Principali polimeri industriali , composti chimici utilizzati nella produzione di materiali sintetici industriali.
Nella produzione commerciale di materie plastiche, elastomeri, fibre sintetiche, adesivi e rivestimenti superficiali, viene utilizzata un'enorme varietà di polimeri. Esistono molti modi per classificare questi composti. Nell'articolo i polimeri industriali, la chimica dei polimeri sono classificati a seconda che si siano formati attraverso reazioni di crescita a catena o di crescita a stadi. Nella plastica (resine termoplastiche e termoindurenti) i polimeri si dividono tra quelli solubili in solventi selettivi e reversibilmente ammorbiditi dal calore (termoplastici) e quelli che formano reti tridimensionali che non sono solubili e non possono essere ammorbidite dal calore senza decomposizione (termoindurenti). Nell'articolo fibra sintetica, le fibre sono classificate come costituite da polimeri naturali modificati o costituite da polimeri interamente sintetici.
In questo articolo, i principali polimeri utilizzati in commercio sono divisi in base alla composizione delle loro "spine dorsali", le catene di unità ripetitive collegate che costituiscono le macromolecole. Classificati in base alla composizione, i polimeri industriali sono polimeri a catena di carbonio (chiamati anche vinili) o polimeri eterocatena (chiamati anche catena non carbonica o non vinili). Nei polimeri a catena di carbonio, come suggerisce il nome, le spine dorsali sono composte da legami tra atomi di carbonio; nei polimeri eterocatena una serie di altri elementi sono collegati tra loro nelle spine dorsali, tra cui ossigeno, azoto, zolfo e silicio.
Polimeri a catena di carbonio
Poliolefine e relativi polimeri
I polimeri industriali di gran lunga più importanti (ad esempio, praticamente tutte le materie plastiche di base) sono olefine polimerizzate. Le olefine sono idrocarburi (composti contenenti idrogeno [H] e carbonio [C]) le cui molecole contengono una coppia di atomi di carbonio legati tra loro da un doppio legame. Il più delle volte derivato dal gas naturale o dai costituenti a basso peso molecolare del petrolio, includono etilene, propilene e butene (butilene).
Le molecole di olefina sono comunemente rappresentate dalla formula chimica CH 2 = CHR, con R che rappresenta un atomo o un gruppo molecolare pendente di composizione variabile. In quanto unità ripetitiva di una molecola polimerica, la loro struttura chimica può essere rappresentata come:
La composizione e la struttura di R determinano quale della vasta gamma di possibili proprietà sarà dimostrata dal polimero.
Polietilene (PE)
L'etilene, comunemente prodotto dal cracking del gas etano, costituisce la base per la più grande classe di materie plastiche, i polietileni. L'etilene monomero ha la composizione chimica CH 2 = CH 2 ; come unità ripetitiva del polietilene ha la seguente struttura chimica:
Questa semplice struttura può essere prodotta in forme lineari o ramificate come quelle illustrate nelle figure 1 e 2. Le versioni ramificate sono note come polietilene a bassa densità (LDPE) o polietilene lineare a bassa densità (LLDPE); le versioni lineari sono note come polietilene ad alta densità (HDPE) e polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE).
Nel 1899 un chimico tedesco, Hans von Pechmann, osservò la formazione di un precipitato bianco durante l'autodecomposizione del diazometano in etere. Nel 1900 questo composto fu identificato dai chimici tedeschi Eugen Bamberger e Friedrich Tschirner come polimetilene ([CH 2 ] n ), un polimero praticamente identico al polietilene. Nel 1935 i chimici britannici Eric Fawcett e Reginald Gibson ottennero PE solido e ceroso mentre cercavano di far reagire l'etilene con la benzaldeide ad alta pressione. Poiché il prodotto aveva uno scarso potenziale di utilizzo, lo sviluppo è stato lento. Di conseguenza, il primo PE industriale, in realtà un LDPE ramificato in modo irregolare, non fu prodotto fino al 1939 dalla Imperial Chemical Industries (ICI). Fu utilizzato per la prima volta durante la seconda guerra mondiale come isolante per i cavi radar.
Nel 1930 Carl Shipp Marvel, un chimico americano che lavorava come consulente presso EI du Pont de Nemours & Company, Inc., scoprì un prodotto ad alta densità, ma DuPont non riuscì a riconoscere il potenziale del materiale. Fu lasciato a Karl Ziegler del Kaiser Wilhelm (ora Max Planck) Institute for Coal Research a Mülheim an der Ruhr, Ger., Vincere il Premio Nobel per la Chimica nel 1963 per aver inventato l'HDPE lineare, che Ziegler ha effettivamente prodotto con Erhard Holzkamp in 1953, catalizzando la reazione a bassa pressione con un composto organometallico d'ora in poi noto come catalizzatore Ziegler. Utilizzando diversi catalizzatori e metodi di polimerizzazione, gli scienziati hanno successivamente prodotto PE con varie proprietà e strutture. LLDPE, ad esempio, è stato introdotto dalla Phillips Petroleum Company nel 1968.
L'LDPE viene preparato da etilene gassoso a pressioni molto elevate (fino a 350 megapascal o 50.000 libbre per pollice quadrato) e alte temperature (fino a 350 ° C o 660 ° F) in presenza di iniziatori di perossido. Questi processi producono una struttura polimerica con rami sia lunghi che corti. Di conseguenza, LDPE è solo parzialmente cristallino, producendo un materiale di elevata flessibilità. I suoi usi principali sono in pellicole da imballaggio, sacchi per la spazzatura e per la spesa, pacciame agricolo, isolamento di fili e cavi, bottiglie da spremere, giocattoli e articoli per la casa.
Alcuni LDPE vengono fatti reagire con cloro (Cl) o con cloro e anidride solforosa (SO 2 ) per introdurre gruppi cloro o clorosolfonilici lungo le catene polimeriche. Tali modifiche danno luogo a polietilene clorurato (CM) o polietilene clorosolfonato (CSM), un materiale praticamente non cristallino ed elastico. In un processo simile alla vulcanizzazione, la reticolazione delle molecole può essere effettuata attraverso i gruppi cloro o clorosolfonile, rendendo il materiale un solido gommoso. Poiché le loro catene polimeriche principali sono saturate, gli elastomeri CM e CSM sono altamente resistenti all'ossidazione e all'attacco dell'ozono e il loro contenuto di cloro conferisce una certa resistenza alla fiamma e al rigonfiamento degli oli idrocarburici. Sono utilizzati principalmente per tubi flessibili, cinture, guarnizioni resistenti al calore e tessuti rivestiti.
L'LLDPE è strutturalmente simile all'LDPE. È prodotto copolimerizzando l'etilene con 1-butene e quantità minori di 1-esene e 1-ottene, utilizzando catalizzatori Ziegler-Natta o metallocene. La struttura risultante ha una spina dorsale lineare, ma ha rami corti e uniformi che, come i rami più lunghi dell'LDPE, impediscono alle catene polimeriche di impacchettarsi strettamente insieme. I principali vantaggi dell'LLDPE sono che le condizioni di polimerizzazione sono meno energivore e che le proprietà del polimero possono essere alterate variando il tipo e la quantità di comonomero (monomero copolimerizzato con etilene). Nel complesso, l'LLDPE ha proprietà simili all'LDPE e compete per gli stessi mercati.
L'HDPE è prodotto a basse temperature e pressioni utilizzando Ziegler-Natta e catalizzatori metallocenici o ossido di cromo attivato (noto come catalizzatore Phillips). La mancanza di rami consente alle catene polimeriche di impacchettarsi strettamente insieme, risultando in un materiale denso e altamente cristallino di alta resistenza e moderata rigidità. Gli usi includono bottiglie soffiate per latte e detergenti per la casa e secchi stampati a iniezione, tappi per bottiglie, alloggiamenti per elettrodomestici e giocattoli.
UHMWPE è realizzato con pesi molecolari da 3 milioni a 6 milioni di unità atomiche, rispetto a 500.000 unità atomiche per l'HDPE. Questi polimeri possono essere filati in fibre e stirati, o stirati, in uno stato altamente cristallino, ottenendo un'elevata rigidità e una resistenza alla trazione molte volte quella dell'acciaio. I filati realizzati con queste fibre sono intrecciati in giubbotti antiproiettile.
