Polimeri - Definizioni e caratteristiche principali

Sono sostanze ad altissimo peso molecolare. Strutturalmente sono un insieme di piccole molecole chiamate “monomeri” che si ripetono lungo la catena polimerica; si hanno perciò queste definizioni:
monomero è una piccola molecola che si unisce per formare il polimero;
unità monomerica è la porzione del monomero che si trova nel polimero;
unità ripetente è la porzione di macromolecola che si ripete lungo la catena polimerica.

I polimeri producono industrialmente per sintesi, ma non mancano in natura polimeri naturali, come la cellulosa e le proteine, o ottenuti modificando polimeri naturali e in questo caso sono detti artificiali o semi sintetici.
Un esempio di polimero è il polietilene PE ottenuto per polimerizzazione dell’etilene.

Struttura dei polimeri
Il polimero si può distinguere in:
Omopolimero: è un polimero ottenuto da un solo monomero;
Copolimero: è un polimero composto da più monomeri;
I polimeri possono essere a struttura lineare oppure ramificata e in base alla ramificazione si avrà:
ramificazione casuale;
ramificazione a stella, che parte da un punto preciso e si espande.

Materie plastiche, fibre e elastomeri
Sono i principali materiali che si ottengono dai polimerie in particolare:
Fibre che hanno una buona resistenza, buona attitudine alla tinta, buona resistenza termica e meccanica, stabilità, resistenza alle muffe e una elevata filabilità, ovvero la capacità di delle fibre di dare filati;

Elastomeri sono materiali che si allungano se sottoposti a trazione, per poi ritornare alle condizioni iniziali quando cessa la sollecitazione.

Le materie plastiche, dette anche resine sintetiche, devono il loro nome alla facilità con cui gli si da la forma desiderata; si suddividono in:
termoplastiche se a seguito di riscaldamento, anche per un numero elevato di volte, riprendono le caratteristiche iniziali;
termoindurenti, se, a differenza delle prime, induriscono perdendo le proprietà iniziali.

CONFIGURAZIONE E CONFORMAZIONE

La “configurazione” rappresenta la disposizione spaziale degli atomi determinata dai legami chimici primari.

La “conformazione” rappresenta una delle disposizioni spaziali che può assumere la molecola per effetto della libera rotazione degli atomi attorno ai legami semplici. Le diverse configurazioni sono dovute ai diversi modi di disporsi dei monomeri. Il polimero si chiama:
isotattico se presenta struttura ripetitiva regolare es: CH2 = CH – R vinile può unirsi in modo regolare testa-testa, coda – coda, testa – coda;
sindiotattico se si ripete in modo alternato;
atattico se i monomeri si susseguono irregolarmente.

REAZIONI DI POLIMERIZZAZIONE

Possono avvenire:
con meccanismo a stadi Policondensazioni;
con reazione a catena (con apertura di doppi legami e formazione delle catene ) Poli addizioni.

Quest’ultima può essere:
Radicalica quando l’iniziatore di catena è un radicale formatosi da un perossido;
Cationica quando il portatore di catena è un carbocatione o un atomo con una parziale carica positiva;
Anionica quando l'iniziatore della catena è un atomo con una carica negativa.

TECNICHE DI POLIMERIZZAZIONE

Le reazioni di polimerizzazione si possono condurre in diversi modi, ma i problemi comuni e tutte sono l'esotermicità delle poliaddizioni e la viscosità.

Le tecniche principali di polimerizzazione sono:
Polimerizzazione in massa: avviene in assenza di solvente e si ha quando il polimero è solubile nel suo monomero. É utilizzata nelle policondensazioni.

Polimerizzazione in soluzione : viene condotta in presenza di un solvente che discioglie sia il monomero che il corrispondente polimero. Es: polivinilacetato in metanolo per dare alcol polivinilico. Il problema è la eliminazione del solvente nel caso si voglia ottenere un polimero privo di solvente.

Polimerizzazione in sospensione o in perle: si opera disperdendo il monomero in un liquido, di solito acqua, in cui è insolubile dove si formano delle mini perle di polimero. Si usa per la produzione del polivinil-cloruro, polistirene e copolimeri.

Polimerizzazione in emulsione: avviene in presenza di acqua, è simile alla precedente, ma in questo caso si utilizzano dei tensioattivi che sviluppano il polimero in particelle piccolissime, le micelle. Si utilizza per la produzione di elastomeri come le gomme.

Polimerizzazione interfacciale: nella condensazione i due monomeri sono disciolti in due solventi tra loro immiscibili e il polimero si forma all'interfaccia tra le due fasi e può essere miscibile in una delle fasi o immiscibile ed in questo caso precipita. Si usa per polimerizzare cloruri di acidi che reagiscono con ammine o glicoli, i policarbonati.

Polimerizzazione con precipitazione del polimero: la separazione del polimero è agevole perché precipita essendo immiscibile. Importante è il processo Spheripol per ottenere granuli sferici di polipropilene.

Polimerizzazione da monomeri gassosi: riguarda il polietilene. Si utilizza la tecnica a letto fluido con catalizzatori solidi su cui cresce il polimero.

ADDITIVI

In genere ai polimeri vengono aggiunti additivi per ottenere le caratteristiche e qualità tecnologiche volute. Essi sono:
cariche e rinforzanti: sono inerti e servono per abbassare il costo o migliorare le proprietà, sono: sabbia, silice, argilla, talco, gesso, allumina ecc.
plastificanti: diminuiscono la rigidità del manufatto: es: il PVC di per sé è rigido e fragile, addizionando plastificanti diventa soffice;
coloranti: servono a colorare il polimero;
ritardanti della combustione: bloccano l’ossigeno dell’aria. I polimeri alogenati sono auto estinguenti ma la pericolosità è rappresentata dai gas di combustione che sono tossici.
antiossidanti: rallentano i fenomeni di ossidazione delle catene responsabili dell’invecchiamento del polimero.

TECNOLOGIE DI LAVORAZIONE DEI MATERIALI POLIMERICI

Si differenziano e per la fase di formatura del manufatto ( es: se termoplastico o termo- indurente) e per il tipo, cioè se filato, film ecc.

Per le materie plastiche:
compressione: è adatta per le resine termoindurenti. Usa calore e pressione sulla resina posta nello stampo per farle prendere la forma voluta. Si lavora a 130-190°C e a P di 30-800 bar.
stampaggio ad iniezione: Si usa per le termoplastiche . La resina fusa è spinta a pressione nello stampo ( per mezzo della coclea). Si lavora a 200-300°C e a P di 500-2000 bar.
stampaggio ad iniezione con reazione: la polimerizzazione avviene nello stesso stampo, è utilizzata con monomeri che polimerizzano rapidamente anche a basse temperature. È utilizzata per resine poliuretaniche termoindurenti, per alcune resine epossidiche e per diversi tipi di nylon.
stampaggio a soffiaggio: è usata per produrre bottiglie o contenitori con resine termoplastiche. La forma è ottenuta insufflando aria che fa aderire il polimero alle pareti dello stampo (PVC, PET).
stampaggio rotazionale: il contatto con lo stampo avviene sfruttando la forza centrifuga dovuta alla rotazione che spinge il polimero alle pareti. È usata principalmente per tubi lunghi.
estrusione: la resina termoplastica viene spinta, fusa, contro una filiera che dà la forma voluta.

Per le fibre:
Filatura per fusione: si parte dal polimero fuso e si lavora; alla fine il filato viene raffreddato e fatto solidificare;
filatura a secco: parte da una soluzione concentrata dalla quale si fa evaporare il solvente all'uscita della filiera;
filatura ad umido: si parte sempre da una soluzione concentrata, ma alla fine della filiera il filato si passa in un bagno coagulante.

Per gli elastomeri:
Per fare acquistare al polimero un comportamento elastico, il polimero viene sottoposto a svariate lavorazioni:
mescolatura,
addizione delle cariche,
preparazione del manufatto all'aggiunta di vulcanizzanti, coadiuvanti, acceleranti, ecc.
formazione del manufatto per stampaggio o estrusione.