Polimeri termoplastici: curva stress-strain, classificazione

Caratteristiche dei Polimeri Termoplastici

I polimeri termoplastici sono materiali che mostrano una diminuzione significativa della viscosità quando riscaldati e mantengono la capacità di fluire anche a temperature elevate per un periodo di tempo prolungato. Dopo il raffreddamento, questi polimeri si induriscono e mantengono la forma impressa, grazie alla reversibilità della trasformazione, sebbene vi sia sempre una certa degradazione che limita il numero di cicli possibili.

Comportamento sotto Sforzo

Studiare la curva sforzo-deformazione dei polimeri termoplastici permette di comprendere come si deformino in risposta a una forza esterna. Questo comportamento dipende dal movimento delle catene polimeriche sotto sforzo. Nella regione O-A della curva, si osserva un andamento lineare che rispetta la legge di Hooke. Man mano che si passa dalla regione A-B, lo sforzo e la deformazione non sono più proporzionali, ma il materiale ritorna alla sua forma originaria quando il carico viene rimosso. Il punto B sulla curva è il limite elastico, mentre il punto D rappresenta la resistenza allo snervamento del materiale.

Lavorazione dei Polimeri Termoplastici

Durante la lavorazione dei polimeri termoplastici, è consigliabile operare a basse viscosità e alte temperature, mantenendo la stabilità termica del materiale. Nei polimeri parzialmente cristallini, il raffreddamento al di sotto dei punti di fusione delle zone cristalline può generare condizioni metastabili e fenomeni di postcristallizzazione.

Applicazioni del Polietilene

Un esempio comune di polimero termoplastico è il polietilene, ampiamente utilizzato in svariate applicazioni industriali e domestiche grazie alla sua versatilità e resistenza. Il polietilene è un materiale che offre una buona combinazione di proprietà meccaniche ed è facilmente riciclabile, il che lo rende una scelta popolare in diversi settori.

In conclusione, i polimeri termoplastici sono materiali che presentano caratteristiche uniche che li rendono ampiamente utilizzati in diversi settori industriali e commerciali. La comprensione del comportamento sotto sforzo di questi materiali è fondamentale per garantirne un corretto impiego e sfruttarne appieno le potenzialità.Il polietilene rappresenta uno dei polimeri termoplastici più diffusi per via della sua versatilità e dei suoi molteplici impieghi. Si ottiene principalmente attraverso il processo di poliaddizione ed è ampiamente prodotto a livello mondiale.

Il polietilene è costituito da una lunga catena di atomi di carbonio, ognuno legato a due atomi di idrogeno. Il monomero base per la sintesi del polietilene è l’etene (CH₂=CH₂), il più semplice degli alcheni, ottenuto dall’industria petrolchimica attraverso processi di pirolisi degli idrocarburi o di disidratazione dell’etanolo.

A seconda del metodo di polimerizzazione utilizzato, si ottengono polimeri termoplastici con differenti pesi molecolari e gradi di ramificazione, che conferiscono loro proprietà distintive.

Classificazione

Il polietilene può essere classificato in diversi tipi:

1)

UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene)

: presenta un peso molecolare estremamente elevato, una struttura cristallina e molecole ben impaccate, ottenuto tramite polimerizzazione per coordinazione di metalloceni.

2)

HDPE (High Density Polyethylene)

: a bassa ramificazione e alta densità, prodotto mediante polimerizzazione con catalizzatori Ziegler-Natta.

3)

LDPE (Low Density Polyethylene)

: più ramificato dell’HDPE e a bassa densità, ottenuto tramite polimerizzazione radicalica.

4)

LLDPE (Linear Low Density Polyethylene)

: lineare, a bassa densità, ottenuto per polimerizzazione di etene e α-olefine con catalizzatori Ziegler-Natta.

5)

MDPE (Medium Density Polyethylene)

: a densità media, con meno ramificazioni rispetto al LDPE.

6)

PEX (Cross-linked Polyethylene)

: reticolato, prodotto dall’HDPE in presenza di perossidi.

L’UHMWPE trova applicazioni nelle protesi articolari, grazie alle sue eccellenti proprietà antiattrito, resistenza alle sollecitazioni meccaniche e biocompatibilità. Per contrastare l’usura abrasiva e ossidativa, si preferisce utilizzare il PEX stabilizzato con vitamina E.

Ottenimento dell’HDPE

L’High Density Polyethylene (HDPE) si ottiene a pressioni comprese tra 10 e 80 atm e temperature tra 80 e 150°C, utilizzando catalizzatori Ziegler-Natta o Phillips.

I catalizzatori Ziegler-Natta sono utilizzati in sinergia con reagenti di supporto per produrre polietilene ad alta densità con caratteristiche specifiche.

Composti Organometallici e l’innovazione dei Polimeri Termoplastici

I composti organometallici, formati da alogenuri di titanio e trialchilallumino, hanno rivoluzionato il campo delle materie plastiche. Grazie a questi composti, utilizzati come catalizzatori, Karl Ziegler e Giulio Natta hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1963. Questi catalizzatori sono ampiamente impiegati nella sintesi del polietilene e del polipropilene.

Il catalizzatore Phillips, un catalizzatore eterogeneo composto da ossido di cromo supportato da gel di silice, è responsabile per la produzione di oltre il 50% del polietilene mondiale. Il polietilene ad alta densità è conosciuto per la sua flessibilità, resistenza agli agenti atmosferici e chimici, e facilità di lavorazione, adatto per bottiglie destinate alla conservazione alimentare e per una vasta gamma di utilizzi, come mobili da giardino.

Polietilene a Bassa Densità

Il polietilene a bassa densità (LDPE) viene prodotto a basse pressioni (1000-3000 atm) e temperature moderate (130-300 °C) a causa della natura esotermica della reazione. Questo tipo di polietilene è ottenuto attraverso una polimerizzazione radicalica con l’uso di iniziatori come perossidi organici. Il prodotto finale è caratterizzato da un numero di atomi di carbonio compreso tra 4000 e 40000, con la presenza di piccole catene laterali.

Il LDPE ha un basso peso specifico ed è resistente agli urti, all’umidità e alle sostanze chimiche. Tuttavia, presenta una ridotta resistenza al calore e un’elevata espansione termica. Questo materiale è comunemente impiegato in fili e cavi isolanti, tubi, bottiglie, utensili, buste per la spesa, giocattoli e come film plastico.

Polipropilene Isotattico

Il polipropilene isotattico è un altro polimero termoplastico di notevole importanza. Esso è ottenuto grazie a specifici processi di polimerizzazione che conferiscono al materiale una struttura cristallina e una maggiore resistenza rispetto ad altri tipi di polipropilene. Questo tipo di polipropilene è ampiamente impiegato in svariate applicazioni, tra cui contenitori, tubazioni, imballaggi e apparecchiature medicali. La sua versatilità e resistenza lo rendono un materiale di scelta in numerose industrie.

In conclusione, l’innovazione dei composti organometallici e la scoperta di nuovi catalizzatori hanno permesso lo sviluppo di materiali plastici avanzati, che hanno rivoluzionato diversi settori industriali.

Scoperta e Applicazioni del Polipropilene Isotattico: Dal Premio Nobel di Natta a Oggi

Il polipropilene isotattico è uno dei polimeri termoplastici più performanti sul mercato. Fu sviluppato negli anni ’60 dalla Montecatini e brevettato come Moplen. L’unico Premio Nobel per la Chimica italiano, Giulio Natta, ricevette il riconoscimento nel 1963 per i suoi studi sulla sintesi di questo polimero, che ha avuto un impatto significativo sulla vita di tutti i giorni.

Proprietà del Polipropilene

Il polipropilene presenta diverse proprietà che lo rendono estremamente versatile e adatto a molteplici utilizzi, tra cui:

– Bassa densità
– Elevata rigidità
– Resistenza termica
– Inerzia chimica
– Buona elasticità
– Caratteristiche meccaniche notevoli come elevato carico di snervamento, resilienza e durezza
– Buone caratteristiche dielettriche alle alte frequenze

Sintesi del Polipropilene

La sintesi del polipropilene avviene a partire dal propene, un’α-olefina composta da tre atomi di carbonio. La reazione di polimerizzazione è stata scoperta grazie alla collaborazione tra il chimico tedesco Karl Ziegler e il Premio Nobel Giulio Natta negli anni ’50. Questa partnership portò alla scoperta dei catalizzatori stereospecifici chiamati ancora oggi catalizzatori Ziegler-Natta.

Il polipropilene è stato prodotto a partire dal petrolio, creando un materiale leggero e resistente che ha rivoluzionato numerosi settori produttivi. Tra le sue applicazioni, vi sono la produzione di siringhe, tubi, bottiglie, indumenti usa e getta, articoli casalinghi e dispositivi tecnologici come cavi, supporti per circuiti integrati, membrane isolanti e batterie per auto.

In conclusione, il polipropilene isotattico, grazie alle sue caratteristiche uniche e alle sue molteplici applicazioni, resta uno dei polimeri più importanti e utilizzati nel panorama industriale contemporaneo.

Produzione di Polipropilene Isotattico: Il Ruolo del Catalizzatore

Il catalizzatore utilizzato nella sintesi del polipropilene isotattico svolge un ruolo fondamentale nell’orientare in modo preciso tutti i gruppi -CH3 sullo stesso lato della catena polimerica in modo stereospecifico.

Catalizzatore e Co-catalizzatore

Il catalizzatore è composto da tricloruro di titanio TiCl3 o tetracloruro di titanio TiCl4, affiancati da Al(C2H5)2Cl o Al(C2H5)3 come co-catalizzatori. Nel caso del sistema TiCl3/Al(C2H5)2Cl, il tricloruro di titanio si presenta nella forma cristallina α-TiCl3, in cui ogni atomo di titanio è coordinato a sei atomi di cloro con geometria ottaedrica.

Processo di Sintesi

Sulla superficie del cristallo di TiCl3, il titanio è circondato da cinque atomi di cloro a causa dell’interruzione della struttura cristallina, creando un orbitale d disponibile. Questo permette al titanio superficiale di interagire con il gruppo -C2H5 legato all’alluminio, formando un centro attivo capace di interagire con il monomero di propene.

Quando il propene si avvicina al centro attivo, il gruppo metile si orienta dalla stessa parte per minimizzare gli ingombri sterici. Gli elettroni del legame π del propene riempiono l’orbitale d disponibile del titanio, formando un complesso che porta alla crescita del polimero.

Il processo si ripete più volte, con l’aggiunta di ulteriori monomeri di propene che vanno a riempire gli orbitali d disponibili del titanio, fino a ottenere il polipropilene isotattico desiderato.

Produzione di Polistirene: Un Polimero Termoplastico Aromatico

Il polistirene è un polimero termoplastico aromatico ottenuto dal monomero stirene, noto anche come feniletene, un derivato del petrolio.

Polistirene: un idrocarburo solido

Il polistirene è un polimero termoplastico solido a temperatura ambiente, che diventa morbido a 100°C e ritorna allo stato solido quando si raffredda. Questo materiale è costituito esclusivamente da atomi di carbonio e idrogeno, classificandosi quindi come un idrocarburo. Gli atomi di carbonio si legano tramite legami covalenti, alternando legami a due atomi di idrogeno e legami a un atomo di idrogeno e un gruppo fenilico.

Polimerizzazione del Polistirene

La produzione di polistirene avviene in tre fasi:

1. Ottenimento dell’etilbenzene dal benzene.
2. Produzione di feniletene.
3. Polimerizzazione del feniletene.

Per ottenere l’etilbenzene, si fa reagire il benzene con l’etene a circa 900°C e 20 atm di pressione, in presenza di un catalizzatore acido. Questo processo è noto come reazione di alchilazione Friedel-Crafts, con l’utilizzo industriale di un catalizzatore denominato ZSM-5, un alluminosilicato conosciuto come zeolite.

Successivamente, i vapori di etilbenzene vengono mescolati con vapore acqueo in presenza di ossido di ferro (III) come catalizzatore per la deidrogenazione, producendo feniletene, il monomero necessario per la polimerizzazione.

Il polistirene viene ottenuto mediante una reazione di addizione per via radicalica, in cui i monomeri si legano conformemente a un meccanismo testa-coda, formando catene polimeriche lineari ad alto peso molecolare.

Meccanismo di Produzione

Nel processo di polimerizzazione, vengono utilizzati iniziatori come perossidi, tra cui il perossido di benzoile, che si decompone in due parti quando riscaldato. Questi iniziatori catalizzano la reazione, contribuendo alla formazione della struttura molecolare del polistirene.

La Formazione di Radicali nei Polimeri Termoplastici

Nei polimeri termoplastici, come il polistirene, la formazione di radicali è un processo fondamentale che porta alla produzione di lunghe catene polimeriche. Questi radicali reagiscono con i monomeri per dare inizio alla reazione di polimerizzazione.

Rottura del Doppio Legame e Formazione di Radicali

Durante la reazione, il doppio legame all’esterno dell’anello benzenico si rompe per consentire la formazione dei radicali, evitando la perdita di risonanza nell’anello stesso.

Il radicale così generato reagisce con lo stirene, dando vita a un’altra specie radicalica che, a sua volta, si lega ad altre molecole di stirene nel processo di propagazione.

Proprietà del Polistirene

Il polistirene è disponibile sul mercato in diverse forme, tra cui il polistirene espanso. Questo materiale è resistente agli acidi (tranne quelli ossidanti), alle basi e all’acqua, ma si scioglie in solventi organici come l’acetone e i composti aromatici.

Grazie alle sue proprietà, il polistirene è utilizzato come isolante termico, resistente al fuoco e impermeabile all’acqua. Inoltre, è adottato negli interni degli edifici per prevenire la formazione di muffe grazie alla sua permeabilità al vapore acqueo.

Il Polivinilcloruro (PVC)

Il polivinilcloruro, noto come PVC, è uno dei polimeri termoplastici più versatili e trova applicazioni in svariati settori, come l’edilizia, l’industria automobilistica, i giocattoli, gli imballaggi e il campo medico. Viene impiegato per tubi, grondaie, pavimenti di vinile, sistemi di drenaggio e contenitori per fluidi.

In conclusione, la formazione di radicali nei polimeri termoplastici come il polistirene e l’utilizzo del PVC evidenziano la versatilità e le molteplici applicazioni di questi materiali nella vita quotidiana.

Le Proprietà del PVC

Il PVC presenta eccellenti doti di isolamento elettrico, resistenza agli urti e alle sostanze chimiche. Questo materiale è di per sé ignifugo, ma in casi specifici possono essere aggiunti dei ritardanti di fiamma. La sua versatilità deriva dalla compatibilità con diversi additivi, come i plastificanti, che conferiscono flessibilità al materiale. Esistono diversi tipi di PVC, come il PVC-U non plastificato e il PVC plastificato, ognuno con caratteristiche e utilizzi specifici.

Sintesi del Vinilcloruro

Il vinilcloruro (VCM) è il monomero fondamentale per la produzione del PVC. Esso è ottenuto a partire dal cloroetene, un alchene con formula C2H3Cl. L’etene, detto anche etilene, viene prodotto industrialmente attraverso il cracking termico di gas naturali, etano e altri idrocarburi ad alto peso molecolare. Il cloroetene, a sua volta, viene ottenuto in diversi stadi di sintesi. Uno di questi prevede la sintesi dell’1,2-dicloroetano tramite clorurazione dell’etene o ossiclorurazione in presenza di acido cloridrico e ossigeno.

Il vinilcloruro è infine prodotto mediante cracking termico dell’1,2-dicloroetano, che a temperature di 500°C e pressioni di 15-30 atm si decompone in cloruro di vinile e HCl.

Fonti:
– [Ritardanti di fiamma nei polimeri](https://chimica.today/chimica-organica/ritardanti-di-fiamma-nei-polimeri/)
– [Plastificanti](https://chimica.today/chimica-organica/plastificanti/)
– [Gas naturale](https://chimica.today/tutto-chimica/gas-naturale/)
– [Etano](https://chimica.today/chimica-organica/etano/)
– [Cracking degli idrocarburi](https://chimica.today/chimica-generale/cracking-degli-idrocarburi/)
– [Reforming catalitico](https://chimica.today/chimica-organica/reforming-catalitico/)
– [Industria petrolchimica](https://chimica.today/chimica-organica/industria-petrolchimica/)
– [Acido cloridrico](https://chimica.today/chimica-generale/acido-cloridrico/)
– [Reazioni di decomposizione](https://chimica.today/chimica-generale/reazioni-di-decomposizione/)

Polimerizzazione del Cloruro di Vinile: un processo radicico

La polimerizzazione del cloruro di vinile avviene attraverso un meccanismo radicalico che include una fase iniziale denominata iniziazione. Durante questa fase, si forma un radicale partendo da un perossido che viene riscaldato o esposto alla luce, secondo la seguente reazione:

Formazione dei radicali:

La reazione di iniziazione genera radicali con la seguente equazione: R-O-O-R → 2 RO∙

Il radicale creato durante l’iniziazione reagisce con il cloruro di vinile, formando un carbonio radicalico che darà origine ad un altro radicale di maggior peso molecolare. Questo processo, chiamato propagazione, si ripete numerose volte, producendo una lunga catena polimerica.

Terminazione del processo:

La terminazione avviene quando un radicale collide con un altro, sia esso RO∙ o un carbonio radicalico, formando così il PVC, che può essere rappresentato come segue.

Utilizzi del PVC:

Oltre alle sue svariate applicazioni, come nel caso dei dischi in vinile che hanno segnato un’epoca, il PVC è stato utilizzato in molteplici settori. Tuttavia, non possiamo ignorare il lato oscuro legato alla sua produzione.

Impatto ambientale e sulla salute:

La produzione di PVC ha avuto inizio in Italia negli anni ’50, ma ha provocato un notevole impatto ambientale e ha portato alla morte di molti operai esposti al VCM. Già nel 1974, la letteratura scientifica evidenziava la responsabilità del VCM nell’insorgenza di angiosarcomi al fegato, confermandone la cancerogenicità in altri organi come il cervello e i polmoni.

Attualmente, sono state adottate rigorose misure di sicurezza per proteggere la salute di chiunque entri in contatto con il VCM durante il processo di produzione e di utilizzo del PVC.I pericoli associati ai polimeri in chimica organica

La produzione e l’utilizzo dei polimeri in chimica organica possono comportare rischi per i lavoratori e per l’ambiente. Ecco alcuni dei pericoli da tenere sotto controllo:

Polietilene

Il polietilene è uno dei polimeri più diffusi ed è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni. Tuttavia, la sua produzione e la sua lavorazione possono generare emissioni nocive per l’ambiente e per la salute umana. [Per saperne di più su chimica.today](https://chimica.today/chimica-organica/polietilene/).

Polivinilcloruro

Il polivinilcloruro (PVC) è un altro polimero ampiamente impiegato, ma la sua produzione può implicare l’emissione di gas tossici. È fondamentale adottare misure di sicurezza adeguate durante la manipolazione del PVC. [Ulteriori informazioni su chimica.today](https://chimica.today/chimica-organica/polivinilcloruro/).

Polistirene

Il polistirene è comunemente utilizzato in ambito domestico e industriale, ma può rilasciare sostanze dannose nell’ambiente se smaltito in modo improprio. È importante gestire in modo corretto il riciclaggio del polistirene. [Maggiori dettagli su chimica.today](https://chimica.today/chimica-organica/polistirene/).

Polipropilene isotattico

Il polipropilene isotattico offre proprietà meccaniche eccellenti, ma la sua lavorazione può comportare rischi per i lavoratori a causa delle alte temperature coinvolte nel processo. È necessario adottare misure antinfortunistiche adeguate. [Approfondimenti su chimica.today](https://chimica.today/chimica-organica/polipropilene-isotattico/).

Polimeri termoindurenti e termoplastici

I polimeri termoplastici e termoindurenti sono ampiamente utilizzati nell’industria, ma la loro lavorazione può comportare emissioni nocive e rischi per la salute. È fondamentale adottare precauzioni per evitare esposizioni dannose. [Per ulteriori dettagli consulta chimica.today](https://chimica.today/chimica-organica/polimeri-termoindurenti-e-termoplastici/).

In conclusione, i polimeri in chimica organica offrono numerosi vantaggi, ma è fondamentale gestirli in modo responsabile per prevenire potenziali rischi per la salute e per l’ambiente.