Chimica e tecnologia dei materiali - materiali polimerici

MATERIALI POLIMERICI

I polimeri sono sostanze composte da macromolecole, ovvero da molecole molto

grandi formate dalla ripetizione di un gruppo molecolare (unità ripetente). La catena

macromolecolare è formata da monomeri. Più monomeri formano un polimero,

attraverso la reazione di polimerizzazione.

Questa può avvenire in vari modi; ad esempio per addizione, come l’ etilene

(CH =CH ) che polimerizza per dare il polietilene, aprendo il doppio legame per

2 2

aggiungere altre due molecole di etilene e così via.

n(CH =CH )  [-CH -CH -] ; dove n diventa il grado di polimerizzazione (numero totale

2 2 2 2 n

di unità monometriche concatenate).

Quindi, le macromolecole hanno diverso grado di polimerizzazione, cioè diversa

lunghezza e, quindi, diverso peso molecolare. Nel polimero, però, vi sono

macromolecole che hanno diversi gradi di polimerizzazione e, quindi, peso molecolare

diverso. Per questo si fa riferimento a:

• Peso molecolare medio numerale (M ): esprime la media numerica; cioè M =

n n

∑ ∑

❑

N M N

i i i

/

i i

• Peso molecolare medio ponderale (M ): esprime la media pesata rispetto alla

w ∑

∑ ❑

2 N M

N M

i i i i

massa delle macromolecole presenti; cioè M = / dove N

w i

i

i

è il numero di macromolecole presenti che hanno massa M .

i

Il polimero prende il nome dal monomero da cui deriva, preceduto da termine poli.

Le unità ripetenti possono provenire da un solo monomero, si parla allora di

omopolimero, oppure da più monomeri, dando origine a copolimeri.

La solidificazione dei polimeri può portare a prodotti amorfi (struttura disordinata) o

cristallini (da una struttura disordinata, in un punto si ordinano).

POLIMERI TERMOPLASTICI ≅

POLIETILENE (PE): T 110 – 140 °C. In base alla densità il

 f

polietilene si distingue in: 1) Polietilene a bassa densità (LDPE), che è

fortemente ramificato ed ha una bassa percentuale di cristallinità.

Esso è utilizzato per imballaggi, pellicole, contenitori e come isolante

elettrico. 2) Polietilene ad alta densità (HDPE), che ha macromolecole

lineari ed è altamente cristallino. Tale cristallinità aumenta la densità e

le proprietà meccaniche. Viene utilizzato per tubazioni, per manufatti

che richiedono discreta resistenza. 3) Polietilene ad altissimo peso

molecolare (UHMWPE), che è lineare, con cristallinità maggiore del

45% e peso molecolare maggiore. Ha ottime resistenza meccanica e

stabilità chimica, ma è difficile da lavorare.

≅

POLIVINILCLORURO (PVC): T 200 °C. E’ amorfo, può essere

 f

rigido, semirigido o flessibile a seconda degli additivi plastificanti. Le

sue caratteristiche principali sono la tenacità e la resistenza chimica,

che aumentano all’ aumentare del grado di polimerizzazione ma, allo

stesso tempo diminuisce la lavorabilità. Alle temperature di

lavorazione può decomporsi e rilasciare acido cloridrico, per questo

motivo deve essere, anche, additivato con stabilizzanti. Il PVC rigido è

usato come isolante elettrico, per tubazioni, raccordi, valvole,

pavimenti, giocattoli. Il PVC flessibile è utilizzato per imballaggi,

contenitori, rivestimento di cavi elettrici.

≅

POLIPROPILENE (PP): T 160 – 170 °C. Può essere isotattico o

 f

atattico. Quello atattico è un polimero ceroso che viene usato solo

come additivo per bitumi o adesivi. Quello isotattico è un buon

isolante termico ed elettrico, ha buona stabilità ai solventi e ad acidi e

basi. È semicristallino. Può essere utilizzato, anche, per pellicole,

contenitori ed imballaggi. ≅

POLISTIRENE (PS): T 150 – 240 °C. Noto anche come

 f

polistirolo, è utilizzato sia come omopolimero che come copolimero.

Come omopolimero è rigido, duro, trasparente e fragile, un buon

isolante elettrico di basso costo. È utilizzato, anche, nella realizzazione

di mobili, parti di frigoriferi ed elettrodomestici, per accessori di auto,

lenti per ottica, siringhe e materiali monouso. Uno dei principali utilizzi

è come espanso; durante la produzione si fa inglobare un gas e, si

ottiene un polimero che, riscaldato, si rigonfia. Questo è utilizzato per

imballaggi e come isolante termico e acustico.

≅

POLIMETILMETACRILATO (PMMA): T 160 °C. Noto come

 f

plexiglas, si ottiene amorfo, trasparente e rigido. Ha una buona

stabilità chimica e resistenza all’ invecchiamento ma, soprattutto un’

ottima trasparenza associata alla stabilità ai raggi ultravioletti, che lo

rendono adatto per costruzione di vetri artificiali (fanaleria, occhiali

protettivi, vetrature di vario genere).

POLITETRAFLUOROETILENE (PTFE): Noto come teflon, è un

 esempio di polimero speciale. Ha prestazioni uniche di resistenza al

calore, isolamento elettrico e basso coefficiente di attrito. È un

polimero molto costoso perché non può essere lavorato con le

tecniche tradizionali; infatti, ha un peso molecolare elevato e non

diviene fluido ad elevate temperature.

≅

POLICARBONATO (PC): T 270 °C. E’ amorfo, trasparente,

 f

elevata tenacità, stabilità termica, buona lavorabilità, resistenza alle

radiazioni e bassa infiammabilità. Può essere espanso, insufflando

agenti fisici o chimici durante la lavorazione, aumentando, così, la

resistenza all’ urto. I principali impieghi sono per vetrature,

contenitori, accessori fotografici e ottici. ≅

POLIETILENTEREFTALATO (PET): T 110 – 140 °C. E’ il

 f

poliestere per eccellenza. Ha un’ ottima durezza superficiale, buona

resistenza chimica, trasparenza, lucentezza, resistenza all’ usura,

basso coefficiente di attrito. È cristallino, i suoi principali utilizzi sono

per ingranaggi, maniglie, serrature, bicchieri, bottiglie, contenitori.

≅

POLIAMMIDI (PA): T 250 °C. Sono polimeri che contengono il gruppo ammidico

 f

nella catena principale; quelle alifatiche sono dette nylon, quelle aromatiche aramidi. Sono

lineari e cristalline; all’ aumentare della cristallinità aumentano la resistenza a trazione, il

modulo elastico, la durezza, mentre diminuisce la resistenza all’ assorbimento di acqua e la

resistenza all’ impatto.

SILICONI: Polimeri la cui catena principale è formata da silicio. Ne esistono svariati tipi,

 che hanno in comune l’ idrorepellenza, stabilità all’ idrolisi, stabilità all’ ossidazione. Possono

essere utilizzati come lubrificanti. Sono resistenti al calore, hanno elevata durezza

superficiale e sono isolanti elettrici.

RICICLO DEI MATERIALI PLASTICI

Esistono due tipi di riciclo:

1) MECCANICO: consiste nel recuperare il polimero, separarlo, lavarlo, macinarlo e

riutilizzarlo. Può essere omogeneo o eterogeneo:

• RICICLO OMOGENEO: in cui si riesce a separare i polimeri di natura diversa. Le fasi

del riciclo omogeneo sono:

1. Selezione dei polimeri tramite: -flottazione, -galleggiamento, -metodi ottici, -campi

elettromagnetici

2. Triturazione (in frammenti grossolani)

3. Lavaggio

4. Macinazione (in frammenti piccoli)

5. Essiccamento

6. Stoccaggio

7. Granulazione (i frammenti piccoli diventano ancora più piccoli; pellet)

• RICICLO ETEROGENEO: in cui si raccolgono i polimeri di natura diversa, per ottenere

il filler. Le fasi del riciclo eterogeneo sono:

1. Separazione (eliminazione impurità)

2. Triturazione

3. Densificazione (cilindretti con materiale misto compattato)

4. Estrusione (fase opzionale; fusione ad alta temperatura con ottenimento di un

materiale in granuli)

2) CHIMICO: consiste nello scomporre il polimero nei monomeri di partenza,

riutilizzandoli. Per esempio dal polietilene si ottiene l’ etilene. I trattamenti chimici più

importanti sono:

• PIROLISI: è un trattamento termico effettuato in assenza di ossigeno; può avvenire a

bassa temperatura (450 - 550 °C) o ad alta temperatura (650 – 850 °C). Le

macromolecole si scompongono in radicali. Si ottiene un prodotto liquido (TAR,