Estratto da Congresso chimica 2016 Pisa. Paola Burani

Estratto da Congresso chimica 2016 Pisa

Paola Burani

La chimica pratica

• In ospedale anestetici cocaina ecc.

•  disinfettanti 1864 Pasteur bollitura

• 1878 Lister Ac Carbolico, da rifiuti di catrame e carbone (scarti lampade a olio per distillazione ottiene una polvere bianca SOLUBILE in acqua che cos’era? Il fenolo da cui composti

policlorurati e polinitrati che con una variante

diventano Vanillina e Marijuana

Dal cinema alle palle da biliardo

• 1850 nitrocellulosa (molto infiammabile)

– Baekeland spalma la gommalacca su carta fotografica

– 1907 prova fenolo e formaldeide materiale

insolubile e poco flessibile e fragile, ma era liquido e induriva su stampo, conservando la forma

Bachelite

Macintosh

• 1823 prova a mescolare la gomma con la nafta

• Ottiene una pasta morbida da spalmare sulla

stoffa impermeabile

La gomma

• 1732 viene portata in europa , non sapevano cosa farci, nel 1770 Priestley la chiama Rubber e la usa per cancellare

• Ma nel 1834 Goodyear la mescola con lo zolfo

 vulcanizzazione pneumatici

• Fine 700 in Turchia un albero Liquidambar

orientalis produce un balsamo che diventa

gelatina lo stirene polistirolo

Il the nei bicchieri di plastica

una proposta di attività laboratoriale che spiega struttura-proprietà nei materiali polimerici termoplastici

Francesca Signori¹, Luca Mori²

2 Dipartimento di Civiltà e Forme del Sapere, Università di Pisa, via Pasquale Paoli 15, 56126 Pisa

1 INSTM@Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale, Università di Pisa, Largo Lucio Lazzarino 2, 56126 Pisa ITI Leonardo da Vinci, via Contessa Matilde 74, 56123 Pisa

fra.signori@gmail.com

Contenuti e competenze complesse:

 I materiali polimerici sono generalmente bifasici (fase cristallina e fase amorfa); caratteristiche strutturali dello stato solido ordinato (fase cristallina) e dello stato solido disordinato (fase amorfa)

 Differenze tra fusione (passaggio di stato dalla fase cristallina solida alla fase cristallina liquido-viscosa) e transizione vetrosa (dall’amorfo solido all’amorfo liquido-viscoso)

 Relazione tra caratteristiche di ordine della fase solida e

proprietà meccaniche dei materiali, in funzione della temperatura

di utilizzo.

L’esperienza: preparazione e realizzazione

 Bicchieri di “plastica”, apparentemente uguali, ma di materiali diversi (PS, PET, PLA)

 teglia di alluminio (o un vassoio con i bordi alti)

 bollitore elettrico

 termometro

Si fa bollire l’acqua e la si versa nei bicchieri (T = 75-80 °C).

L’esperienza: osservazione, dialogo, confronto

 Cosa è successo? I ragazzi osservano, toccano, descrivono:

L’acqua fuma

Non succede niente Il bicchiere si scalda Il bicchiere sta lì

Il bicchiere si rompe Il bicchiere fonde

Il bicchiere si accartoccia Si sfa tutto

L’esperienza: costruzione degli ambiti semantici

Il bicchiere si rompe

Il bicchiere fonde

Il bicchiere si accartoccia

Si sfa tutto

Cedimento meccanico/strutturale

Transizione solido-liquido (fusione)

Cedimento meccanico/strutturale

Cedimento meccanico/strutturale

Lavoro

Lavoro Calore

Lavoro + calore Osservazione Classificazione del fenomeno Energia

Proprietà termiche

Proprietà meccaniche

L’esperienza: costruzione degli ambiti semantici

Il bicchiere si accartoccia

Il materiale dovrebbe passare dallo stato solido allo stato liquido, perdere proprietà meccaniche e forma

Il materiale perde forma ma poi ritorna duro e rimane accartocciato

Il bicchiere fonde

Qualcosa tiene insieme il materiale e non lo fa

diventare liquido

Elaborazione dell’esperienza: fase cristallina e fase amorfa

 copresenza di due fasi solide, a diverso grado di ordine

 ciascuna fase presenta temperature di transizione caratteristiche, già note nel caso del solido cristallino

T

Fase amorfa Fase cristallina

Solida Liquido-viscosa

Solida Liquida-viscosa

• Per T<< Tg il materiale si presenta fragile e dà luogo a snervamento per crazing (formazione di microfessure): modulo e sforzo di rottura elevati e bassa deformazione.

• A T< Tg lo sforzo max si riduce, ma aumenta la deformazione a rottura, che avviene per

scorrimento e si attenua il comportamento fragile.

• Per T > Tg le deformazioni a rotture sono più elevate, la resistenza è modesta.

• Il recupero della deformazione al cessare dello

sforzo è totale solo nel primo caso

Elaborazione dell’esperienza: fase cristallina e fase amorfa

T

Fase amorfa Fase cristallina

Solida Liquido-viscosa

Solida Liquida-viscosa

Rigido e fragile Termoplastico materiale fuso Solida

Liquido-viscosa

Elaborazione dell’esperienza: fase cristallina e fase amorfa

T

(°C) (°C)

Poli(acido lattico) PLA

Polistirene PS

Polietilene PE

Poli(etile tereftalato) PET

- 100 100

100 - 30

150 60

260 85

Elaborazione dell’esperienza

 Perche’ lo stesso materiale plastico puo’ esibire proprieta’ meccaniche diverse se utilizzato in diverse condizioni ambientali?

 Di che materiale dovrebbero essere i sacchetti per surgelazione? Perche’?

 Perche’ alcune buste di “plastica” fanno rumore ed altre no?

 Da cosa dipende il comportamento meccanico del materiale nell’intervallo termoplastico

 Perché se presenti entrambe le fasi cristallina e amorfa, Tg < Tm?

alcune buste "scricchiolano”

Per quanto riguarda alcune buste "scricchiolano" (tipo quelle dell'insalata biologica) perchè sono appunto fatte di PLA (poly(lactic acid), un materiale polimerico che ha Tg superiore alle T ambiente (Tg PLA = 60 °C). Questo significa che a T ambiente il materiale si trova sotto Tg , ossia sia la frazione cristallina che quella amorfa sono solide. Il materiale è pertanto rigido e fragile, e piccoli movimenti causano appunto rumore. Le buste "silenziose" sono invece costituite di materiali che a T ambiente sono già sopra Tg, quindi la frazione amorfa è liquido viscosa, e funziona quindi non solo da antiurtizzante (per le sollecitazioni meccaniche) sia da

"insonorizzante".

Per il freezer il ragionamento è analogo: serve un materiale che a bassa temperatura (- 20 °C? -30 °C?) non passi la Tg, ossia non diventi rigido e fragile, ma mantenga la frazione amorfa liquido viscosa. Generalmente i sacchetti sono fatti di polietilene (Tg=-100 °C circa, dipende dalla ramificazione e dal peso molecolare), che appunto può essere raffreddato senza problemi di alterazione delle proprietà meccaniche.

La Fossa dei Serpenti

• Per capire il motivo per cui i polimeri senza alcun ordine sono rigidi e fragili al di sotto di una certa

temperatura e plasmabili e flessibili al di sopra della stessa, può essere utile pensare ad un polimero allo stato amorfo come ad una grande stanza piena di serpenti striscianti. Ogni serpente è una catena

polimerica. Come voi sapete, i serpenti sono animali a sangue freddo. Quando fa caldo i serpenti sono

contenti, ma quando fa freddo, i serpenti non si

muovono molto.

Il buldozzer…

• Ora immaginate di guidare un bulldozer in questa stanza piena di serpenti. Se fa caldo, ed i serpenti si muovono, possono

scappare velocemente per evitarvi, ed il bulldozer si

muoverebbe attraverso la stanza, causando pochi danni ai serpenti. Ma se fa freddo, potrebbero accadere due cose ai serpenti immobili.

• (A) i serpenti potrebbero essere più forti del bulldozer;

dunque il bulldozer non potrebbe passare ed i serpenti rimarrebbero lì.

(B) il bulldozer potrebbe essere più forte dei serpenti ed essi

verrebbero schiacciati senza più potersi muovere.

Polimeri = serpenti

• I polimeri agiscono nello stesso modo. Quando la temperatura è mite, le catene polimeriche si possono muovere facilmente.

Quindi quando prendete un pezzo di polimero e lo piegate, le molecole, essendo già in movimento, non hanno problemi nel muoversi per trovare altre posizioni per diminuire la

sollecitazione che avete trasmesso loro. Al contrario se

cercate di piegare un campione di polimero al di sotto della

sua Tg, le catene polimeriche non sono in grado di spostarsi

per trovare altre posizioni per diminuire la sollecitazione alla

quale sono state sottoposte.

All’aumento di T?

• Così, proprio come nell'esempio della stanza piena di freddi serpenti, possono verificarsi due situazioni.

• (A) le catene sono abbastanza forti per resistere alla forza che viene applicata, ed il campione non si piega;

• (B) la forza applicata è troppo elevata perché le catene polimeriche immobili possano resistere, non potendosi muovere per diminuire la sollecitazione, il campione di polimero si rompe o va in frantumi nelle vostre mani.

• L'esatta temperatura alla quale le catene polimeriche

subiscono questo enorme cambiamento di mobilità dipende

dalla struttura del polimero.

Transizione vetrosa e plasticità

• Il moto che permette ad un polimero di essere flessibile al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa normalmente non è il moto translatorio ma il moto a lungo raggio dei

segmenti di catena. Mentre la catena

polimerica, nella sua globalità, non può andare da nessuna parte, i segmenti della catena

possono muoversi, dondolandosi in qua e in la,

avvitandosi come una grande spirale.

Il fenomeno di adesione è causato dalle interazioni

molecolari tra la superficie del

substrato e l’adesivo. In questo caso, è possibile distinguere tra

interazioni intermolecolari (deboli) e legami chimici (forti)

Nella zona di coesione, l’adesivo

possiede le proprietà che dipendono dalle seguenti forze molecolari

1. i legami molecolari all’interno dei polimeri;

2. i legami chimici derivanti dalla reticolazione del polimero;

3. le interazioni intermolecolari tra molecole nell’adesivo;

4. l’aggrappaggio meccanico tra varie molecole nell’adesivo.

Incollaggio nell’industria agro

alimentare;

etichettaggio bottiglie

Tecnologia medicale

artigianato Uso domestico

Modellismo Produzione industriale

Etichettaggio bottiglie. Colla alla caseina resistente all’acqua

Cerotti e adesivi per pannolini

Incollare tacchi : reattivo cianocrilato

Ganci per salviette:

adesivi a

evaporazione di solvente Trenini:

soluzione di polistirolo

Industria

aeronautica e automobilistica

Sitografia bibliografia

• http://www00.unibg.it/dati/corsi/22037/44626- MATERIALI%20POLIMERICI%20new.pdf

• http://www.pslc.ws/italian/tg.htm

• https://it.wikipedia.org/wiki/Temperatura_di_transizione_vetrosa

• Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials, Third Edition di J.M.G. Cowie,

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• http://www.antonio.licciulli.unisalento.it/pdf_2009/polimeri_passaro.pdf

http://www.che.hw.ac.uk/teaching/B11MS1/Material/Week%206/Week6TheConcceptOfF reeVolume.htm

http://dipcia.unica.it/superf/Lauree_Scientifiche/Adesivi.pdf http://pslc.ws/welcome/tour/macrog/italian/tg.htm

http://pslc.ws/welcome/tour/macrog/italian/dsc.htm

http://www.polymertechnology.it/bacheca/NanocompositeForm/page0/files/lab_DSC_dis cuss.pdf

https://moodle2.units.it/pluginfile.php/22650/mod_resource/content/1/Lez%20E1- stato%20cristallino.pptx

https://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved= 0ahUKEwi51cybxczXA hWHDxoKHcAwBecQFggsMAA&u rl=http%3A%2F%2Fwww.gart-

mp.it%2Fdocumenti%2FFORMULARIO% 2520per%2520lo%2520stampaggio%2520della%2520plastica%2520v.1.1.pdf&usg=AOvVaw1U8mEy 4E5_SYt7DP2Z_gpV