Scienza e tecnologia dei materiali - polimeri

Materiali polimerici

Il termine polimero è una parola composta che deriva dal greco ‘poli’ (molti) e ‘meros’ (unità o parte) ed è usata per designare una sostanza costituita da grosse molecole ottenute dall’unione in catena di molte piccole molecole di una o più specie. Dunque, molti materiali polimerici sono costituiti da lunghe catene molecolari o reti che sono generalmente costituite a partire da composti organici (precursori contenenti carbonio).

Strutturalmente, la maggior parte dei materiali polimerici non è cristallina, ma alcuni sono formati da una miscela di regioni cristalline e altre non cristalline. La resistenza meccanica e la duttilità dei materiali polimerici è molto variabile. La maggior parte dei materiali polimerici ha una bassa conducibilità elettrica. Alcuni di questi materiali sono buoni isolanti e vengono utilizzati per applicazioni di isolamento elettrico.

Le miscele polimero-polimero sono chiamate leghe o blend. Poiché le miscele sono prodotte partendo da materiali polimerici esistenti con proprietà ben conosciute, il loro sviluppo risulta meno costoso e più affidabile che sintetizzare un nuovo unico materiale polimerico per una specifica applicazione.

Tipi di polimeri

Polimeri naturali e sintetici

Operiamo una prima distinzione tra polimeri naturali e polimeri sintetici. Esempi dei polimeri esistenti in natura sono la gomma naturale, la cellulosa, le sostanze proteiche, alcune resine naturali come l’ambra. Con l’avvento dei polimeri sintetici viene anche introdotta la parola ‘plastica’, derivante dal greco ‘plastikos’, che significa atto a prendere forma.

Polimeri sintetici

Oggi il termine sta ad indicare un materiale sintetico ad alto peso molecolare costituito da carbonio e idrogeno, ed eventualmente da ossigeno, azoto ed altri elementi, che si presenta liquido e capace di assumere la forma voluta durante una fase di produzione. Un polimero è una lunga catena molecolare costituita essenzialmente da molte unità molecolari ricorrenti, dette monomeri, unite tra di loro per addizione sequenziale di molecole semplici.

Struttura del polimero

Molte molecole del monomero A, (es. da mille a un milione) possono legarsi l’una all’altra formando un’unica molecola polimera gigante. N molecole di A …-A-A-A-… = -(A)- N

La singola unità che si ripete nella catena polimerica si chiama unità monometrica o “mero”. Il mero del polietilene, ad esempio, è –[CH₂-CH₂]-.

L’n dell’equazione rappresenta il grado di polimerizzazione (DP) della catena polimerica ed è uguale al numero delle singole unità monometriche, o meri, nella catena molecolare del polimero.

Tipi di polimeri

Gli omopolimeri sono materiali polimerici costituiti da catene polimeriche formate da singole unità ripetitive. Ad esempio, se A è l’unità che si ripete, una catena omopolimerica avrà una sequenza del tipo AAAAAAA…

I copolimeri sono materiali polimerici costituiti da catene polimeriche formate da due o più unità chimicamente differenti, che si alternano in vari modi. Distinguiamo tra copolimeri:

• Casuali (o statistici o a random). Monomeri differenti sono inseriti a caso nelle catene polimeriche.
• Alternati. Monomeri diversi sono ordinatamente inseriti in ordine alternato. Se per esempio abbiamo due differenti monomeri A e B, essi daranno luogo alla struttura alternata ABABABAB…
• A blocchi. Monomeri diversi sono disposti nella catena in sequenze (blocchi) relativamente lunghe di ogni monomero. Avendo due monomeri A e B: AAA-BBB-AAA-…
• A innesto. Appendici costituite da un tipo di monomero sono inserite nella lunga catena di un altro tipo di monomero. Avendo due monomeri A e B:

In chimica, un precursore è una sostanza che attraverso una reazione chimica diventa parte integrante di una nuova molecola.

Un polimero può avere una struttura:

• Lineare
• Ramificata
• Reticolata

Proprietà dei polimeri

Le proprietà macroscopiche dei polimeri sono fortemente influenzate dalla classe di appartenenza. I polimeri lineari sono di regola solubili in qualche solvente e rammolliscono per riscaldamento fino a diventare liquidi. I polimeri reticolati sono sempre insolubili e infusibili.

Un oggetto composto da un polimero termoindurente è, di fatto, costituito da un’unica enorme molecola perché tutte le unità presenti sono collegate tra di loro. Ne consegue che, per scorrere gli uni sugli altri, o per passare in soluzione, i segmenti a catena dovrebbero rompere i legami chimici che li uniscono.

I materiali polimerici sono costituiti da un insieme di catene polimeriche, con la stessa struttura ma ciascuna di lunghezza differente. Dunque i polimeri non hanno peso molecolare definito, ma variabile in rapporto alle lunghezze delle catene polimeriche che li costituiscono. Per un polimero non si può parlare di un singolo peso molecolare ma di una distribuzione dei pesi molecolari. È allora possibile un approccio statistico che permette di individuare un peso molecolare medio, e di descrivere la distribuzione dei pesi molecolari intorno ad una media.

La media numerica tiene conto del numero di particelle di cui è costituito un polimero.

Σ ∙ è il peso molecolare della singola catena polimerica di data lunghezza. = numero di moli per la catena polimerica considerata. Σ

La media ponderale tiene conto del peso delle macromolecole che formano il polimero.

Σ ∙ è il peso molecolare della singola catena polimerica di data lunghezza. = = è la massa per la catena polimerica considerata. Σ

Composizione e conformazione

Per composizione di una macromolecola si intendono la natura e la quantità degli elementi chimici che la compongono. Per conformazioni di una macromolecola si intendono le disposizioni nello spazio che possono essere assunte dalle catene per semplice rotazione intorno ai legami chimici.

Per configurazioni di una macromolecola si intendono quegli arrangiamenti della catena tali per cui è possibile passare dagli uni agli altri per rottura (e ricostituzione) di uno o più legami chimici. La configurazione di una macromolecola determina alcune caratteristiche del polimero.

Stereoisomeri

Gli stereoisomeri sono composti molecolari aventi la stessa composizione chimica, ma diversa disposizione strutturale. Alcuni termoplastici come il propilene possono esistere in tre diverse forme stereoisomeriche:

• Stereoisomero atattico. Il gruppo metilico laterale del polipropilene è disposto casualmente su entrambi i lati della catena principale.
• Stereoisomero isotattico. Il gruppo metilico laterale si trova sempre dallo stesso lato della catena principale di atomi di carbonio.
• Stereoisomero sindiotattico. Il gruppo metilico laterale è disposto in modo regolarmente alternato da un lato e dall’altro della catena principale.

Funzionalità e gruppi funzionali

La funzionalità di un monomero è il numero medio di legami che una molecola di monomero può formare con altre molecole di monomero (dello stesso tipo o di tipo differente). La funzionalità di una certa molecola può essere diversa in diverse condizioni di reazione e, per le stesse condizioni di reazione, non tutte le stesse molecole di monomero hanno necessariamente lo stesso valore di funzionalità. Per questo è preferibile parlare di valore medio di funzionalità.

In chimica organica è detto gruppo funzionale una parte della struttura di una molecola caratterizzata da specifici elementi e da una struttura ben precisa, che conferisce al composto una reattività tipica e simile a quella di altri composti contenenti lo stesso gruppo. Più sinteticamente, per gruppo funzionale si intende quel gruppo chimico che determina le proprietà chimico-fisiche e la reattività di un composto.

I composti che contengono lo stesso gruppo funzionale, hanno caratteristiche molto simili fra loro. Ad esempio, il gruppo carbossilico –COOH caratterizza la classe degli acidi carbossilici.