I polimeri e le principali
materie plastiche
Uso delle risorse petrolifere nel
mondo
Interesse
• Le materie plastiche sono usate in svariatissimi settori,
dall’abbigliamento ai giocattoli, dall’industria alimentare a quella
dell’arredamento, dalla medicina all’industria aerospaziale,
dall’edilizia al settore automobilistico......
I Polimeri - Definizione
• Viene detto polimero una macromolecola
formata da un insieme di molecole sottomultiple
uguali tra di loro o di poche specie diverse
• Queste piccole unità vengono dette monomeri e
sono prodotti derivati dall’industria petrolchimica.
• Quando le unità che si agganciano sono di due
diverse specie si parla di copolimero.
Struttura dei polimeri e dei
copolimeri
Random
Lineare
Alternati
Innestato
Innestato
A reticolo
Polimerizzazione
I processi di formazione delle
macromolecole sono essenzialmente tre:
1. Polimerizzazione radicalica
2. Poliaddizione
3. Policondensazione
Polimeriazzazione radicalica
• Attraverso l’uso di un iniziatore di catena
(perossido), i monomeri si uniscono senza
perdita di peso.
• Esempio: polietilene (PE)
• n CH2=CH2
R-O-O-R
-(CH2-CH2)n-
Poliaddizione
• Per attrazione reciproca dovuta a forze dipolari i
monomeri si uniscono senza perdita di peso.
• I monomeri devono avere almeno due gruppi
funzionali diversi
• Esempio: il poliuretano
Policondensazione
• I monomeri venendo a contatto si uniscono eliminando
piccole molecole come ad esempio l’acqua.
• Ogni monomero deve avere almeno due gruppi
funzionali all’inizio e alla fine della catena
• Esempio: poliesteri e poliammidi
Il polipropilene e l’isomeria dei
polimeri
• Anche nei polimeri si possono avere
isomeria di struttura e di posizione,
influenzate dalle condizioni di
polimerizzazione e dai catalizzatori.
• Il polipropilene (PP) ha tre isomeri
possibili: polipropilene isotattico, atattico e
sintattico.
Sintesi del polipropilene
Giulio Natta
premio Nobel
1964
Struttura di un polimero e
comportamento termico
• La struttura di un polimero influenza
radicalmente il suo comportamento termico:
1) le catene regolari permettono un maggior
impaccamento delle catene polimeriche creando
zone polimeriche ad elevata cristallinità;
2) le catene ramificate in maniera irregolare
danno invece origine a polimeri amorfi (tipo
vetro)
• Di conseguenza esistono tre tipi di polimero:
1) termoplastico amorfo
2) termoplastico parzialmente cristallino
3) termoindurente
Polimeri termoplasti amorfi
I polimeri termoplastici si
rammolliscono se riscaldati
e si induriscono
nuovamente mediante
raffreddamento assumendo
nuove forme
Queste molecole polimeriche sono costituite da lunghe
catene disposte in modo caotico, con il calore perdono di
coesione e fluidificano.
Hanno un ampio intervallo di rammollimento che ne
consente la lavorazione anche prima della totale fusione.
Generalmente sono trasparenti.
Polimeri termoplastici parzialmente
cristallini
I polimeri termoplastici
parzialmente cristallini, se
riscaldati alla temperatura di
fusione, rammolliscono e
liquefanno.
Queste molecole polimeriche sono costituite
da lunghe catene disposte in modo caotico,
ma a tratti il caos generale si interrompe e le
lunghe catene si dispongono in maniera
ordinata formando i cosiddetti cristallliti.
Rammolliscono lentamente e hanno un
ampio intervallo di rammollimento che ne
consente la lavorazione anche prima della
totale fusione.
Polimeri termoindurenti
Una volta formati, non
possono più essere
rammolliti, la loro forma, una
volta creata, non può più
essere alterata per
riscaldamento.
Queste molecole polimeriche sono
costituite da lunghe catene unite fra loro da
legami chimici molto forti.
I legami fra queste catene sono troppo
solidi per poter essere spezzati mediante il
riscaldamento. Di conseguenza, hanno un
breve intervallo di rammollimento e dopo
l’indurimento finale mantengono
sempre la loro forma originale.
• Esempi di termoplastici
Acrilonitrile-butadienestirene - ABS
Policarbonato - PC
Polietilene - PE
Polietilentereftalato - PET
Polivinilcloruro - PVC
Polipropilene - PP
Polistirene - PS
• Esempi di
termoindurente
Polistirene espanso EPS
Resine epossidiche (EP)
Resine fenoloformaldeide (PF)
Poliuretano (PUR)
Politetrafluoroetilene PTFE
Trasformazione dei polimeri in
materie plastiche
• Le macromolecole per le quali esiste la possibilità di essere ridotte
in uno stato di semifluidità da permetterne la lavorazione vengono
trasformate in materie plastiche.
• Il termine "plastica" deriva dalla parola greca ''plastikos'' che
significa adatto per essere plasmato, e da ''plastos', che significa
plasmato. Fa riferimento alla malleabilità del materiale, o alla sua
plasticità durante la produzione, che gli permette di essere fuso,
pressato, o estruso in una varietà di forme, come pellicole, fibre,
lastre, tubi, bottiglie, scatole e molte altre.
• Le resine sono vendute sotto forma di polveri, granuli o pastigliette
Additivi per le materie plastiche
Numerosi additivi vengono impiegati
per valorizzare le proprietà naturali
dei diversi tipi di plastica - per
ammorbidirli, colorarli, renderli più
processabili o più durevoli. Oggi, non
esistono soltanto moltissimi tipi di
plastica diversi, ma i prodotti possono
essere resi rigidi o flessibili, opachi,
trasparenti, o colorati; isolanti o
conduttivi; resistenti al fuoco ecc.,
attraverso l'uso di additivi.
Elenco di additivi:
• Antimicrobici
• Antiossidanti
• Agenti antistatici
• Plastificanti biodegradabili
• Agenti schiumogeni
• Lubrificanti esterni
• Riempitivi/Espandenti
• Ritardanti di fiamma
• Fragranze
• Stabilizzatori termici
• Modificanti antiurto
• Lubrificanti interni
• Stabilizzatori leggeri
• Pigmenti
• Plastificanti
• Coadiuvanti di processo
• Rinforzanti
Processi di
polimerizzazione
Processo di
polimerizzazione
Massa (monomero gas o
liquido)
Soluzione (monomero sciolto
in solvente)
Emulsione (monomero
disperso in H2O e
tensioattivi)
Sospensione (monomero
disperso in fase acquosa)
Lavorazione delle materie plastiche
• Stampaggio a
compressione, adatto per
resine termoindurenti,
maschio e matrice vengono
riscaldati, le polveri
polimerizzano e induriscono
• Laminazione, usato per
produrre lamine o fogli, il
materiale rammollito passa
tra due cilindri ruotanti in
senso inverso.
• Iniezione, adatto a resine
termoplastiche da
trasformare in oggetti finiti. La
massa fusa viene spinta in
uno stampo apribile ad alta
temperatura e pressione.
• Estrusione, adatto sia a
polimeri termoindurenti che a
polimeri termoplastici,
vengono scaldati e
successivamente spinti
attraverso un ugello che ha la
sagoma dell’oggetto
richiesto. Il pezzo esce già
freddo.
Esempi di lavorazione delle materie
plastiche
Espansione delle resine sintetiche
•
•
•
Viene utilizzato per produrre materiali
spugnosi ricchi di pori di varie
dimensioni
Si aggiungono gas in fase di
polimerizzazione o il polimero stesso
lo produce in fase di
policondensazione.
I polimeri espansi sono caratterizzati
da una coibenza acustica, termica ed
elettrica molto elevata....
Il polietilene tereftalato PET
PRODUZIONE
Policondensazione attivata termicamente (si opera a
temperature comprese tra 230-250 °C e pressione di
3 atm);
CARATTERISTICHE
Ps amorfo = 1,370 g/cm3 Ps cristallino= 1,455 g/cm3
tf= 260°C
Basso costo, resistente all’acqua, all’aria, agli agenti
chimici, non lascia penetrare i gas quali ossigeno e
anidride carbonica....
USI
Poiché il PET è facilmente lavorabile per stampaggio a iniezione e soffiaggio o per
estrusione quando è allo stato fuso, può essere preparato su misura per soddisfare
praticamente qualsiasi richiesta. Inoltre la sua inerzia chimica e la sua resistenza al
passaggio di gas lo rendono un ottimo materiale per il packaging (bottiglie per bibite
analcoliche, succhi di frutta, acque minerali, bevande gassate, oli da cucina e da
tavola, salse e condimenti, detergenti, vaschette e contenitori a collo ampio,
contenitori per cibi precotti pronti per il riscaldamento in forno a microonde o forno
tradizionale…. Può essere utilizzato per produrre film e fogli. Come DARON viene
impiegato per realizzare indumenti, vele per imbarcazioni e corde.Viene inoltre
utilizzato in chirurgia per costruire vasi sanguigni artificiali.
Sintesi del polietilene tereftalato
Glicole etilenico + Acido tereftalico → PET
Il polietilene - PEbd
PRODUZIONE
Polimerizzazione radicalica in soluzione a p= 1000-2000atm e t= 200-300°C
CARATTERISTICHE
ps= 0,92 g/cm3 tf= 108°C - cristallinità del 50%
Basso costo, resistente all’acqua, all’aria, agli agenti chimici, flessibile...
USI
In fogli per imballaggio di diversi spessori, protezione merci, oggetti di uso
comune(bottigliette, giocattoli).Il UHMWPE (ultra high molecular weight
polyethylene) è usato per i giubbotti antiproiettile.
Sintesi del
polietilene
Il polietilene PEad
PRODUZIONE
Polimerizzazione Ziegler-Natta (TiCl4 e AlR3) P= 1-10 atm T=50-150°C
CARATTERISTICHE
ps= 0,96 g/cm3 tf= 128-135°C
Essendo lineare è molto più resistente di quello ramificato (cristallinità 65%)
Resistente all’acqua, agli urti, alla luce, agli agenti chimici, al fuoco..
USI
Stampato in forme solide resistenti
Il polipropilene
isotattico - PP
PRODUZIONE
Polimerizzazione Ziegler-Natta T=50-100°C P 1-10 atm.
CARATTERISTICHE
ps= 0,90 g/cm3 tf= 175°C cristallinità del 75%
Buona resistenza meccanica, resistente all’acqua, agli urti,
alla luce, agli agenti chimici, al fuoco, isolante, leggero....
USI
Detto anche moplen, serve per realizzare giocattoli,
contenitori, aggetti vari lavabili in lavastoviglie.
Estruso in filamenti costituisce una fibra tessile
(Meraklon) per moquettees, tappeti, reti da pesca...
In pellicola per imballaggi viene detto Moplefan
Copolimero a blocchi del PP
Utilizzando speciali catalizzatori
metallocenici si possono
ottenere copolimeri a blocchi che
contengono blocchi di
polipropilene isotattico
e blocchi di polipropilene atattico
nella stessa catena polimerica,
creando un polimero gommoso
ma resistente al tempo stesso
Il polivinilcloruro - PVC
PRODUZIONE
Polimerizzazione radicalica in emulsione a 45°C
CARATTERISTICHE
ps= 1,36g/cm3 tf= 180°C
Resistente all’acqua, agli urti, alla luce, agli agenti
chimici, al fuoco..
USI
PVC rigido: tubazioni in plastica, grondaie e
serramenti....
PVC plastificato: linoleum, vinilpelle, tendaggi...
Il Nylon 6,6
PRODUZIONE
Polimerizzazione per policondensazione in autoclave a 180-250°C
CARATTERISTICHE
Resina poliammidica, i gruppi ammidici sono polari e possono legarsi tra di loro
con legami idrogeno, la catena regolare e simmetrica per mette la formazione di
una fibra molto buona
USI
Calze da donna (1940), funi per paracadute, spazzolino da denti......
Il polistirene (PS)
PRODUZIONE
Polimerizza spontaneamente in massa o in soluzione.
CARATTERISTICHE
ps= 1,05g/cm3 tf= 220°C
Duro, trasparente, incolore, resistente all’acqua e all’umidità,
buone proprietà meccaniche ma fragile.
USI
Ottimo per stampaggio ad iniezione con temperature non
superiori a 220°C
Carcasse dei computer, degli elettrodomestici,
dell’asciugacapelli ....
Rigonfiato produce una massa spugnosa con alto potere
isolante Utilizzato per produrre una gomma rigida detta SBS
Polistirene sindiotattico
E’ molto costoso,
si ottiene per
polimerizzazione
con metalloceni,
fonde a 270°C
Polistirene antiurto
Resine epossidiche
Sono polimeri termoindurenti
contenenti, nel precursore liquido,
l'anello epossidico a tre atomi.
CARATTERISTICHE E USI
Il loro stato fisico può variare da liquido a bassa
viscosità a solido ad alto punto di fusione. Quando
vengono reticolate con un gran numero di agenti
indurenti o induritori, possono formare una vasta
gamma di materiali con caratteristiche uniche,
fornendo in tal modo un contributo considerevole
ai principali settori industriali tra cui:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Industria aeronautica e aerospaziale
Settore auto
Edilizia
Industria chimica
Elettrico & Elettronico
Alimenti e bevande
Industria nautica
Tempo libero
Ingegneria leggera
Resine epossidiche bicomponenti
Temperatura di transizione vetrosa
• Esiste una determinata temperatura (diversa per ogni polimero)
chiamata temperatura di transizione vetrosa , o Tg. Quando il
polimero viene raffreddato al di sotto di questa temperatura, diventa
rigido e fragile come il vetro.
• Alcuni polimeri vengono utilizzati al di sopra delle loro temperature
di transizione, ed alcuni al di sotto.
• Le plastiche rigide come il polistirene vengono utilizzate al di sotto
delle loro temperature di transizione; ossia nel loro stato vetroso. Le
loro Tg sono molto al di sopra della temperatura ambiente,
entrambe a circa 100°C.
• Gli elastomeri gommosi come il poliisoprene vengono usati al di
sopra delle loro Tg, ossia allo stato gommoso, quando sono soffici e
flessibili.
• Le plastiche flessibili come il polietilene ed il polipropilene vengono
anch'esse utilizzate al di sopra della loro Tg, allo stato gommoso.
Conseguenze
• Quando la temperatura è maggiore della Tg, le catene polimeriche
si possono muovere facilmente. Quindi quando prendete un pezzo
di polimero e lo piegate, le molecole, essendo già in movimento,
non hanno problemi nel muoversi per trovare altre posizioni per
diminuire la sollecitazione che avete trasmesso loro.
• Al contrario se cercate di piegare un campione di polimero al di sotto
della sua Tg, le catene polimeriche non sono in grado di spostarsi
per trovare altre posizioni per diminuire la sollecitazione alla quale
sono state sottoposte. Possono quindi verificarsi due situazioni:
- (A) le catene sono abbastanza forti per resistere alla forza che
viene applicata, ed il campione non si piega;
- (B) la forza applicata è troppo elevata perché le catene polimeriche
immobili possano resistere, non potendosi muovere per diminuire la
sollecitazione, il campione di polimero si rompe o va in frantumi
nelle vostre mani
Classificazione
Le plastiche si classificano
con un sistema americano
detto SPI (Society of the
Plastics Industry), che
consiste in un triangolo
(che è il simbolo del
riciclo) con un numero
dentro (che corrisponde a
un tipo di plastica).
Simbolo
Cod.rici Abbrevi
clo
azione
1
2
3
4
Nome del
polimero
Usi
Polietilene
tereftalato
Riciclato per la produzione di
fibre poliestere, fogli
termoformati, cinghie, bottiglie
per bevande.
HDPE
Polietilene ad
alta densità
Riciclato per la produzione di
contenitori per liquidi, sacchetti,
imballaggi, tubazioni agricole,
basamenti a tazza, paracarri,
elementi per campi sportivi e
finto legno.
PVC o V
Cloruro di
polivinile
Riciclato per tubazioni,
recinzioni, e contenitori non
alimentari.
Polietilene a
bassa densità
Riciclato per sacchetti,
contenitori vari, dispensatori,
bottiglie di lavaggio, tubi, e
materiale plastico di
laboratorio.
PET
LDPE
Simbolo
Cod.rici Abbrev
clo
iazione
5
6
7
PP
PS
Nome del
polimero
Usi
Polipropilene o
Moplen
Riciclato per parti
nell'industria automobilistica e
per la produzione di fibre.
Polistirene o
Polistirolo
Riciclato per molti usi,
accessori da ufficio, vassoi
per cucina, giocattoli,
videocassette e relativi
contenitori, pannelli isolanti in
polistirolo espanso (es.
Styrofoam).
Altre plastiche, tra
le quali
Polimetilmetacrilato
ALTRI , Policarbonato,
Acido polilattico,
Nylon e Fibra di
vetro.
BIBLIOGRAFIA
• Chimica applicata – Bertoni, Hart
• Chimica per l’arte – Bucari, Casari, Lanari
• pslc.ws/italian
• www.plasticseurope.it
• www.bpf.co.uk/Plastipedia/Plastic
s_History/Default.aspx
Il vetro è un polimero?
• Quando SiO2 è nella
sua forma cristallini
viene detto silice.
Quando si hanno
grandi cristalli di silice
abbiamo il quarzo.
Quando si hanno tanti
piccoli cristalli di silice
abbiamo la sabbia.
Il vetro è un materiale amorfo
• I materiali come
questo sono detti
amorfi. Questo è il
vetro utilizzato per le
lenti telescopiche e
simili. Ha ottime
proprietà ottiche, ma
è fragile
Il vetro comune
• Quando la sabbia
viene fusa,
normalmente si
aggiunge il carbonato
di sodio. Si ottiene in
questo modo un vetro
più resistente