Plastica

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PANORAMICA di materie plastiche

Plastica è il termine comune generale per un'ampia gamma di materiali solidi amorfi organici sintetici o semisintetici adatti alla fabbricazione di prodotti industriali. Le materie plastiche sono tipicamente polimeri ad alto peso molecolare e possono contenere altre sostanze per migliorare le prestazioni e/o ridurre i costi. La parola Plastica deriva dal greco (plastikos) che significa adatto alla modellatura e (plastos) che significa modellato. Si riferisce alla loro malleabilità, o plasticità durante la produzione, che consente loro di essere fusi, pressati o estrusi in un'enorme varietà di forme, come pellicole, fibre, lastre, tubi, bottiglie, scatole e molto altro. La parola comune plastica non deve essere confusa con l'aggettivo tecnico plastica, che si applica a qualsiasi materiale che subisce un cambiamento permanente di forma (deformazione plastica) se sollecitato oltre un certo punto. L’alluminio, ad esempio, è plastica in questo senso, ma non plastica nel senso comune; al contrario, nella loro forma finita, alcune materie plastiche si rompono prima di deformarsi e quindi non sono plastiche in senso tecnico.

Esistono due tipi di materie plastiche: termoplastiche e termoindurenti.

La termoplastica si ammorbidisce e si scioglie se viene applicato abbastanza calore; esempi sono polietilene, polistirene e PTFE.

I termoindurenti non si ammorbidiscono né si sciolgono, indipendentemente dalla quantità di calore applicata. Esempi: Micarta, GPO, G-10

Panoramica:
Le materie plastiche possono essere classificate in base alla loro struttura chimica, ovvero alle unità molecolari che costituiscono la struttura portante e le catene laterali del polimero. Alcuni gruppi importanti in queste classificazioni sono gli acrilici, i poliesteri, i siliconi, i poliuretani e le plastiche alogenate. Le materie plastiche possono essere classificate anche in base al processo chimico utilizzato nella loro sintesi; ad esempio, come condensazione, poliaddizione, reticolazione, ecc. Altre classificazioni si basano su qualità rilevanti per la produzione o la progettazione del prodotto. Esempi di tali classi sono termoplastici e termoindurenti, elastomeri, strutturali, biodegradabili, elettricamente conduttivi, ecc. Le materie plastiche possono anche essere classificate in base a varie proprietà fisiche, come densità, resistenza alla trazione, temperatura di transizione vetrosa, resistenza a vari prodotti chimici, ecc. Grazie al costo relativamente basso, alla facilità di produzione, alla versatilità e all’impermeabilità all’acqua, la plastica viene utilizzata in una gamma enorme e in espansione di prodotti, dalle graffette alle astronavi. Hanno già sostituito molti materiali tradizionali, come il legno; calcolo; corno e osso; pelle; carta; metallo; bicchiere; e ceramica, nella maggior parte dei loro usi precedenti. L’uso della plastica è limitato principalmente dalla sua chimica organica, che ne limita seriamente la durezza, la densità e la capacità di resistere al calore, ai solventi organici, all’ossidazione e alle radiazioni ionizzanti. In particolare, la maggior parte della plastica si scioglierà o si decomporrà se riscaldata a poche centinaia di gradi Celsius. Sebbene la plastica possa essere resa elettricamente conduttiva in una certa misura, non può ancora competere con metalli come rame o alluminio. [citazione necessaria] La plastica è ancora troppo costosa per sostituire legno, cemento e ceramica in oggetti ingombranti come edifici ordinari, ponti, dighe, ecc. pavimentazione, traversine ferroviarie, ecc.

Struttura chimica:
I materiali termoplastici comuni hanno una massa molecolare compresa tra 20.000 e 500.000, mentre si presume che i materiali termoindurenti abbiano un peso molecolare infinito. Queste catene sono costituite da numerose unità molecolari ripetitive, note come unità ripetitive, derivate da monomeri; ciascuna catena polimerica avrà diverse migliaia di unità ripetitive. La stragrande maggioranza delle materie plastiche è composta da polimeri di carbonio e idrogeno da soli o con ossigeno, azoto, cloro o zolfo nella struttura principale. (Alcuni interessi commerciali sono basati sul silicio.) La spina dorsale è quella parte della catena sul "percorso" principale che collega insieme un gran numero di unità ripetute. Per variare le proprietà della plastica, entrambe le unità ripetute con diversi gruppi molecolari "appese" o "pendenti" dalla struttura principale (solitamente vengono "appese" come parte dei monomeri prima di collegare insieme i monomeri per formare la catena polimerica). Questa personalizzazione mediante la struttura molecolare dell'unità ripetuta ha permesso alla plastica di diventare una parte indispensabile della vita del ventunesimo secolo mettendo a punto le proprietà del polimero.

Alcune plastiche sono parzialmente cristalline e parzialmente amorfe nella struttura molecolare, il che conferisce loro sia un punto di fusione (la temperatura alla quale le forze attrattive intermolecolari vengono superate) sia una o più transizioni vetrose (temperature al di sopra delle quali l'entità della flessibilità molecolare localizzata è sostanzialmente aumentata). . Le cosiddette materie plastiche semicristalline includono polietilene, polipropilene, poli (cloruro di vinile), poliammidi (nylon), poliesteri e alcuni poliuretani. Molte plastiche sono completamente amorfe, come ad es polistirene e suoi copolimeri, poli (metilmetacrilato) e tutti i termoindurenti.

Storia della plastica:
La prima plastica prodotta dall'uomo fu inventata da Alexander Parkes nel 1855; chiamò questa plastica Parkesine (in seguito chiamata celluloide). Lo sviluppo della plastica è passato dall'uso di materiali plastici naturali (ad esempio, gomma da masticare, gommalacca) all'uso di materiali naturali modificati chimicamente (ad esempio, gomma, nitrocellulosa, collagene, galalite) e infine a molecole completamente sintetiche (ad esempio, bachelite , resina epossidica, cloruro di polivinile, polietilene).

Tipi di plastica:
Materie plastiche a base di cellulosa
Nel 1855, un inglese di Birmingham di nome Alexander Parkes sviluppò un sostituto sintetico dell'avorio che commercializzò con il nome commerciale Parkesine e che vinse una medaglia di bronzo all'Esposizione Mondiale del 1862 a Londra. La parkesina era composta da cellulosa (il componente principale delle pareti cellulari delle piante) trattata con acido nitrico e un solvente. Il risultato del processo (comunemente noto come nitrato di cellulosa o pirossilina) potrebbe essere sciolto in alcool e indurito in un materiale trasparente ed elastico che potrebbe essere modellato una volta riscaldato. Incorporando pigmenti nel prodotto, è possibile farlo somigliare all'avorio.

Bachelite®
La prima plastica basata su un polimero sintetico è stata prodotta da fenolo e formaldeide, con i primi metodi di sintesi praticabili ed economici inventati nel 1909 da Leo Hendrik Baekeland, un americano di origine belga che vive nello stato di New York. Baekeland era alla ricerca di una gommalacca isolante per rivestire i cavi dei motori elettrici e dei generatori. Scoprì che miscele di fenolo (C6H5OH) e formaldeide (HCOH) formavano una massa appiccicosa quando mescolate insieme e riscaldate, e la massa diventava estremamente dura se lasciata raffreddare. Continuò le sue indagini e scoprì che il materiale poteva essere mescolato con farina di legno, amianto o polvere di ardesia per creare materiali "compositi" con proprietà diverse. La maggior parte di queste composizioni erano forti e resistenti al fuoco. L'unico problema era che il materiale tendeva a formare schiuma durante la sintesi e il prodotto risultante era di qualità inaccettabile. Baekeland costruì recipienti a pressione per espellere le bolle e fornire un prodotto liscio e uniforme. Annunciò pubblicamente la sua scoperta nel 1912, chiamandola bachelite. Originariamente veniva utilizzato per parti elettriche e meccaniche, per poi diventare ampiamente utilizzato nei beni di consumo negli anni '20. Quando il brevetto della bachelite scadde nel 1930, la Catalin Corporation acquisì il brevetto e iniziò a produrre la plastica Catalin utilizzando un processo diverso che consentiva una gamma più ampia di colorazioni. La bachelite è stata la prima vera plastica. Era un materiale puramente sintetico, non basato su alcun materiale o molecola presente in natura. È stata anche la prima plastica termoindurente. I materiali termoplastici convenzionali possono essere modellati e poi nuovamente fusi, ma le plastiche termoindurenti formano legami tra i filamenti polimerici una volta polimerizzate, creando una matrice aggrovigliata che non può essere disfatta senza distruggere la plastica. Le plastiche termoindurenti sono robuste e resistenti alla temperatura. La bachelite® era economica, resistente e durevole. È stato modellato in migliaia di forme, come radio, telefoni, orologi e palle da biliardo. Le plastiche fenoliche sono state in gran parte sostituite da plastiche più economiche e meno fragili, ma sono ancora utilizzate in applicazioni che richiedono proprietà isolanti e resistenti al calore. Ad esempio, alcune schede elettroniche sono costituite da fogli di carta o stoffa impregnati di resina fenolica. Bakelite® è ora un marchio registrato di Bakelite GmbH.

Polistirolo e PVC
Dopo la prima guerra mondiale, i miglioramenti nella tecnologia chimica portarono all’esplosione di nuove forme di plastica. Tra i primi esempi dell’ondata di nuove plastiche figurano il polistirene (PS) e il cloruro di polivinile (PVC), sviluppati dalla tedesca IG Farben. Il polistirolo è una plastica rigida, fragile ed economica che è stata utilizzata per realizzare kit di modelli in plastica e soprammobili simili. Sarebbe anche la base per una delle materie plastiche "espanse" più popolari, sotto il nome di schiuma di stirene o Styrofoam. La plastica espansa può essere sintetizzata in una forma a "cellule aperte", in cui le bolle di schiuma sono interconnesse, come in una spugna assorbente, e in una forma a "cellule chiuse", in cui tutte le bolle sono distinte, come minuscoli palloncini, come in quelle riempite di gas. dispositivi di isolamento e galleggiamento in schiuma. Alla fine degli anni '50 fu introdotto lo stirene ad alto impatto , che non era fragile. Trova un uso molto attuale come materiale per segnaletica, vassoi, figurine e novità. Il PVC ha catene laterali che incorporano atomi di cloro, che formano legami forti. Il PVC nella sua forma normale è rigido, resistente, resistente al calore e agli agenti atmosferici, ed è ora utilizzato per realizzare impianti idraulici, grondaie, rivestimenti di case, involucri per computer e altri dispositivi elettronici. Il PVC può anche essere ammorbidito con processi chimici e in questa forma viene ora utilizzato per film termoretraibili, imballaggi alimentari e indumenti antipioggia.

Nylon
La vera stella dell'industria della plastica negli anni '30 era la poliammide (PA), molto meglio conosciuta con il nome commerciale nylon. Il nylon è stata la prima fibra puramente sintetica, introdotta dalla DuPont Corporation alla Fiera Mondiale del 1939 a New York City. Nel 1927, DuPont aveva avviato un progetto di sviluppo segreto denominato Fiber66, sotto la direzione del chimico di Harvard Wallace Carothers e del direttore del dipartimento di chimica Elmer Keizer Bolton. Carothers era stato assunto per svolgere attività di ricerca pura e ha lavorato per comprendere la struttura molecolare e le proprietà fisiche dei nuovi materiali. Ha mosso alcuni dei primi passi nella progettazione molecolare dei materiali. Il suo lavoro portò alla scoperta della fibra di nylon sintetica, che era molto resistente ma anche molto flessibile. La prima applicazione riguardava le setole per spazzolini da denti. Tuttavia, il vero obiettivo di Du Pont era la seta, in particolare le calze di seta. Carothers e il suo team hanno sintetizzato diverse poliammidi tra cui la poliammide 6.6 e 4.6, nonché i poliesteri. DuPont ha impiegato dodici anni e 27 milioni di dollari per raffinare il nylon e per sintetizzare e sviluppare i processi industriali per la produzione in serie. Con un investimento così importante, non sorprende che Du Pont abbia risparmiato poche spese per promuovere il nylon dopo la sua introduzione, creando una sensazione pubblica, o "nylon mania". La mania del nylon si interruppe bruscamente alla fine del 1941, quando gli Stati Uniti entrarono nella seconda guerra mondiale. La capacità produttiva che era stata creata per produrre calze di nylon, o semplicemente calze di nylon, per le donne americane fu utilizzata per produrre un gran numero di paracadute per aviatori e paracadutisti. Dopo la fine della guerra, DuPont tornò a vendere il nylon al pubblico, impegnandosi in un'altra campagna promozionale nel 1946 che provocò una mania ancora più grande, innescando le cosiddette rivolte del nylon. Successivamente sono state sviluppate le poliammidi 6, 10, 11 e 12 basate su monomeri che sono composti ad anello; ad esempio il caprolattame.nylon 66 è un materiale prodotto mediante polimerizzazione a condensazione. I nylon rimangono ancora materie plastiche importanti, e non solo per l’uso nei tessuti. Nella sua forma sfusa è molto resistente all'usura, in particolare se impregnato di olio, e quindi viene utilizzato per costruire ingranaggi, cuscinetti, boccole e, grazie alla buona resistenza al calore, sempre più per applicazioni sotto il cofano delle automobili e altri componenti meccanici. parti.

Gomma naturale
La gomma naturale è un elastomero (un polimero idrocarburico elastico) originariamente derivato dal lattice, una sospensione colloidale lattiginosa presente nella linfa di alcune piante. È utile direttamente in questa forma (in effetti, la prima apparizione della gomma in Europa è un tessuto impermeabilizzato con lattice non vulcanizzato proveniente dal Brasile) ma, più tardi, nel 1839, Charles Goodyear inventò la gomma vulcanizzata; si tratta di una forma di gomma naturale riscaldata principalmente con zolfo che forma legami incrociati tra le catene polimeriche (vulcanizzazione), migliorando l'elasticità e la durata. La plastica è molto conosciuta in queste zone.

Gomma sintetica
La prima gomma completamente sintetica fu sintetizzata da Lebedev nel 1910. Durante la seconda guerra mondiale, i blocchi di fornitura di gomma naturale dal sud-est asiatico causarono un boom nello sviluppo della gomma sintetica, in particolare della gomma stirene-butadiene (nota anche come gomma-stirene governativa). Nel 1941, la produzione annuale di gomma sintetica negli Stati Uniti era di sole 231 tonnellate, che aumentarono a 840.000 tonnellate nel 1945. Nella corsa allo spazio e agli armamenti nucleari, i ricercatori del Caltech sperimentarono l'uso di gomme sintetiche come combustibile solido per i razzi. In definitiva, tutti i grandi razzi e missili militari utilizzerebbero combustibili solidi a base di gomma sintetica e giocherebbero anche un ruolo significativo nello sforzo spaziale civile.

Polimetilmetacrilato (PMMA), meglio conosciuto come acrilico Plexiglass . Sebbene gli acrilici siano ormai ben noti per il loro utilizzo nelle vernici e nelle fibre sintetiche, come le pellicce finte, nella loro forma sfusa sono in realtà molto duri e più trasparenti del vetro e vengono venduti come sostituti del vetro con nomi commerciali come Acrylite , Perspex, Plexiglas e Lucite . Durante la guerra venne utilizzato per costruire le tettoie degli aerei, mentre oggi la sua applicazione principale sono le grandi insegne luminose, come quelle utilizzate nelle vetrine dei negozi o all'interno dei grandi magazzini, e per la fabbricazione di vasche da bagno termoformate.

Il polietilene (PE) , a volte noto come politene, fu scoperto nel 1933 da Reginald Gibson ed Eric Fawcett presso il colosso industriale britannico Imperial Chemical Industrie (ICI). Questo materiale si è evoluto in due forme, polietilene a bassa densità (LDPE) e polietilene ad alta densità (HDPE) . I PE sono economici, flessibili, durevoli e chimicamente resistenti. L'LDPE viene utilizzato per realizzare pellicole e materiali da imballaggio, mentre l'HDPE viene utilizzato per contenitori, impianti idraulici e raccordi automobilistici. Sebbene il PE abbia una bassa resistenza agli attacchi chimici, in seguito si è scoperto che un contenitore in PE poteva essere reso molto più robusto esponendolo al gas fluoro, che modificava lo strato superficiale del contenitore nel polifluoroetilene molto più resistente.

Il polipropilene (PP) , scoperto agli inizi degli anni '50 da Giulio Natta. È comune nella scienza e nella tecnologia moderne che la crescita del corpo generale delle conoscenze possa portare alle stesse invenzioni in luoghi diversi all’incirca nello stesso periodo, ma il polipropilene è stato un caso estremo di questo fenomeno, essendo stato inventato separatamente circa nove volte. Il contenzioso che ne seguì non fu risolto fino al 1989. Il polipropilene riuscì a sopravvivere al processo legale e due chimici americani che lavoravano per la Phillips Petroleum, J. Paul Hogan e Robert Banks, sono ora generalmente accreditati come i principali inventori del materiale. Il polipropilene è simile al suo antenato, il polietilene, e condivide il basso costo del polietilene, ma è molto più robusto. Viene utilizzato ovunque, dalle bottiglie di plastica ai tappeti ai mobili in plastica, ed è molto utilizzato nelle automobili.

Il poliuretano (PU) fu inventato da Friedrich Bayer & Company nel 1937 e sarebbe entrato in uso dopo la guerra, in forma soffiata per materassi, imbottiture di mobili e isolamento termico. È anche uno dei componenti (in forma non soffiata) della fibra di spandex.

Epossidico - Nel 1939, la IG Farben depositò un brevetto per il poliepossido o resina epossidica. Le resine epossidiche sono una classe di plastica termoindurente che forma legami incrociati e polimerizza quando viene aggiunto un agente catalizzatore o indurente. Dopo la guerra sarebbero diventati ampiamente utilizzati per rivestimenti, adesivi e materiali compositi. I compositi che utilizzano la resina epossidica come matrice includono la plastica rinforzata con vetro, in cui l'elemento strutturale è la fibra di vetro, e i compositi carbonio-epossidici, in cui l'elemento strutturale è la fibra di carbonio. La fibra di vetro viene ora spesso utilizzata per costruire imbarcazioni sportive e i compositi carbonio-epossidici sono un elemento strutturale sempre più importante negli aerei, poiché sono leggeri, robusti e resistenti al calore.

PET, PETE, PETG , PET-P (polietilene tereftalato)
Due chimici di nome Rex Whinfield e James Dickson, che lavoravano in una piccola azienda inglese con il curioso nome di Calico Printer's Association a Manchester, svilupparono il polietilene tereftalato (PET o PETE) nel 1941, e sarebbe stato utilizzato per le fibre sintetiche nel dopoguerra. , con nomi come poliestere, dacron e terilene. Il PET è meno permeabile ai gas rispetto ad altre plastiche a basso costo e quindi è un materiale popolare per la produzione di bottiglie per Coca-Cola e altre bevande gassate, poiché la carbonatazione tende ad attaccare altre plastiche, e per bevande acide come succhi di frutta o verdura. Il PET è anche robusto e resistente all'abrasione e viene utilizzato per realizzare parti meccaniche, vassoi per alimenti e altri articoli che devono sopportare abusi. Le pellicole in PET vengono utilizzate come base per la registrazione del nastro.

PTFE (politetrafluoroetilene) (noto anche come Teflon®)
Una delle materie plastiche più impressionanti utilizzate durante la guerra, e un top secret, era il politetrafluoroetilene (PTFE), meglio noto come Teflon, che poteva essere depositato su superfici metalliche come rivestimento protettivo a basso attrito, antigraffio e resistente alla corrosione. Lo strato superficiale di polifluoroetilene creato esponendo un contenitore di polietilene al gas fluoro è molto simile al Teflon. Un chimico della DuPont di nome Roy Plunkett scoprì per caso il Teflon nel 1938. Durante la guerra, fu utilizzato nei processi di diffusione gassosa per raffinare l'uranio per la bomba atomica, poiché il processo era altamente corrosivo. All'inizio degli anni '60 erano molto richieste le padelle in Teflon resistenti all'adesione.

Policarbonato - Lexan è un policarbonato ad alto impatto originariamente sviluppato da General Electric. Makrolon® e Tuffak sono nomi commerciali di plastica in policarbonato ad alto impatto prodotta da Plaskolite.

Plastica biodegradabile (compostabile).
Sono state condotte ricerche sulla plastica biodegradabile che si deteriora con l'esposizione alla luce solare (ad esempio, radiazioni ultraviolette), acqua o umidità, batteri, enzimi, abrasione del vento e in alcuni casi sono inclusi anche attacchi di parassiti o insetti di roditori come forme di biodegradazione o degrado ambientale. È chiaro che alcune di queste modalità di degrado funzioneranno solo se la plastica è esposta in superficie, mentre altre modalità saranno efficaci solo se esistono determinate condizioni nelle discariche o nei sistemi di compostaggio. La polvere di amido è stata mescolata con la plastica come riempitivo per consentirle di degradarsi più facilmente, ma non porta comunque alla completa rottura della plastica. Alcuni ricercatori hanno effettivamente creato batteri geneticamente modificati che sintetizzano una plastica completamente biodegradabile, ma questo materiale, come il Biopol, è attualmente costoso. L'azienda chimica tedesca BASF produce Ecoflex, un poliestere completamente biodegradabile per applicazioni di imballaggio alimentare. Gehr Plastics ha sviluppato ECOGEHR , una gamma completa di forme di biopolimeri distribuiti da Professional Plastica.