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Polimeri
Polimeri naturali e sintetici
I polimeri sono macromolecole, costituiti dalla ripetizione di monomeri, uguali o diversi, uniti tra loro tramite legami covalenti. A seconda della loro origine, i polimeri sono distinti in due gruppi: naturali e sintetici. I polimeri naturali sono macromolecole biologiche che rappresentano i costituenti fondamentali degli organismi viventi. Appartengono a questo gruppo i polisaccaridi (cellulosa, amido e glicogeno), proteine e acidi nucleici (DNA e RNA) I polimeri sintetici sono macromolecole prodotte attraverso reazioni chimiche di sintesi, a partire da monomeri derivati dagli idrocarburi. Polimeri di sintesi come il polietilene, il teflon, il cellophane, il plexiglass, il nylon e le fibre acriliche sono utilizzabili in tantissimi oggetti di uso comune, come contenitori, pellicole per alimenti, bottiglie per l’acqua e vernici.
Omopolimeri e Copolimeri
Un omopolimero è un polimero costituito da un solo tipo di monomero. Il polietilene è un omopolimero che deriva dalla reazione di polimerizzazione di un solo monomero, l’etilene Un copolimero è un polimero costituito da monomeri diversi. La gomma stirene-butadiene è un polimero che deriva dalla reazione di polimerizzazione di due monomeri diversi, lo stirene e il butadiene. In base alla disposizione dei diversi monomeri all’interno della catena si distinguono 4 tipi di copolimeri: Copolimeri random, costituiti da monomeri con una sequenza casuale Copolimeri alternati, costituiti da una sequenza di monomeri che si alternano nella catena. Copolimeri a blocchi, costituiti dall’alternarsi di blocchi ciascuno composto da un solo tipo di monomero. Copolimeri a innesto, costituiti da una catena principale di un omopolimero a cui sono legate catene di un omopolimero diverso.
Le catene polimeriche hanno diversa massa molecolare
La massa molecolare di un polimero si riferisce a una media statistica delle masse molecolari delle diverse catene polimeriche. La massa molecolare media è definita da due valori: La massa molecolare media numerica (Mn) è la media aritmetica della massa molecolare delle catene.
La massa molecolare media ponderale (Mw) è la media ponderale della massa molecolare delle catene.
Polimeri di addizione e di condensazione
Polimeri di addizione
La polimerizzazione per addizione è un meccanismo in cui il polimero si forma per addizioni successive dello stesso monomero. La polimerizzazione per addizione avviene in tre stadi:
- Inizio, si forma un gruppo atomico (un radicale, un carbocatione o un carbanione) che deve iniziare il processo di polimerizzazione.
- Propagazione, il radicale o il carbocatione o il carbanione reagisce con i monomeri formando una catena.
- Terminazione, avviene una reazione chimica che blocca l’allungamento del polimero. Il meccanismo di polimerizzazione per addizione può avvenire per addizione radicalica, addizione cationica e addizione anionica.
Polimerizzazione per addizione radicalica
La polimerizzazione per addizione radicalica è un meccanismo di reazione a catena in cui ha l’addizione di radicali liberi. I radicali liberi sono fortemente instabili e reattivi per cui tendono a reagire facilmente, formando un legame covalente con altre specie chimiche per raggiungere la stabilità. La conseguenza di questo comportamento è che le reazioni radicaliche sono molto veloci e seguono un meccanismo a catena. I monomeri che polimerizzano per via radicalica sono molecole caratterizzate dalla presenza di un doppio legame carbonio-carbonio. Per dare inizio alla polimerizzazione è necessario un iniziatore radicalico, una molecola che subisce facilmente la rottura omolitica di un legame covalente omopolare per effetto del calore, della luce o di una reazione di ossidoriduzione. A seconda dell’agente che provoca la rottura omolitica, gli iniziatori radicalici sono distinti in: Termici, se originano radicali quando sono sottoposti al calore. Fotochimici, se generano radicali in presenza di radiazioni ultraviolette. Redox, se formano radicali a seguito di reazioni di ossidoriduzione.
Polimerizzazione per addizione cationica
È un meccanismo di reazione a catena in cui si ha l’addizione di un carbocatione. I monomeri che polimerizzano per via cationica sono molecole in grado di comportarsi da donatori di
Le proprietà dei polimeri
Composizione chimica
Un polimero è cristallino quando le catene assumono una disposizione regolare nello spazio. Un polimero è amorfo quando le catene hanno una disposizione spaziale irregolare. I polimeri semicristallini sono polimeri in cui sono presenti catene disposte in modo ordinato e catene con disposizione disordinata. I polimeri cristallini sono più resistenti mentre i polimeri amorfi sono più flessibili. I polimeri di condensazione (PET e nylon) sono semicristallini.
Stato fisico dipende dalla temperatura di transizione vetrosa
La transizione vetrosa è un fenomeno che consiste nella trasformazione di un polimero amorfo o semicristallino da uno stadio rigido a uno stato gommoso. Questa trasformazione si verifica in corrispondenza della temperatura di trasformazione vetrosa (tg), in riferimento alla quale si possono distinguere due situazioni: A temperature inferiori alla tg le catene polimeriche hanno una mobilità limitata e il polimero si presenta rigido e vetroso. A temperature superiori alla tg le catene polimeriche hanno una mobilità elevata e il polimero assume uno stato gommoso I polimeri cristallini e semicristallini presentano anche una temperatura di fusione (tf) al di sopra della quale un polimero è allo stato fuso.
I polimeri possono essere classificati in base alle proprietà fisiche
Le proprietà fisiche di un polimero dipendono dalla natura chimica dei monomeri e dalla loro disposizione nella catena polimerica. Il copolimero stirene-butadiene, noto con il nome di gomma SBR, unisce la flessibilità caratteristica del polibutadiene alla tenacità tipica del polistirene. Infatti, l’aggiunta del polistirene alla gomma polibutadienica, conferisce al polimero una maggiore resistenza meccanica pur mantenendo buone proprietà elastiche. La gomma SBR trova impiego in
moltissime applicazioni come la produzione di pneumatici, tubi e suole di scarpe. In base al loro comportamento, i polimeri possono essere suddivisi in tre gruppi: Gli elastomeri o gomme sono polimeri, che possono subire un allungamento quando sono sottoposti a una tensione, recuperando la dimensione originaria, una volta cessata la forza. I plastomeri sono polimeri che, per effetto del riscaldamento, diventano viscosi e fluidi, una volta impartita loro una forma, solidificano per raffreddamento. Le resine sintetiche sono polimeri la cui lavorabilità cambia a seconda della temperatura. Nelle resine termoplastiche l’aumento della temperatura porta alla fusione del polimero, in quelle termoindurenti l’aumento di temperatura provoca l’indurimento irreversibile del materiale.
I polimeri nella vita quotidiana
I polimeri sono materiali complessi e possono contenere degli additivi, dei coloranti o degli stabilizzanti, che li rendono ignifughi (resistenti al fuoco). La loro degradazione può essere di tipo fisico o chimico e da essa dipende la permanenza del polimero nell’ambiente: La degradazione termica può provocare la rottura di legami nella catena polimerica e modifica i gruppi funzionali presenti. La degradazione meccanica modifica l’aspetto del materiale. La degradazione ossidativa cambia le proprietà meccaniche e le caratteristiche estetiche. La degradazione fotochimica origina da reazioni radicaliche che vanno a modificare le catene polimeriche. I polimeri sono molto stabili e necessitano lunghi periodi di tempo per essere degradati, motivo per cui occorrono soluzioni sostenibili per ridurre l’impatto legato al loro accumulo nell’ambiente. Per far fronte all’esigenza di avere materiali polimerici ecocompatibili, negli ultimi anni sono stati immessi sul mercato polimeri biodegradabili. Un polimero si dice biodegradabile quando può essere decomposto in modo naturale dai decompositori presenti nell’ambiente.
