La plastica: storia, struttura e caratteristiche

La plastica fa parte della nostra quotidianità: a volte nemmeno ci rendiamo conto di quanto sia radicata nelle nostre vite. La utilizziamo per lavarci i denti, per spazzolarci i capelli, è nei contenitori all’interno dei nostri frigoriferi, nelle nostre scarpe, la indossiamo nei vestiti. Utilizziamo la plastica persino per proteggere il nostro amato smartphone dalle temute cadute.

Questo materiale, ormai onnipresente nella vita moderna, ha rivoluzionato innumerevoli aspetti della società grazie alla sua versatilità, durata e costo contenuto.

Ma perché è così importante? Proviamo a capirlo studiandone le caratteristiche.

• Che cos'è la plastica
• Storia della plastica
• Caratteristiche e proprietà della plastica
• La plastica: strutture dei materiali polimerici
• La plastica: peso molecolare
• Classificazione delle materie plastiche
• Come avviene la lavorazione della plastica

Che cos’è la plastica

Le plastiche sono materiali sintetici (ovvero creati dall’uomo) e organici (ovvero che contengono principalmente atomi di carbonio), composti da polimeri puri o miscelati con additivi. I polimeri sono lunghe catene di monomeri legati da legami covalenti.

Il termine plastica deriva dal greco “plastikos”, derivato di “plassein”, che significa plasmare o adatto per essere modellato. Durante la sua produzione infatti questo materiale può assumere infinite forme.

La plastica nasce da risorse naturali tra cui carbone, sale comune, gas e petrolio ai quali vengono aggiunte altre sostanze quali additivi, coloranti, antiossidanti, espandenti che servono a modificarne le proprietà in base alle esigenze.

Esistono due tipi di processi di produzione della plastica, che avvengono con l’aiuto di catalizzatori:

• polimerizzazione: monomeri come l’etilene e il propilene vengono legati tra loro rimanendo intatti;
• policondensazione: i monomeri non vengono sommati, ma “condensati” eliminando molecole di acqua o metano.

Storia della plastica

Le prime materie plastiche furono inventate intorno alla metà dell’Ottocento e nacquero dall’esigenza di sostituire materiali presenti in natura come vetro, legno e metallo. Il loro utilizzo si diffuse velocemente e ampiamente grazie alla loro versatilità e alla loro economicità.

Ripercorriamo velocemente alcune tappe importanti riguardanti le principali scoperte dei materiali polimerici.

• 1839: vulcanizzazione della gomma naturale scoperta da Charles Goodyear. Consiste nel riscaldamento della gomma che viene legata poi chimicamente allo zolfo;
• 1868: John Wesley Hyatt brevetta negli Usa la celluloide che scopre nel tentativo di sostituire l’avorio utilizzato per costruire le palle da biliardo;
• 1910: Leo Baekeland crea la bakelite, una resina termoindurente che si ottiene per condensazione tra fenolo e formaldeide. Per molti anni fu la materia plastica più utilizzata;
• 1912: Fritz Klatte scopre il processo per la produzione del PVC (polivinilcloruro);
• 1913: Jacques Edwin Brandenberger inventa il Cellophane prodotto in fogli sottili e flessibili;
• 1935: Wallace Carothers sintetizza per primo il nylon (poliammide) per l’ industria tessile;
• 1941: Rex Whinfield e James Tennant Dickson brevettano il PET (polietilene tereftalato);
• 1954: Giulio Natta scopre il Polipropilene isotattico, che viene utilizzato per la produzione di una moltitudine di prodotti, ad esempio i tubi o i paraurti. Per questo meriterà il premio Nobel nel 1963;
• 1973: Nathaniel Wyeth brevettò la bottiglia in PET come contenitore per le bevande gassate.

Da qui in poi, con lo sviluppo delle tecnologie, si creano i tecnopolimeri che hanno caratteristiche di resistenza termica e meccanica ancora in fase di studio e che sostituiscono i materiali più resistenti quali metalli speciali o ceramiche.

Caratteristiche e proprietà della plastica

I materiali polimerici sono materiali costituiti da polimeri e hanno un’ampia gamma di applicazioni a causa della loro versatilità. Possono essere flessibili o rigidi, resistenti o fragili, trasparenti o opachi, a seconda della composizione chimica e del metodo di produzione.

I polimeri sono lunghe catene di monomeri legati da legami covalenti. Queste catene possono essere:

• Catene di polimeri LINEARI: in cui le unità monomeriche si ripetono tutte uguali tra loro;
• Catene di polimeri RAMIFICATI: in cui raggi secondari si distaccano dalla catena principale;
• Catene di polimeri RETICOLATI: le catene non sono libere, ma legate tra loro da un legame covalente.

Questi materiali sono impiegati in una vasta gamma di prodotti, dall’abbigliamento, agli imballaggi, ai componenti elettronici e molto altro. La plastica, ad esempio, è un tipo di materiale polimerico molto diffuso, noto per la sua leggerezza, resistenza e capacità di essere modellato in forme complesse.

Qui di seguito le principali proprietà dei materiali polimerici:

• CHIMICO-FISICHE: hanno bassa conducibilità quindi sono ottimi isolanti elettrici e termici. Sono modellabili a caldo e più precisamente le termoplastiche si possono scaldare e rimodellare più volte mentre le termoindurenti si possono scaldare e modellare una volta sola.
• MECCANICHE: hanno buona resistenza meccanica alle forze d’urto, ottima lavorabilità e una buona durezza (ovvero resistenza all’abrasione). Sono però soggette ad una lenta degradazione dei polimeri che cambia le loro caratteristiche nel tempo.
• TECNOLOGICHE: hanno buone proprietà di plasticità, duttilità e malleabilità. Questo significa che se vengono deformate mantengono le nuove forme, si possono ridurre in fili e lamine sottili.

La plastica: strutture dei materiali polimerici

I materiali polimerici possono essere di diverso tipo. Classificandoli in base alla loro struttura li possiamo suddividere in:

• TERMOPLASTICI: se scaldati assumono una consistenza morbida o addirittura liquida.
  Ad esempio possiamo citare Polietilene tereftalato (PET), Polipropilene (PP), Polistirene (PS), Polivinilcloruro (PVC), Poliammidi (PA), Nylon, Polimetilmetacrilato (PMMA), Policarbonato (PC), Acetato di cellulosa (CA);
• TERMOINDURENTI: dopo il raffreddamento si induriscono in modo irreversibile e non possono più essere rimodellate. Ad esempio possiamo citare Resine epossidiche (EP), poliuretani (PU), Resine fenoliche (PF), Poliestere (PL).

La plastica: peso molecolare

Un fattore importante per definire le sostanze polimeriche, oltre alla natura chimica dei legami, è il peso molecolare: un parametro che governa una serie di caratteristiche importanti e il tipo di produzione.

Infatti, se aumenta il numero di monomeri che compongono un polimero, allora aumenta anche il peso molecolare e per rendere il materiale fluido bisogna aumentare sempre di più la temperatura.

È possibile controllare il grado di concatenazione e quindi il peso molecolare, ma sono pochissime le molecole con la stessa lunghezza. Quindi se necessito di una specifica tipologia di polimero, devo specificare il peso molecolare a seconda del tipo di impiego che ne devo fare.

Classificazione delle materie plastiche

Tutti i polimeri termoplastici o termoindurenti possono essere classificati anche come:

• ELASTOMERI: polimeri allo stato gommoso capaci di subire grandi deformazioni per effetto di piccole forme. Cessata la causa deformante riprendono rapidamente la loro forma iniziale. È importante la loro capacità di convertire l’energia termica in energia cinetica. Sono elastomeri le gomme;
• FIBRE: materiali che possono essere intrecciati e filati in tessuti. Se sottoposti a trazione si allungano poco. Ad esempio Poliammidi (nylon) e poliesteri;
• VERNICI: sono prodotti in grado di formare un film solido, continuo e aderente alle superfici su cui vengono applicati. Sono in forma liquida o in polvere. Ad esempio resine viniliche, acriliche e alchidiche;
• ADESIVI: Sostanze capaci di legare fra loro materiali uguali o diversi tramite contatto superficiale. Ad esempio le resine epossidiche
• ESPANSI: Materiali con struttura cellulare di bassa densità. Sono materiali coibentanti, di assorbimento acustico e d’urto.
  Ad esempio poliuretano e polistirolo.

Come avviene la lavorazione della plastica

La lavorazione della plastica impiega diverse tecniche per trasformare le resine polimeriche in prodotti finiti. Questi metodi sfruttano le proprietà termoplastiche di molti tipi di plastica, che diventano malleabili o plasmabili a temperature elevate e si solidificano raffreddandosi. E’ importante che le materie plastiche, per poter essere lavorate, vengono riscaldate e ridotte prima di tutto in polveri, granuli o liquidi viscosi. Le principali lavorazioni che seguono questo processo sono:

• Stampaggio ad iniezione: questo processo prevede l’iniezione di plastica fusa in uno stampo chiuso sotto pressione. Raffreddandosi, la plastica assume la forma dello stampo. È ampiamente utilizzato per produrre componenti di precisione e di alta qualità con cicli di produzione rapidi.
• Soffiatura: simile allo stampaggio ad iniezione, questa tecnica introduce plastica fusa in uno stampo. Tuttavia, un soffio d’aria comprime la plastica contro le pareti dello stampo, creando oggetti cavi come bottiglie e contenitori.
• Stampaggio a compressione: prevede il posizionamento di plastica in forma di polvere o preformato nello stampo, che viene poi chiuso e riscaldato, facendo fluire il materiale e assumere la forma dello stampo. È utilizzato per grandi oggetti piatti o per materiali che non fluiscono facilmente.
• Laminazione: il polimero fuso viene fatto passare attraverso dei cilindri in rotazione che lo schiacciano riducendolo in fogli. I cilindri inizialmente sono caldi e man mano si raffreddano per far indurire la plastica.