La gomma

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Mappa concettuale e indice

02_Introduzione

Chimica

03_Brevi cenni storici

03_Polimeri

04_Polimerizzazione

05_Processo lavorazione industriale

06_Ciclo di vita pneumatico

Fisica e laboratorio fisico

07_Attrito: definizioni e esempi

10_Cenni generali

11_Prova sperimentale

Scienze

13_Il problema dello smaltimento rifiuti

13_Lo smaltimento dei pneumatici

15_Dai PFU al TDF e non solo

Inglese

20_The Second Industrial Revolution

20_The Victorian Age

22_Rubber and the Second Industrial Revolution

Filosofia

25_Il Positivismo

25_Auguste Comte

Storia

32_L’Italia dopo la II guerra mondiale

32_1950–1963: il miracolo italiano

36_La questione meridionale

37_La fine del miracolo italiano

Italiano

41_Primo Novecento in Italia

41_Il futurismo

47_Bibliografia

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Introduzione

Cosa sarebbe il mondo senza la gomma e le materie plastiche in generale? Difficile dirlo e, molto probabilmente, difficile anche vivere in un mondo così.

Partendo dalla mia esperienza, molto interessante ed entusiasmante, fatta durante le tre settimane di stage didattico presso la Pirelli-Labs, ho incentrato la trattazione sul tema della gomma e dei cambiamenti che la sua introduzione ha portato nella società e li ho esaminati da più punti di vista, non solo prettamente scientifici e tecnologici, ma anche culturali, nel senso più ampio del termine.

Comincio dalla Chimica e descrivo brevemente la gomma in generale, considerandone gli aspetti microscopici quali la conformazione e la struttura dei polimeri e il loro utilizzo. Mi soffermo pure sulle varie fasi del processo di lavorazione industriale dei pneumatici.

Per quanto riguarda la Fisica studio la forza che consente al pneumatico di svolgere la trasmissione del moto, ovvero l’attrito. Per il Laboratorio fisico mostro un grafico di termogravimetria, risultato di una prova da me personalmente effettuata presso la Pirelli-Labs per valutare i cambiamenti subiti da un frammento di gomma all’aumentare della temperatura.

Mi sono posto anche il problema di considerare quale sia la fine dei pneumatici usati vista l’enorme quantità che ogni anno ne viene prodotta e ho affrontato, per Scienze, il problema del riciclaggio di questo materiale scoprendo quanti e quali usi ne derivino. Riciclare, nella società attuale, è un imperativo categorico per ridurre e contenere, per quanto possibile, i danni già arrecati all’ambiente e per evitare l’aggravamento della situazione.

Considero, per Inglese, il contesto storico-fine ‘800 - durante il quale la gomma ha iniziato ad essere impiegata in maniera massiccia, soprattutto nei trasporti. Questo particolare periodo va sotto il nome di Seconda Rivoluzione Industriale, che tratto in lingua, caratterizzato da una parte da un grande sviluppo tecnico e da un evidente progresso e dall’altra dalle difficili condizioni di vita dei lavoratori, soprattutto donne e bambini. Affronto anche brevemente la storia dei grandi marchi aziendali di pneumatici nel mondo, raccontandone aneddoti o particolari poco conosciuti.

Il clima culturale della seconda metà del XIX è caratterizzato da un’incondizionata e, forse, anche ingenua fiducia nel progresso inarrestabile della scienza, come garanzia del progresso lineare della storia. In questo contesto di forte industrializzazione si diffonde il Positivismo. Per illustrarlo, in Filosofia, faccio riferimento ad un filosofo francese, Auguste Comte, il massimo esponente del Positivismo francese, prendendo spunto da un saggio su questo autore.

Infine considero due aspetti culturali rispetto ai quali la gomma e il conseguente sviluppo delle automobili sono stati fattori determinanti. In Letteratura Italiana approfondisco il movimento futurista, i cui seguaci esaltavano la velocità delle auto quasi alla follia e consideravano l’industrializzazione del mondo avvolta da un alone di magia. In Storia affronto il boom economico degli anni sessanta in Italia, il miracolo italiano, durante il quale gran parte delle famiglie inizia a possedere un’auto di proprietà e a spostarsi.

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Chimica

Brevi cenni storici

Prima di dare una descrizione delle caratteristiche microscopiche della gomma vorrei distinguere le caratteristiche della gomma naturale ed ella gomma sintetica.

La gomma venne scoperta intorno al 1600 in America Latina, ma solo nel 1700 venne importata in Europa prelevandola dalla pianta di caucciù. Fino ai primi anni del 1800 veniva impiegata solo per cancellare la matita.

Il primo che cominciò a pensare ad un uso pratico per la gomma fu il chimico scozzese Charles Macintosh che impiegò il caucciù per ottenere dei tessuti impermeabilizzati; che, però, presentavano l’inconveniente di essere fragili a basse temperature e appiccicosi alle alte.

La soluzione venne trovata dallo studioso americano Charles Goodyear che aggiunse poche percentuali di zolfo alla gomma e in questo modo riuscì a risolvere quei problemi descritti in precedenza. Da quel momento se ne intensificò lo sviluppo e si scoprì anche che, ad alte temperature e con percentuali maggiori di zolfo, si otteneva un composto duro e molto resistente.

A partire dai primi decenni del 1900 si cercò una soluzione per produrre autonomamente, senza importare da America latina o dal sud-est asiatico, la gomma. Partendo dall’acetilene - il gas col quale si facevano funzionare un tempo le lampade - che si ottiene facendo reagire l’acqua e il carburo di calcio, e attraverso una serie di composti intermedi molto complessi, si arrivò ad un prodotto simile al lattice che fu chiamato buna. Un altro procedimento impiegava come materia prima l’alcol, per arrivare a un prodotto quasi analogo alla buna, pur seguendo un processo completamente diverso di produzione. Oggi per la produzione di gomme viene impiegata una parte di composti naturali e una parte di polimeri sintetici.

Gli impieghi sono soprattutto per il settore dei trasporti, ma anche in settori quali l’edilizia, l’elettronica e per gli imballaggi.

Polimeri

Le gomme sintetiche oggi sono definite con precisione polimeri. Il termine deriva dal greco e significa molte parti. La gomma, infatti, è una macromolecola costituita da un gran numero di piccole molecole, detti monomeri, uguali o anche diverse unite a catena mediante la ripetizione dello stesso legame.

I polimeri si dividono per la forma in due classi:

• Amorfi = la disposizione delle catene nello spazio è casuale, priva di ordine tridimensionale.
• Semicristallini = oltre a zone amorfe vi sono zone in cui c’è un ordine nella disposizione delle catene. Queste particolari aree sono dette strutture planari “lamelle”.

I polimeri, a seconda delle loro caratteristiche, sono utilizzati per la preparazione di tre categorie fondamentali di materiali: materie plastiche, elastomeri, fibre tessili. Va precisato che un polimero raramente viene impiegato allo stato puro.

Nella pratica, per ottenere un materiale che abbia caratteristiche precise, è necessario preparare dei formulati, la cui composizione generale è la seguente:

• Polimero di base, o resina;
• Additivi: plastificanti, cariche, coloranti, lubrificanti, solventi e stabilizzanti.

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Materie plastiche

Le materie plastiche (la cui definizione tecnico-scientifica è quella di plastomeri, cioè polimeri plastici) sono materiali a base polimerica che possono essere lavorati nelle più svariate forme, di solito a caldo, per laminazione, stampaggio, pressione, trafilatura, estrusione ecc. Spesso vengono anche chiamate resine, distinguendo tra resine sintetiche e resine artificiali, a seconda che vengano preparate interamente in laboratorio a partire dai loro monomeri o che derivino dall’elaborazione di materie prime naturali, come la cellulosa (a rigore, il termine di “resine” dovrebbe essere riservato solo ai materiali allo stato grezzo o in polvere o ai prodotti usati in sospensione per pitture, vernici, adesivi ecc.).

Il sistema più usato per la lavorazione delle resine termoindurenti è quello per compressione mediante impiego di stampi. Per le resine termoplastiche si fa ricorso a speciali macchine, dette a iniezione, nelle quali le polveri di stampaggio, dosate, vengono riscaldate (e quindi rese fluide), iniettate nello stampo e raffreddate in modo da indurire il manufatto, che viene poi automaticamente estratto (operazione detta estrusione).

Elastomeri

Con il termine generale di elastomeri si indicano i polimeri, naturali o sintetici, che hanno la caratteristica di potersi allungare sotto sforzo (da 1 a 10 volte e più), con un rapido ritorno alle dimensioni primitive, una volta cessata la forza che ne ha provocato l’allungamento.

Sotto questa denominazione si comprendono la gomma naturale e le gomme sintetiche.

Elenchiamo le principali gomme sintetiche:

Butadiene-stirene: È la più importante delle gomme sintetiche, è copolimero del butadiene e dello stirene; fu preparata per la prima volta in Germania nel 1930. Si impiega soprattutto per pneumatici per autovetture. Tra i numerosi suoi altri impieghi, ricordiamo la produzione di cinghie, tubi, suole e tappeti.

Poliisoprene: fu prodotta per la prima volta nel 1935 negli USA mediante polimerizzazione dell’isoprene. Riproduce quasi perfettamente la struttura della gomma naturale e si impiega in sostituzione di questa.

Polibutadiene: polimero del butadiene, ha proprietà meccaniche di poco inferiori a quelle della gomma naturale. È la prima gomma sintetica che ha potuto essere utilizzata per la fabbricazione di pneumatici per autocarri. Italiana nel 1956 in seguito agli studi di

Copolimeri etilene-propilene: prodotti per la prima volta in Italia nel 1956 in seguito agli studi di Giulio Natta. Si utilizzano per articoli tecnici dove è richiesta resistenza agli agenti ossidanti e atmosferici (nastri trasportatori a caldo, guarnizioni per cavi elettrici e tubi).

Gomma butile: copolimero dell’isobutilene con piccole quantità di isoprene. Possiede un’eccezionale resistenza all’invecchiamento ed è impermeabile ai gas. Per questo è impiegata nella fabbricazione di tutte le camere d’aria dei pneumatici.

Fibre tessili

Sono materiali costituiti da catene polimeriche, attraverso opportune operazioni, possono essere trasformati in fili continui, sottili, tenaci e atti a essere tessuti. Sono suddivise in fibre naturali che provengono dal regno vegetale e animale e in fibre chimiche, queste ultime comprendono le fibre artificiali (ottenute, come il raion, partendo da prodotti naturali e artificiali) e fibre sintetiche che si ottengono a partire da varie classi di polimeri di sintesi. Le sintetiche sono molto tenaci, elastiche e resistenti, risentono poco dell’azione degli agenti atmosferici e non vengono intaccate dalle muffe e dalle tarme. Un inconveniente delle fibre sintetiche è quello di non assorbire l’umidità, il che le rende poco igieniche. Oltre che nel settore dell’abbigliamento, le fibre sintetiche sono largamente impiegate per usi tecnici (es. corde e funi).

Polimerizzazione

Alla base della costruzione di uno pneumatico, come detto, c’è appunto la polimerizzazione, ovvero la reazione che porta alla formazione di un polimero in seguito all’unione di molecole di monomeri. Si distinguono due tipi di reazioni di polimerizzazione: reazioni di poliaddizione e di policondensazione.

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Poliaddizione

In questa reazione numerose unità molecolari, costituite da piccole molecole di un monomero, generalmente insature per un doppio o triplo legame (alcheni o alchini), si addizionano formando una macromolecola senza che ne risultino prodotti secondari. La poliaddizione avviene mediante un meccanismo di reazione a catena. Se il monomero contiene un doppio legame C = C, nelle condizioni di reazione si ha la rottura del legame ʋ e formazione, a seconda dei casi, di radicali o di ioni (fase di inizio). Nel meccanismo radicalico, nella fase di inizio interviene di solito un iniziatore della polimerizzazione (per esempio un perossido organico) che produce radicali liberi R; questi ultimi si sommano a una molecola di monomero provocando la rottura del legame ʋ e la formazione di un nuovo radicale pronto a reagire con un’altra molecola di monomero. Nella fase di propagazione le catene crescono addizionando molecole di monomero. Nella fase di terminazione le catene subiscono reazioni di disattivazione, per esempio in seguito alla combinazione di due radicali.

Un esempio di polimerizzazione per addizione è quello che porta alla formazione di polietilene a partire dall’etilene. Il polietilene è un prodotto molto resistente e flessibile che ha numerose applicazioni; viene usato per pellicole per imballaggio e per contenitori. Polimerizzando per addizione il tetrafluoroetilene (F₂C = CF₂) si ottiene il politetrafluoroetilene, noto con il marchio Teflon. Il Teflon è un materiale in cui i legami C-F presentano una notevole resistenza agli attacchi chimici, non è infiammabile e viene usato come isolante elettrico e per rivestire utensili da cucina.

Altri polimeri che si ottengono per poliaddizione comprendono il cloruro di polivinile o polivinilcloruro, il polipropilene, il polistirene, il poliacrilonitrile e il polimetilmetacrilato.

Policondensazione

Una reazione di policondensazione è un processo di polimerizzazione nel quale la formazione del polimero procede per reazioni successive tra due diversi gruppi funzionali appartenenti a due monomeri. Questo meccanismo è seguito da monomeri che hanno nella propria molecola due o più gruppi funzionali capaci di reagire tra loro (-OH, -COOH, -NH₂). Nel corso di ogni reazione di condensazione si ha la formazione, accanto al prodotto principale, di una molecola di prodotto secondario (per esempio H₂O, NH₃).

Un esempio di reazione di condensazione è l’esterificazione, cioè la reazione tra acidi carbossilici e alcoli, che porta alla formazione di esteri, con eliminazione di H₂O come prodotto secondario. Per avere una policondensazione per esterificazione occorre partire da un acido dicarbossilico e da un polialcol (per esempio un glicol) come nel caso in cui si ottiene un poliestere (X e Y sono catene idrocarburiche). Una classica reazione di policondensazione è quella di formazione di un polimero molto noto, il nailon 6,6 realizzata dal chimico americano Carothers alla fine degli anni ‘20.

Carothers e i suoi collaboratori trovarono che, polimerizzando una miscela di acido adipico e 1,6-diamminoesano, si poteva produrre un polimero, il nailon appunto, che poteva essere trasformato in fili molto forti, simili a quelli della seta. In questa reazione di condensazione si ha eliminazione di acqua fra un gruppo carbossilico e un gruppo amminico.

Processo di lavorazione industriale del pneumatico

La produzione delle gomme è un procedimento assai complesso e lungo. La prima fase è la miscelazione durante la quale varie quantità di gomma naturale e sintetica vengono miscelate con nerofumo e altre piccole quantità di additivi chimici. Il nerofumo è un materiale composto da carbonio polverizzato derivato da alcuni idrocarburi. È principalmente utilizzato come rinforzante nelle mescole di gomma e come pigmento di inchiostri e vernici. Di seguito si ha la calandratura, durante tale fase una struttura di acciaio e corde in tessuto (scheletro della gomma) viene rivestita con una pellicola di gomma su entrambi i lati. Si ha poi l’estrusione durante la quale vengono realizzati il battistrada e i fianchi del pneumatico come pure le intagliature.

Successivamente la gomma subisce la vulcanizzazione per un tempo di 15’ in una pressa che fa anche assumere alla gomma il profilo finale. Vi è un’ultima fase, la rifinitura, durante la quale

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viene eliminata la gomma in eccesso dovuta alla vulcanizzazione. Infine ogni pneumatico è controllato elettronicamente per verificarne la qualità e l’uniformità.

Ciclo di vita della gomma

Osservando un generico oggetto di gomma in maniera microscopica, con un accurato ingrandimento, riusciamo a osservare la sua unità molecolare, la sua catena polimerica.

Questa catena è formata prevalentemente da atomi di Carbonio, Idrogeno e con possibile presenza di Ossigeno, Azoto e altri elementi chimici. La produzione di questi polimeri parte dal petrolio greggio, successivamente viene effettuata una prima raffinazione e da questa si ricava una frazione leggera di petrolio, che verrà poi manipolata per ottenere le molecole che costituiscono una catena polimerica. Avviene, infine, la sintesi, cioè la polimerizzazione che viene effettuata in opportuni impianti chimici. Ad essa segue la fase di stabilizzazione per rendere il polimero resistente alle avverse e diverse condizioni ambientali. Come ultima fase si ha l’aggiunta di alcuni additivi. Il materiale polimerico è così pronto alla vendita dopo essere sottoposto ad una trasformazione che lo sminuzza in polvere o in piccoli granuli. Al termine del suo ciclo di vita ci sarà la dismissione che potrebbe essere: smaltimento in discarica oppure l’incenerimento che consente di sfruttarlo come fonte di energia oppure il suo riciclo.

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Fisica

Attrito: definizioni ed esempi

Nell’ottica dell’argomento che sto trattando ho esaminato il fenomeno dell’attrito sia dal punto di vista generale che nel caso specifico dell’interazione tra pneumatico ed asfalto.

Per capire meglio l’attrito, che possiamo suddividere in statico, dinamico e volvente, è necessario considerare una vista microscopica delle superfici a contatto. Tutti i corpi, anche quelli che ci appaiono perfettamente lisci e levigati, presentano delle rugosità superficiali più o meno accentuate. Quando due corpi sono a contatto, quindi, esso avviene solo in corrispondenza dei picchi delle superfici irregolari portando alla formazione di micro-saldature la cui origine può essere ricondotta all’interazione elettromagnetica tra gli atomi dei corpi. Applicando ad un corpo una forza F in direzione parallela al piano di appoggio dello stesso (come riportato nell’immagine seguente), è possibile portare queste micro-saldature a rottura consentendo al corpo di scorrere sul piano di appoggio.

La forza di attrito si oppone al movimento tra i corpi, per questo è sempre diretta in verso opposto alla risultante delle forze agenti nel piano di appoggio. Possiamo quindi parlare di forza di attrito sia in assenza di moto relativo tra le superfici (Attrito statico) sia quando i corpi strisciano l’uno sull’altro (Attrito dinamico). Per queste caratteristiche l’attrito può essere ritenuto