MATERIALI POLIMERICI

24/01/2018 1Paola Massini - IIS Iris Versari

MATERIALI POLIMERICIVasto gruppo di sostanze chimiche importanti dalpunti di vista sia commerciale che industriale perchécostituiscono le materie plastiche, le fibre tessiliartificiali e sintetiche, le gomme elastiche e, inoltre,le vernici sintetiche, gli adesivi e gli scambiatori diioni.

Questa classificazione è in base alle proprietà eall’uso a cui sono destinate.

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MATERIALI POLIMERICI

I polimeri sintetici trovano largo impiego motivatoprincipalmente da:

➢ Basso costo, disponibilità dei monomeri, facilità disintesi➢ Facilità di lavorazione, plasticità ed elasticità(proprietà meccaniche)

➢ Filmabilità➢ Bassa densità➢ Inerzia chimica➢Alta resistenza elettrica

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FATTORI CHE INFLUENZANO LE PROPRIETA’ DEI MATERIALI

POLIMERICI

1. Struttura

2. Meccanismi di polimerizzazione

3. Polidispersività

4. Configurazione

5. Cristallinità

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DEFINIZIONE DI POLIMERI

Sostanze organiche formate da molecole di grandidimensioni ad alto peso molecolare, dettemacromolecole, la cui struttura deriva dall’unione,mediante legami chimici covalenti, di un grannumero di unità ripetitive dette monomeri.

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CLASSIFICAZIONE DEI POLIMERI

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ORIGINE

POLIMERI NATURALI

POLIMERI SINTETICI

POLIMERI ARTIFICIALI

PolisaccaridiProteineAcidi Nucleici

Cellulosici

Materie plasticheElastomeriFibre

DEFINIZIONE DI MATERIALE POLIMERICO

Un materiale polimerico è costituito da una misceladi macromolecole di diversa lunghezza ottenutedalla ripetizione regolare di un motivo strutturale(unità ripetitiva) derivato da una o più molecolepiccole (monomeri) che sono il materiale dipartenza.

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DEFINIZIONE DI MATERIALE POLIMERICO

Un materiale polimerico è costituito da una misceladi macromolecole di diversa lunghezza ottenutedalla ripetizione regolare di un motivo strutturale(unità ripetitiva) derivato da una o più molecolepiccole (monomeri) che sono il materiale dipartenza.

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CLASSIFICAZIONE DEI POLIMERI

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STRUTTURA

OMOPOLIMERI

COPOLIMERI

LineariRamificati

AlternatiStatisticoA blocchiReticolati

CLASSIFICAZIONE DEI POLIMERI

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MECCANISMI DIPOLIMARIZZAZIONE

POLICONDENSAZIONE

POLIADDIZIONE

i monomericontengono ungruppo funzionaleche può essereperso

il monomerocontiene almeno undoppio legame

POLIMERIZZAZIONE• Ogni catena reagendo si accresce in lunghezza in modoindipendente dalle altre e le masse molari non sono tutteuguali

• Le catene sono tenute insieme da forze di coesione ditipo Van der Waals o London

• Le proprietà del materiale dipendono sia dalla lunghezzamedia delle catene che dalla dispersione statistica dellemasse molari cioè dal fatto che la lunghezza sia poco omolto variabile intorno a un valore medio

• Le proprietà meccaniche dipendono dal peso molecolare,migliorano all’aumentare del peso molecolare

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POLIDISPERSIVITA’

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Quando si sintetizza un polimero si ottengono catene dilunghezza diversa.

Il peso molecolare medio di un polimero sarà quindi una mediadi tutti i pesi delle diverse catene (può essere misuratosperimentalmente)

media numerica Mn = Σi Ni Mi dove Mi massa singola catenaΣi Ni

media ponderale Mw = Σi gi Mi = Σi Ni Mi2 dove gi massa di tutte

Σi gi Σi Ni Mi le catene Ni aventimassa Mi

Il rapporto Mn/Mw è l’indice di dispersione ovvero della larghezzadella curva di distribuzione delle masse molari ed maggiore di 1.

CONFIGURAZIONE DELLE CATENE

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Un polimero si dice stereoregolare quando le unitàmonomeriche si succedono lungo la catena con configurazionisteriche (o spaziali) ordinate secondo una regola detta tassìa

➢ ATATTICA: il sostituente R in stereocentrisuccessivi è distribuito in maniera casuale

➢ ISOTATTICA: tutti i sostituenti R sono situati dalla stessa parte del piano contenente la catena

➢ SINDIOTATTICA: i sostituenti R si alternano dalle due parti del piano contenente la catena

CRISTALLINITA’ DEI POLIMERIÈ una compattazione delle catene con una distribuzioneatomica ordinata.

Le strutture cristalline sono descritte in termini di celleunitarie, spesso molto complesse.

A differenza delle sostanze con molecole piccole (acqua,metano,…) che di norma sono o cristalline ocompletamente amorfe, i polimeri, per le loro dimensioni ecomplessità, sono parzialmente cristallini dettisemicristallini, con regioni cristalline disperse in una massaamorfa.

Il grado di cristallinità varia da zero (amorfo) a circa 95%(quasi completamente cristallino).

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CRISTALLINITA’ DEI POLIMERIA parità di peso molecolare, la densità di un polimero cristallinoè maggiore del corrispondente amorfo.Pertanto il grado di cristallinità può essere determinatosperimentalmente mediante misure di densità.

Il grado di cristallinità dipende:

• dalla composizione chimica• dalla configurazione delle catene• dalla velocità di raffreddamento durante la solidificazione• dal processo di lavorazione

I polimeri ad alta cristallinità hanno in genere proprietàmeccaniche migliori.

I polimeri amorfi sono spesso trasparenti poiché sono omogeneie non assorbono le radiazioni di luce visibile

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CRISTALLINITA’ DEI POLIMERI

Polimeri che cristallizzano facilmente

Polimeri che cristallizzano difficilmente

Unità ripetitive chimicamente semplici (es.

polietilene, politetrafluoroetilene)

Unità ripetitive chimicamente complesse (es.

Poliisoprene)

Polimeri lineari Polimeri ramificati, a legami

incrociati, reticolati

Sindiotattici e isotattici Atattici

Copolimeri alternati e a blocchi

Copolimeri casuali e ad innesto

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PROPRIETA’ MECCANICHEQuando una barra di un materiale è sottoposto all’azionedi una forza progressivamente crescente tende adeformarsi.

La curva sforzo-deformazione serve per descrivere ilcomportamento meccanico di un materiale e possiamoricavare informazioni sul carico di rottura, lo snervamentoe il modulo di elasticità.

Nella maggior parte dei casi sono fortemente influenzatedalla velocità di deformazione, dalla temperatura e dallanatura chimica dell’ambiente circostante.

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COMPORTAMENTO DEI POLIMERI

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(A) polimero fragile: si rompe puressendo ancora in campo elastico

(B) polimero plastico: inizialmentesi ha deformazione elastica, seguitada snervamento e da una regione acomportamento plastico

(C) polimero elastico: si hadeformazione completamenteelastica di tipo gommoso(elastomeri)

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLE PROPRIETA’ MECCANICHE

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TERMOPLASTICHE

➢Le catene di questi polimeri hanno una strutturalineare e ramificata ma non sono unite tra loro dalegami trasversali

➢Possono essere cristallini o amorfi

➢Acquistano plasticità e modellabilità sottol’azione del calore e della pressione; possonoquindi essere forgiate e mantengono la forma seraffreddate (proprietà reversibile)

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLE PROPRIETA’ MECCANICHE

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ELASTOMERI

➢Materiali totalmente amorfi le cui catene sonolineari ma legate tra loro da alcuni legamiponte.

➢Tali legami permettono lo scorrimento dellecatene l’una sull’altra durante l’allungamentoe ne permettono il ritorno alla situazioneiniziale senza deformazioni permanenti(gomma vulcanizzata)

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLE PROPRIETA’ MECCANICHE

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TERMOINDURENTI

➢Materiali che per effetto del calore rammollisconoe successivamente induriscono in modoirreversibile

➢Sono costituiti da catene lineari che, sotto l’azionedel calore, reticolano conferendo alla strutturauna certa rigidità e inderformabilità

➢Solo a temperature molto elevate si possonospezzare i legami e distruggere il polimero.

➢Sono in genere più duri e più resistenti deitermoplastici.

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLE PROPRIETA’ MECCANICHE

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FIBRE

➢Sono costituite da catene lineari,stereoregolari e cristalline che presentanoun’elevata tenacità meccanica e resistenza allatrazione

➢Le catene non possono scorrere l’una sull’altraa causa di forze di tipo Van der Waals o legamia idrogeno

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Polietilene PE (-CH2-CH2-)n

➢ Il LDPE è un materiale termoplastico, ramificato, conuna cristallinità compresa tra il 40 e il 55%

➢ HDPE è un materiale termoplastico con una cristallinitàcompresa tra il 60 e il 80%, può essere miscelato con ilLDPE e può essere rinforzato con fibre di vetro.

➢ I vari tipi di PE non assorbono acqua, sono resistentiagli agenti chimici e sotto i 60 °C sono insolubili in tuttii solventi

➢ E’ adatto per il contatto con generi alimentari

USI: tubi, raccordi, film, buste, giocattoli, rivestimenti dicavi, parti per l’industria meccanica

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Polipropilene PP

➢ I polimeri isotattici sono termoplastici con cristallinitàdel 60 - 70%, non assorbono l’acqua, resistenti adagenti chimici e ai solventi ma sensibili agli ossidanti

➢ I polimeri atattici sono amorfi e sono prodotti inmodeste quantità.

➢ Il polipropilene viene variamente colorato, rinforzatocon farina di legno, fibre di vetro.

➢ E’ adatto per il contatto con generi alimentari

USI: isolanti elettrici, tubi, valigie, fibre, film, pratiartificiali

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Polistirene (polistirolo)

➢E’ un materiale termoplastico amorfo, rigido,fragile a temperatura ambiente, abbastanzatrasparente e basso assorbimento di acqua.

➢E’ solubile in molti solventi organici ma èinfiammabile

➢Raramente viene rinforzato.

USI: imballaggi e contenitori trasparenti, siringhemonouso, giocattoli, posate monouso, righelli

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Copolimeri di Polistirene

➢Stirene-butadiene SB: materiale antiurto, perparti di mobili, corpi di elettrodomestici, radioe televisioni

➢Acrilonitrile-butadiene-stirene o resine ASB:termoplastica amorfa, rigida ma tenace,rinforzabile con fibre e parti metalliche è usataper sedie, parti di elettrodomestici, caschi,scafi e valigie.

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Polivinilcloruro PVC

➢ I vari tipi di PVC sono polimeri termoplastici, amorfi,con caratteristiche meccaniche e di stabilità termicamigliori nei prodotti ad alto grado di polimerizzazione

PVC non plastificato: è addizionato di stabilizzanti, è duro,rigido, resistente, scarsamente infiammabile.USI: tubi in pressione, bottiglie, tapparelle, grondaie,dischi, CD

PVC plastificato: è flessibile ed elastico a seconda del tipodi plastificante e della percentuale.USI: guarnizioni, film flessibili, finta pelle, palloni, preseelettriche

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Polimetilmetacrilato PMMA

➢E’ un materiale termoplastico amorfo, rigido atemperatura ambiente, assorbe l’acqua e deveessere essiccato prima delle lavorazioni

➢E’ resistente ai solventi non polari ma èinfiammabile

USI: vetri, lenti per occhiali, penne, manici, tubi,pettini, giocattoli

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Poliammidi PA (Nylon)

➢ La poliammide 6 è il polimero del caprolattame mentre lealtre PA sono prodotti di condensazione lineare di acidibicarbossilici e diammine.

➢ Sono prodotti parzialmente cristallini (60%) concaratterisitiche meccaniche che dipendono dallacomposizione chimica

➢ Poco adatte per il contatto con alimenti acquosi

➢ Lo stiramento (fibre) aumenta notevolmente la durezza e laresistenza

USI: parti di macchine (ingranaggi, cuscinetti, guarnizioni),materiale isolante elettrico, maniglie, rubinetti, fibre, corde,setole per spazzole.

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Polietilentereftalato PET

➢Prodotto di policondensazione, lineare,termoplastico, può essere amorfo o parzialmentecristallino.

➢ Il polimero amorfo è meno rigido e piùdifficilmente lavorabile

➢ Il polimero cristallino si lavora meglio e ha piùalte caratteristiche meccaniche e buona tenacità

USI: parti di macchine, valvole, cerniere, maniglie,bottiglie, interruttori, fibre.

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Policarbonati PC

➢Polimero termoplastico, amorfo, con ottimecaratteristiche meccaniche e resistenzachimica.

➢E’ trasparente, con buon isolamento elettrico,basso assorbimento di acqua e può essereusato a contatto con gli alimenti

USI: vetri, stoviglie, elettrodomestici, elmi ecaschi, penne a sfera, valvole, ventole, film

PRINCIPALI MATERIE PLASTICHE

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Politetrafluoroetilene PTFE

➢ Polimero termoplastico, lineare, molto cristallino concaratteristiche meccaniche che dipendono dal grado dicristallinità e dagli additivi aggiunti

➢ E’ molto resistente agli agenti chimici e ai solventi, nonassorbe l’acqua, ha un buon potere isolante elettrico,buona resistenza alle alte temperature.

➢ Non è incollabile ed è difficile da saldare

USI: tubi rigidi e flessibili, guarnizioni, cuscinetti, padelleantiaderenti, materiali a contatto con sostanze aggressive