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Un’introduzione ai Materiali Polimerici

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di Vincenzo Villani

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

Che cosa è un ‘Materiale’ ed in particolare un ‘Materiale Strutturale’?  In un certo senso, tutta la materia può essere considerata un materiale strutturale in quanto resiste ad almeno la forza di gravità. Tuttavia, si parla di materiale strutturale quando la funzione di resistere alle sollecitazioni meccaniche, forze e momenti, gioca il ruolo primario. In questo senso un materiale strutturale va a costituire una ‘Struttura Meccanica’ il cui scopo è quello di resistere agli sforzi applicati. E che dire dei ‘Materiali Polimerici’? Ovviamente si tratta di quei materiali strutturali costituiti da macromolecole, di origine naturale o di sintesi. Per i Biopolimeri la resistenza meccanica è la conseguenza di una lunga selezione operata dall’evoluzione biologica, per i polimeri di sintesi è il risultato dello sviluppo storico delle reazioni di polimerizzazione.
granuli di materiale polimerico di sintesiMetalli, ceramici e polimeri sono le tre classi fondamentali in cui sono classificati i materiali strutturali. Dunque, definiamo ‘materiale strutturale’ la materia di cui sono fatte le ‘strutture meccaniche’. Inoltre, le proprietà viscoelastiche dei fluidi polimerici (resistenza allo sforzo di taglio) sono d’interesse della reologia, la scienza che studia il comportamento meccanico dei materiali allo stato liquido.
Il legno del tronco degli alberi è un biomateriale strutturale di grande interesse per le sue proprietà meccaniche. I biomateriali delle strutture biologiche sono generalmente compositi polimerici dalla morfologia elaborata. Un composito ha una morfologia eterogenea in cui ad esempio, in una matrice continua sono disperse fibre, a varie scale di grandezza, per aumentarne la resistenza. Polipeptidi e polisaccaridi sono i biopolimeri strutturali fondamentali. I polipeptidi delle ‘proteine strutturali’ sono distribuiti massimamente nel regno animale; i polisaccaridi delle strutture di sostegno massimamente nel regno vegetale.
beta-polisaccarideTra le proteine strutturali ricordiamo la cheratina dei capelli, delle unghie, nonché delle piume degli uccelli. Il collagene della pelle e dei tendini; l’elastina della pelle, delle arterie e dei polmoni: la ‘gomma dei vertebrati’ che assieme al collagene forma un ‘elastomero tenacizzato’. Al contrario, la chitina è il -polisaccaride alla base dell’esoscheletro degli artropodi, comprendendo insetti e crostacei. Il polisaccaride strutturale più diffuso nel regno vegetale è la cellulosa che rappresenta il polimero più abbondante sulla Terra:

Nel legno le fibre di cellulosa sono immerse in una matrice polimerica amorfa a base di lignina (un polifenolo che funge da legante) ed emicellulosa dalla struttura ramificata. Il legno, tra i più nobili biomateriali, utilizzato dall’uomo sia come materiale da costruzione che come fonte d’energia dagli albori della civiltà, è un composito polimerico dalla struttura altamente elaborata.
Polipeptidi e polisaccaridi formano la matrice extracellulare nei vertebrati: il tessuto connettivo. Le principali proteine in questione sono collagene ed elastina, interfacciate da proteoglicani (una macromolecola dallo scheletro proteico con catene laterali di polisaccaridi) ed acido ialuronico.
acido ialuronico - struttura molecolare

L’acido ialuronico è presente nell’umore vitreo, nel liquido sinoviale delle articolazioni, nella pelle (la cui carenza partecipa alla formazione delle rughe) conferendo a questi proprietà reologiche e meccaniche uniche.
Spesso i biomateriali negli organismi viventi sono associati ad una componente (matrice) inorganica. È quanto avviene nelle ossa, denti, conchiglie, corallo… in cui le proteine sono associate all’idrossiapatite Ca5(PO4)3OH e al carbonato di calcio CaCO3.

La Pontiac Delux Six (1939) ribattezzata ‘Ghost Car’, la prima auto americana con la carrozzeria interamente in plexiglas. E’ sovrapposta la struttura molecolare del PMMA.

La Pontiac Delux Six (1939) ribattezzata ‘Ghost Car’, la prima auto americana con la carrozzeria interamente in plexiglas. E’ sovrapposta la struttura molecolare del PMMA.

Per quanto concerne i Materiali polimerici di sintesi, la bachelite fu il primo ad essere completamente polimerizzato in laboratorio a partire da composti a basso peso molecolare, i monomeri. Il materiali polimerici sono raggruppati in due grosse classi, termoplastici e termoindurenti. I termoplastici possono essere amorfi (come il polimetilmetacrilato, PMMA o plexiglas) o semicristallini (come il polipropilene), la loro struttura molecolare può essere lineare o ramificata. I termoindurenti sono polimeri amorfi caratterizzati da una struttura molecolare reticolata. A loro volta i termoindurenti si presentano come elastomeri o resine a seconda del grado di reticolazione, basso o alto rispettivamente.

La bachelite è una resina fenolica reticolata ottenuta dalla polimerizzazione per condensazione (con eliminazione di molecole d’acqua) di fenolo e formaldeide:
step di sintesi della bachelite

Le sue modeste qualità meccaniche, bassa resistenza alla frattura (tenacità), sin dall’inizio furono incrementate per aggiunta di una componente eterogenea sotto forma di particelle (grafite, mica, farina fossile, …) o fibre (di vetro, carbonio,…) preparando un materiale composito tenacizzato.

Leo Baekeland (1863–1944), chimico Belga-Americano, inventore della carta fotografica Velox e della Bachelite. Fu detto: "The father of the plastics industry". E’ sovrapposta la struttura molecolare della resina fenolo-formaldeide.

Leo Baekeland (1863–1944), chimico Belga-Americano, inventore della carta fotografica Velox e della Bachelite. Fu detto: “The father of the plastics industry”. E’ sovrapposta la struttura molecolare della resina fenolo-formaldeide.

La bachelite fu sintetizzata da Leo Baekeland nel 1907. Baekeland, trasferitosi dal Belgio negli USA, inventò la carta fotografica Velox che cedette alla Kodak per una cifra fantastica . Divenuto ricco si dedicò alla sintesi di un materiale completamente artificiale per sostituire la gommalacca, un materiale dielettrico necessario alla nascente industria dell’elettricità. La lacca indiana è un biopolimero prodotto dalla cocciniglia femmina di un parassita degli alberi della foresta indo-tailandese. Il parassita succhia la linfa ed elabora la lacca che utilizza per aderire alla corteccia dell’albero. La gommalacca è un polimero termoplastico dalla composizione complessa non completamente caratterizzata (a base di terpeni e carboidrati, essenzialmente).

Baekeland ed il suo assistente durante il duro lavoro al "bakelizer"

Baekeland ed il suo assistente durante il duro lavoro al “bakelizer”

All’inizio del ’900 con lo sviluppo impetuoso dell’industria elettrica, i materiali dielettrici divennero molto richiesti e la disponibilità di gommalacca insufficiente. La bachelite risultò essere un ottimo isolante e si affermò in moltissime componenti elettrotecniche. Baekeland ideò uno specifico reattore (un’autoclave) per condurre con successo la policondensazione. Il “Bakelizer” operava ad alta temperatura e pressione spostando l’equilibrio dai monomeri verso il polimero.

Gioielli, telefoni, penne stilografiche, radio, palle da biliardo, posacenere, macchine fotografiche, parti di automobili ed infiniti altri oggetti d’uso comune furono preparati.
Il classico telefono in bachelite.
La sua fragilità fu risolta realizzando il primo composito polimerico. La bakelite rappresentò lo sviluppo di resine semisintetiche come la celluloide e la galalite ottenute rispettivamente a partire dalla cellulosa e dalla caseina. A sua volta, è stato il capostipite dalle resine melamminiche (la celebre fòrmica), ureiche, uretaniche, epossidiche… che hanno permesso l’ottenimento di compositi fibrosi o laminati resistenti e tenaci di ampia diffusione.

sintesi di una resina melaminica

sintesi di una resina melaminica

Una risposta a Un’introduzione ai Materiali Polimerici

  • mara de luca scrive:

    salve mi scuso x l’intrusione ma non so a chi rivolgermi;nè se questo è il luogo adatto perdonatemi vi sarò grata se mi aiuterete a capire.ho cercato di essere sintetica ma è lunga lo stesso .mi dispiace :( sono una casalinga e a volte mi capita di dover disinfettare alcuni panni /bucati. mi è stato consigliato -apppunto -il perossido d’ idrogeno a 130 vol nella concentrazone di 1 a 4 ,poco + di un mezzo bicchiere a lavaggio ;e ciò basandosi sulla formulazione del napisan .ed io così ho fatto. ma ho pensato che potevo risparmiare prodotto e corrente se l’ho utilizzavo alla concentrazione minima x la disinfettazione x la cute -10 vol-ovviamente su panni asciutti e al 20 se strizzati e tutti questi ragionamenti e verifiche dei fatti che x brevità non dico mi hanno portato a capire che non c’è proporzine tra i miei calcoli e la dose scritta sul napisan .dov’è l’errore? datemi, per favore risposte che possa capire ,perche quando si insinua un dubbio non ho pace grazie

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