Cos’è un polimero? Definizione, tipi ed esempi

Un polimero è una macromolecola, cioè una molecola formata da centinaia o migliaia di atomi, che si forma dall’unione successiva della stessa piccola molecola. Il termine “polimero” deriva dalla congiunzione del prefisso greco poli , che significa “molto”, con il suffisso mer , che significa “parte”. La parola fu coniata dal chimico svedese Jons Jacob Berzelius nel 1833.

Lo sviluppo dei polimeri

I polimeri naturali sono stati utilizzati da tempo immemorabile, ma la capacità di sintetizzare i polimeri è uno sviluppo recente. Il primo materiale sviluppato da un polimero fu la nitrocellulosa . Il processo fu messo a punto nel 1862 dal chimico britannico Alexander Parkes: egli combinò la cellulosa naturale con acido nitrico e un solvente, e con un successivo trattamento con canfora produsse celluloide , un polimero largamente utilizzato nell’industria cinematografica. La dissoluzione della nitrocellulosa in etere e alcool produce collodio ; questo polimero è stato utilizzato come medicazione chirurgica.

La vulcanizzazione della gomma è stata un’altra pietra miliare nello sviluppo dei polimeri. Il chimico tedesco Friedrich Ludersdorf e l’inventore americano Nathaniel Hayward hanno scoperto che l’aggiunta di zolfo alla gomma naturale migliorava sostanzialmente le sue proprietà. Il processo di vulcanizzazione della gomma mediante l’aggiunta di zolfo e l’applicazione di calore fu descritto dall’ingegnere britannico Thomas Hancock nel 1843 e dal chimico americano Charles Goodyear nel 1844.

Nel 1926 Hermann Staudinger spiegò la struttura chimica di questi materiali e propose la struttura del polistirene e del poliossimetilene , valida ancora oggi. Il suo modello stabilì che venivano generate lunghe catene di atomi formate dall’unione ripetitiva attraverso legami covalenti di una piccola molecola. Hermann Staudinger è stato insignito del Premio Nobel per la Chimica nel 1953 per il suo lavoro.

Come si formano i polimeri?

La formazione di un polimero, cioè la polimerizzazione, è una reazione chimica in cui in una piccola molecola si generano due legami, generalmente legami covalenti, in cui si uniscono altre unità della stessa molecola. Questo processo si ripete un gran numero di volte formando una lunga catena di atomi. La molecola che costituisce il polimero si chiama monomero .

Facciamo un esempio: il polietilene, una plastica molto usata che è il polimero più semplice.

Il monomero del polietilene è l’etilene, una semplice molecola organica che ha due atomi di carbonio legati da un doppio legame insieme a due atomi di idrogeno attaccati a ciascun atomo di carbonio, come mostrato nella figura sopra. I legami di carbonio sono covalenti. Se il doppio legame è rotto, ciascuno degli atomi di carbonio ha un legame covalente disponibile per unire altri atomi che costituiscono l’unità strutturale, come mostrato nella figura seguente.

L’unione ripetuta di questa unità strutturale genera una lunga molecola lineare, senza ramificazioni: il polietilene (vedi figura seguente).

Un altro esempio è l’ottenimento del polistirene, un polimero dalle molteplici applicazioni. Il monomero del polistirene è lo stirene, una molecola che ha un anello benzenico legato a due atomi di carbonio con un doppio legame. Come nel caso del polietilene, la rottura del doppio legame genera l’unità strutturale che, unita ripetutamente, costituisce una lunga catena che forma il polistirene (vedi figura seguente).

polimeri

In natura ci sono molti materiali e molecole generati da esseri viventi che sono polimeri. Proteine, acidi nucleici, DNA, polisaccaridi come la cellulosa, sono esempi di polimeri naturali. Come abbiamo già visto, altri polimeri come la nitrocellulosa e la gomma vulcanizzata sono polimeri artificiali ottenuti da polimeri naturali. E i polimeri artificiali si ottengono in laboratorio e industrialmente attraverso reazioni chimiche; cloruro di polivinile (PVC), polietilene, polistirene, neoprene e nylon sono solo alcuni esempi del vasto spettro di polimeri artificiali utilizzati in un’ampia varietà di applicazioni.

I polimeri artificiali sono raggruppati in due categorie: polimeri termoplastici e polimeri termoindurenti . I polimeri possono essere ottenuti attraverso una reazione chimica o da una miscela di sostanze solide o da una soluzione in cui la polimerizzazione viene indotta con il calore o mediante l’applicazione di radiazioni gamma, in una reazione che è irreversibile.

• Una volta che la reazione è completa, i polimeri termoindurenti tendono ad essere rigidi e si degradano o si decompongono senza rammollirsi se riscaldati al di sopra di una certa temperatura. Resine epossidiche, poliestere, resine acriliche e poliuretano sono polimeri termoindurenti, proprio come la bachelite, il kevlar e la gomma vulcanizzata.
• I polimeri termoplastici, a differenza dei termoindurenti, sono flessibili e si ammorbidiscono e fondono al di sopra di una certa temperatura, che consente loro di essere stampati. Alcuni esempi di polimeri termoplastici sono nylon, teflon, polietilene e polipropilene.

Una delle applicazioni dei polimeri artificiali è la fabbricazione delle fibre con cui vengono realizzati i tessuti. Questi polimeri devono avere elevata elasticità per consentirne la manipolazione nei processi di fabbricazione e nel loro utilizzo finale, e bassa estensibilità per mantenere le loro dimensioni. Un’altra applicazione dei polimeri è negli adesivi; In questo caso, la polimerizzazione deve avvenire durante l’applicazione del prodotto, ad esempio attraverso una reazione chimica con il vapore acqueo nell’aria o sulle parti in cui viene applicata la colla, come nel caso dei cianoacrilati utilizzati nelle applicazioni domestiche, industriali e di chiusura delle ferite . Gli elastomeri sono un’altra diffusa applicazione dei polimeri; Questi sono materiali che si deformano quando viene applicata una forza.

Rivestimenti, vernici, parti e componenti che compongono meccanismi e strutture, vari materiali da costruzione, isolanti elettrici e termici, sono solo alcune dell’immensa varietà di applicazioni dei polimeri.

Fonti

JR Wusch. Polistirene-Sintesi, Produzione e Applicazioni . iSmithers Rapra Publishing, 2020.

Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, Nick R. Schott Manuale di tecnologia della plastica. produzione, compositi, utensili, ausiliari . Slancio Press, 2012.

Polimero: descrizione, esempi e tipi . Enciclopedia Britannica , 2020.

William B. Jensen L’origine del concetto di polimero . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.