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M.P. Luda materiali polimerici 1

Dipartimento di CHIMICA IFMGruppo Materiali Polimerici

Via P. Giuria 7, 10025 TorinoIV piano lato via Bidone (seguire indicazioni Macromolecolare)

• CHIANTORE OscarCOSTA Luigi

• LUDA Maria Paola [email protected]. 011 6707556

• TROTTA Francesco • LAZZARI Massimo

BRACCO Pierangiola BRUNELLA Valentina SCALARONE Dominique

• ZANETTI Marco• Dottorandi, tesisti….

• Riciclo e trattamenti a fine vita di materiali polimerici

• Polimeri in medicina• Membrane polimeriche per

applicazioni in celle a combustibile e per il riconoscimento molecolare

• Polimeri per la salvaguardia dei beni culturali

• Nanocompositi polimerici• …….


Materiali polimericiPre-requisiti (in ingresso)Principali composti e reazioni organiche(Da Chimica Organica A, B, C)Elementi di Termodinamica, cinetica, equilibri chimici (Da Chimica Fisica A, B, C)

Competenze minime (in uscita)Proprietà e struttura dei principali polimeri Elementi di cinetica di polimerizzazione

Corsi a carattere macromolecolare nelle lauree magistrali:Chimica delle macromolecole e dei processi combustivi (LM CCFS) Struttura/proprietà/applicazione dei polimeri, (LM Chimica Industriale)I polimeri e la loro sintesi (LM Chimica Industriale)Materiali polimerici (LM Scienza dei materiali)Corsi di Scienza e Tecnologia per i Beni Culturali


Supporti didatticiCopia delle diapositive presentate a lezione (su web)Sommario degli argomento trattati a lezione (su web)Schede contenenti possibili domande d’esame (su web)

Modalità d’esameColloquio orale, tre domande, una a scelta dello studente

Bibliografia:•G. Challa “Polymer Chemistry, an introduction” EllisHorwood series in Polymer Science, Chichester, 1993•Malcom P. Stevens “Polymer Chemistry, an introduction” Oxford University press 1999•S. Brückner, G. Allegra, M. Pegoraro, F.P. La Mantia “Scienza e Tecnologia dei Materiali Polimerici” EdiSES 2001http://www.psrc.usm.edu/macrog/index.htm


Materiali

Polimeri Polimeri organiciorganici

Metalli, Metalli, legheleghe

Fe Al Cu, acciaio

CeramiciCeramici

Al2O3, SiC, vetri minerali)

Cemento armato

Pneu-matici:

filo acciaio

+ elasto-

mero

FV + Pes

Solidi, fabbricati dall’uomo per costituire gli “oggetti” della vita quotidiana

Materia con un certo grado di ordine


Naturaliproteine

cellulosa, DNA....

Naturali modificativiscosa

celluloide.....

Sinteticitermoplastici: PE, PP....termoindurenti PF, ER....

Inorganicipolisilossanipolifosfazeni

Materiali polimericiorigine


PolietileniPolipropilenePVCPolistirene

commoditiesconsumi elevati

costi bassi

nylonspolicarbonatoPoliesteriPolimmideAcetali.......

engineeringbassi consumicosti elevati

Plastici

fibre naturali(cotone, lana ...)acetati (di cellulosa)viscosanylonspoliesteripolietileneacriliche......

Fibreelevate proprietà

meccaniche assiali

Stirene-butadienepolybutadieneetilene-propilenegomma naturalegomma nitrilegomma butileneoprenegomme poliiuretanichegome siliconiche.......

Elastomerideformabili con

ricupero deformazione

resine alchidiche(poliesteri)vernici acrilicheadesivi acrilicivernici poliuretaniche...........

RicoprimentiAdesivi

materiali filmogeni

polistirolo espansopoliuretanichepolietilene espanso......

Schiume

Materiali polimericiapplicazioni industriali


Fonte: Plastic Consult

Consumo delle materie plastiche per settori d'impiego (2003)

M.P. Luda materiali polimerici 14% della produzione di petrolio utilizzata per le materie plastiche


Polimeri: perché?Leggerezza:

Materiali macromolecolarimacromolecolari

Polimeri 0.9-2 g/cm3... Metalli 2.7(Al)- 19(Pt)…..

Polimeri 0.007-8 GPa...Metalli 15(Pb)- 500 (Os)GPa...

Polimeri 4 - 800 %... Metalli 5 - 50%…..

Polimeri k = 0.15-0.71W/m-1K-1

rame k = 398 W/m-1K-1

Polimeri ρ = 1013-1017 ΩmMetalli ρ= 10-8 Ωm

*Nei materiali strutturali la defor-mabilità é bassa

Deformabilità

Isolamento termico Isolamentoelettrico

Elevata massa molecolareElevata massa molecolare

densità bassa

modulo elastico basso

elongazioni elevate

conducibilità termica bassa

conducibilità elettricabassa


Studi Fondamentali18611861 Graham [Trans. Royal Soc. London 151, 186 1861] divide le sostanze in

cristalloidi: sostanze cristallizzabili, diffondono velocemente in soluzione, passano attraverso le membrane semipermeabili (dialisi) non diffondono la luce

colloidi: sostanze non cristallizzabili, con alta viscosità in soluzione, diffondono lentamente in soluzione, non dializzano, diffondono la luce

interpretazioni:

ipotesi fisica (preferita): associazioni di molecole tenute insieme da legami secondari polimeri = molte parti

ipotesi chimica: molecole grandi, atomi legati da legami covalenti. macromolecole= molecole grandi


Effetto Tyndallosservazione perpendicolare rispetto alla direzione del raggio illuminante

l'effetto Tyndall è dovuto alla diffusione della luce da parte delle macromolecoleLa diffusione della luce è in relazione con le dimensioni delle macromolecole ed è sfruttata per la loro determinazione


Dialisi

La differenza di pressione ad un certo punto impedisce l’ulteriore flusso (netto) dal solvente alla soluzione

la pressione di equilibrio è detta pressione osmotica osmotica ππ

π

soluzionesolvente

Membrana semipermeabile


Studi Fondamentali18801880--18851885 Raoult studia le soluzioni:la presenza di un soluto non volatile abbassa la tensione di vapore del solvente puro in modo proporzionale alla sua frazione molare

21

10 nn

nPP+

⋅= n1: numero di moli di solventen2: numero di moli di soluto

Conseguenzeaumento del punto di ebollizione (un liquido bolle quando la sua tensione di vapore uguaglia la pressione atmosferica)diminuzione del punto di congelamento (un liquido ed un solido coesistono in equilibrio quando hanno la stessa tensione di vapore)


21

10 nn

nPP+

⋅=

t1, t4 :p.e., p.c. solv. puro

t2, t5: p.e., p.c. soluz. Dil.

t3, t6:p.e. , p.c. soluz. Conc.


spiegazioni (all'epoca):•le sostanze colloidali hanno una struttura “complessa”•le leggi di Raoult non valgono per i colloidi (Debray 1883, Accademia delle Scienze)

A parità di concentrazione in peso le soluzioni di “colloidi” rispetto a quelle di “cristalloidi” presentavano peb molto più prossimi a quello del solvente puro

In realtà le sostanze macromolecolari rispetto a quelle di piccole molecole presentano a parità di concentrazione in peso un numero molto minore di molecole e di conseguenza un abbassamento minore delle tensione di vapore


Studi Fondamentali19201920 Staudinger (1881-1965) (D, Farbein Industrie)

lavorando sulla viscosità di soluzioni colloidali propone che le caratteristiche peculiari delle sostanze polimeriche siano dovute al loro elevato peso molecolare (macromolecole)

[η]=K x Ma

•le sostanze colloidali non perdono le loro proprietà colloidali per effetto di trasformazioni (es. idrogenazione)

•le proprietà colloidali non dipendono dal solvente


Studi Fondamentali

mescolando insieme due omopolimeri diversi non si ottiene il copolimerox A + y B → (AB)poiché sussiste l'equilibriox A↔ (A)x y B↔ (B)xdovrebbe avvenire(A)x + (B)y → (A-B) sperimentalmente non avviene

19301930 (1896-1937) Wallace Human Carothers (USA, Dupont)

in studi sul nylon accetta l'ipotesi macromolecolare di Staudinger: macromolecole costitute da unità ripetitive


1950 Ziegler (D)lavorando sulla idrogenazione delle olefine con catalizzatori a base di TiCl3 ottiene un sottoprodotto "polimerico"

1954 Giulio Nattariconosce in questo sottoprodotto un polimero stereoregolare.

19631963Giulio Natta riceve il premio Nobel per la Chimica

Studi Fondamentali


La storia

automobile I guerra mondiale II guerra

mondiale

Teoria macromolecolare


1846Lo svizzero Frederick Schoenbein isola il primo polimero artificiale, il nitrato di cellulosa, un composto chimico che imita l’ambra

1862Due industriali americani mettono in palio 10.000 dollari per chi avesse trovato un sostituto dell’avorio nella fabbricazione delle palle da bigliardo. Li vince Alexander Parkes che sintetizza la nitrocellulosa (nitrato di cellulosa più canfora), a cui da il nome di Parkesina

1869Un tipografo di New York, John W. Hyatt, mescolando insieme la Parkesina e la canfora, inventa la Celluloide

1889George Eastman utilizza la Celluloide per pellicole fotografiche


1909Leo H. Baekeland, utilizzando prodotti sintetici(fenolo e formaldeide) ricavati dalla distillazionedel carbone, crea la Bachelite: è la prima vera plastica

anni '20Nasce la Fòrmica, laminato plastico a base di urea, fenolo, formaldeide (e carta kraft), utilizzata nell’arredamento

anni '30Si utilizzano 16 materie plastiche differenti, fra cui il polistirolo e i poliuretani

1935Gibson e Fawcett mettono a punto il Polietilene


1938Wallace Hume Carothers produce il Nylon, la più importante fibra tessile artificiale

1948I tecnici dell’areonautica americani mettono a punto il Plexiglass

1954Giulio Natta scopre il Polipropilene isotattico,con caratteristiche migliori del polietilene.A lui viene conferito nel 1963 il Premio Nobel per la Chimica

1980…..2005Smart materials; polimeri conduttori, dendriti… Riciclo


Storia della gomma1492 :arriva in Europa, uso farmacologico

1770: gomma da cancellare

inizio 1800: impermeabilizzazione di tessuti, (MacIntosh)

1839 vulcanizzazione della gomma con zolfo (Goodyear)

1876 gomme di piantagione, Sir Wickman trafuga il seme della H.B. in Indonesia

1890 primi pneumatici (Michelin)

1915-1940 in Germania ed in Russia: tentativi di ottenere la gomma naturale per sintesi

1960 gomma naturale sintetica, ottenuta per polimerizzazione stereospecifica (Ziegler-Natta)

M.P. Luda materiali polimerici 110 30 50 70 90

annianni

prod

uzio

nepr

oduz

ione

Legno

Plastica

Acciaio

AlluminioAlluminio

Popolazione

Zinco

Francesco Forcucci

,

“PLASTICA QUINTO ELEMENTO”

Venerdi’ 15 marzo 2002

ASSOPLAST


4.000

15.500

6.300

4.000

3.600

9.900

6.600

8.600

4.400

4.000

3.000

3.000

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000

Italia

Germania

Francia

Gran Bretagna

Spagna

Benelux

ConsumiProduzione

Confronto consumo/produzione di materie plastiche nei principali Paesi Europei

(Kton/anno, 2001)

2000

Totale Europa 36800 KtonTotale USA 53000 Kton 50000(2001)

Consumo/produzione


Il mercato delle materie plastiche in Italia

Le materie Plastiche in Italia (Kton)

02000400060008000

offerta

importa

zione

esportazio

ne

consum o reale

200120022003

Consumo reale Consumo reale = acquisti - variazione stock produttori

OffertaOfferta = produzione –variazione stock produttori


monomero

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