I POLIMERI

Luca Fambri - Theonis Riccò, Università di Trento

     
Il termine polimero è una parola composta che deriva dal greco 'poli' (molti) e 'meros' (unità o parte) ed è usata per designare una sostanza costituita da grosse molecole ottenute dall'unione in catena di molte piccole molecole di una o più specie. I polimeri esistono in natura; basti pensare alla gomma naturale, ad alcune resine naturali come l'ambra, alla cellulosa, e alle sostanze proteiche.
Accanto alla vulcanizzazione della gomma naturale (Goodyear, 1839), si ricordano alcuni dei primi polimeri come il nitrato di cellulosa (Hyatt, 1868) meglio conosciuto come celluloide, o la resina fenolo-formaldeide (Baekeland, 1909) brevettata poi con il nome di Bakelite. Successivamente con la messa a punto del processo di polimerizzazione, è iniziata la commercializzazione di molti importanti polimeri quali polistirene (1920), polivinilcloruro e polimetilmetacrilato (1927), poliammide (1938), poliestere (1941), polietilene (1942). Ma soltanto nel dopoguerra si realizza in modo estensivo la produzione e lavorazione dei nuovi polimeri, conseguenza anche dello sviluppo di nuove tecnologie di sintesi e di trasformazione. Con l'avvento dei polimeri sintetici viene anche introdotta la parola 'plastica', derivante dal greco 'plastikos' che significa atto a prendere forma o ad essere stampato. Oggi sta ad indicare un materiale ad alto peso molecolare costituito da carbonio e idrogeno, ed eventualmente da ossigeno, azoto ed altri elementi, che si presenti liquido e capace di assumere la forma voluta durante una fase di produzione.
I polimeri possono essere classificati secondo la loro origine (naturale o sintetica), secondo la loro reazione al calore o alla luce, oppure secondo le reazioni di polimerizzazione o la struttura molecolare. In base al comportamento termico, i polimeri vengono distinti in due grosse categorie: termoplastici e termoindurenti. I termoplastici sono polimeri a catena lineare che rammolliscono e fluidificano quando scaldati, e diventano più rigidi mantenendo la forma stabile dopo raffreddamento; questa trasformazione è reversibile e rende possibile il riciclo di tali materiali. I termoindurenti derivano invece da resine fluide o fluidificabili che per trattamento termico solidificano formando una struttura molecolare reticolata con i punti di reticolazione tra una catena e l'altra costituiti da legami chimici; il processo di solidificazione è irreversibile, e tali polimeri sono quindi insolubili ed infusibili con ovvie conseguenze per il riciclo. Alla famiglia dei termoplastici appartengono ad esempio, polimeri acrilici e stirenici, poliolefine, poliammidi, policarbonati, mentre resine epossidiche e fenoliche, poliesteri insaturi e alcuni poliuretani sono termoindurenti.


Andamento della produzione di polimeri nel tempo.

Vantaggi e svantaggi legati all'impiego delle materie plastiche.

Vantaggi:
-ottima processabilità
-resistenza agli agenti chimici e alla corrosione
-buone proprietà isolanti (termiche ed elettriche)
-leggerezza
-disponibilità come materiale trasparente, traslucido o opaco
-disponibilità in una vasta gamma di colori
-competitività economica
Svantaggi:
-instabilità dimensionale
-utilizzabilità in un intervallo ristretto di temperatura
-fragilità
-infiammabilità
-non degradabilità (alcune non si decompongono)


Frequentemente è necessario combinare materiali diversi in una miscela o in un composito, al fine di ottenere proprietà migliori rispetto ai singoli componenti. Alcuni materiali polimerici termoplastici derivano da più sistemi polimerici, ottenuti con opportune tecniche di sintesi o di miscelazione al fine di migliorare alcune proprietà specifiche (come ad esempio la tenacità), di diminuire i costi, o migliorare la processabilità. Inoltre, i polimeri sono additivati con sostanze di varia natura che consentono la modifica di alcune proprietà fisiche del materiale (plastificanti, lubrificanti, coloranti, agenti antistatici, ecc.) o proteggono il materiale da fenomeni di degradazione o di invecchiamento (stabilizzanti, antiossidanti, agenti protettivi contro raggi uv, ritardanti di combustione, ecc.).
L'ottima processabilità delle materie plastiche è forse la caratteristica che maggiormente ha contribuito al successo di questi materiali ed al loro crescente impiego nei più svariati settori. Infatti, questa peculiarità, dovuta essenzialmente alle basse temperature di lavorazione, fa sì che le materie plastiche si siano ampiamente diffuse, sostituendo progressivamente altri materiali con sicuri vantaggi economici. Una delle tecnologie di trasformazione più usate è lo stampaggio ad iniezione che permette di ottenere pezzi anche di grosse dimensioni. Oggi vi sono presse ad iniezione con forza di chiusura che arriva anche a 10,000 tonnellate, in grado di stampare manufatti delle dimensioni di un piccolo battello in un solo stadio. Lo stampaggio ad iniezione si presta molto bene anche per l'ottenimento di pannellature di grandi dimensioni e per pezzi di forma complessa.
Le plastiche sono oggi largamente usate in svariati settori, dagli articoli per la casa al settore aerospaziale, e stanno gradualmente sostituendo materiali più tradizionali. Già agli inizi degli anni '80 il volume di materie plastiche consumate negli Stati Uniti superava quello dei metalli. Un grande impiego ne viene fatto nel settore dell'elettronica, dell'imballaggio, degli elettrodomestici, dello sport e dei trasporti. In particolare, in quest'ultimo settore la crescente domanda di controllo dei gas di scarico per un minore impatto ambientale, e quindi di economia di carburante, fa sì che le materie plastiche siano materiali con grosse potenzialità in virtù della loro leggerezza. La riduzione del peso degli autoveicoli è infatti il modo più efficace per ridurre i consumi.
L'impiego crescente delle materie plastiche in applicazioni strutturali pone il problema di una corretta progettazione che sappia tenere conto delle peculiari proprietà di tali materiali. Infatti, la natura dei polimeri differisce per alcuni aspetti da quella dei materiali da costruzione tradizionali, così che le proprietà possono essere diverse da quelle note, ad esempio, per i metalli. Tenere conto di cio' nelle procedure di disegno e di calcolo può comportare modifiche anche sostanziali delle medesime. Ad esempio, mentre le strutture metalliche tradizionali sono solitamente progettate in modo che il materiale all'interno si mantenga inferiore al suo limite elastico, ciò non è possibile per i polimeri a causa della loro natura viscoelastica. Le formule derivate dalla teoria dell'elasticità lineare non possono essere utilizzate, neppure nel campo delle piccole deformazioni. Sotto questo profilo è fondamentale fissare il tempo di utilizzo della pezzo o della struttura, nel senso che il rispetto delle condizioni progettuali potrà essere assicurato solo entro un arco di tempo prestabilito (progettazione a termine). Inoltre, la complessità e la peculiarità dei modi di cedimento dei polimeri non consente una scelta univoca del criterio di cedimento, e quindi di progettazione, più restrittivo. Queste difficoltà possono essere superate solo con una buona conoscenza del comportamento del materiale.
Nella realtà industriale, il compito di ideare e realizzare il progetto di un componente in materia plastica viene svolto spesso da persone di varia estrazione tecnica e di diversa esperienza: ciò è dovuto al fatto che la realizzazione di un componente richiede spesso un'operazione di sintesi tra le informazioni disponibili sulle proprietà del materiale, le esigenze del trasformatore (di solito, lo stampatore o il progettista di stampi) e le richieste dell'utilizzatore finale. Pertanto, il successo di un progetto dipende in larga misura dalla possibilità di coordinare le varie esperienze e di mantenere una visione globale del problema, tenendo nel debito conto le molteplici esigenze della realtà produttiva. Questo tipo di approccio alla progettazione con le materie plastiche, in cui gioca un ruolo determinante la conoscenza delle proprietà del materiale, è il presupposto indispensabile per l' affidabilità del prodotto e l'ottimizzazione dell'utilizzo delle risorse.
   


Applicazione di resina epossidica su piastre metalliche in acciaio.


Incollaggio delle piastre metalliche sulla superficie intradossale dei travetti in calcestruzzo di un solaio in latero-cemento (beton plaqué).

   
Per un approfondimento su questi argomenti si consiglia la lettura del capitolo 13 del libro "Manuale dei Materiali per l'Ingegneria", AIMAT, Autori Vari, Ed. McGraw Hill Libri Italia, Milano, 1996.