Plastica e nuovi materiali

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1 Plastica e nuovi materiali
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2 Le materie plastiche Prodotti di natura organica (contenenti cioè carbonio) Assumono consistenza pastosa sotto l’azione del calore o di solventi Facilmente plasmabili fino ad assumere la forma voluta, che mantengono al cessare dell’azione del calore. Particolare richiede l’aspetto ecologico: molte materie plastiche non sono biodegradabili e creano problemi di smaltimento dei rifiuti e di inquinamento.

3 La storia della plastica
Alcuni derivati dal regno vegetale (caucciù), animale (corno) o minerale (ambra), sono le prime materie plastiche della storia. 1. Le materie plastiche artificiali Nel 1839 Goodyear scoprì il metodo per conferire alla gomma naturale proprietà meccaniche notevolissime (vulcanizzazione) 2. Le materie plastiche sintetiche Nel 1906, il belga Baekeland fabbricò numerosi oggetti con la bakelite, prima resina sintetica (non ottenuta da prodotti naturali come la cellulosa): era in grado di imitare materiali come il legno, il marmo e la giada. 3. Grande diffusione nel XX secolo. Tra le nuove invenzioni ricordiamo, quella del polipropilene (Moplen) da parte di Giulio Natta, che vinse il premio Nobel 1963 per la chimica. 4. Le materie plastiche oggi Le materie plastiche oggi consentono la creazione di oggetti nuovi con plastiche biodegradabili e quindi riciclabili.

4 Le proprietà delle materie plastiche
Conoscere le proprietà dei vari tipi di materie plastiche è importante perché ne consente l’uso più appropriato ed efficiente. Caratteristiche chimico-fisiche 1. Composizione chimica Sostanze organiche macromolecolari (polimeri) 2. Peso molecolare (elevato) 3. Peso specifico (varia da 0,9 a 2,2 g/cm3 circa) 4. Conducibilità elettrica (bassa) In genere è isolante 5. Comportamento al calore Resine termoplastiche: si possono fondere e modellare più volte. Resine termoindurenti: solo una volta. Proprietà meccaniche 1. Durezza (discreta) 2. Resistenza alle sollecitazioni (buona) 3. Resilienza Resistenza agli urti (buona) 4. Elasticità (buona) Proprietà tecnologiche 1. Plasticità (ottima) 2. Lavorabilità (ottima) 3. Duttilità (ottima) 4. Malleabilità (ottima)

5 Tipi di polimeri e loro usi
1. Resine fenoliche (bakelite) 2. Resine epossidiche (adesivi, isolanti) 3. Poliestere (recipienti – poliuretano) 4. Resine di melamina (giocattoli) 5. Resine di urea-formaldeide (maniglie, appendini) 6. Elastomeri (gomma, elastici, tubi) a. Polimeri termoplastici Struttura molecolare lineare All’azione del calore fondono assumendo le forme dello stampo. - Questo processo si può ripetere più volte (riciclaggio) b. Polimeri termoindurenti - Una volta scaldati e formati non possono tornare a fondersi PET - Polietilene tereftalato (bottiglie acqua minerale) 2. HDPE - Polietilene ad alta densità 3. V - Vinile 4. LDPE - Polietilene a bassa densità 5. PP – Polipropilene (articoli casalinghi) 6. PS – Polistirene (imballaggi - polistirolo) 7. ALTRI - es. PVC Cloruro di polivinile (edilizia)

6 La polimerizzazione I Polimeri sono grandi molecole, ottenute per sintesi chimica dal petrolio e sono alla base di tutte le materie plastiche. Possono essere termoplastici o termoindurenti. Dalla distillazione frazionata del petrolio, fra le varie sostanze ottenute, si ha la Virgin Nafta, utilizzata proprio per la produzione della plastica. La Virgin Nafta  viene trasferita nell’impianto dello Steam-Cracking dove viene surriscaldata con vapori a pressioni elevatissime. Gli atomi delle lunghe molecole della Virgin Nafta si spezzano in molecole più semplici (monomeri): si formano l’etilene e il propilene. I monomeri (etilene e propilene), all’interno di un’autoclave, subiscono il processo di polimerizzazione, vengono cioè uniti fra loro in molecole più lunghe e complesse (dette polimeri). 

7 La polimerizzazione I monomeri (etilene e propilene), all’interno di un’autoclave, subiscono il processo di polimerizzazione, vengono cioè uniti fra loro in molecole più lunghe e complesse (dette polimeri).  E’ in questa fase che si ha la distinzione fra TP e TI: i polimeri delle resine termoplastiche sono formati da catene libere di scorrere le une sulle altre; i polimeri delle resine termoindurenti sono formati da catene tra loro bloccate da legami indissolubili. Alle resine sintetiche così ottenute (TP o TI) vengono aggiunte altre sostanze additive comeriempitivi, indurenti, plastificanti e coloranti. Alla fine di questi procedimenti le resine si possono presentare o sotto forma di polvere o sotto forma di granuli, pronte per essere trattate dai diversi tipi di processi di lavorazione.

8 Lavorazione delle materie plastiche
1. ESTRUSIONE - Processo continuo che permette di formare tubi, barre, lastre, profilati e film una grande vite “senza fine” convoglia il materiale da una tramoggia (una sorta di grosso imbuto) in un cilindro riscaldato, dove avviene la fusione e l’omogeneizzazione Il materiale termoplastico fuoriesce dalla filiera, che lo foggia con continuità nella forma voluta Il raffreddamento avviene mediante contatto con calibratori raffreddati a circolazione d’acqua. 2. SOFFIAGGIO Si immette aria negli stampi (di alluminio, di resina epossidica o di legno) La materia prima è in lastra e il prodotto può essere di notevoli dimensioni La formatura del pezzo avviene per soffi aggio di aria mediante compressore. 3. STAMPAGGIO Lo stampo è uno strumento che permette di riprodurre la sua forma in diversi oggetti, tutti uguali tra loro. -Il processo di stampaggio delle materie plastiche avviene per: - Formatura a mano - Stampaggio a caldo a compressione (termoformatura): - Stampaggio per iniezione

9 La plastica e l’ambiente: il riciclaggio
- La materia prima è derivata dal petrolio, un combustibile fossile che, bruciando, produce gas inquinanti. L’eccessiva produzione di plastiche per l’imballaggio riversa nell’ambiente milioni di tonnellate di rifiuti solidi praticamente indistruttibili. Raccolta differenziata, recupero e riciclaggio Raccolta differenziata Selezione per tipologia Compattazione Prodotti usati Nuovi prodotti Triturazione Semilavorati Fusione termoplastica

10 I nuovi materiali - Negli ultimi decenni sperimentazione e commercializzazione di nuove tipologie di materiali che, rispetto a quelli tradizionali, mostrano proprietà superiori. - Ad esempio i materiali compositi, che derivano dalla combinazione di almeno due componenti chimicamente diversi, la cui coesistenza genera proprietà e caratteristiche non riscontrabili nei singoli componenti. - Più recenti ancora sono i cosiddetti nanomateriali, generati dalla manipolazione della materia fino ad un livello estremamente fine (con tolleranze inferiori al decimilionesimo di metro) - materiali, prodotti, dispositivi caratterizzati da proprietà nuove e inusuali, ancora tutte da scoprire.

11 I materiali compositi 1. Fibre di carbonio
• ottima resistenza meccanica • bassa tenacità • alto modulo elastico • bassa densità ( g/cm3) • alto costo 2. Fibre aramidiche (Kevlar - Nomex) • ottima resistenza meccanica • alta tenacità • modulo elastico medio • bassa densità (<1.5 g/cm3) • costo medio 3. Fibre di vetro • ottima resistenza meccanica • buona tenacità • basso modulo elastico • media densità ( g/cm3) • basso costo

12 Le nanotecnologie Nel 1959 il fisico americano Richard Feynman (Premio Nobel 1965) indicò la strada, profetizzando scenari che oggi sono in parte divenuti realtà. Sulla base degli studi di Feynman, l’ingegnere giapponese, Norio Taniguchi introdusse il termine nanotecnologia, riferendolo a uno sviluppo della meccanica di precisione, con tolleranze dell’ordine del nanometro (milionesimo di millimetro). Oggi la nanotecnologia è una realtà che punta a sviluppare nuovi sistemi (materiali, dispositivi, ecc.) progettandone direttamente la nanostruttura. - produzione di dispositivi estremamente miniaturizzati (con dimensioni massime dell’ordine di 100 nm) e di materiali innovativi modificando le caratteristiche macroscopiche e microscopiche dei materiali.

13 Applicazioni delle nanotecnologie
OLED (diodi organici emettitori di luce) per schermi Articolazioni dell’anca in materiali biocompatibili Vetrine antigraffio che sfruttano l’effetto “loto” Nanotubi per schermi notebook Celle a combustibile forniscono corrente a veicoli e telefonini Vestiti “intelligenti” misurano il polso e controllano la respirazione