Appunti completi modulo Materie plastiche di Materiali per il design

Materie plastiche

Cenni storici

Con l’avvento della Rivoluzione Industriale, a inizio XIX secolo, le tecniche di produzione migliorarono e le invenzioni aumentarono; l’andamento del progresso fu esponenziale, ogni invenzione aprì molte strade per nuove altre, anche nei più diversi ambiti.

Il primo materiale plastico fu prodotto nel 1839, quando Charles Goodyear scoprì che si sarebbe ottenuta una gomma elastica e resistente, poi denominata gomma vulcanizzata, aggiungendo dello zolfo al lattice ricavato dagli alberi da gomma e scaldandoli insieme.

Nel 1930, invece, venne sintetizzato il polistirene (PS), la cui denominazione commerciale è polistirolo, materiale usato nei più svariati ambiti ancora oggi. Pochi anni dopo, iniziò il processo che portò alla sintesi del polietilene (PE) e del polimetil-metacrilato (PMMA), commercializzato poi sotto il nome di Perspex (1935-1939). La poliammide (PA) e il politetrafluoroetilene (PTFE), commercializzati come Nylon e Teflon dalla DuPont negli Stati Uniti, furono sintetizzati dalla stessa nel 1941. Nel 1954 ci fu l’ultima grande scoperta scientifica nel campo dei polimeri da parte dell’italiano Giulio Natta: la polimerizzazione stereospecifica e la sintesi del polipropilene isotattico (PP) che gli permisero di ricevere il Premio Nobel per la Chimica nel 1963 insieme al socio Karl Ziegler e di essere quindi l’unico italiano a vincere il Premio in questo settore.

Consumi e utilizzi

I materiali plastici si distinguono in due diverse macrocategorie: termoplastici (TP) e termoindurenti (T-IND). I materiali termoplastici sono materiali che, sfruttando il passaggio solido-liquido-solido, possono essere utilizzati e riutilizzati in varie maniere e costituiscono circa il 90% delle materie plastiche consumate ogni anno in Italia. I materiali termoindurenti, invece, non riescono a cambiare stato, quando vengono scaldati si degradano e sono utilizzati per creare materiali compositi.

In Italia vengono consumati ogni anno all’incirca 7.000.000 di tonnellate di materiali plastici, dei quali il 90% sono materiali polimerici termoplastici. Per rendere un’idea della quantità, tutta la plastica usata in Italia in un anno sarebbe in grado di riempire totalmente un edificio alto 7 metri, lungo e largo 1 km. I settori applicativi delle materie plastiche in Italia sono i più vari.

Vantaggi dei materiali polimerici

I materiali polimerici hanno il vantaggio di essere leggeri. A pari volume, un oggetto polimerico è molto più leggero di un materiale metallico o di un materiale ceramico, grazie alla bassa densità degli atomi che lo costituiscono. Per 1 m³ di materiale l’acciaio pesa 7,8 tonnellate, l’alluminio 2,8 tonnellate, il vetro 2,6, mentre un polimero 1 tonnellata.

Inoltre i polimeri sono efficaci isolanti termici ed elettrici, quindi hanno bassa conducibilità termica ed elettrica: le grandezze che definiscono la capacità o meno di condurre il calore o l’elettricità. In chimica, l'inerzia è la qualità di alcune sostanze chimiche che non reagiscono chimicamente alla presenza di elementi di altre specie chimiche; i polimerici sono materiali inerti a livello chimico, ma anche ambientale, due proprietà che rendono queste materie così ingegnose.

Un polimero sa sopportare le deformazioni molto meglio dell’acciaio perché è 100 volte meno rigido della lega ferrosa, inoltre è 4 volte meno resistente dell’acciaio dolce e 10 volte meno resistente dell’acciaio temperato. A parità di geometria dell’oggetto, bisogna applicare un peso di 15 kg per i polimeri e un peso di 1000 kg per l’acciaio per avere la stessa flessione.

Processi di ottenimento

Per ottenere i materiali polimerici esistono diversi processi:

• Stampaggio per iniezione, in cui del materiale viene scaldato e reso liquido in un mescolatore, viene spinto da un pistone in uno stampo metallico, dove prende forma, e una volta raffreddato ottiene la forma voluta e quindi l’oggetto;
• Estrusione, in cui del materiale viene scaldato e reso liquido in un mescolatore, viene spinto da un pistone verso una piastra con una feritoia dove è costretto a passare prendendo forma per la pressione, viene tagliato in base alla lunghezza richiesta e così si ottiene l’oggetto;
• Termoformatura, in cui del materiale estruso (in alcuni casi anche lastre molto grandi) viene posizionato sopra stampi mentre viene scaldato, fino a farlo diventare malleabile e a farlo adagiare sullo stampo, una volta raffreddato il materiale si ottiene l’oggetto voluto. Il materiale può anche essere risucchiato verso il basso, come sottovuoto, per forzare il processo di adattamento sullo stampo e ottenere lo stesso risultato;
• Soffiaggio, in cui l’oggetto richiesto si ottiene partendo da un oggetto polimerico preformato ottenuto tramite un altro processo, simile a una provetta, il quale viene scaldato e allargato fino ad adattarsi allo stampo in cui viene inserito; una volta raffreddato si ottiene l’oggetto finale voluto;
• Stampaggio rotazionale, in cui il materiale ancora solido viene inserito nello stampo dove viene scaldato e reso una mescola viscosa che aderisce su tutta la superficie dello stampo, il quale finisce di ruotare quando si è ottenuto l’oggetto raffreddato.

Struttura dei polimeri

Un polimero visto attraverso un microscopio ottico rivela di essere costituito da delle specie di fili, visto attraverso un microscopio elettronico, rivela di essere costituito da tanti atomi legati tra di loro lungo una catena. Questi atomi sono di natura prevalentemente organica (C, H, O, N, Cl, F, Si). I polimeri sintetici sono polimeri ottenuti per sintesi chimica.

Una molecola è composta da unità elementari, i monomeri, uniti attraverso reazioni diventano catene di monomeri: polimeri (etilene - polietilene (PE), propilene - polipropilene (PP)). Nella formazione dei polimeri, il legame tra C diventa singolo ma il carbonio deve avere 4 legami quindi si lega con il monomero dopo, anch’esso contenente C bisognoso di fare 4 legami e così via formando da 1.000 a 10.000 unità a seconda del materiale (per essere materiale polimerico deve avere almeno 1.000 unità).

I monomeri nei polimeri possono essere tutti uguali se l’unità che si ripete è sempre la stessa: omopolimeri; o vari, se le unità che compongono il polimero sono differenti: copolimeri. Le unità ripetitive possono essere anche molto complesse (polietilentereftalato (PET), poliammide (PA)).

Riciclaggio e riconoscimento dei polimeri

Un materiale polimerico differisce da un altro materiale polimerico a causa della sua struttura chimica. Nel riciclaggio dei materiali si evita di mescolare diversi polimeri insieme, per separare le diverse tipologie di materie plastiche nella fase di riciclo, si usava separarle manualmente riconoscendo le categorie di appartenenza. Per agevolare il riconoscimento sono stati usati dei numeri fissi attribuiti a ogni diversa tipologia:

• 1. PET (polietilentereftalato)
• 2. HDPE (polietilene ad alta densità)
• 3. PVC (polivinilcloruro)
• 4. LDPE (polietilene a bassa densità)
• 5. PP (polipropilene)
• 6. PS (polistirene)
• 7. Altri (inclusi i multistrato, materie plastiche realizzate con diverse qualità di polimeri, perché alcuni materiali sono fabbricati unendo polimeri diversi per svolgere funzioni che singoli materiali polimerici non riuscirebbero a svolgere).

Ora non si controllano più manualmente, ma il lavoro è affidato a uno scanner infrarosso che riconosce in pochissimo tempo la qualità del polimero e indirizza automaticamente il materiale nel suo apposito spazio.

Caratteristiche delle catene polimeriche

Le molecole dei polimeri sono considerate filiformi perché la loro lunghezza è molto maggiore rispetto alle loro dimensioni trasversali. Per essere un polimero la catena deve essere abbastanza lunga, deve disporre di almeno 1.000 unità. Le molecole dei polimeri sono macromolecole, molecole con tanti atomi, con un peso e delle dimensioni elevati. Un monomero presenta 2 legami C-C, uno intero e l’altro formato da due legami a metà, uno con il monomero che segue e uno con il monomero che precede.

A livello teorico, non tenendo conto dell’angolazione di 109,5° tra un C e un altro C e la loro disposizione a zig-zag, un polimero con 10.000 unità monomeriche, quindi 20.000 legami C (legame C è lungo 0,154 nm) è lungo 3000 nm o 0,003 mm (20.000 • 0,154 nm) (la vera catena è più piccola, per l’angolo tra i due C che la accorcia).

Il diametro della catena è legato alla dimensione dell’atomo di carbonio, il cui diametro è approssimabile a 0,5 nm. La catena presa in considerazione è lunga 3000 nm che diviso il diametro di 0,5 nm dà 6000, quindi la catena è lunga 6000 volte il suo diametro: si può considerare come un sottile filo. La catena polimerica non è rigida, c’è possibilità di rotazione tra un legame e l’altro, quindi non ha la forma di un filo posto a zig-zag, ma il filo assume la forma di un groviglio, chiamato gomitolo statistico.

Per indicare la lunghezza di una catena polimerica si può specificare la quantità di unità monomeriche che la compongono (n), oppure, a livello industriale, si specifica la massa molecolare M (grandezza legata al peso della catena). A parità di polimero si può scegliere quello con massa molecolare più alta o più bassa in base all’oggetto che si deve produrre. Nell’estrusione o nello stampaggio a iniezione si usano polimeri con masse molecolari diverse: la viscosità di un fluido polimerico con alta massa molecolare (quindi con un grande groviglio allo stato solido) sarà alta; la viscosità dipende dalla massa molecolare. Nell’estrusione servirà un materiale più viscoso per facilitare il passaggio nella feritoia, mentre nello stampaggio a iniezione servirà un materiale meno viscoso per far aderire il fluido adeguatamente sulle pareti dello stampo.

Nello stato solido, un polimero è l’unione di più catene polimeriche in uno stesso volume perché ogni catena può lasciare libero dello spazio che può essere occupato da altre catene. Se le catene si dispongono in modo disordinato si tratta di un polimero con struttura amorfa, se le catene si ripiegano ordinatamente e il volume restante è occupato da materiale polimerico amorfo, quindi disordinato, si tratta di un polimero con struttura semicristallina.