Sintesi di una schiuma poliuretanica (poliuretano espanso)
Generalità sui poliuretani espansi
Sono materiali molto versatili (li troviamo un po’ ovunque) e leggeri, poiché costituiti in buona
parte di aria. Si possono suddividere in due categorie
1) Poliuretani espansi morbidi (gomma piuma): sono utilizzati soprattutto per produrre
materassi e imbottiture.
2) Poliuretani espansi rigidi: sono largamente utilizzati per produrre lastre di materiale
termoisolante utili ad es. per scambiatori di calore, boilers, frigoriferi.
I poliuretani espansi si ottengono facendo reagire due ‘ingredienti’, entrambi liquidi: un diolo
(a cui è stata aggiunta una piccola quantità di acqua) e un diisocianato.
Diolo e diisocianato, incontrandosi, reagiscono tra di loro e producono il polimero sintetico che
ha nome ‘poliuretano’.
Contemporaneamente anche la poca acqua e il diisocianato reagiscono tra loro, dando un
prodotto instabile che immediatamente si decompone, producendo anidride carbonica,
responsabile della schiuma. Da cui il nome espanso.
Sezione di un poliuretano
espanso vista al microscopio
Sintesi di una schiuma poliuretanica (poliuretano espanso)
Procedura
1. Utilizzare il cilindro e un pennarello per tarare con acqua due bicchieri di plastica:
- il primo bicchiere, per il diisocianato, dovrà essere tarato per un volume di 25 ml
- il secondo bicchiere, per il diolo, dovrà essere tarato per un volume di 20 ml
2. Asciugare bene i due bicchieri
3. Versare diolo e diisocianato nei rispettivi bicchieri tarati, fino al livello segnato con il
pennarello.
4. Versare il diolo nel bicchiere contenente diisocianato e mescolare vigorosamente fino alla
formazione della prima schiuma.
5. Interrompere il mescolamento e riporre il bicchiere sul piatto di plastica
6. Attendere finchè la schiuma ha terminato di crescere e comincia a indurire.
Sintesi di una schiuma poliuretanica
3. Meccanismo di formazione di poliuretani e schiume
Con il termine poliuretano si indica una vasta famiglia di polimeri termoindurenti in cui la catena
polimerica è costituita di legami uretanici -NH-(CO)-O-. I poliuretani sono fondamentalmente ottenuti
per reazione di un diisocianato (aromatico o alifatico) e di un diolo, spesso in presenza di un
catalizzatore.
H
OCN
R
+
NCO
HO
diisocianato
R'
OCN
OH
O
R
O
diolo
NCO
R'
n
H
poliuretano
Se la reazione di formazione avviene in presenza di acqua, è possibile ottenere un poliuretano espanso
grazie alla formazione di CO2 , come nell’esempio seguente:
OCN
NCO + H2O
R
OCN
R
NH
COOH
acido carbammico
(instabile)
OCN
R
NH
COOH
OCN
R
NH2
+ CO2
Sintesi del nylon 6,6
1. Procedura
cloruro di adipoile
in cicloesano
Film di nylon
esametilendiammina
in acqua e soda
Preparazione della soluzione acquosa
1. Misurare 25 ml di acqua con il cilindro graduato e versarli in un beaker.
2. Aggiungere 3,1 ml di NaOH 1M (idrossido di sodio).
3. Aggiungere 0.9 ml di EMDA (esametilendiammina) in soluzione acquosa. Coprire con carta stagnola.
Preparazione della fase organica
4. Mettere in una beuta 25 ml di cicloesano misurandolo con il cilindro.
5. Aggiungere con la pipetta 0,5 ml di cloruro di adipoile. Coprire con carta stagnola.
Formazione del polimero
6. Versare molto lentamente il contenuto della beuta (soluzione organica) nel beaker con la soluzione
acquosa e osservare la formazione del polimero ( nylon 6,6) all'interfaccia.
7. Con il fil di ferro prendere una fettuccia del nylon e avvolgerla sul rocchetto di plastica.
Sintesi del nylon 6,6
2. Schema di polimerizzazione (policondensazione interfacciale)
O
Cl
CH2
C
CH2
CH2
O
CH2
+
C
CH2
H2N
Cl
CH2
CH2
CH2
CH2
NH2
CH2
esametilendiammina
cloruro di adipoile
O
CH2
C
O
CH2
CH2
C
CH2
CH2
NH
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
+ HCl
CH2
nylon 6,6
• Si tratta di una polimerizzazione interfacciale perché i monomeri sono sciolti in due solventi immiscibili
tra di loro e la reazione avviene all’interfaccia
• La reazione è definita policondensazione perché i monomeri reagiscono con eliminazione di una molecola
piccola (HCl).
• La soluzione sodica serve a neutralizzare l’acido che si forma dalla policondensazione
Polimeri super-assorbenti
Generalità
Alcuni polimeri sono in grado di assorbire grandi quantità di liquidi e, per questa proprietà, trovano
utile applicazione sia nell’industria che nella nostra vita quotidiana: essi sono chiamati polimeri
super-assorbenti e, se il liquido assorbito è l’acqua, il materiale rigonfiato prende il nome di
idrogelo. L’acqua assorbita negli idrogeli conferisce loro la tipica trasparenza e morbidezza. Tra le
più note applicazioni dei polimeri super-assorbenti si possono citare i pannolini, il gel per capelli, i
cristalli d’acqua per le piante, le lenti a contatto e alcuni tipi di protesi. La proprietà di alcunii
polimeri di assorbire grandi quantità di acqua è dovuta alla loro affinità chimica con tale liquido e
alla loro struttura microscopica.
Polimero reticolato
Le catene di un polimero super-assorbente non sono libere: esse
sono disposte in una sorta di rete tridimensionale grazie a
vincoli stabilitisi tra le catene. Questa particolare struttura è
detta reticolata. Quando l’acqua incontra il reticolo Quando le
molecole d’acqua incontrano una struttura di questo tipo e vi è
affinità chimica, le catene non riescono a separarsi e
allontanarsi, ma consentono al liquido di penetrare anche in
grande quantità, rimanendo intrappolato: ciò causa il
rigonfiamento del reticolo tridimensionale.
In assenza di vincoli tra le catene (polimero non reticolato) la
buona affinità con l’acqua produce una soluzione, ovvero un
liquido
composto
da
catene
polimeriche,
ciascuna
completamente circondata da molecole d’acqua.
Polimero non reticolato
Polimeri super-assorbenti
I pannolini per neonati
Si tratta di polimeri di acidi carbossilici, reticolati, che in acqua ionizzano lasciando cariche
negative lungo tutta la catena. Questo comportamento ha due conseguenze:
- le cariche negative si respingono l’un l’altra costringendo il polimero a espandersi
- le molecole d’acqua, polari, sono attratte dalle cariche negative.
Tali fattori aumentano la viscosità e il volume della miscela acqua+polimero man mano che il polimero
trattiene il flusso di acqua intorno a sé.
+ H2O
H2C
HC
H2C
+ H3O
HC
n
n
C
O
O
H2O
H
C
H2O
O
H2O
O
H2O
H2O
Il polimero è in equilibrio con l’acqua attorno a sé, ma tale equilibrio può essere disturbato in vari
modi. Se la concentrazione ionica della soluzione viene aumentata, per esempio aggiungendo cloruro
di sodio, i nuovi ioni positivi si legano alle cariche negative del polimero neutralizzandone la carica.
Ciò provoca il collasso del gel e la contrazione del polimero alle dimensioni originali.