Le materie plastiche, chiamate comunemente plastica, sono materiali organici a elevato peso molecolare detti polimeri. Sono costituite da molecole con una catena molto lunga (macromolecole), che determinano le proprietà e le caratteristiche dei materiali stessi..
Possono essere costituite da polimeri puri o miscelati con additivi o cariche varie. Le plastiche cosiddette caricate sono composte dalla matrice (proprio il materiale plastico prescelto) all'interno della quale sono annegate fibre di carbonio, di vetro, di kevlar o anche di legno. I polimeri più comuni sono sintetici, derivati cioè dal petrolio, ma esistono anche plastiche realizzate con materiali derivanti da altre fonti nonché le bioplastiche, ottenute a partire da amidi vegetali come quello di mais.
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 di non utilizzare il termine generico "plastiche" al posto di "polimeri".
Storia
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, ottenuto dalla cellulosa ed impiegato come fibra artificiale. 1861: Alexander Parkes brevetta un primo materiale plastico, battezzato parkesina, ottenuto combinando chimicamente la nitrocellulosa e la canfora. 1869: lo statunitense John Wesley Hyatt perfeziona la parkesina e, con l'aggiunta di azoto, brevetta il nitrato di cellulosa, o celluloide. Verrà utilizzato per le pellicole fotografiche e poi cinematografiche, anche se col difetto di essere altamente infiammabile.. 1907: il chimico belga-statunitense Leo Baekeland produce la bachelite, usata soprattutto per fabbricare telai di apparecchi elettrici e le bocce del crescente gioco del biliardo, all'epoca fatte in avorio (zanne di elefante). 1920: il chimico tedesco Hermann Staudinger ipotizza la struttura macromolecolare delle materie plastiche e la loro polimerizzazione, per cui ottiene il premio Nobel per la chimica nel 1953. 1926: Waldo Semon, della BF Goodrich, introduce l'uso dei plastificanti per la sintesi del polivinilcloruro (PVC), partendo da esperimenti sul cloruro di vinile, effettuati ma mai perfezionati da Henri-Victor Regnault nel 1835 e da Eugen Baumann nel 1872. Il PVC viene ancor oggi utilizzato in innumerevoli applicazioni industriali, domestiche e alimentari. 1928: viene sviluppato il polimetilmetacrilato (PMMA), anch'esso utilizzato in innumerevoli applicazioni. intorno agli anni venti e trenta: vengono commercializzate le resine ureiche. 1935: Wallace Carothers della DuPont sintetizza il nylon.. 1937: vengono messe in commercio le resine polistireniche. 1938: viene sintetizzato il politetrafluoroetilene (o PTFE, brevettato e commercializzato come Teflon nel 1950). 1941: viene prodotta la prima fibra poliestere, il Terylene. 1941: da William Hanford e Donald Holmes viene sintetizzato il poliuretano. 1953: il chimico tedesco Karl Ziegler sintetizza il polietilene (PE). 1954: il chimico italiano Giulio Natta, in collaborazione con la Montecatini, produce il polipropilene isotattico (commercializzato con il nome Moplen). 1963: Ziegler e Natta ottengono il premio Nobel per la chimica come riconoscimento dei loro studi sui polimeri. 2000: le bioplastiche diventano producibili su scala industriale ed economicamente sostenibili.
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 raffreddandosi tornano 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: hanno elevata deformabilità ed elasticità.
Dal punto di vista pratico, in genere si sfruttano opportune mescole, costituite da uno o più materiali polimerici con 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; vuol dire 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), 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 fino a un massimo di 2,2 kg/dm³ del politetrafluoruetilene (PTFE), 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 si possono generare diossine (solo per i polimeri che contengono nella molecola atomi di cloro, ad esempio, il PVC), una famiglia di composti tossici. Questi problemi ambientali hanno incentivato negli ultimi anni lo sviluppo e la diffusione della bioplastica, i cui polimeri sono diversi da quelli petroderivati e si ottengono da zuccheri e amidi vegetali come quello di mais (ad esempio il PLA).
Aggiunta di cariche
Alla base polimerica vengono aggiunte svariate sostanze ausiliarie ("cariche", additivi e plastificanti) in funzione dell'applicazione cui la materia plastica è destinata. Possono essere plastificanti, coloranti, antiossidanti, lubrificanti ed altri componenti speciali.
Tali sostanze hanno la funzione di stabilizzare, preservare, fluidificare, colorare, decolorare e proteggere dall'ossidazione il polimero. In genere servono a modificarne le proprietà reologiche (lavorabilità), aspetto e resistenza in funzione della destinazione d'uso.
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)
La tipologia di polietilene è ampia. Fra i diversi tipi abbiamo: HDPE (polietilene ad alta densità): è resistente agli urti. Usi: flaconi, sacchetti, tubi per l'acqua e il gas. LDPE (polietilene a bassa densità): è la plastica più leggera. 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'attrito radente. Usi: solette per sci, snowboard.
Polistirene
PS (polistirene): duro e rigido. Usi: scotch per le auto, giocattoli, oggetti d'arredamento, stoviglie, gusci di elettrodomestici. Polistirene espanso (comunemente detto polistirolo): 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
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, tappezzerie, 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 delle prime plastiche sintetizzate. 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. Simile alla madreperla Usi: pettini, tasti, oggetti che imitano l'avorio. ABS (acrilonitrile butadiene stirene): giocattoli, modellismo, stampa 3D. PLA (acido polilattico): prodotto 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, casalinghi, arredamento, vernici. Resine epossidiche: eccellente adesività, resistenza al calore, resistenza chimica. Possiedono buone proprietà meccaniche e sono ottimi isolanti elettrici. Usi: vernici, rivestimenti, adesivi e materiali compositi. Resine poliesteri insature: leggere, facilmente lavorabili e resistenti agli agenti atmosferici. Usi: piscine, coperture per tetti. Resine vinilestere: dotati di caratteristiche molto simili alle resine poliestere, ma di migliori proprietà chimiche e meccaniche. Usi: manufatti sportivi (canoe, piccole imbarcazioni), serbatoi per uso alimentare.
Classificazione delle materie plastiche