Polimeri termoindurenti e termoplastici
I composti macromolecolari presentano un larghissimo spettro di proprietà a seconda se sono polimeri termoindurenti o termoplastici.
I cicli tecnologici impiegabili e le applicazioni pratiche possibili per i diversi polimeri sono determinati dalle loro proprietà e, in primo luogo dalle caratteristiche meccaniche. A seconda del modulo elastico (grandezza che esprime il rapporto tra tensione e deformazione), carico di rottura ( limite oltre il quale un materiale risulta inservibile ), grado di cristallinità, della rigidità e della flessibilità si possono distinguere tre categorie di prodotti: materie plastiche, fibre ed elastomeri.
Le materie plastiche rigide sono polimeri amorfi; esempi tipici: polistirene, polimetilmetacrilato, resine fenoliche e resine ammidiche. Le materie plastiche flessibili hanno discreti valori di cristallinità; esempi tipici: polietilene, polipropilene. Le fibre sono caratterizzate in genere da alti valori della cristallinità; esempi tipici: poliesametilendiammide, polietilentereftalato. Gli elastomeri sono polimeri amorfi che, in molti casi, sviluppano una cristallizzazione per effetto dell’allungamento, incrementando così la resistenza meccanica; esempi tipici: poliisoprene, policloropropene.
Polimeri termoindurenti
Sono indicati con il nome di termoindurenti quei polimeri che, in opportune condizioni di temperatura e/o in presenza di particolari sostanze si trasformano in materiali rigidi, insolubili e infusibili. Questa trasformazione si verifica in seguito a reazioni di reticolazione (processo tramite il quale le catene polimeriche vanno incontro a una reazione che crea legami fra diverse catene a livello di gruppi funzionali reattivi) detto curing che avvengono fra le catene polimeriche con formazione di legami forti (covalenti o ionici).
Alcuni polimeri termoindurenti vengono reticolati per mezzo del solo calore oppure attraverso combinazioni di pressione e calore, mentre altri possono essere reticolati attraverso reazioni chimiche a temperatura ambiente (reticolazione a freddo). Tali polimeri sono difficilmente riciclabili in quanto i nuovi legami formati a seguito delle operazioni di reticolazione sono definitivi. Esaminando l’andamento della viscosità con la temperatura, quando viene superato il punto di rammollimento si verifica una iniziale diminuzione della viscosità: si è in presenza di uno stato plastico che consente la lavorazione del materiale.
Ad un certo punto, però, subentra la reticolazione e si ha un progressivo aumento della viscosità che conduce all’indurimento del materiale. Ne consegue che i materiali termoindurenti possono essere lavorati con le stesse tecnologie dei materiali termoplastici, purché la lavorazione sia portata a termine in condizioni nelle quali i polimeri conservino la loro plasticità e si abbia cura che la reticolazione avvenga in una fase successiva allorquando è stata impartita al materiale la sua forma definitiva.
Usi
I polimeri termoindurenti sono usati come materiali da stampaggio, nel settore degli adesivi, in quello delle vernici e degli smalti e trovano utilizzo come isolanti degli aerei . I due polimeri termoindurenti più noti sono il poliuretano (PU) e il teflon (o politetrafluoroetilene PTFE) ; quest’ultimo è utilizzato nell’industria chimica per la realizzazione di guarnizioni e parti destinate al contatto con agenti corrosivi stante la sua inerzia chimica.
Polimeri termoplastici
Sono detti termoplastici quei polimeri che presentano al riscaldamento forti decrementi di viscosità
Inoltre essi conservano la proprietà di scorrere a temperature elevate per un tempo relativamente lungo.
A seguito di raffreddamento riacquistano si induriscono e conservano la forma impartita.
La trasformazione è reversibile anche se c’è sempre una certa degradazione che limita il numero di cicli possibili. E’ interessante studiare una tipica curva sforzo- deformazione (stress-strain) per questo tipo di materiali per capire come essi si deformino a seguito dell’applicazione di una forza dall’esterno. Tale comportamento dipende dal modo in cui le catene polimeriche si muovono l’una rispetto all’altra in condizioni di sforzo.
Curva stress-strain
Si nota nel primo tratto della curva un andamento lineare che denota un comportamento elastico. Non appena la forza applicata sia annulla, le catene ritornano alla loro posizione originaria (punto A)
Nel secondo tratto della curva è presente un comportamento elastico non lineare. L’applicazione di uno sforzo maggiore può portare alla deformazione di interi segmenti di catena. Quando lo sforzo finisce essi ritornano nella loro posizione originaria, ma in tempi lunghi (da alcune ore a diversi mesi) (punto B)
Nel terzo tratto quando la forza applicata supera un certo valore (yield strength) tipico di ogni polimero, è indotta nel materiale una deformazione plastica permanente ( punto C). La curva presenta, oltre tale punto un minimo e poi risale gradualmente.
Lavorazione
Nella lavorazione dei polimeri termoplastici è opportuno operare a basse viscosità e ad alte temperature, compatibilmente con la stabilità termica del materiale. Per i polimeri parzialmente cristallini in caso di raffreddamento della massa al di sotto del punto di fusione delle zone cristalline si possono verificare condizioni metastabili. Si hanno quindi conseguenti fenomeni di postcristallizzazione. Tra i polimeri termoplastici più noti ricordiamo il polietilene (PE), il polietilentereftalato (PET), il polipropilene (PP).