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Logistica: 3 Packaging

Materie plastiche: classificazione

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Alcuni criteri di classificazione delle materie plastiche:

􀂃 Natura delle materie prime

• naturali
• sintetiche
• parzialmente sintetiche

􀂃 Meccanismo di polimerizzazione

• addizione
• condensazione

􀂃 Tatticità

• isotattiche
• attattiche
• sindiotattiche

􀂃 Distribuzione dei pesi molecolari

• polimeri monodispersi
• polimeri polidispersi

􀂃 Comportamento al calore

• termoplastiche
• termoindurenti

􀂃 Organizzazione strutturale

• amorfe
• cristalline
• semicristalline

􀂃 Temperatura di transizione vetrosa

• polimeri gommosi
• polimeri vetrosi

Materie plastiche naturali e sintetiche

Gomma lacca, ambra, guttaperca, ebanite sono alcuni esempi (i più famosi) di polimeri di origine naturale che hanno trovato nel tempo utilissimi impieghi, spesso anche a contatto con gli alimenti. Notevole diffusione hanno avuto (ed in parte hanno ancora) anche materie plastiche ottenute modificando per via chimica alcuni polimeri naturali ed ottenendo polimeri parzialmente sintetici come la galalite (dalla caseina e formaldeide), la parkesite (modificazione del nitrato di cellulosa), la celluloide (nitrato di cellulosa modificato con canfora) e molte altre cellulose modificate (acetato, nitrato, propionato e butirrato di cellulosa). Le materie plastiche che interessano oggi il settore del food packaging, sono però quasi esclusivamente di natura totalmente sintetica.

Materie plastiche, Polimeri di addizione e di condensazione:

Quando il monomero possiede una insaturazione, il tipico meccanismo di polimerizzazione è quello di addizione sul doppio legame. Per effetto di un
catalizzatore o delle condizioni di temperatura e pressione, il doppio legame si apre consentendo di legare altri monomeri in una successione che porta rapidamente a pesi molecolari molto elevati.

I polimeri di condensazione sono quelli ottenuti quando due specie chimiche, liberando una molecola a basso peso molecolare (tipicamente una molecola d’acqua), reagiscono tra di loro a formare il monomero. Le poliammidi ed i poliesteri sono i più classici esempi di polimeri per condensazione: nel primo caso un di-acido reagisce con una di-ammina formando acqua e un’ammide dotata di due gruppi funzionali (acido e amminico) capaci di proseguire la polimerizzazione; nel secondo caso è un di-acido che reagisce con un di-alcool per produrre l’unità monomerica fondamentale .

Per i polimeri ottenuti per addizione è in genere possibile un controllo stereochimico della disposizione spaziale dei residui adiacenti al doppio legame. Se questa è di tipo casuale si parla di polimeri atattici, se i sostituenti si dispongono su un unico lato delle catene macromolecolari che si vanno formando, i polimeri si definiscono sotattici, se infine la disposizione è regolarmente alternata sopra e sotto il piano della catena, si parla di polimeri sindiotattici.

Materie plastiche,Tatticità:

La distinzione è particolarmente significativa per il polipropilene (PP) e per il polistirene (PS). Il PP fino alla fine degli anni 50, si riusciva a produrre solo nella forma atattica a cui corrisponde, a temperatura ambiente, un liquido viscoso che non ha alcuna utilità, mentre la forma isotattica che si può produrre oggi grazie ai catalizzatori stereospecifici che ha sviluppato Giulio Natta (premio Nobel per la chimica), è un materiale altamente cristallino che ha molte utili applicazioni. Per il polistirene, invece, la forma sindiotattica permette di raggiungere temperature di distorsione molto più alte della comune forma atattica, consentendo nuove applicazioni.

Materie plastiche, Distribuzione dei pesi molecolari:

Il numero di unità monomeriche che costituisce una singola macromolecola è definito grado di polimerizzazione. Quando questo numero è basso (10-20) il polimero non ha consistenza e si presenta in genere liquido; ad un grado di polimerizzazione di circa 1000 il polimero è già un solido concreto ma è comune che i polimeri siano costituiti da 100.000 o più unità monomeriche. Conoscendo la massa del monomero ed il grado di polimerizzazione è, ovviamente, possibile stimare il peso molecolare del polimero. Tuttavia, ancorché possibile, è molto raro che tutte le macromolecole abbiano lo stesso grado di polimerizzazione (si parla in questo caso di polimeri monodispersi) mentre è piuttosto comune che le molecole polimeriche prodotte abbiano dimensioni molto variabili. Tutte le caratteristiche finali dei polimeri risultano molto influenzate dalla distribuzione dei pesi molecolari che, pertanto, è un importante indice di caratterizzazione dei polimeri polidispersi. Le frazioni ad alto ed altissimo peso molecolare influenzano la rigidità e la fragilità dei materiali, mentre quelle a basso peso molecolare rendono conto della viscosità e della adesività dei polimeri.

Materie plastiche, Comportamento al calore:

I polimeri termoplastici sono caratterizzati da catene polimeriche per lo più lineari e prive di insaturazioni; riscaldandoli al di sopra della temperatura ambiente, essi rammolliscono ed infine fondono ad una temperatura cui corrisponde la massima libertà di movimento per le loro macro-molecole. Questo comportamento è reversibile e, pertanto, i polimeri termoplastici possono essere facilmente modellati a caldo. Circa due terzi delle materie plastiche impiegate industrialmente e praticamente tutte quelle utilizzate per l’imballaggio hanno natura termoplastica.

I polimeri termoindurenti 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 crociati che stabilizzano la loro struttura, provocandone un’alterazione irreversibile. I polimeri termoindurenti sono, in genere molto più rigidi e robusti di quelli termoplastici; i loro impieghi di packaging sono rari e si limitano ad alcuni accessori di chiusura e ad alcune lacche di protezione interna delle scatole metalliche.

Materie plastiche, Organizzazione strutturale:

L’organizzazione nello spazio delle macromolecole polimeriche è, per lo più, di tipo amorfo: una disposizione disordinata di macromolecole aggrovigliate senza alcuna simmetria. La struttura amorfa è tipica dello stato fuso, tuttavia, controllando la velocità di raffreddamento o intervenendo con appositi promotori, molte materie plastiche solidificano in forma parzialmente cristallina per l’allineamento e/o l’impaccamento delle loro macromolecole. Lo stato cristallino influenza molte proprietà fisiche delle materie plastiche (massa volumica, proprietà meccaniche, ottiche e diffusionali) e, pertanto, è molto importante poter controllare il grado di cristallinità in fase di produzione. Le zone del polimero che si organizzano in forma cristallina sono definite “cristalliti”. In alcune materie plastiche i cristalliti inglobano zone amorfe a dare tipiche strutture definite “sferuliti”, le cui dimensioni (diametro di alcune centinaia di nanometri) sono tali da interferire con le radiazioni della luce visibile (diffrazione) producendo la tipica opacità lattiginosa.

Materie plastiche, Temperatura di transizione vetrosa:

Molte caratteristiche fisiche e chimico-fisiche dei polimeri dipendono dalla temperatura di transizione vetrosa (Tg): quando si trovano al di sotto di questa temperatura i polimeri hanno un comportamento definito vetroso cui corrispondono, in genere, basse permeabilità e elevata fragilità mentre al di sopra sono allo stato cosiddetto gommoso ed hanno più alte velocità di diffusione e maggiore tenacità. La Tg è determinata dalla forza dei legami intermolecolari e dalla flessibilità e lunghezza delle catene ed, in relazione alla temperatura ambiente, consente di definire le materie plastiche come gommose o vetrose e spiegarne molti comportamenti.

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