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Polimeri ed elasticità

Una molecola polimerica consiste di diverse migliaia di unità chimiche ripetute, o monomeri, collegate tra loro da legami covalenti. L’assemblaggio di unità collegate è spesso chiamato “catena”, e gli atomi tra i quali avviene il legame chimico sono detti costituire la “spina dorsale” della catena. Nella maggior parte dei casi i polimeri sono costituiti da dorsali di carbonio, cioè da catene di atomi di carbonio (C) collegati tra loro da legami singoli (C-C) o doppi (C=C). In teoria, le catene di carbonio sono altamente flessibili, perché la rotazione intorno ai legami singoli carbonio-carbonio permette alle molecole di assumere molte configurazioni diverse. In pratica, tuttavia, molti polimeri sono piuttosto rigidi e poco flessibili. Le molecole del polistirene (PS) e del polimetilmetacrilato (PMMA), per esempio, sono costituite da unità relativamente voluminose in modo che, a temperatura ambiente, il libero movimento è ostacolato da un forte affollamento. Infatti, le molecole di PS e PMMA non si muovono affatto a temperatura ambiente: si dice che sono in uno stato vetroso, in cui la disposizione casuale e “amorfa” delle loro molecole è congelata. Tutti i polimeri sono vetrosi al di sotto di una caratteristica temperatura di transizione vetrosa (Tg), che varia da un minimo di -125 °C (-195 °F) per una molecola estremamente flessibile come il polidimetilsilossano (gomma di silicone) a temperature estremamente elevate per molecole rigide e voluminose. Sia per il PS che per il PMMA, la Tg è di circa 100 °C (212 °F).

Alcuni altri polimeri hanno molecole che si adattano così bene che tendono a impacchettarsi in una disposizione cristallina ordinata. Nel polietilene ad alta densità, per esempio, le lunghe sequenze di unità di etilene che compongono il polimero cristallizzano spontaneamente a temperature inferiori a circa 130 °C (265 °F), così che, a temperature normali, il polietilene è un solido plastico parzialmente cristallino. Il polipropilene è un altro materiale “semicristallino”: i suoi cristalliti, o regioni cristallizzate, non si fondono finché non vengono riscaldati a circa 175 °C (350 °F).

Quindi, non tutti i polimeri hanno la flessibilità interna necessaria per essere estensibili e altamente elastici. Per avere queste proprietà, i polimeri devono avere pochi ostacoli interni al movimento casuale delle loro subunità monomeriche (in altre parole, non devono essere vetrosi), e non devono cristallizzare spontaneamente (almeno a temperature normali). All’uscita dall’estensione, devono essere in grado di ritornare spontaneamente a uno stato disordinato attraverso movimenti casuali delle loro unità ripetute come risultato di rotazioni intorno al legame carbonio-carbonio. I polimeri che possono farlo sono chiamati elastomeri. Tutti gli altri sono chiamati plastiche o resine; le proprietà e le applicazioni di questi materiali sono descritte separatamente nell’articolo plastica (resine termoplastiche e termoindurenti).

Quattro elastomeri comuni sono il cis-poliisoprene (gomma naturale, NR), il cis-polibutadiene (gomma butadiene, BR), la gomma stirene-butadiene (SBR) e il monomero etilene-propilene (EPM). L’SBR è un polimero misto, o copolimero, composto da due diverse unità monomeriche, stirene e butadiene, disposte in modo casuale lungo la catena molecolare. Anche l’EPM consiste in una disposizione casuale di due monomeri, in questo caso etilene e propilene. In SBR e EPM, l’impacchettamento stretto e la cristallinità delle unità monomeriche sono impedite dalla loro disposizione irregolare lungo ogni molecola. Nei polimeri regolari NR e BR, la cristallinità è impedita da temperature di fusione dei cristalli piuttosto basse di circa 25 e 5 °C (circa 75 e 40 °F), rispettivamente. Inoltre, le temperature di transizione vetrosa di tutti questi polimeri sono piuttosto basse, ben al di sotto della temperatura ambiente, così che tutti loro sono morbidi, altamente flessibili ed elastici. I principali elastomeri commerciali sono elencati nella tabella, che indica anche alcune delle loro importanti proprietà e applicazioni.