Polimeri termoindurenti: poliuretani, resine epossidiche

I polimeri termoindurenti sono polimeri che, in opportune condizioni di temperatura e/o in presenza di particolari sostanze si trasformano in materiali rigidi, insolubili e infusibili.

Questa trasformazione si verifica in seguito a reazioni di reticolazione (processo tramite il quale le catene polimeriche vanno incontro a una reazione che crea legami fra diverse catene a livello di gruppi funzionali reattivi) detto curing che avvengono fra le catene polimeriche con formazione di legami forti (covalenti o ionici). 

Il chimico statunitense di origine belga Leo Hendrik Baekeland inventò il primo tra i polimeri termoindurenti nel 1909 a cui diede il nome di bachelite.

Reticolazione dei polimeri termoindurenti 

Alcuni polimeri termoindurenti sono reticolati per mezzo del solo calore oppure attraverso combinazioni di pressione e calore, mentre altri possono essere reticolati attraverso reazioni chimiche a temperatura ambiente (reticolazione a freddo).  Tali polimeri termoindurenti sono difficilmente riciclabili in quanto i nuovi legami formati a seguito delle operazioni di reticolazione sono definitivi. Esaminando l’andamento della viscosità con la temperatura, quando è superato il punto di rammollimento si verifica una iniziale diminuzione della viscosità: si è in presenza di uno stato plastico che consente la lavorazione del materiale.

Ad un certo punto, però, subentra la reticolazione e si ha un progressivo aumento della viscosità che conduce all’indurimento del materiale. Ne consegue che i materiali termoindurenti possono essere lavorati con le stesse tecnologie dei materiali termoplastici, purché la lavorazione sia portata a termine in condizioni nelle quali i polimeri conservino la loro plasticità e si abbia cura che la reticolazione avvenga in una fase successiva allorquando è stata impartita al materiale la sua forma definitiva.

Usi

I polimeri termoindurenti sono usati come materiali da stampaggio, nel settore degli adesivi, in quello delle vernici e degli smalti e trovano utilizzo come isolanti degli aerei . I polimeri termoindurenti più noti sono i poliuretani (PU) e le resine epossidiche

Poliuretani

I poliuretani sono polimeri di condensazione i cui monomeri di partenza sono un diisocianato e un poliolo.

Reazione

Gli isocianati aventi formula R-N=C=O sono degli elettrofili e possono reagire con gli alcoli per dare gli uretani:

sintesi uretano

la reazione è esotermica ed è catalizzata da basi quali le ammine terziarie. I poliuretani sono prodotti facendo reagire molecole contenenti due gruppi funzionali ovvero un isocianato che contiene due o più gruppi isocianato per molecola (-N=C=O)  con un poliolo che contiene due o più gruppi –OH per molecola in presenza di un catalizzatore:

sintesi poliuretani

Vi è una differenza fondamentale tra la produzione della maggior parte dei polimeri e quella del poliuretano: i polimeri quali, ad esempio il polietilene e il polipropilene vengono ottenuti in impianti chimici e venduti sotto forma di granuli, polveri o film.

Questi poi riscaldati e a seconda degli articoli da produrre è scelta la tecnologia più opportuna, in base al polimero e alle funzioni caratteristiche richieste. I poliuretani, invece, sono sintetizzati e trasformati direttamente nel prodotto finale. Gran parte dei poliuretani sono prodotti in forma di grandi blocchi di schiuma che sono tagliati e utilizzati per ottenere cuscini in gommapiuma o  utilizzati nel campo dell’edilizia per l’isolamento termico.

Additivi

Tra gli additivi usati nella polimerizzazione vi sono:

  • agenti reticolanti che conferiscono al polimero maggiore resistenza meccanica
  • agenti tensioattivi espandenti per creare una schiuma poliuretanica
  • riempitivi per migliorare alcune proprietà quali la rigidità
  • ritardanti di fiamma per ridurre l’infiammabilità del prodotto finale
  • soppressori di fumo per ridurre la velocità a cui è generato fumo se il poliuretano è bruciato
  • plastificanti per ridurre la durezza del prodotto.

Proprietà

Le proprietà dei poliuretani sono determinate dal tipo di diisocianato e dal poliolo usato. Ad esempio, la polimerizzazione tra diolo come il glicole etilenico e diisocianato porta a un prodotto a catena lunga che si presenta  morbido ed elastico. Se il poliolo presenta più di due gruppi –OH, il polimero che deriva dalla sua condensazione con il diisocianato si presenta reticolato e pertanto ha caratteristiche diverse dal precedente essendo termoindurente e rigido.

Resine epossidiche

Le resine epossidiche sono un’ampia categoria di composti contenenti gruppi epossidici che presentano elevate caratteristiche tecnologiche.

Esse hanno elevate proprietà meccaniche e resistenza al degrado ambientale al punto che sono usate nel campo dei componenti di aeromobili. Hanno eccellenti proprietà elettriche, basso ritiro, buona adesione a molti metalli e resistenza all’umidità, shock termici e meccanici.

In particolare le resine epossidiche liquide applicabili per laminazione sono caratterizzate da finitura asciutta, ottima resistenza meccanica e termica. Sono indicate nel campo nautico e nella realizzazione di manufatti compositi, accessori per moto e articoli sportivi.

Le resine epossidiche sono termoindurenti e trovano applicazione negli adesivi e rivestimenti ad alte prestazioni.

Un epossido è un etere ciclico costituito da tre atomi di cui uno è l’atomo di ossigeno e il più semplice tra gli epossidi è l’ossirano o ossido di etilene C2H4O

ossido di etilene

Le resine epossidiche, che in genere contengono due gruppi epossidici,  possono essere:

  • a basso peso molecolare e in tal caso si presentano liquide e possono essere considerate prepolimeri
  • ad alto peso molecolare e in tal caso si presentano si presentano viscose e sono dei veri e propri polimeri.

A seconda del peso molecolare, le resine epossidiche hanno usi e applicazioni diverse.

Sono stabili a temperatura ambiente e migliorano le loro caratteristiche solo per reazione con agenti vulcanizzanti quali poliammidi, composti fenolici e amminoammidi.

Sintesi

Le resine epossidiche più comuni sono ottenute per reazione del 2,2-bis(4-idrossifenil)propano noto come  bisfenolo A e clorometilossirano noto come epicloridrina con ottenimento del  bisfenolo A diglicidil etere in cui sono presenti gruppi epossidici terminali

Le resine epossidiche polimeriche si presentano con un certo grado di purezza a seconda del tipo e delle condizioni di reazione di polimerizzazione con la quale sono state ottenute.

Nel caso sia necessario un alto grado di polimerizzazione si procede a tecniche di purificazione come processi di distillazione.

Un indizio del grado di purezza di una resina epossidica è la sua tendenza a dar luogo alla formazione di solidi cristallini.

Numero di epossidi

Un parametro importante per conoscere il contenuto di epossido in una resina è il numero di epossidi che è il numero di equivalenti epossidici  in 1 kg di resina.

Tale parametro è utilizzato per conoscere la quantità di coreagenti da utilizzare nella polimerizzazione. Quantità stechiometriche di coreagenti portano alla formazione di resine con elevate prestazioni.

Come altri materiali polimerici, le resine epossidiche hanno una loro formulazione che dipende dalla presenza di:

  • additivi
  • plastificanti
  • cariche
  • riempitivi

che ne caratterizzano le prestazioni e ne determinano il costo.

 

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