Il Concetto di Cristallinità nei Polimeri
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Il grado di cristallinità di un polimero varia da zero, che indica un polimero completamente amorfo, fino a uno stato completamente cristallino che supera il 95%.
I polimeri non sono composti da una singola specie molecolare, quindi un campione di polimero non può presentare cristallinità come una sostanza pura in cui le molecole sono impacchettate in modo quasi perfetto.
Tuttavia, alcuni polimeri mostrano molte caratteristiche fisiche dei cristalli e vengono definiti cristallini. Nei polimeri cristallini, lunghi segmenti di catene lineari polimeriche sono regolarmente orientati l’uno rispetto all’altro, con discontinuità solo occasionali all’estremità della catena.
La densità di un polimero cristallino è maggiore rispetto a quella di un polimero amorfo con lo stesso peso molecolare, poiché in una struttura cristallina le catene sono raggruppate in modo più compatto.
Metodi di Determinazione del Grado di Cristallinità
Il grado di cristallinità può essere calcolato con precisione misurando la densità secondo la seguente formula:
% di cristallinità = ρc ((ρs – ρa) / ρs (ρc – ρa)
Dove ρs è la densità del campione, ρa è la densità del polimero completamente amorfo e ρc è la densità del polimero completamente cristallino.
La cristallinità di un polimero può essere confermata tramite la diffrazione dei raggi X, che mostra fenomeni simili a quelli dei microcristalli solidi.
Impatto della Struttura Chimica sulla Cristallinità
La cristallinità di un polimero dipende dalla velocità di raffreddamento durante il processo di cristallizzazione. Le catene, se hanno il tempo di muoversi e allinearsi, possono assumere una configurazione ordinata.
La capacità di cristallizzazione di un polimero è influenzata dalla sua struttura chimica. La cristallinità è favorita in polimeri costituiti da monomeri chimicamente semplici e lineari, mentre le ramificazioni laterali riducono la cristallinità. I polimeri reticolati sono tendenzialmente amorfi.
Caratteristiche dei Polimeri Cristallini
I polimeri cristallini, come il nylon e altre fibre sintetiche, sono noti per la loro resistenza e la mancanza di elasticità. Questi materiali hanno la capacità di formare cristalli a causa della presenza di gruppi funzionali polari che favoriscono l’orientamento delle catene polimeriche e l’allineamento dei dipoli tra di esse. Anche le proteine, con la loro struttura ad elica e i legami a idrogeno, mostrano una notevole tendenza alla cristallizzazione.
Il Polipropilene
Il polipropilene è un esempio interessante di polimero cristallino. La sua cristallinità è dovuta alla ripetizione sistematica di una particolare configurazione di centri asimmetrici lungo la catena polimerica, conferendo al materiale una struttura isotattica. Questo significa che tutte le catene contengono gli stessi centri asimmetrici con la stessa configurazione R o S, rendendo il polimero un racemo.
Metacrilato di Metile
Anche piccole irregolarità, come l’introduzione di gruppi stericamente ingombranti, possono ridurre la cristallinità di un polimero. Ad esempio, il metacrilato di metile forma un omopolimero duro e fragile a causa del suo alto grado di cristallinità.
Plexiglass
Il plexiglass, ottenuto dalla copolimerizzazione del metacrilato di metile con acrilato di etile, risulta più resistente e meno fragile. Questo effetto può essere potenziato aggiungendo un plastificante come il sebacato di dietile, che favorisce la formazione di una soluzione solida disordinata tra le catene polimeriche. Gli elastomeri, al contrario, sono sistemi ad alto grado di disordine che subiscono deformazioni plastiche e recuperano la forma originale lentamente, poiché le catene polimeriche si dispiegano in modo disordinato durante la deformazione.
