Proprietà meccaniche dei polimeri

La diversità delle proprietà meccaniche dei polimeri è collegata alla struttura delle macromolecole, alla loro disposizione e alla natura delle interazioni. I polimeri presentano proprietà meccaniche abbastanza variabili entro limiti abbastanza ampi.

Esistono sostanze che presentano notevoli proprietà di durezza, compattezza e rigidità e sostanze che, viceversa si presentano, alla stessa temperatura, morbide, elastiche e flessibili.

La diversità delle proprietà meccaniche dei polimeri è strettamente collegata alla:

  • struttura delle singole macromolecole
  • disposizione più o meno ordinata
  • natura delle interazioni intermolecolari

Classificazione

I polimeri possono essere classificati come polimeri amorfi o polimeri parzialmente cristallini.

I polimeri amorfi possono presentarsi sotto forma:

  • vetrosa
  • cuoiosa 
  • gommosa

a seconda della temperatura alla quale si trovano.

Nella forma vetrosa questi composti presentano una resistenza alla deformazione dello stesso ordine di grandezza di quella dei solidi cristallini.

Le macromolecole che costituiscono il polimero amorfo in forma vetrosa sono, infatti, rigidamente bloccate nelle loro conformazioni dall’intreccio casuale delle loro catene.

Nella forma cuoiosa e molecole sono meno rigidamente disposte e piccoli segmenti di esse posseggono dei moti termici disordinati. Come conseguenza il polimero diventa più flessibile anche se conserva una notevole resistenza alle deformazioni plastiche.

A temperatura più alta il polimero assume la forma gommosa nella quale i segmenti più lunghi delle macromolecole compresi tra i centri di aggrovigliamento o polimeri amorfi, i legami trasversali possiedono moti termici. In questo modo si ha la perdita di rigidità che caratterizza le due forme precedenti e la sostanza diventa più elastica e deformabile.

Polimeri termoplastici: proprietà meccaniche

Il polimero si presenta sotto forma vetrosa a bassa temperatura e per riscaldamento passa alla forma cuoiosa e alla forma gommosa.

Le sostanze che presentano tale tipo di comportamento si dicono termoplastiche.

La transizione dalla forma vetrosa a quella cuoiosa avviene ad una temperatura caratteristica che dipende dalla struttura molecolare del polimero e dalle forze di interazione fra le molecole. Quanto maggiore è la rigidità delle singole macromolecole tanto maggiori sono le interazioni intermolecolari. Lo stato (vetroso, cuoioso, gommoso) a cui si trova un polimero di questo tipo a temperatura ambiente dipende dalla sua temperatura di transizione maggiore o minore di quella ambiente.

Ad esempio, il polistirene si trova nella forma vetrosa a temperatura ambiente mentre la gomma si trova nella forma gommosa. La transizione per riscaldamento dalla forma vetrosa alle forme più fluide cuoiosa e gommosa può essere ritardata o addirittura impedita con l’introduzione di legami covalenti trasversali fra atomi di carbonio appartenenti a macromolecole diverse.

Polimeri termoindurenti: proprietà meccaniche

In questo modo si viene a limitare la possibilità di oscillazione dell’intera macromolecola e al limite, se il numero dei legami trasversali è sufficientemente elevato, si ha la formazione di una rete polimera tridimensionale, che consente al polimero di mantenere una struttura rigida fino alla temperatura di decomposizione.

E’ questa la struttura di sostanze plastiche come la bachelite che sono chiamate termoindurenti perché la loro rigidità aumenta con il riscaldamento.

I polimeri parzialmente cristallini presentano una struttura rigida di tipo vetroso. La rigidità di un polimero di questo tipo è tanto maggiore quanto maggiore è il suo grado di cristallinità, ovvero quanto maggiore è la frazione di polimero avente una struttura ordinata.

Per riscaldamento di un polimero cristallino non si osservano transizioni a forme cuoiose o gommose, come nel caso di polimeri amorfi, ma si ha da una certa temperatura in poi una progressiva perdita di cristallinità fino alla temperatura di fusione dei cristalliti. A questo punto il polimero si trasforma in un fluido.

solidi amorfi e cristallini da Chimicamo
solidi amorfi e cristallini

La differenza di comportamento dei polimeri parzialmente cristallini rispetto ai polimeri amorfi sta nel fatto che all’aumentare delle vibrazioni casuali dei segmenti macromolecolari che uniscono i diversi cristalliti viene limitato dalla presenza dei cristalliti stessi e come conseguenza fa diminuire la fragilità, ma non la rigidità di un polimero parzialmente cristallino.

I polimeri parzialmente cristallini possono contenere cristalliti parzialmente orientati oppure isorientati. In quest’ultimo caso i polimeri vengono definiti fibre e presentano un’alta resistenza alla deformazione nella direzione parallela all’asse della fibra. Esempi di questo tipo sono, tra gli altri, polimeri naturali come il cotone e la seta, oppure le fibre artificiali nelle quali l’isorientamento dei cristalliti si ottiene per stiramento del polimero (filatura).

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