Le materie plastiche sono materiali organici a elevato peso molecolare, cioè costituite da molecole con una catena molto lunga (macromolecole), che determinano in modo essenziale il quadro specifico delle caratteristiche dei materiali stessi.^[1]

Possono essere costituite da polimeri puri o miscelati con additivi o cariche varie. I polimeri più comuni sono prodotti a partire da sostanze derivate dal petrolio, ma vi sono anche materie plastiche sviluppate partendo da altre fonti.

La IUPAC (Unione internazionale di chimica pura e applicata) nel definire le materie plastiche come “materiali polimerici che possono contenere altre sostanze finalizzate a migliorarne le proprietà o ridurre i costi“, raccomanda l’utilizzo del termine polimeri al posto di quello generico di plastiche.^[2]

Sviluppo storico

Il modello tedesco di radio costruito in bachelite, 1933 (Volksempfänger)

Di seguito vengono riportate (in ordine cronologico) alcune tappe dello sviluppo delle materie plastiche.

• 1855: il chimico svizzero Georges Audemars produce in laboratorio il rayon.^[3]
• 1861: Alexander Parkes brevetta il primo materiale plastico.
• 1869: lo statunitense John Wesley Hyatt scopre la celluloide.^[4]
• 1907: il chimico belga-statunitense Leo Hendrik Baekeland produce la bachelite.^[4]
• 1920: il chimico tedesco Hermann Staudinger ipotizza la struttura macromolecolare delle materie plastiche.^[4]
• 1926: Waldo Semon della BF Goodrich introduce l’uso dei plastificanti per la sintesi del polivinilcloruro (PVC).
• 1928: viene sviluppato il polimetilmetacrilato (PMMA).^[4]
• intorno agli anni venti e trenta: vengono commercializzate le resine ureiche.^[4][5]
• 1935: Wallace Carothers della DuPont sintetizza il nylon.^[6]
• 1937: vengono messe in commercio le resine polistireniche.^[4]
• 1938: viene sintetizzato il politetrafluoroetilene (o PTFE, brevettato e commercializzato come Teflon nel 1950).^[4]
• 1941: viene prodotta la prima fibra poliestere, il Terylene.^[3]
• 1941: viene sintetizzato il poliuretano da William Hanford e Donald Holmes.^[3]
• 1953: il chimico tedesco Karl Ziegler sintetizza il polietilene (PE).^[4]
• 1954: il chimico italiano Giulio Natta produce il polipropilene isotattico (commercializzato con il nome Moplen).^[4]
• 1963: Ziegler e Natta ottengono il premio Nobel per la chimica come riconoscimento dei loro studi sui polimeri.^[4]

Descrizione

Materiali polimerici

I materiali polimerici sono generalmente il risultato della reazione di polimerizzazione di una quantità di molecole base (monomeri) per formare catene anche molto lunghe. Si parla di omopolimeri se il monomero è unico, copolimeri se il polimero è ottenuto da due o più monomeri diversi, e di leghe polimeriche se il materiale è il risultato della miscelazione di due monomeri che polimerizzano senza combinarsi chimicamente.

Un materiale polimerico è in genere composto da macromolecole costituite dallo stesso tipo di unità ripetitiva, ma il numero di unità ripetitive varia per ciascuna macromolecola, per cui le macromolecole che costituiscono un materiale polimerico hanno diversa lunghezza, quindi è necessario conoscere la distribuzione dei pesi molecolari (ovvero la percentuale di macromolecole aventi una specifica lunghezza) per determinare le proprietà chimico-fisiche del materiale polimerico in esame.

Classificazione dei materiali polimerici

I materiali polimerici puri si suddividono in:

• termoplastici: acquistano malleabilità, cioè rammolliscono, sotto l’azione del calore; possono essere modellati o formati in oggetti finiti e quindi per raffreddamento tornano ad essere rigidi; tale processo può essere ripetuto tante volte

• termoindurenti: dopo una fase iniziale di rammollimento per riscaldamento, induriscono per effetto della reticolazione; nella fase di rammollimento per effetto combinato di calore e pressione risultano formabili; se vengono riscaldati dopo l’indurimento non tornano più a rammollire, ma si decompongono carbonizzandosi;
• elastomeri: presentano elevata deformabilità ed elasticità.

Dal punto di vista pratico, in genere si sfruttano delle opportune mescole, costituite da uno o più materiali polimerici più l’aggiunta di additivi. Per tale motivo, alla classificazione standard dei materiali polimerici si affianca una classificazione “commerciale”, secondo la quale i materiali polimerici si dividono in:

• fibre: sono dotati di notevole resistenza meccanica e hanno scarsa duttilità rispetto agli altri materiali polimerici; ciò vuol dire che sono materiali che si allungano poco se sottoposti a trazione e possono resistere a elevati carichi di rottura;
• materie plastiche: formulate a partire da termoplastici e termoindurenti;

• resine: particolari materie plastiche formulate a partire da termoindurenti;

• gomme: formulate a partire da elastomeri.

Le caratteristiche vantaggiose delle materie plastiche rispetto ai materiali metallici e non metallici sono la grande facilità di lavorazione, l’economicità, la colorabilità, l’isolamento acustico, termico, elettrico, meccanico (vibrazioni), la resistenza alla corrosione e l’inerzia chimica, nonché l’idrorepellenza e l’inattaccabilità da parte di muffe, funghi e batteri. Quelle svantaggiose sono l’attaccabilità da parte dei solventi (soprattutto le termoplastiche) e degli acidi (in particolare le termoindurenti) e scarsa resistenza a temperature elevate.

Altra peculiarità è la bassa densità specifica -che conferisce un’elevata leggerezza- compresa fra un minimo di 0,04 – 1 kg/dm³ per il polistirolo a un massimo di 2,2 kg/dm³ del politetrafluoruetilene (PTFE)^[7], con una resistenza fisica molto eterogenea a seconda del tipo di plastica.

La plastica si ottiene dalla lavorazione del petrolio. Lo smaltimento dei rifiuti plastici, quasi tutti non biodegradabili, avviene di solito per riciclaggio o per stoccaggio in discariche: bruciando materiali plastici negli inceneritori infatti si possono generare diossine (solo per quanto riguarda i polimeri che contengono atomi di cloro nella loro molecola, come ad esempio il PVC), una famiglia di composti tossici. Queste difficoltà hanno incentivato negli ultimi anni la diffusione della bioplastica, in cui una piccola percentuale di resina è sostituita da farine vegetali quale quella di mais.

Aggiunta di cariche

Schema rappresentativo dell’aggiunta di cariche, additivi e plastificanti al polimero e successive lavorazioni fino all’ottenimento dei granuli.

Alla base polimerica vengono aggiunte svariate sostanze ausiliarie (“cariche”, additivi e plastificanti) in funzione dell’applicazione cui la materia plastica è destinata. Tali sostanze possono essere plastificanti, coloranti, antiossidanti, lubrificanti ed altri componenti speciali.

Tali sostanze hanno quindi la funzione (tra le altre) di stabilizzare, preservare, fluidificare, colorare, decolorare, proteggere dall’ossidazione il polimero, e in genere modificarne le proprietà reologiche (lavorabilità), aspetto e resistenza in funzione dell’applicazione che se ne intende fare.

Polimeri termoplastici

I polimeri termoplastici possono essere fusi e rimodellati più volte. Hanno una struttura molecolare “a catena aperta”, ovvero presentano un basso grado di reticolazione.

Polietilene PE

Formula di struttura del polietilene

Esiste un’ampia tipologia di polietilene. Fra i diversi tipi abbiamo:

• HDPE (polietilene ad alta densità): È resistente agli urti.
  • Usi: Flaconi, shoppers, tubi per l’acqua e tubi per gas.
• LDPE (polietilene a bassa densità): È la plastica più leggera. È sensibile al calore ma resiste agli agenti chimici. Ha un buon isolamento elettrico.
  • Usi: Sacchetti, imballaggi, pellicole per alimenti.
• UHMWPE (polietilene ad ultra-alto peso molecolare): Presenta alta resistenza all’abrasione, alta resilienza e basso coefficiente d’attritoradente.
  • Usi: Solette per sci, snowboard.

Polistirene

Formula di struttura del polistirene

• PS (polistirene o, più comunemente, polistirolo): Duro e rigido.
  • Usi: Scotch per le auto, giocattoli, oggetti d’arredamento, stoviglie in plastica, gusci di elettrodomestici.
• Polistirene espanso: Resina polistirenica a forma schiumosa; ha bassissimo peso specifico e conducibilità termica; buona elasticità.
  • Usi: Imballaggi, isolamento termico ed elettrico dei muri

Altri polimeri termoplastici

Formula di struttura del polietilene tereftalato

Formula di struttura del polivinilcloruro

• PET (polietilene tereftalato): Consente di ottenere fogli sottili e leggeri. Resistente al calore fino a 250 °C ed impermeabile ai gas.
  • Usi: Contenitori per liquidi, vaschette per frigo e forno.
• PVC (polivinilcloruro o cloruro di polivinile): È la plastica più utilizzata. Ha buone proprietà meccaniche e chimiche.
  • Usi: Finestre, serramenti esterni, giocattoli, bottiglie, contenitori, grondaie, calzature, rivestimenti di fili elettrici, tapezzerie, finta pelle.
• PP (polipropilene): È resistente al calore ed agli agenti chimici. Ha un buon isolamento elettrico.
  • Usi: Nel settore casalingo, parti di elettrodomestici, valigeria, imballaggi, lastre e tubazioni per l’edilizia.
• PA – poliammide (nylon): Una fra le prime plastiche scoperte. Resistente all’usura e non infiammabile.
  • Usi: Ingranaggi, apparecchi radiotelevisivi, abbigliamento.
• Resine acriliche: Simili al vetro perché sono trasparenti.
  • Usi: fusori delle lampade, coperture trasparenti, oggetti d’arredamento.
• nitrato di cellulosa e/o celluloide: La prima plastica in assoluto ad essere scoperta. Simile alla madreperla
  • Usi: pettini, tasti, oggetti che imitano l’avorio.
• ABS (Acrilonitrile butadiene stirene): Giocattoli, modellismo, stampa 3D.
• PLA (acido polilattico): prodotta utilizzando come materia prima il mais, tramite un processo biotecnologico che permette di ottenere capacità produttiva elevata e una gamma di prodotti diversificati;
  • Usi: contenitori compostabili, stampa 3D.
• PTFE: Politetrafluoroetilene comunemente noto come Teflon

Polimeri termoindurenti

Possono essere formati una sola volta, perché, se sottoposti al calore una seconda volta, carbonizzano.

Resine termoindurenti

• Resine fenoliche: Le caratteristiche dipendono dai materiali con cui sono mescolate.
  • Usi: Settore casalingo, mobili per televisori.
• Resine poliuretaniche: dure e colorate. Hanno buone proprietà meccaniche e sono facilmente lavorabili.
  • Usi: Spine, prese, elettrodomestici, interruttori.
• Resine melamminiche: Buona resistenza alle alte temperature e all’umidità.
  • Usi: Laminati, settore casalingo, arredamenti, vernici.
• Resine epossidiche: Eccellente adesività, resistenza al calore e chimica. Inoltre possiedono buone proprietà meccaniche e sono ottimi isolanti elettrici.
  • Usi: Vernici, rivestimenti, adesivi e materiali compositi.
• Resine poliesteri insature: Sono leggere, facilmente lavorabili e resistenti agli agenti atmosferici.
  • Usi: Piscine, coperture per tetti.
• Resine vinilestere: Caratteristiche molto simili alle resine poliestere ma dotate di migliori caratteristiche chimiche e meccaniche.
  • Usi: Manufatti sportivi (canoe, piccole imbarcazioni), serbatoi per uso alimentare.

Classificazione delle materie plastiche

Le materie plastiche si classificano con il sistema americano detto SPI (Society of the Plastics Industry), che consiste in un triangolo (simbolo del riciclo) e un numero corrispondente a un tipo di materia plastica.

Lavorazioni delle materie plastiche

Rappresentazione di un estrusore

Molte materie plastiche (nylon, teflon, plexiglas ecc.) si prestano bene a processi di produzione industriale con macchine utensili in modo del tutto analogo ai materiali metallici; per questo vengono spesso prodotte in semilavorati (barre, profilati, lastre eccetera) da cui i prodotti finiti (ad esempio boccole, rulli, anelli, perni, ruote) vengono ricavati con lavorazioni meccaniche.

Tra le lavorazioni a cui vengono sottoposte le materie plastiche, si annoverano:^[8]

• stampaggio per compressione
• stampaggio ad iniezione^[9]
• stampaggio per trasferimento
• formatura per estrusione^[10]
• calandratura
• spalmatura
• colata
• soffiaggio^[11]
• termoformatura^[12]
• estrusione in bolla
• pultrusione
• vulcanizzazione.

Stampaggio per compressione

Lo stampaggio per compressione è un processo di lavorazione impiegato per le materie plastiche termoindurenti (ma talvolta è utilizzato anche per i termoplastici).^[8]

Nello stampaggio per compressione il polimero, inizialmente in forma di polvere o pellet (pastiglie),^[8] viene sottoposto ad elevate pressioni, e in questa maniera si realizza il processo di reticolazione.

Stampaggio ad iniezione

La lavorazione più usata per produrre in serie oggetti in plastica è lo stampaggio ad iniezione. Si fa con speciali presse (dette “presse per iniezione termoplastica”), che fondono i granuli di materia plastica e la iniettano ad alta velocità e pressione negli stampi, dove il polimero, raffreddandosi, assume la geometria voluta.^[8]

Lo stampaggio per iniezione viene impiegato sia nel caso di materiali termoplastici che termoindurenti.^[8]

Stampaggio per trasferimento

Nello stampaggio per trasferimento il polimero viene portato ad una temperatura tale da rammollirsi e al tempo stesso evitando la reticolazione, che viene svolta successivamente, in uno stampo chiuso in cui la massa rammollita viene trasferita (da cui il nome del processo).^[8]

Formatura per estrusione

Nella formatura per estrusione il materiale viene spinto grazie ad una vite attraverso un’apertura. La forma finale del polimero (che fluisce in maniera continua) dipende dalla geometria dell’apertura.^[8]

Questo processo si utilizza per i materiali termoplastici e talvolta per quelli termoindurenti.^[8] I tubi in plastica vengono prodotti tramite questo processo.

Soffiaggio

Utilizzato per produrre corpi cavi (come bottiglie, fustini, bombole) consiste nel dilatare una certa porzione di resina di forma cilindrica con un getto d’aria sotto pressione, fino a farla aderire alle pareti di uno stampo; la produzione di oggetti cilindrici è realizzata facendo precedere la fase di soffiatura da una fase di estrusione per la realizzazione del tubo di alimentazione alla soffiatura. La formatura per soffiatura viene impiegata anche per la produzione dei gusci di certi tipi di casco.

Termoformatura

Un altro processo che ha una buona applicazione nella produzione di prodotti in plastica è la termoformatura, dove si parte da granuli di polistirolo o polipropilene. Si tratta dell’estrusione di film o di lastre che vengono fatte passare, a temperatura adeguata, in uno stampo nel quale l’oggetto voluto viene forgiato con la pressione dell’aria compressa o dell’aria atmosferica, con attrezzature di produzione molto economiche.

Estrusione in bolla

Un metodo diffuso per ottenere pellicole di polietilene è l’estrusione in bolla. Consiste nel far passare il polimero scaldato dall’estrusore attraverso una filiera circolare posta in posizione orizzontale. Il film ottenuto è raffreddato e fatto passare attraverso una calandra di traino che chiude il sistema. È anche inserita dell’aria per aumentare il volume del sistema, gonfiando ciò che assomiglia molto ad un pallone. In questo modo si produce il film termoretraibile usato per produrre imballaggi.

Pultrusione

La pultrusione è un processo continuo che permette di produrre profilati plastici rinforzati da fibre, come ad esempio la fibra di carbonio e la fibra di vetro e fibra tessile

Bibliografia

• Hansjürgen Saechtling, Manuale delle materie plastiche, 9ª ed., Tecniche Nuove, 2006, ISBN 88-481-1671-X.
• Materie plastiche. Microsoft Student 2008 (DVD), Microsoft Corporation, 2007 (archiviato dall’url originale il 16 febbraio 2009).
• Filippo Cangialosi, Proprietà e lavorazione delle materie plastiche, EuroPass, ISBN 88-89354-00-3.
• Sergio Antonio Salvi, Plastica Tecnologia Design, Milano, Hoepli, 1997, ISBN 88-203-2294-3.
• Vittorio Villavecchia, Gino Eigenmann, Ivo Ubaldini, Nuovo dizionario di merceologia e chimica applicata, Volume 5, Hoepli, 1975, ISBN 88-203-0532-1.
• (EN) Klaus Weissermel, Hans-Jürgen Arpe, Charlet R. Lindley, Industrial organic chemistry, 4ª ed., Wiley-VCH, 2003, ISBN 3-527-30578-5.
• M. Guaita, F. Ciardelli, F. La Mantia, Fondamenti di scienza dei polimeri, Nuova Cultura, 2006, ISBN 88-89362-90-1.
• (EN) Francesco La Mantia, Handbook of plastics recycling, iSmithers Rapra Publishing, 2002, ISBN 1-85957-325-8.
• (EN) Francesco Paolo La Mantia, Recycling of plastic materials, ChemTec Publishing, 1993, ISBN 1-895198-03-8.

Fonte: Wikipedia

Categorie:D30.08- Materie plastiche