Scienza dei Materiali: Proprietà e Processi di Produzione delle Materie Plastiche

La Plastica e i Polimeri

La plastica, o polimero, è un materiale sintetico ottenuto per mezzo di reazioni chimiche a cui si aggiungono diverse sostanze. Lo scopo degli additivi è quello di migliorare alcune proprietà o caratteristiche della plastica, come la resistenza alla corrosione chimica, l'isolamento termico e acustico, la resistenza elettrica e l'estetica (resistenza agli shock).

Materie prime utilizzate per la produzione di plastica

La produzione si è evoluta in tre fasi principali:

• Nel XIX secolo: si utilizzavano materie prime di origine animale e vegetale, come il catrame.
• Fino al 1930: si utilizzava prevalentemente il carbone (il coke è il residuo del carbone trasformato).
• Oggi: si utilizzano principalmente petrolio e gas naturale.

Componenti principali delle materie plastiche

• Monomeri: sono le sostanze di base che entrano nella reazione. Vengono aggiunti alla materia prima al fine di abbassare il costo del prodotto di reazione e migliorare le caratteristiche fisiche, chimiche o meccaniche.
• Additivi: la cui funzione è migliorare la qualità del polimero.
• Catalizzatori: la cui missione è avviare e accelerare il processo di polimerizzazione (indurimento).

Gli additivi servono a conferire alle materie plastiche proprietà specifiche; è necessario aggiungere l'additivo corrispondente al polimero ottenuto. Tra i tipi di additivi troviamo: coloranti, pigmenti, antistatici, conduttivi, stabilizzanti e plastificanti.

Tipologie di Plastica

Termoplastici

Sono plastiche che, quando riscaldate a temperature comprese tra 50 e 200 °C, raggiungono uno stato di plasticità che permette loro di essere modellate.

• Fibre: le loro molecole hanno una direzione preferenziale. Sono resistenti alla trazione, facilmente lavabili, non si sgualciscono né si restringono.

Termoindurenti

Una volta formati tramite calore, non possono recuperare la loro forma originale. Sono materiali duri ma fragili. Se riscaldati eccessivamente, carbonizzano ma non si ammorbidiscono.

Elastomeri

Sono materiali molto resistenti che permettono grandi deformazioni senza rompersi, tornando poi alla loro forma originale. Non è possibile fonderli nuovamente.

Processi di Formazione dei Prodotti in Plastica

La fabbricazione della plastica è finalizzata a produrre un prodotto finito senza necessità di ulteriori trattamenti. I metodi principali includono:

• Pressatura: il materiale in polvere o granuli (con cariche e additivi) viene introdotto nella parte inferiore dello stampo. Si applicano pressione e calore finché il materiale diventa plastico e scorre nelle cavità. Una volta indurito, il pezzo viene rimosso.
• Iniezione: la materia prima viene introdotta in un contenitore dove raggiunge una grande plasticità. Un pistone comprime il corpo facendolo passare nello stampo. Dopo l'indurimento, lo stampo viene aperto per rimuovere il pezzo.
• Termoformatura: si parte da una lastra rigida riscaldata (deformazione). La lastra viene posta sullo stampo e, tramite vuoto, pressione o entrambi, aderisce ai bordi. Una volta fredda, si rimuove dallo stampo.
• Estrusione e soffiaggio: il materiale termoplastico in stato plastico passa attraverso un tubo assumendo una forma tubolare. Viene poi soffiata aria calda a pressione affinché il materiale si adatti alle pareti dello stampo metallico raffreddato.

Plastiche Rinforzate e Materiali Compositi

Formati da due tipi di materiale: un rinforzo, che conferisce resistenza alla trazione, e una matrice plastica.

• Il Kevlar: è estremamente duro e difficile da lavorare.
• Fibra di carbonio: a base di polimeri di poliacrilonitrile miscelati con acrilato, metacrilato o PVC.

Laminati Plastici

Sono materiali composti da strati sovrapposti:

• Plastica-vetro: il vetro è rivestito con un sottile strato di plastica.
• Plastica-metallo: prodotti in metallo rivestiti con uno strato sottile di plastica (es. lattine per alimenti).
• Plastica-carta o cartone: il cartone viene ricoperto da uno strato di plastica su entrambi i lati per resistere all'umidità (es. Tetra Pak).
• Plastica-tessuto: applicazione nel settore della pelle sintetica, tela, ecc.
• Plastica-plastica: utilizzata in confezioni per alimenti, cosmetici e bevande, combinando diversi strati per garantire resistenza esterna e protezione del prodotto interno.

Fibre Naturali e Artificiali

Fibre Minerali

Estratte da strutture fibrose. La fibra di vetro si ottiene dalla fusione di vari minerali ed è utilizzata per l'isolamento termico e acustico. Esistono anche fibre di metalli preziosi come oro e argento, usate per costumi religiosi o regionali.

Fibre Vegetali

• Cotone: composto al 91% da cellulosa, non provoca allergie.
• Lino: fibra resistente ma meno elastica e flessibile; è più costosa e usata per abbigliamento di pregio.
• Sparto: utilizzato principalmente per oggetti di artigianato.

Fibre Animali

• Lana: ottenuta dalle pecore, è molto elastica ma sensibile al caldo umido.
• Seta: prodotta dal baco da seta, è elastica ma cattiva conduttrice di calore.
• Pelle: derma animale sottoposto a concia per rimuovere peli e conferire elasticità.

Fibre Artificiali e Sintetiche

La materia prima proviene dalla sintesi chimica o dalla trasformazione di proteine:

• Fibre cellulosiche: note anche come rayon.
• Fibrolana (Lanital): ottenuta dalla caseina del latte disciolta in soda caustica.
• Vicara: ottenuta dalle proteine del mais.
• Alginato: ottenuto dalle alghe.

Elastomeri e Gomme

Permettono grandi deformazioni elastiche grazie al processo di vulcanizzazione (aggiunta di zolfo a 145 °C e 5 atmosfere di pressione). L'ossigeno, il calore e la luce solare riducono nel tempo l'elasticità di questi materiali.

Tipologie di Gomma

• Gomma naturale (CA): ottenuta dal lattice dell'albero Hevea. Oggi è spesso sostituita dalla gomma sintetica.
• Neoprene (PCP): polimero del cloroprene, non combustibile, usato per l'isolamento dei cavi.
• Silicone (SI): a base di silicio, altamente resistente agli agenti esterni.
• Gomma sintetica: resistente al calore e all'abrasione; l'80% della produzione è destinata agli pneumatici.

Altri Materiali: Sughero, Vetro e Gesso

Il Sughero

Si ottiene dalla corteccia della quercia da sughero. La scortecciatura avviene ogni nove anni. Dopo l'asciugatura all'aria per 3 mesi, viene bollito con prodotti chimici. Le parti migliori diventano tappi, mentre il resto viene triturato in granuli per formare tavole isolanti.

Il Vetro

Ottenuto dalla fusione di sabbia di quarzo miscelata con carbonato di sodio e sale. Esistono vari tipi: vetro piano, cemento armato, vetroresina e fibra ottica.

Il Gesso

Materiale bianco ottenuto dal solfato di calcio. Ha una buona adesione sui metalli ma scarsa sul legno ed è altamente igroscopico. La produzione prevede la calcinazione a 450 °C per rimuovere l'acqua, seguita dalla macinazione.

Nuovi Materiali Strutturali e Funzionali

• Materiali funzionali: scelti per proprietà chimiche, magnetiche, elettroniche o ottiche (es. materiali fosforescenti, leghe di neodimio-ferro-boro).
• Biomateriali: prodotti anche tramite virus geneticamente modificati.
• Materiali intelligenti: capaci di auto-ripararsi, con un comportamento simile ai tessuti biologici.
• Nanocompositi: materiali ibridi per componenti elettronici più veloci e compatti.
• Gel: materiali che rispondono a stimoli esterni come variazioni di temperatura o pH.