termoplastiche di base spesso non coprono. [4]
Varianti EVA: Dal basso contenuto di VA alla fusione a caldo
La variabilità dell’EVA si basa su tre variabili di controllo centrali: Contenuto di VA, distribuzione del peso molecolare e grado di reticolazione. [4] I gradi tipici possono essere classificati grossolanamente in tre gruppi: L’EVA a basso contenuto di VA (circa 4-10%) si comporta più come il PE, è semicristallino e offre un buon compromesso tra resistenza e flessibilità. I contenuti medi di VA (circa 10-28%) forniscono materiali altamente flessibilizzati con una maggiore trasparenza e smorzamento, qualità tipiche di film e schiume. [2] Contenuti elevati di VA (≥ 30-40 %) danno vita a materiali quasi amorfi, simili alla gomma, con un ottimo assorbimento di energia e un’ottima adesione, spesso utilizzati nei sistemi adesivi. [5]
La reticolazione chimica, ad esempio con l’uso del perossido, crea reti di cEVA con una maggiore stabilità dimensionale termica, un modulo più elevato e una migliore durata a lungo termine: un principio di progettazione fondamentale per gli incapsulanti in EVA nei moduli fotovoltaici. Le miscele di EVA con poliolefine o biopolimeri come il PLA riducono la fragilità e aumentano in modo specifico la tenacità e lo smorzamento senza modificare in modo sostanziale il concetto di lavorazione.
Campi di applicazione tipici: Dove l'EVA mostra i suoi punti di forza
La combinazione di una struttura morbida e semicristallina, una bassa Tg, una reticolazione regolabile e una buona adesione rende l’EVA il materiale preferito per le applicazioni di smorzamento e flessibilità. [5]
Suole e solette per scarpe: Le schiume EVA offrono leggerezza, elevato assorbimento dell’energia e ammortizzazione a bassa fatica, soprattutto nelle scarpe sportive e nelle solette ortopediche. Gli articoli sportivi e per il tempo libero, come tappetini, protezioni e ausili per il nuoto, beneficiano della morbidezza al tatto, della piacevole comprimibilità e della robusta resilienza. Gli smorzatori di vibrazioni e oscillazioni di macchine, veicoli ed elettronica sfruttano l’ampia finestra di smorzamento dell’EVA e la possibile combinazione di stabilità termica e flessibilità. [5]
Gli incapsulanti fotovoltaici in EVA reticolata incapsulano le celle solari, proteggono dall’umidità, dalle sollecitazioni meccaniche e dai raggi UV e garantiscono un’elasticità definita dei moduli. [4] L’isolamento dei cavi sfrutta le proprietà di isolamento elettrico, la flessibilità alle basse temperature e la resistenza chimica dell’EVA. Gli adesivi a caldo a base di EVA combinano adesione, tenacità e sicurezza di lavorazione e sono ampiamente utilizzati nei settori dell’imballaggio, del legno e dell’edilizia. [5]
In molti di questi scenari, la bassa dipendenza dalla temperatura dello smorzamento, la bassa Tg e la reticolazione personalizzabile determinano la possibilità che i componenti continuino a funzionare in modo affidabile anche dopo milioni di cicli di carico – ed è qui che l’EVA mostra i suoi punti di forza rispetto a termoplastici o elastomeri più fragili e difficili da lavorare. [5]
Caratterizzazione strumentale dell'EVA
Per gli utenti del laboratorio che vogliono ottimizzare i tipi di EVA in modo specifico per quanto riguarda la flessibilità, lo smorzamento e la resistenza termica, sono essenziali analisi termiche complete. Con l’analisi termica simultanea (STA, TGA-DSC), i processi di fusione, la cristallinità, le transizioni vetrose e la decomposizione termica a due stadi (deacetilazione, degradazione della spina dorsale) possono essere determinati e correlati direttamente in un’unica sessione di misurazione. Inoltre, i sistemi DSC offrono un’analisi ad alta risoluzione del comportamento di fusione e cristallizzazione, delle Tg e delle entalpie, mentre la dilatometria e i metodi di misurazione termofisica supportano la progettazione dei componenti in EVA per quanto riguarda l’espansione termica e il trasferimento di calore. Su queste basi, ricercatori e ingegneri possono adattare con precisione le formulazioni di EVA alle loro esigenze applicative, in termini di flessibilità e smorzamento, nonché di stabilità a lungo termine e di processo.
Bibliografia
[1] Li, G. et al. (2019): “Proprietà termiche e meccaniche dei copolimeri di poli(etilene-co-vinilacetato) e dei loro analoghi reticolati”. Polymers. PMC6631310.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6631310/
[2] Gétenga, C. et al. (2019): “Evoluzione della viscoelasticità dei copolimeri etilene-vinilacetato”. Chemical Engineering Transactions, Vol. 74, pp. 183-188.
https://www.aidic.it/cet/19/74/183.pdf
[3] Jin, J. et al. (2010): “Comportamento all’invecchiamento UV di copolimeri di etilene-acetato di vinile (EVA) con diversi contenuti di acetato di vinile”. Degradazione e stabilità dei polimeri.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141391010000911
[4] Renner, K. et al. (2022): “Confronto delle cinetiche di reticolazione di incapsulanti EVA e POE trasparenti ai raggi UV”. Polymers. PMC9003555.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9003555/
[5] Sinocure Chemical (2024): “Applicazioni, vantaggi e strategie per prevenire l’invecchiamento e l’ingiallimento degli EVA reticolati”.
