materiali polimerici

Polimeri e materie plastiche

I polimeri e le materie plastiche possono essere distinti: il polimero, a tutti gli effetti, è ciò che viene prodotto con una reazione di sintesi, ovvero viene sintetizzata una catena. In realtà, tutti gli oggetti con cui veniamo in contatto sono solo parzialmente costituiti da queste catene. Tuttavia, per poter essere commercializzati, i polimeri vengono additivati con un numero elevato di altre molecole a basso peso molecolare.

Queste altre molecole hanno funzioni anche molto diverse: alcune sono antiossidanti (destinate a prolungare la vita in servizio dei materiali), altre sono ritardanti di fiamma (nel caso sia necessario avere una resistenza all’azione del fuoco), coloranti; se il polimero è isolante, ci possono essere additivi antistatici, possono essere aggiunti plastificanti, ecc. La catena e la materia plastica sono diverse: quest’ultima è caricata con additivi.

Classificazioni

Fonti di origine

Abbiamo diversi tipi di classificazioni che possiamo eseguire sui polimeri. I polimeri possono essere, in generale, ricavati dal petrolio (polietilene, polipropilene, ecc.) ma l’attenzione rivolta all’impatto ambientale ha rinnovato l’interesse per materiali che non derivano dal petrolio ma da fonti rinnovabili. Si ha quindi un ritorno a quelli che erano i primi stadi dell’industria del materiale polimerico (come la cellulosa).

Quindi, l’attenzione è rivolta a trovare fonti rinnovabili, non sintetiche, che permettono di produrre materiali polimerici e quindi materiali che possono essere degradati nel momento in cui vengono dispersi nell’ambiente.

• Materiali che vengono prodotti a partire dal petrolio e che risultano non biodegradabili
• Polimeri che non derivano dal petrolio ma da fonti rinnovabili, che sono completamente biodegradabili nel momento in cui sono dispersi nell’ambiente

Tipologie di biopolimeri

Affiancata a questa prima classificazione, abbiamo altre due situazioni:

• I biopolimeri che hanno strutture esattamente analoghe a quelle dei polimeri convenzionali (come il polietilentereftalato). Possiamo produrli a partire da biomateriali, definiti come biobased. Sono polimeri che provengono da fonti rinnovabili ma che hanno la stessa forma dei polimeri prodotti dal petrolio. Lo svantaggio è che, fin tanto che l’economia è basata sul petrolio, le sostanze chimiche di partenza sono molto reperibili e a basso costo. Quindi attualmente questi non hanno un interesse elevato dal punto di vista commerciale, in quanto produciamo un polimero non biodegradabile e lo facciamo con un reattore chimico. L’unica cosa che cambia è il passaggio della distillazione del petrolio.
• Altri polimeri vengono prodotti da molecole che otteniamo dal petrolio, ma la loro struttura può essere biodegradata dal momento in cui questi vengono dispersi in ambiente (importanza legata ai tempi di degradazione e condizioni in cui questa avviene).

Attualmente, il materiale che appartiene al quadrante virtuoso in termini di impatto ambientale è il PLA: non è ottenuto da scarti ma viene ottenuto da un prodotto rinnovabile che attualmente non è ritenuto uno scarto. Inoltre, questo degrada solo in suolo e non in acqua di mare. Quindi è solo parzialmente biodegradabile.

Poliidrossialcanoati: prodotti dai batteri, quindi non abbiamo una reazione di sintesi, è necessario però un impianto. Questi batteri potrebbero degradare anche scarti. Gli svantaggi sono il costo economico elevato e il fatto che non siamo riusciti a produrre un polimero con elevato peso molecolare.

Nomenclatura

(La nomenclatura IUPAC non è utilizzata per la sua complessità) Viene usata una nomenclatura veloce in cui una sigla caratterizza più o meno dettagliatamente la struttura del polimero. A volte la correlazione non è diretta, quindi le cose diventano complicate.

Anche un’altra nomenclatura è utilizzata: nomi commerciali. Alcuni sono diventati diffusi. Esempio: teflon; plexiglas, ecc. Però il nome assegnato dalla casa produttrice ha assunto un valore universale. Il problema si presenta nel momento in cui un polimero viene chiamato in modo diverso a seconda delle case produttrici che lo forniscono. Esempio del PET.

Altre classificazioni

PLA: struttura da sapere. È un poliestere non aromatico.

• Commodities: più diffusi e a basso costo
• Tecnopolimeri: PET, PBT; hanno caratteristiche meccaniche elevate; sono diffusi ma non quanto quelli che appartengono alle commodities. Il costo è maggiore (circa di un fattore 10)
• Con volume di produzione ancora più limitati: sono polimeri per usi speciali, utilizzati come matrici termoplastiche (automotive o settore aerospaziale), PEEK e POM. Questi costano circa 100 volte una commodity

Classificazione chimica

• Poliolefine: non hanno gruppi funzionali
• Poliestere: se c’è un gruppo estere (il PLA è un poliestere come lo è anche il polietilentereftalato)
• Poiliammidi: ogni volta che incontriamo un gruppo funzionale ammidico. Vedremo che nei poliesteri potrà essere posto anche una tipologia di materiale termoindurente

Classificazione in base a proprietà

Abbiamo i polimeri termoplastici (qui consideriamo sia le catene perfettamente lineari che quelle ramificate). All’interno delle catene ramificate, dobbiamo effettuare un’ulteriore suddivisione: con ramificazioni corte che si susseguono nella catena in modo ordinato; con ramificazioni lunghe che si susseguono in modo random. Queste due strutture hanno comportamenti diversi: per esempio cristallizzazione.

In generale, i termoplastici partendo da una bassa temperatura (T) e riscaldando il materiale, questa raggiunge una temperatura T* per la quale il materiale può essere di nuovo lavorato, quindi può cambiare la sua forma (a seguito di una sollecitazione di relativa intensità). Quindi il termoplastico può essere riciclato non tante volte: ma 2/3 volte; alla fine del riciclo però il polimero ha pessime caratteristiche.

L’altra famiglia è quella dei materiali termoindurenti (immagine a fianco). In questo caso, il materiale si decompone se continuo a scaldare, non arrivo quindi a T*. La densità delle reticolazioni dipende dal numero di reticolazioni. (Dipende dal quantitativo di molecole di divinilbenzene che ho inserito.) Quindi all’interno di questa famiglia ho caratteristiche diverse per i polimeri a seconda della densità delle reticolazioni. L’oggetto composto da materiale termoindurente non è riciclabile, una volta che ho una forma non posso più cambiarla.

Un esempio di termoindurenti sono le resine epossidiche. La resina epossidica si distingue per la presenza di un anello a tre atomi con un atomo di ossigeno che si può aprire e ne derivano due legami sigma. La densità di reticolazioni che posso ottenere con questa molecola è bassa. Mentre invece da questa resina epossidica ottengo una densità di reticolazione alta.

Polimeri amorfi e cristallini

Altra classificazione che viene fatta è tra polimeri amorfi e cristallini (non al 100%):

• Tutti i termoindurenti sono amorfi. Quindi questa distinzione ha interesse nei termoplastici.
• Sono completamente amorfi PVC, PS, PMMA
• Semicristallini PE, PET, PBT, PP, poliammini, Nylon

Il termoplastico è un materiale che, riscaldato a una certa T*, acquista la possibilità di essere riplasmato. Se il materiale è amorfo, questa T* coincide con la temperatura di transizione vetrosa (Tg). Al di sopra di questa temperatura, il materiale è deformabile. Più aumento la temperatura e più facilmente lo riesco a deformare.

Se il materiale è semicristallino, partendo da bassa temperatura, prima incontro una temperatura di transizione vetrosa (in quanto ho una frazione di materiale amorfa) ma tutto ciò che è cristallino non è influenzato da Tg. Posso prolungare il riscaldamento e quindi la T* = Tfus. C’è quindi una notevole differenza indotta dalla presenza di una fase cristallina. Facendo riferimento a entrambi i grafici, solo superato un certo peso molecolare possiamo parlare di un polimero. Le considerazioni le facciamo allora da questo punto in poi.