Scienze e tecnologia dei materiali

MATERIALI POLIMERICI

I polimeri si differenziano in base a diversi fattori:

Il termine polimero rappresenta una sostanza formata da molte unità fondamentali, dette monomeri, collegate tra loro in maniera ripetitiva da legami covalenti, come delle catene, fino a formare una grande molecola.

Si tratta di omopolimero, se le macromolecole sono formate da unità chimicamente uguali; si tratta di copolimero, se le macromolecole sono formate da due o più unità strutturali.

Polimero lineare se i monomeri sono bifunzionali (con due siti attivi); genera strutture cristalline con maggiori proprietà meccaniche, utilizzato ad esempio per le bottiglie del latte o buste.

Polimero ramificato se i monomeri hanno più funzionalità e le unità strutturali formano più di due legami; indicato per creare film sottili, perché le ramificazioni rappresentano punti di ancoraggio.

Esempi di omopolimeri quando uno dei due legami si rompe in

particolari condizioni, i duePolietilene CH = CH unità ripetitiva –CH –CH – elettroni precedentemente condivisi restano liberi e pronti per legarsi ad2 2 2 2Polipropilene CH = CH(CH ) unità ripetitiva –CH –CH(CH )– altre molecole. con due siti attivi (funzionalità) necessari per legarsi ad2 3 2 3Polistirene CH = CH(C H ) unità ripetitiva –CH –CH(C H )– altri monomeri e formare il polimero.2 6 5 2 6 5Esempi di copolimeriAlternati –A–B–A–B– vi è una precisa alternanza A–B•Questo comporta che sia A che B hanno due funzionalità disponibili ma quelle di A reagiscono solo con quelle di B e viceversa.Casuali –A–B–B–B–A–A–B– sono disposti senza un ordine preciso•Quando le due funzionalità disponibili sono collegabili indipendentemente sia ad A che a B.A blocchi•Si ha una sequenza costituita da

Lunghi blocchi ripetitivi della stessa unità per blocchi diversi (lunga sequenza di A legata ad una lunga sequenza di B). Questo avviene quando A e B tendono a interagire con loro stessi e meno con l'opposto.

Ad innesto: Sono costituiti da una catena principale composta dallo stesso monomero che porta lunghe catene laterali di unità di altro tipo.

Classificazione:

• Polimeri la cui catena si forma in una progressiva aggiunta di monomeri e non vengono eliminati altri prodotti durante la formazione.
• Polimeri in cui i monomeri si uniscono formando delle piccole molecole, come acqua o ammoniaca, che vengono espulse durante la formazione. Se ci dovesse essere un'eccessiva quantità di acqua, avviene la rottura della molecola che comporta il deterioramento delle proprietà.

I materiali polimerici sono quelli più longevi, resistono per più di decine di migliaia di anni.

Si può sfruttare il principio di

utilizzati per la produzione di pellicole, sacchetti e imballaggi biodegradabili. La condensazione è un processo chimico che permette di ottenere polimeri biodegradabili a partire da monomeri. Durante la condensazione, due monomeri reagiscono tra loro formando un legame covalente e rilasciando una molecola d'acqua come sottoprodotto. Questo processo può essere ripetuto più volte per ottenere polimeri di lunghezza desiderata. I polimeri termoplastici sono caratterizzati dalla loro capacità di essere ripetutamente riscaldati e raffreddati senza subire alterazioni permanenti. Quando vengono riscaldati, diventano plastici e possono essere modellati. Quando vengono raffreddati, tornano allo stato rigido. Questa proprietà li rende adatti per applicazioni come stampaggio ad iniezione e estrusione. Al contrario, i polimeri termoindurenti subiscono una reazione chimica irreversibile durante il riscaldamento, che porta alla formazione di una struttura reticolare permanente. Questo li rende rigidi e non plasmabili anche dopo il raffreddamento. I polimeri termoindurenti sono utilizzati per produrre materiali resistenti e durevoli come resine epossidiche e poliuretani. La lunghezza delle catene polimeriche è una caratteristica fondamentale che influisce sulle proprietà dei materiali. Catene più lunghe tendono ad aggrovigliarsi tra loro, formando una struttura più compatta e resistente. Questo permette la produzione di film e pellicole resistenti, adatte per applicazioni come imballaggi biodegradabili.

Proprio ricercate queste caratteristiche di lunghezze e pesi molecolari differenti.

Temperatura di transizione vetrosa

Per tutti i polimeri esiste una temperatura di transizione vetrosa Tg, al di sopra della quale i polimeri si comportano come materiali fusi e al di sotto della quale hanno caratteristiche vetrose. Il tratto a-b rappresenta il raffreddamento del liquido al punto di solidificazione; il tratto b-c rappresenta la contrazione brusca che si ha durante la cristallizzazione; il tratto c'-d rappresenta la contrazione del solido.

→ Curva abcdh materiale puramente cristallino: nel punto di fusione/solidificazione si osserva una repentina diminuzione del volume specifico.

→ Curva abc'dh materiale semicristallino

→ Curva abef materiale amorfo

Al di sotto della Tg il materiale continua a contrarsi con lo stesso andamento del liquido, pur avendo ormai la consistenza di un solido. In questo intervallo la libertà di movimento è ridotta, è possibile un

movimento coordinato attorno all'asse della catena di segmenti molecolari abbastanza lunghi. Continuando il raffreddamento si arriva alla Tg, in cui si verifica il cambiamento di pendenza della curva V-T, cioè la variazione del coefficiente di dilatazione del materiale. Quando il movimento dei segmenti di catena si arresta, si ha la contrazione del materiale dovuta alla diminuzione dell'ampiezza delle vibrazioni degli atomi intorno a posizione fisse. In questo campo il materiale è rigido e non sopporta gli urti. Materiale semicristallino I materiali polimerici hanno catene di lunghezza diversa e sono difficilmente ordinabili per formare celle cristalline, per cui si possono formare cristalli imperfetti oppure non se ne formano affatto. Quindi il materiale in parte si cristallizza e in parte resta amorfo. Avvicinandosi alla temperatura di fusione, i lunghi filamenti iniziano a contorcersi e impacchettarsi, formando dei cristalli. Si tratta di un processo cherichiede abbastanza tempo, perché i filamenti necessitano di tempo per potersi muovere e formare queste strutture (a differenza dei metalli, ad esempio, in cui vi è un repentino abbassamento del volume specifico). La curva che rappresenta la cristallizzazione dei materiali polimerici è abc'dh, dove il punto c' indica il limite oltre il quale non si formeranno più cristalli, anche se il volume specifico tende a diminuire ancora perché le molecole sono comunque in grado di muoversi e restringersi. Al punto d, invece, le molecole non si muovono più e si è nella fase di transizione vetrosa, che determina la suddivisione della parte cristallizzata da quella amorfa. Materiale amorfo Quando il materiale viene raffreddato velocemente non avviene la cristallizzazione, proprio perché non ha il tempo di farlo. Il polimero avrà un comportamento che segue la curva a-b-e, si registra la temperatura di transizione vetrosa e una

Variazione nel comportamento alla contrazione. Quindi la velocità di raffreddamento determina lo stato cristallino o amorfo del polimero. Da questo derivano anche le proprietà meccaniche, un polimero cristallino è più resistente ed è opaco, mentre uno amorfo è maggiormente permeabile ai gas ed è trasparente. Sperimentalmente è stato determinato che quando si raggiunge la soglia di temperatura di transizione vetrosa, porzioni di molecole inferiori a 50 atomi di carbonio sono immobilizzate. Ciò significa che prima di tale temperatura le molecole aventi un numero di atomi inferiori o uguali a 50 possono muoversi e quindi formare le strutture cristalline; se questa temperatura viene superata, queste molecole non si muovono più.

Materiali termoplastici. Importante vantaggio di molti polimeri è la densità relativamente bassa, intorno a 1, in confronto a quella del ferro pari a 7,8. Per questo motivo le

Le proprietà meccaniche non sono eccellenti, ad esempio hanno una bassa resistenza a trazione che può risultare svantaggiosa per le applicazioni costruttive. Spesso si ovvia a questo problema aumentando lo spessore delle strutture che si realizzano, come vediamo in molte sedie o panchine fatte di materiali plastici: questo permette di dare vita a pezzi leggeri, rispetto al metallo, ma ugualmente resistenti. Sono, però, materiali con una buona resistenza all'impatto, relativamente alla leggerezza, rispetto anche ad altri come il vetro; e sono buoni isolanti termici. La maggior parte delle materie plastiche hanno una massima temperatura d'uso relativamente bassa, detta temperatura di distorsione, al di sopra della quale il materiale si distorce (è specifica di ogni materiale perché calcolata in laboratorio).

Polietilene: Materiale traslucido, la sua cristallinità varia fino al 50-70% e il punto di fusione oscilla tra 100 °C (bassa temperatura) e 130 °C (alta temperatura).

ramificazioni corte, cristallizza facilmente e la densità è alta;→LLDPE = Linear low density polyelithene struttura lineare con ramificazioni corte, cristallizza facilmente e la densità è media. Il polietilene è ampiamente utilizzato in diversi settori, come l'imballaggio, l'industria automobilistica, l'edilizia e molti altri, grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche.ramificazione lunghe, si hanno cristalli minori e meno grandi; LLDPE = linear low density polyelithene struttura lineare e ramificazioni molto corte. Dalle ramificazioni dipendono le proprietà: Una struttura lineare a ramificazioni corte ha una maggiore cristallizzazione perché le molecole sono più ordinate e quindi formano strutture cristalline. Ad una maggiore cristallinità corrisponde una densità più alta. La temperatura di fusione è oscillante perché è maggiore dove si formano più cristalli, ovvero dove la densità è più elevata. All'aumentare della cristallinità, aumenta la rigidità del polimero: questo comporta che aumenta la massima resistenza a trazione e che diminuisce la deformabilità. È la materia plastica più utilizzata per via del basso costo e per le ottime proprietà industrialmente.etti, buste, sacchetti per alimenti;→PP contenitori per alimenti, bottiglie, tappi, giocattoli, mobili da giardino;→PVC tubi, profili, rivestimenti, pavimenti, giocattoli, imballaggi;→PET bottiglie per bevande, contenitori per alimenti, fibre tessili;→PS bicchieri, piatti, vaschette per alimenti, imballaggi, isolanti;→ABS parti per elettrodomestici, giocattoli, componenti per auto;→PC bottiglie per bevande, occhiali, componenti per auto, dispositivi medici;→PMMA vetri per auto, lenti per occhiali, display per dispositivi elettronici;→PA fili, tessuti, componenti per auto, attrezzi, imballaggi;→PEI parti per elettrodomestici, componenti per auto, dispositivi medici;→POM ingranaggi, cuscinetti, componenti per auto, attrezzi, giocattoli;→PPS parti per elettrodomestici, componenti per auto, attrezzi, imballaggi;→PTFE guarnizioni, tubi, rivestimenti, componenti per auto, attrezzi;→PVDF tubi, valvole, rivestimenti, componenti per auto, attrezzi.