Materiali polimerici - prof Marano (Modulo 2)

Riassunto per parziale del 21.11.2019

Cap. 12 - Struttura e proprietà dei materiali polimerici

1. Struttura dei materiali polimerici
2. Proprietà meccaniche
3. Proprietà ottiche

1) Struttura dei materiali polimerici

• Struttura molecolare

Le unità molecolari di un materiale polimerico descritte monomeri sono molecole costituite principalmente da atomi di carbonio (C) e idrogeno (H), con possibile presenza di ossigeno (O), fluoro (F) e cloro (Cl).

I monomeri formano molecole filamentose dalla struttura a catena, in cui gli atomi di carbonio sono collegati tra loro per mezzo di legami covalenti.

Il legame C-C-C coinvolge, essendo singolo, permette agli atomi una mobilità di 360°, pre-figurando stericamente la formazione di angoli di 109,5°.

Per questo motivo le molecole filamentose non sono rigide, ma solo approssimativamente sferiche.

Si parla di omopolimero quando le unità che compongono la catena sono identiche tra loro.

• AAAAA

Si parla di copolimero quando la catena ha origine da due o più monomeri.

• BAAABABB

La lunghezza delle catene si può esprimere per numero di monomeri e nome molecolare.

Per numero di monomeri:

Lunghezza di un legame covalente = 0,151 nm

In un monomero ce ne sono in totale 3 di legami (media = nu+no+nuo).

Lunghezza catena = 2 (0,151 nm) * nu = 300 nm

Ma abbiamo detto che le catene non sono dritte, ma approssimano.

Diametro granulato (d) = λ / 50 = 60 nm

Per massa molecolare: utile per calcolare l'entità di molecole polimeriche particolari.

architettura delle catene:

• LINEARI

• RAMIFICATE

• RETICOLATE

materiale TERMOPLASTICO

materiale TERMOPLASTICO

materiale NON TERMOPLASTICO

FASE AMORFA

FASE SEMICRISTALLINA

METODI DI LAVORAZIONE

• PETROLIO GREZZO

• MONOMERI

• POLIMERO

• RICICLO

• PRODOTTO

• POLIMERI COMMERCIALI

Cap. 13 - Polimeri Amorfi e Semicristallini: Proprietà ed Esempi

1. Polimeri amorfi
   • Polivinilcloruro (PVC)
   • Polistirene (PS)
   • Polimetilmetacrilato (PMMA)
   • Policarbonato (PC)
   • Elastomeri
2. Polimeri semicristallini
   • Polietilene (PE)
   • Polipropilene (PP)
   • Poliamidi (PA)
   • Poliossimetilene (POM)
   • PET e PBT
   • Politetrafluoroetilene (PTFE)
3. Miscele e copolimeri

1) Polimeri amorfi

Polimeri che allo stato solido presentano una struttura totalmente disordinata.

Si dividono in:

• Non Reticolati (Termoplastici)
  • Temperatura caratteristica: T_g

  • Transizione Vetrosa: temperatura al di sotto della quale il materiale è vetroso, e cioè caratterizzato da una limitata mobilità molecolare, e al di sopra della quale il materiale è gommoso, con possibilità di nuovi movimenti delle catene a lungo raggio.

    T_g + 100°C: temperatura al di sopra della quale il materiale viene definito fluido.

• Reticolati
  • Temperatura caratteristica: T_g

  • Transizione Vetrosa: temperatura al di sotto della quale il materiale è vetroso, e cioè caratterizzato da una limitata mobilità molecolare, e al di sopra della quale non si verifica da IR irreversibile deterioramento.

    Perché? Da temperature alle quale il polimero non reticolato diviene fluido (T_g + 100°C) dipende dalla massa molecolare (lunghezza delle catene). Dato che un polimero reticolato ha massa molecolare infinita, il polimero prende possibilità di movimenti del grado di reticolazione del polimero.

Crystallizzabilità

NON esiste un polimero che sia al 100% cristallino, ma tutti i polimeri hanno un livello minimo di cristallizzabilità, che dipende dalla REGOLARITÀ delle molecole.

2 tipi di REGOLARITÀ

REGOLARITÀ DI COSTITUZIONE

Def: presenti in un'unica catena gli atomi o i gruppi di atomi ripetono lungo la catena.

• Nei omopolimeri: equazione pienamente soddisfatta
  • Facilità di cristallizzazione

  A - A - A - A - A - A - A - A - A - A

• Nei copolimeri: difficoltà nel creare una disposizione regolare
• Nel copolimero CASUALE
  • Impossibilità di cristallizzazione

  A - B - A - A - B - A - B - A - B

• ... Nel copolimero A BLOCCHI
  • Possibilità di cristallizzazione (ne otteniamo)

  A - A - A - A - B - B - B

• Nel copolimero A INNESTO
  • Possibilità di cristallizzazione (ne otteniamo)

  A - A - A - A - A - A - A

  _{B B B B B}

*La cristallizzazione dipende anche dal GRADO DI RAMIFICAZIONE della catena

• Catena LINEARE => possibilità di cristallizzazione
• Catena POCO RAMIFICATA => limitata cristallizzazione
• Catena MOLTO RAMIFICATA => cristallizzazione impossibile

REGOLARITÀ DI CONFIGURAZIONE

La disposizione di atomi/gruppi atomici nello spazio delle ripetizioni lungo la catena.

3 tipi

• Polimero ISOTATTICO ex polipropilene (PP)
  • Facilità di cristallizzazione
• Polimero SINDIOTATTICO ex polipropilene (PP)
  • Facilità di cristallizzazione
• Polimero ATATTICO ex polipropilene (PP) atattico
  • Mancanza di ordine nella disposizione
  • Impossibilità di cristallizzazione

POLIMERI AMORFI

Temperatura massima di impiego PVC PS PMMA PC Tg-20 60°C 80°C 85°C 135°C Proprietà ottiche 1.53 1.59 1.49 1.58 Trasmitanza (%) 80 88 92 89 Torbidezza (%) <5 <3 <3 <3 Proprietà meccaniche 2.7 3.0 3.1 2.3 Tenacità tenace molto fragile fragile tenace Durabilità scarsa media ottima buona Sensibilità a solventi grassi alcoli benzine Sensibilità all'invecchiamento moderata moderata bassa alta Prezzo 1 1.25 2.80 3.30

POLIMERI SEMICRISTALLINI

Temperatura caratteristiche PE PP PA POM PET PBT PTFE Tg (°C) -100 -10 60 60 -70 80 30 -90 Tmax di impiego 110(-135)°C 165(-20)°C 220(-20)°C 220(-20)°C 175(-20)°C 265(-20)°C 220(-20)°C 330(-20)°C Modulo (GPa) 0.2 1.2 2.8 3.0 3.2 2.8 2.1 0.5 Resistenza (MPa) 25 35 45 60 72 55 55 10 Durabilità ottima ottima buona buona buona buona ottima Resistenza chimica ottima ottima moderata moderata scarsa buona - Sensibilità a raggi UV scarsa molto scarsa discreta scarsa buona - ottima Altro - - Assorbe acqua con diminuzione della T_g Può degradare termicamente alla CO₂. Usato per film, fibre e bottiglie Impermeabile Antiadere ruppo basso attrito. Difficoltà di trasformazione Prezzo 1 2 2.45 1.3 2.75 2.75 12.5