Scienza e tecnologia dei materiali - polimeri

Copolimeri

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:

• Copolimeri casuali (o statistici o a random): monomeri differenti sono inseriti a caso nelle catene polimeriche.
• Copolimeri 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…
• Copolimeri 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-…
• Copolimeri 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: AAA-BBB-AAA-…

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 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, oper 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 unadelle catene polimeriche si intendono le diverse conformazioni che possono essere assunte dalle catene polimeriche a causa delle interazioni tra le catene stesse. La distribuzione dei pesi molecolari è una misura della variabilità dei pesi molecolari all'interno di una popolazione di polimeri. Questa distribuzione può essere descritta utilizzando diversi parametri statistici, come la media, la deviazione standard e la moda. La media numerica del peso molecolare tiene conto del numero di particelle di cui è costituito un polimero. È calcolata come la somma del prodotto del peso molecolare di ogni catena polimerica per il numero di moli di quella catena, diviso per la somma del numero di moli di tutte le catene polimeriche considerate. La media ponderale del peso molecolare tiene conto del peso delle macromolecole che formano il polimero. È calcolata come la somma del prodotto del peso molecolare di ogni catena polimerica per la massa di quella catena, diviso per la somma delle masse di tutte le catene polimeriche considerate. La composizione di una macromolecola si riferisce alla natura e alla quantità degli elementi chimici che la compongono. Le conformazioni di una macromolecola si riferiscono alle diverse disposizioni nello spazio che le catene polimeriche possono assumere a causa della rotazione intorno ai legami chimici. Le configurazioni delle catene polimeriche si riferiscono alle diverse conformazioni che possono essere assunte dalle catene polimeriche a causa delle interazioni tra le catene stesse.

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.

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.

La funzionalità di un monomero è il numero medio di legami.

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. Diversi composti organici possono contenere due o più gruppi funzionali, come ad esempio gli idrossiacidi (ossidrile + carbossilico), i chetoacidi (chetonico + carbossilico), gli amminoacidi (amminico + carbossilico), i carboidrati (aldeidico o chetonico + due o più ossidrili). Metodi di Modifica di polimeri: - Condensazione: preparazione dei preesistenti (ad es. cellulosa) - Polimeri Addizione: Polimerizzazione Condensazione. Serie di reazioni attraverso le quali due o più monomeri a basso peso molecolare, contenenti ciascuno almeno due gruppi funzionali, sono capaci di reagire tra loro per ottenere polimeri con eliminazione di composti volatili secondari. - Addizione: Serie di reazioni attraverso le quali due monomeri, contenenti uno o più doppi legami, interagiscono per ottenere polimeri senza eliminazione di composti volatili secondari. Nel 1953, Paul Flory distinse i polimeri in base almeccanismo di reazione seguito dalla reazione di sintesi dei polimeri. A seconda del meccanismo di reazione, la reazione di polimerizzazione può essere infatti distinta in: - Polimerizzazione a catena (in inglese chain polymerization) - Polimerizzazione a stadi (in inglese step polymerization) I polimeri ottenuti per polimerizzazione a stadi sono in genere polimeri di condensazione, mentre i polimeri ottenuti per polimerizzazione a catena sono in genere polimeri di addizione. Esistono comunque delle eccezioni a questa regola; ad esempio, il poliuretano è un polimero di addizione ma la sua produzione avviene tramite polimerizzazione a stadio. Polimerizzazione a catena. È un meccanismo di polimerizzazione attraverso cui molecole di polimero aumentano velocemente di dimensioni una volta che la crescita ha avuto inizio. Questo tipo di reazione avviene in tre stadi: iniziazione di catena, propagazione di catena, terminazione di catena. Il nome implica una reazione a catena ed

è usualmente iniziata da una fonte esterna. Un esempio di polimerizzazione a catena è il processo di formazione del polistirene. I polimeri possono ancora essere suddivisi in polimeri amorfi e polimeri semicristallini. I polimeri amorfi sono generalmente resine o gomme. Essi sono fragili al di sotto di una data temperatura (la "temperatura di transizione vetrosa") e fluidi viscosi al di sopra di un'altra (il "punto di scorrimento"). La loro struttura può essere approssimata con l'immagine di un groviglio disordinato di spaghetti. I polimeri semi-cristallini sono generalmente plastiche rigide; le catene di polimero, ripiegandosi, riescono a disporre regolarmente loro tratti più o meno lunghi gli uni a fianco degli altri formando regioni cristalline regolari (dette "cristalliti") che crescono radialmente attorno a "siti dinucleazione"; questi possono essere molecole di sostanze capaci di innescare la

cristallizzazione("agenti nucleanti") o altre catene di polimero stirate dal flusso della massa del polimero. Bisogna precisare che un polimero non è mai completamente cristallino. Un polimero cristallino (o semi-cristallino), dunque, si presenta essenzialmente con: - Una frazione cristallina, con struttura a catena ripiegata, di cui ogni singolo piano è chiamato lamella. - Una frazione amorfa. Nell'immagine accanto vediamo una sferulite di un polimero cristallino. All'aumento del grado di cristallinità corrisponde: - un aumento della resistenza del materiale (vantaggio) - ma anche un aumento della fragilità (svantaggio). Un polimero completamente cristallino sarebbe troppo fragile per essere utilizzato come materia plastica. Le regioni amorfe danno al polimero tenacità, ossia la capacità di piegarsi senza rompersi. La struttura del polimero influenza il suo grado di cristallinità. - Più la struttura è ordinata,più alto sarà il grado di cristallinità. Quindi una struttura sindiotattica (più ordinata) darà luogo ad un maggiore grado di cristallizzazione rispetto ad una struttura atattica (meno ordinata). La presenza di forze intermolecolari influenza anche il grado di cristallinità. Le forze intermolecolari favoriscono la formazione di una struttura cristallina. Ad esempio, i gruppi ammidici polari nella catena principale del nylon 6,6 sono legati fra loro da legami idrogeno, i quali tengono insieme i cristalli. Classifichiamo i polimeri in base al diagramma sforzo-deformazione. - Termoplastici. Materiali relativamente rigidi a temperatura ambiente ma che rammolliscono per riscaldamento sopra opportune temperature (PE, PP, PS, PVC, PMMA, ...). - Termoindurenti. Materiali che nello stato finale presentano una struttura tridimensionale rigida immodificabile sia per azione di forze esterne che dalla temperatura. Ad alte temperature si possonofenoliche, epossidiche, poliuretaniche, …)Metalli. Materiali solidi, duri, resistenti, duttili e conduttori di calore ed elettricità (ferro, alluminio, rame, acciaio, …)Ceramici. Materiali ottenuti dalla cottura di argille o di altre sostanze inorganiche, caratterizzati da elevata durezza, resistenza meccanica e resistenza agli agenti chimici (porcellana, terracotta, ceramica tecnica, …)Legno. Materiale ottenuto dal tronco degli alberi, caratterizzato da elevata resistenza meccanica, leggerezza e buone proprietà isolanti (rovere, faggio, abete, …)Plastica. Materiali ottenuti dalla polimerizzazione di sostanze organiche, caratterizzati da elevata versatilità, leggerezza e resistenza chimica (polietilene, polipropilene, PVC, …)

acriliche e viniliche