I polimeri

I polimeri

Domitilla Sacconi & Maksim Ganta

I materiali polimerici

Un polimero è una macromolecola a elevata massa molecolare, ottenuta dalla ripetizione di molecole semplici chiamate monomeri e legate tra loro da legami covalenti. Si distinguono in polimeri naturali e sintetici. I materiali polimerici possono essere classificati in base alla loro proprietà fisica: resine, che al loro volta si distinguono in termoplastici e termoindurenti, ed elastomeri.

Catene polimeriche

La polimerizzazione è il processo chimico che permette di sintetizzare i polimeri, verificandosi attraverso reazioni di addizione o condensazione dei monomeri. I polimeri di addizione si ottengono per addizione di monomeri insaturi in seguito all'apertura dei loro doppi legami

Catene polimeriche

I polimeri di condensazione derivano dalla reazione di due diversi gruppi funzionali appartenenti ad un unico monomero, oppure a due monomeri diversi; in entrambi i casi vengono eliminate, come sottoprodotto, molecole di piccole dimensioni (HCl, H2O, ecc.) A sinistra esempi di policondensazione. In entrambi gli esempi vengono formate unità di ripetizione.

Gli omopolimeri sono macromolecole costituite dalla stessa unita di ripetizione, e quando interessa monomeri di due o più tipi diversi si formani capolimeri

La struttura e le proprietà dei polimeri possono variare in: struttura lineare (a), struttura ramificata (b) e struttura reticolata (c). Le catene polimeriche possono disporsi in maniera parzialmente ordinata o in maniera disordinata. Se la maggior parte delle catene sono ordinate, i polimeri sono detti cristallini, se disordinati si dicono amorfi. Il grado di cristallinità è la percentuale in peso che si trova allo stato cristallino.

Additivi

Per ottenere le caratteristiche desiderate si fa uso di additivi, alcuni sono: plastificanti, reticolanti. Si può inoltre colorare i materiali plastici attraverso l'aggiunta di pigmenti e coloranti. Possono inoltre essere usati rinforzanti o riempitivi, sbatilizzanti e lubrificanti.

Il grado di polimerizzazione

• Numero di momomeri (n) = grado di polimerizzazione

• Mp = n x Mmonomero

- Mn = massa molecolare media numerale - Mw = massa molecolare media ponderale

1. OLIGOMERI 2<n<10
2. BASSI POLIMERI 10<n<100
3. MEDI POLIMERI 100<n<1000
4. ALTI POLIMERI n>1000

Indice di dispersione (d) = Mw/Mn

I processi di polimerizzazione

1. Poliaddizione

• Meccanismo a catena
• Catena polimerica = somma delle molecole di uno stesso monomero

1. INIZIO: catalizzatore --> specie attiva che "attacca" per prima il monomero
2. PROPAGAZIONE: allungamento della catena --> i monomeri (C=C) si sommano uno dopo l'altro grazie all'apertura del legame π.
3. TERMINAZIONE: reazione che arresta la crescita del polimero

I processi di polimerizzazione

1. Poliaddizione

1.

POLIADDIZIONE RADICALICA: (c.a 75%) - catalizzatore -> perossido organico (+luce o calore) - specie attiva -> radicali liberi - procedimento -> perossido si scinde in due radicali, radicale + etilene = radicale carbonico, si allunga con lo stesso meccanismo (sempre piu atomi di carbonio), termina quando due radicali si accoppiano fra loro. - polimeri piu importanti -> PVC, polistrene, PE

I processi di polimerizzazione

1. Poliaddizione

2.

POLIADDIZIONE CATIONICA: - catalizzatore -> specie acida - specie attiva -> carbocatione - procedimento -> (soprattutto negli alcheni sostituiti), elettrofilo H+ si attacca al doppio legame generando il carbocatione piu stabile, si unisce ad altre molecole di alchene, termina con l'eliminazione di una H+ dalla catena - polimeri piu importanti -> poliisobutilene (resistente agli acidi, basi, insolubile negli alcoli)

I processi di polimerizzazione

1. Poliaddizione

3.

POLIADDIZIONE ANIONICA: - ottenuta da composti che formano un kegame covalente o ionico con un metallo - specie attiva -> carboanione - procedimento -> nella polimerizzazione dello stirene la carica negativa viene delocalizzata sull'anello benzenico

I processi di polimerizzazione

2. POLICONDENSAZIONE

• Meccanismo a stadi
• Catene in crescita reagiscono via via tra loro o con altri monomeri di partenza
• Utilizzano monomeri che hanno due o piu gruppi funzionali --> reagiscono eliminando piccole molecole
• A ogni stadio si formano composti stabili
• OMOPOLIMERI -> reazione avviene tra due gruppi funzionali dello stesso monomero
• CAPOLIMERI -> reazione avviene tra gruppi funzionali di molecole diverse

1. Poliesteri
2. Poliammidi
3. Policarbonati
4. Polieteri

I processi di polimerizzazione

1.

2. POLICONDENSAZIONE

SINTESI DEL POLIESTERE Tra un acido bicarbossilico o un suo derivato con un diacol (meccanismo della sostituzione nucleofila acilica) Esempio: polietilentereftalato (PET) Processo -> polimerizzazione a stadi del cloruro dell'acido tereftalico con il glicole etilenico, reagiscono e formano un estere dimero + HCl, dimero reagisce con un'altra molecola e forma un trimero, ... , catene sempre piu lunghe per ottenere un polimero Caratteristiche -> struttura rigida e forte, elevato punto di fusione , puo essere riciclato, assorbe poca acqua Utilizzo -> palloni da calcio, tavole da surf, paraurti

I processi di polimerizzazione

2. POLICONDENSAZIONE

2.

SINTESI DEI POLIAMMIDI Tra un acido bicarbossilico, o un suo derivato, e una diammina Esempio: Kevlar Processo -> ottenuto da 1-fenilendiammina e dicloruro di tereftaloiole Caratteristiche -> fibra sintetica molto forte, resistente al calore Utilizzo -> attrezzatura sportiva, vele, pneumatici, giubbotti antiproiettile

I processi di polimerizzazione

2. POLICONDENSAZIONE

3.

SINTESI DEI POLICARBONATI Tra busfenolo-A e fosgene o difenil carbonato Processo -> ottenuto da 1-fenilendiammina e dicloruro di tereftaloiole Caratteristiche -> termoplastici, elevato punto di fusione Utilizzo -> lenti e vetri di sicurezza, fari delle macchine

I processi di polimerizzazione

4.

2. POLICONDENSAZIONE

SINTESI DEL POLIPROPILENE Esperimento 1954 di Natta e Ziegler -> polimerizzano il propilene con TiCl3, ottengono un polipropilene isotattico (gruppi CH3 sono disposti nella stessa parte della catena) Processo -> titanio possiede un orbitale vuoto a cui si unisce il monomero, il gruppo metile sta sempre nel lato di minore ingombro, nella catena i gruppi metili si dispongono a spirale Caratteristiche -> resina termoplastica, alto ordine interno quindi elevato grado di cristallinità = resistenza al riscaldsmento, corrosione e usura Utilizzo -> dal 1960 = Moplen: scolapasta, spazzolini, tappi, tubazioni

I biomateriali polimerici

• Ambito medico -> puo entrare in contatto con organi e tessuti interni del corpo in modo sicuro
• Utilizzo: protesi ortopediche, lenti a contatto, rivestimento per sensori impiantabili
• Vantaggi: buona biocompatibilità, possibilità di modificare composizione e proprietà fisico-meccaniche, basso coefficiente di attrito, facile lavorabilità anche con strutture complesse
• Svantaggi: rilascio nell'organismo di monomeri, catalizzatori e additivi, assorbimento di acqua e biomolecole,
• Le caratteristiche dipendono non solo dal polimero usato ma anche dalle condizioni nei quali è stato prodotto e dalla sua destinazions d'uso (catalizzatori e condizioni di reazione) (temporaneo o permanente)
• Futuro: organi bioartificiali

Le plastiche sostenibili

I biopolimeri sono materiali biodegradabili e compostabili derivati da fonti rinnovabili da origine vegetale o da altri materiali di scarto. Si indica con Mater-Bi una famiglia di bioplastiche che utilizza componenti vegetali, come l'amido di mais e di patate, e polimeri biodegradabili ottenuti da materie prime di origine sia rinnovabile sia fossile. I poliidrossialcanoati (PHA) sono poliesteri lineari della fermentazione batterica di zuccheri e lipidi. Il PLA è un polimero ottenuto dalla polimerizzazione dell'acido lattico, a sua volta derivante dalla fermentazione batterica di scarti della lavorazione dello zucchero.