OMOPOLIMERO: le unità monomeriche sono tutte della stessa specie (Es: POLIETILENE).

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1 MATERIALI POLIMERICI Il termine polimero è una parola composta che deriva dal greco poli (molti) e meros (unità o parte) ed è usata per designare una sostanza costituita da grosse molecole (macromolecole) ottenute dall'unione in catena di molte piccole molecole di una o più specie (monomeri, o unità monomeriche). Il monomero può essere assimilato ad una generica struttura elementare, che, ripetendosi lungo una direzione, dà origine alla catena polimerica, attraverso la formazione di legami chimici. I polimeri possono essere classificati secondo la loro origine (naturale, artificiale o sintetica), secondo la loro reazione al calore o alla luce, oppure secondo le reazioni di polimerizzazione o la struttura molecolare. I polimeri naturali sono numerosi; basti pensare alla gomma naturale, ad alcune resine naturali come l'ambra, alla cellulosa, alle fibre vegetali ed animali, alle proteine e ai polisaccaridi. I polimeri artificiali sono ottenuti da polimeri naturali (es. cellulosa) che vengono modificati per trasformarli in materiali con caratteristiche che consentono degli usi specifici; per es. la cellulosa viene trasformata in rayon (o seta artificiale). I materiali polimerici più utilizzati sono i polimeri sintetici, comunemente detti plastiche; si tratta di materiali che vengono ottenuti facendo reagire tra loro uno o più monomeri, solitamente provenienti dalla distillazione del petrolio, per realizzare molecole di grosse dimensioni (macromolecole). LA STORIA E soltanto nel dopoguerra che si realizza in modo estensivo la produzione e lavorazione dei nuovi polimeri, conseguenza anche dello sviluppo di nuove tecnologie di sintesi e di trasformazione. Con l'avvento dei polimeri sintetici viene anche introdotta la parola 'plastica', derivante dal greco 'plastikos' che significa atto a prendere forma o ad essere stampato. Oggi sta ad indicare un materiale ad alto peso molecolare costituito da carbonio e idrogeno, ed eventualmente da ossigeno, azoto ed altri elementi, che si presenti liquido e capace di assumere la forma voluta durante una fase di produzione. LE MATERIE PLASTICHE E LA LORO STRUTTURA La plastica é una sostanza organica, come il legno, la carta, la lana. Nasce da risorse naturali: prevalentemente carbone, sale comune, gas e, soprattutto, petrolio - di cui la produzione mondiale di materie plastiche assorbe circa il 4% annuo. Il processo industriale di trattamento del petrolio per ottenerne derivati è detto cracking. Con tale processo si ottiene la rottura delle catene lunghe delle molecole di idrocarburi, da cui si ottengono prodotti come la frazione della virgin nafta, utilizzata per la produzione di monomeri. I polimeri più utilizzati derivano prevalentemente da quattro prodotti chimici di base derivati dal petrolio: l'etilene, il propilene, il butadiene e lo stirene. I polimeri si classificano in omopolimeri e copolimeri: OMOPOLIMERO: le unità monomeriche sono tutte della stessa specie (Es: POLIETILENE). COPOLIMERO: partendo da due o più monomeri diversi, si origina una catena che, pertanto, contiene unità differenti. 1

2 La reazione chimica di polimerizzazione può avvenire secondo diversi meccanismi, di cui i principali sono la poliaddizione e la policondensazione. Schematicamente, la poliaddizione consiste in una reazione a catena molto rapida che avviene senza la formazione di sottoprodotti, il che rende la conduzione della reazione di sintesi relativamente semplice ed economica. Il doppio legame tra gli atomi di C, essendo più debole, si spezza in modo da permettere alle varie molecole di etilene di legarsi tra loro. La policondensazione è più simile ad una reazione chimica di tipo classico; le catene vengono formate mediante (glicole etilenico) reazione fra due molecole uguali o diverse, con (polietilinterftalato) PET formazione di sottoprodotti (di solito piccole molecole come (acido tereftalico) l acqua, da cui trae origine il nome di reazione di (monomeri) (polimero) condensazione ). In questo caso, la conduzione del processo può richiedere tempi e costi molto più elevati rispetto al primo. Nel caso di copolimeri la sequenza dei diversi monomeri può essere: alternata, statistica, a blocchi. In termini di architettura, le molecole possono essere classificate in tre diverse categorie : 1. catene lineari 2. catene ramificate (se sono presenti segmenti di catena che si dipartono dalla catena principale) 3. polimeri reticolati nel caso in cui le catene non sono separabili a causa dei legami chimici che fungono da ponte tra le diverse catene. reticolata 2

3 In riferimento al loro comportamento al riscaldamento i polimeri si distinguono in termoplastici e termoindurenti. Polimeri termoplastici Molecole costituite da lunghe catene lineari unite fra loro da legami deboli che possono facilmente essere spezzati mediante il riscaldamento senza che venga modificata la loro struttura (mantengono le loro proprietà plastiche): col riscaldamento il materiale rammollisce e le catene sono libere di spostarsi e unirsi in nuove forme col raffreddamento, i legami deboli si ricreano e il materiale termoplastico assume la nuova forma. Questo comportamento è reversibile e, pertanto, i polimeri termoplastici possono essere facilmente rimodellati a caldo. Polimeri termoindurenti I polimeri reticolati a struttura tridimensionale costituiscono la classe dei termoindurenti, formati da una sola macromolecola infinitamente grande, con le dimensioni macroscopiche dell'oggetto realizzato. Prendono forma con il calore, che modifica in modo irreversibile la loro struttura chimica e quindi non possono essere più rammollite; sono caratterizzati da catene insature e da una struttura reticolare che esse assumono al momento della produzione. Un eventuale successivo riscaldamento avrebbe l effetto di rompere i legami reticolari che stabilizzano la loro struttura, provocandone la decomposizione. Non sono quindi rimodellabili ma sono più rigidi e robusti di quelli termoplastici. A causa della loro struttura tridimensionale, i polimeri termoindurenti sono insolubili e infusibili, quindi difficilmente riciclabili. Elastomeri Gli elastomeri sono dei polimeri termoindurenti che hanno la proprietà di modificare la loro forma quando sono sottoposti a compressione o trazione; una volta che la forza applicata viene meno, essi sono in grado di riprendere la loro forma originaria. La deformabilità degli elastomeri raggiunge il %, ed è legata alla struttura del materiale. Elastomeri naturali La gomma cruda naturale è il lattice di piante tropicali fra cui la più importante è l'hevea brasiliensis. La gomma cruda naturale è formata da lunghe catene polimeriche costituite da molte migliaia di molecole dell'idrocarburo insaturo isoprene, che si legano in conseguenza dell'apertura dei doppi legami. Per la quasi totalità dei suoi usi il caucciù (nome con cui si indicano tutte le gomme) viene vulcanizzato ed il suo maggiore impiego (più del 50%) si trova nella fabbricazione dei pneumatici. La vulcanizzazione è un processo piuttosto complesso che consiste nel formare legami laterali, mediante atomi di zolfo, fra i doppi legami delle lunghe catene polimeriche che costituiscono la gomma. Nella vulcanizzazione a caldo la gomma, riscaldata a 160 C con 2-6% di zolfo e in presenza di opportuni catalizzatori indurisce, diventando così molto resistente all abrasione. Elastomeri sintetici Sono polimeri con proprietà simili a quelle della gomma la cui fabbricazione iniziò in Germania durante la prima guerra mondiale. I più noti sono il neoprene (analogo strutturalmente al caucciù naturale) e le gomme SBR, preparati a partire dall'acetilene. La resistenza meccanica e l'elasticità del neoprene sono paragonabili a quelle del caucciù, mentre la resistenza agli agenti chimici e l'impermeabilità ai gas sono migliori; perciò, per molti usi il neoprene viene preferito. I PROCESSI DI TRASFORMAZIONE I polimeri possono essere commercializzati in polvere, granuli, liquidi o in soluzioni quando si tratta di materie prime, o sotto forma di lastre o fibre in caso di 3

4 semilavorati. Per realizzare i prodotti finali pronti per il loro utilizzo, alle materie plastiche si uniscono additivi, cioè sostanze che ne esaltano o ne attenuano le proprietà, quali: coloranti; i polimeri hanno il vantaggio di poter essere colorati nella massa e non in superficie come avviene per gli altri materiali; agenti con caratteristiche particolari, come gli antifiamma, gli antiossidanti, gli antistatici, i plastificanti; cariche naturali o artificiali, per aumentare la rigidità e migliorare le proprietà meccaniche; espandenti, per ottenere un prodotto più leggero, come ad esempio nel caso del polistirolo espanso. I principali procedimenti che li trasformano in prodotti finali, utilizzando pressione e calore, sono: CALANDRATURA Consiste nel distendere e comprimere con una macchina, costituita da cilindri riscaldati, il polimero riscaldato e reso plastico, ottenendo lastre e fogli di spessore desiderato. Il principio su cui si basa è semplice: un nastro di materiale prodotto per colata o estruso da filiera a testa piana, viene fatto passare tra le calandre (cilindri metallici) che scaldano il foglio, ne riducono lo spessore, lo raffreddano e lo preparano per la finitura. ESTRUSIONE L'estrusione è senza dubbio la tecnologia di trasformazione delle materie plastiche più. conosciuta ed utilizzata, specialmente per quanto riguarda i termoplastici Consiste nella trasformazione in continuo di materiale plastico riscaldato e spinto da una vite senza fine, attraverso un ugello che dà al materiale la sagoma richiesta e che per raffreddamento assume la sua forma stabile. Si possono così ottenere fili e tubi. SOFFIAGGIO Per la produzione di articoli cavi si utilizza una tecnica particolare chiamata estrusione per soffiaggio. Il polimero fuso viene sottoposto a soffiaggio con aria o vapore, in modo da assumere la forma dello stampo in cui è alimentato. STAMPAGGIO Tecnica che vede il polimero fuso alimentare uno stampo di cui, per raffreddamento, assume la forma desiderata. Lo stampaggio può essere di quattro tipi: 4

5 1) per compressione In questo processo di lavorazione il materiale, sotto forma di polvere, è inserito in uno stampo aperto, costituito da una matrice ed un punzone. Quando lo stampo riscaldato si chiude, la compressione del punzone fa scorrere lentamente la resina e la costringe ad assumere la forma voluta. Data la struttura a reticolo delle resine termoindurenti, eventuali pezzi difettosi non possono essere recuperati. 2) per stratificazione, per realizzare prodotti anche di grandi dimensioni, come gli scafi di barche; 3) per iniezione; Il principio di funzionamento della macchina dedicata a questa tecnologia, la pressa ad iniezione, è simile a quello dell'estrusione ma in questo caso il materiale plastico, all'uscita dall'ugello viene iniettato tramite la spinta della vite punzonante in uno stampo ad una o più cavità. Qui il materiale raffredda e prende la forma dello stampo, e successivamente viene estratto. 4) rotazionale Questa tecnologia viene usata per la produzione di oggetti cavi, che presentano un ottima finitura superficiale, dimensioni anche elevate ed assenza quasi totale di tensioni interne. Il materiale viene caricato, generalmente in polvere, nello stampo, e successivamente riscaldato e fuso all'interno di un forno. Lo stampo nel frattempo ruota lentamente (da 10 a 40 giri/min) rispetto a due assi ortogonali tra di loro, distribuendo il materiale in modo uniforme. Successivamente il prodotto viene raffreddato ed estratto dallo stampo. Questa tecnologia è molto utilizzata per materiali termoplastici, soprattutto polietilene, policarbonato, poliammidi, polivinilcloruro, ABS ma anche per termoindurenti. Nel processo di trasformazione, le materie plastiche possono essere integrate da fibre arammidiche, di carbonio o di vetro, per consentire prestazioni particolari: nascono così i compositi, utilizzati per imbarcazioni, caschi, auto, ecc.. La temperatura di impiego delle materie plastiche, per la produzione di manufatti, varia in funzione della materia prima utilizzata: è fra 150 e 170 C per i termoplastici più usati (PE, PET, PP, PS, PVC); temperature superiori a 220 C sono necessarie per la lavorazione di alcuni 5

6 polimeri speciali. L'intero processo per la produzione dei materiali polimerici si può così schematizzare:le materie prime (generalmente petrolio e gas naturale) per mezzo di opportune reazioni forniscono i monomeri; per polimerizzazione si ottengono poi i polimeri che, mescolati con gli additivi, forniscono le materie plastiche che vengono successivamente lavorate per dare il prodotto finale. materie prime (reazioni chimiche ) - monomeri (polimerizzazione) - polimeri (miscelazione con additivi) - materie plastiche (riscaldamento, stampaggio, estrusione ecc.) prodotto finito. Sotto il profilo tecnico ed economico i materiali polimerici possono essere suddivisi in tre categorie: 1. Polimeri di largo consumo, nei quali il basso prezzo è accompagnato da un basso contenuto tecnologico. 2. Polimeri della fascia intermedia, a prezzo intermedio, caratterizzati da una particolare proprietà (trasparenza, resistenza all urto, ecc.) che ne consente impieghi specifici. 3. Tecnopolimeri, materiali ad alto valore aggiunto; possiedono elevate caratteristiche che consentono loro di operare in condizioni di esercizio altamente critiche. Le tecnologie di fabbricazione risultano altamente sofisticate e costose, per cui le applicazioni riguardano nicchie molto particolari. Taluni di essi trovano inoltre applicazioni in specifici settori (aerospaziale, telecomunicazioni, sport) come matrici di compositi avanzati. MERCATO Le materie plastiche in Italia Kton Materieplastiche Produzione * Importazione Esportazioni Consumo reale Incremento dei consumi sull anno precedente (%) , ,6 Termoplastiche Produzione * Importazione Esportazioni Consumo reale Incremento dei consumi sull anno precedente (%) , ,8 Termoindurenti Produzione * Importazione Esportazioni Consumo reale Incremento dei consumi sull anno precedente (%) , ,8 6

7 SETTORI DI UTILIZZO EDILIZIA L edilizia assorbe in Italia oltre l 11% della produzione di materie plastiche (13,2% nel mondo), soprattutto in termini di serramenti, impiantistica, rivestimenti, tubature, isolamento termico ed acustico. Ogni anno in Europa vengono utilizzate in questo settore più di 6 milioni di tonnellate di plastica e si prevede che giungeranno a 8 milioni entro il Questo sviluppo si deve principalmente alle peculiari aratteristiche della plastica in termini di leggerezza, durata, isolamento, economia, facilità d uso. I principali impieghi in edilizia riguardano tubi a pressione, tubi a gravità, profili per porte e finestre, pavimenti, rivestimenti murali, membrane per impermeabilizzazione di coperture, cavi elettrici e guaine per isolamento. ARREDAMENTO L arredamento assorbe in Italia quasi il 6% della domanda complessiva di materie plastiche. Le caratteristiche che rendono la plastica preferibile sono robustezza, leggerezza, durata, isolamento, economia, facilità di uso. TRASPORTI L industria dei trasporti assorbe in Italia oltre il 4% della produzione di materie plastiche (nel mondo il 7%), utilizzate in numerosissimi componenti (circa 1700 su 5000), molte delle quali rese possibili proprio dalla plastica, come air bag, cinture di sicurezza. Il contenuto medio di materie plastiche in un auto europea è passato da circa 20 chili negli anni 60 (2% del peso) ai circa 105 chili di oggi (in media circa il 10% del peso totale dell auto), raggiunti utilizzando 14 differenti tipi di polimeri. Il solo abitacolo è formato per il 60% di materiale plastico. Le caratteristiche che rendono la plastica preferibile sono affidabilità, bassa manutenzione, isolamento, sicurezza. COMUNICAZIONI Assorbono il 6% della produzione di materie plastiche nel mondo, che hanno dato un impulso determinante a questo settore. Fibre ottiche, microchip, computer, compact disk, telefonia cellulare e tutti i protagonisti della comunicazione attuale e del suo futuro sono fatti prevalentemente di plastica. La caratteristica, che rende la plastica preferibile, è la possibilità di raggiungere degli standard e delle prestazioni altrimenti impossibili. AGRICOLTURA Il settore agricolo assorbe in Italia oltre il 3% delle materie plastiche prodotte in Italia. La possibilità, ad esempio, di avere primizie fresche tutto l anno si deve proprio alla plastica: sono infatti di questo materiale i teloni che ricoprono le piantagioni, le proteggono, le stimolano, fino ad anticipare la maturazione e raddoppiare i raccolti, promuovendo così un settore spesso in difficoltà. Le serre con coperture di plastica rendono di più e hanno bisogno di meno energia per venire riscaldate. Anche nell irrigazione dei campi, le strutture e i tubi in plastica hanno dimostrato versatilità ed efficacia. Grazie a tubazioni in PVC, ad esempio, si è riusciti ad irrigare zone in cui la natura dei terreni o la particolarità delle acque compromettevano la durata di tubi in cemento o metallo. IMBALLAGGI Assorbono in Italia oltre il 45% di tutta la produzione di materie plastiche 7

8 (43,5% nel mondo). In Europa, circa il 50% di tutto l imballaggio alimentare è in plastica: il 60% di questo tipo di confezioni pesa meno di 10 grammi. In 20 anni, il packaging si è alleggerito dell 80%, migliorando le prestazioni. Le caratteristiche che rendono la plastica preferibile sono versatilità, leggerezza, robustezza, inerzia chimica, affidabilità, economicità. SALUTE Le materie plastiche consentono all uomo di oggi di avere una vita pienamente fruibile, migliore, più lunga. Basti pensare ai farmaci protetti da speciali imballaggi alveolati (blister pack) termoformati; oppure ai numerosissimi oggetti e attrezzature impiegate in medicina e chirurgia: dalle tende ad ossigeno, ai guanti sterili, fino ai presidi salvavita, come il cuore artificiale o le sacche per il trasporto di sangue e plasma, le sacche per la dialisi, i tubicini per le trasfusioni. La caratteristiche che rendono la plastica preferibile sono l affidabilità e la capacità di consentire soluzioni tecnologiche altrimenti impossibili. SPORT E TEMPO LIBERO La sicurezza e le performance che la plastica rende possibili hanno consentito a moltissimi sport di avere uno sviluppo veramente notevole. RICICLAGGIO Alla fine del loro utilizzo le plastiche dismesse non divengono inutili, ma possono essere riutilizzate secondo tre modalità fondamentali: con riciclaggio meccanico, con riciclaggio chimico, oppure recuperando l'energia in esse contenuta. Per quanto riguarda la modalità di riciclo, si distinguono due categorie di plastiche: pre consumo e post consumo. Nel primo caso si tratta di elementi di scarto derivanti dal processo produttivo (stampo, taglio, ecc.) non contaminati da altre sostanze; da questi è quindi possibile generare plastiche eterogenee o omogenee di alta qualità. Nel secondo caso si tratta, invece, di elementi in plastica (a volte anche misti ad altri materiali) derivanti dalla raccolta differenziata dei rifiuti solidi urbani; questi necessitano di cernita e pulizia e vanno spesso a formare nuove mescole eterogenee brevettate. Il riciclaggio meccanico prevede la trasformazione da materia a materia: Fasi di riciclo di bottiglie di PET la plastica dismessa diventa il punto di partenza per nuovi prodotti. Questa tecnica consiste essenzialmente nella rilavorazione termica o meccanica dei rifiuti plastici. Se i materiali sono termoplastici, si riottengono granuli idonei a produrre altri manufatti secondo i diversi procedimenti di trasformazione. 8

9 Se sono termoindurenti, vengono macinati per essere impiegati come cariche inerti nei polimeri termoplastici vergini. Questa modalità di riciclaggio raggiunge i risultati migliori se la plastica trattata é omogenea. Il riciclaggio chimico prevede il ritorno alla materia prima di base attraverso la trasformazione delle plastiche usate in monomeri di pari qualità di quelli vergini, da utilizzare nuovamente nella produzione. I metodi possibili sono quattro: la pirolisi, che prevede la scomposizione delle molecole mediante riscaldamento sotto vuoto: si ottiene una miscela di idrocarburi liquidi e gassosi simile al petrolio; l'idrogenazione, un trattamento a base di idrogeno e calore: i polimeri si degradano e vengono trasformati in idrocarburi liquidi; la gassificazione, un procedimento basato sul riscaldamento in mancanza di aria con cui si produce una miscela di ossido di carbonio utile nella lavorazione di altre materie; la chemiolisi, che lavora le singole materie dismesse con processi che le trasformano nelle materie prime di origine. Il recupero energetico prevede di riutilizzare l'energia contenuta nei rifiuti plastici, che le deriva dal petrolio ed é interamente sfruttabile: la plastica ha un valore calorifico molto vicino a quello del petrolio. Il recupero di questa energia ed il suo utilizzo a fini civili e industriali può essere attuato attraverso: la combustione diretta dei rifiuti. In Europa si bruciano attualmente circa 27 milioni di rifiuti (il 16% del totale), e si produce così energia per riscaldamento e illuminazione. Se nel nostro continente tutti i rifiuti fossero utilizzati per generare energia, si coprirebbe quasi il 4% del fabbisogno europeo di elettricità domestica. tramite Package Derived Fuel (PDF). Si tratta del combustibile derivato dagli imballaggi contenuti nei rifiuti solidi urbani (RSU) e alcuni studi condotti in Scandinavia hanno dimostrato che il PDF può sostituire l equivalente di 14 milioni di tonnellate di combustibile industriale per anno negli impianti che producono energia. Con il Decreto Ronchi nasce in Italia il Consorzio Nazionale per la Raccolta, il Riciclaggio e i Recupero dei Rifiuti di Imballaggi in Plastica (COREPLA) ed acquisce l'ex Consorzio Replastic, consorzio che aveva avviato la valorizzazione dei contenitori per liquidi in plastica. Sono 37 i Centri di Selezione di rifiuti di imballaggi in plastica, di cui 17 funzionano con tecnologia automatizzata, operativi sul territorio nazionale. Il servizio di raccolta differenziata dei rifiuti di imballaggi in plastica é stato avviato in oltre Comuni, la popolazione coinvolta sfiora il 93%, valore che si conferma di eccellenza anche a livello europeo. Italia 9