Materie plastiche

Materiali polimerici

I materiali polimerici sono generalmente il risultato della reazione di polimerizzazione di una quantità di molecole base (monomeri) per formare catene anche molto lunghe. Si parla di omopolimeri se il monomero è unico, copolimeri se il polimero è ottenuto da due o più monomeri diversi e di leghe polimeriche se il materiale è il risultato della miscelazione di due monomeri che polimerizzano senza combinarsi chimicamente ^{[non chiaro]}.

Un materiale polimerico è in genere composto da macromolecole costituite dallo stesso tipo di unità ripetitiva, ma il numero di unità ripetitive varia per ciascuna macromolecola, per cui le macromolecole che costituiscono un materiale polimerico hanno diversa lunghezza. Quindi è necessario conoscere la distribuzione dei pesi molecolari (ovvero la percentuale di macromolecole aventi una specifica lunghezza) per determinare le proprietà chimico-fisiche del materiale polimerico in esame.

Classificazione dei materiali polimerici

I materiali polimerici puri si suddividono in:

• termoplastici: acquistano malleabilità (cioè rammolliscono) sotto l'azione del calore; possono essere modellati o formati in oggetti finiti e raffreddandosi tornano rigidi; tale processo può essere ripetuto tante volte;
• termoindurenti: dopo una fase iniziale di rammollimento per riscaldamento, induriscono per effetto della reticolazione; nella fase di rammollimento per effetto combinato di calore e pressione risultano formabili; se vengono riscaldati dopo l'indurimento non tornano più a rammollire, ma si decompongono carbonizzandosi;
• elastomeri: hanno elevata deformabilità ed elasticità.

Dal punto di vista pratico, in genere si sfruttano opportune mescole, costituite da uno o più materiali polimerici con l'aggiunta di additivi. Per tale motivo alla classificazione standard dei materiali polimerici si affianca una classificazione "commerciale", secondo la quale i materiali polimerici si dividono in:

• fibre: sono dotati di notevole resistenza meccanica e hanno scarsa duttilità rispetto agli altri materiali polimerici; vuol dire che si allungano poco se sottoposti a trazione e possono resistere a elevati carichi di rottura;
• materie plastiche: formulate a partire da termoplastici e termoindurenti;
  • resine: particolari materie plastiche formulate a partire da termoindurenti;
• gomme: formulate a partire da elastomeri.

Le caratteristiche vantaggiose delle materie plastiche rispetto ai materiali metallici e non metallici sono la grande facilità di lavorazione, l'economicità, la colorabilità, l'isolamento acustico, termico, elettrico, meccanico (vibrazioni), la resistenza alla corrosione e l'inerzia chimica, nonché l'idrorepellenza e l'inattaccabilità da parte di muffe, funghi e batteri. Quelle svantaggiose sono l'attaccabilità da parte dei solventi (soprattutto le termoplastiche), degli acidi (in particolare le termoindurenti) e scarsa resistenza a temperature elevate.

Altra peculiarità è la bassa densità specifica, che conferisce un'elevata leggerezza compresa fra un minimo di 0,04 – 1 kg/dm³ per il polistirolo fino a un massimo di 2,2 kg/dm³ del politetrafluoruetilene (PTFE), con una resistenza fisica molto eterogenea a seconda del tipo di plastica.

La plastica si ottiene dalla lavorazione del petrolio. Lo smaltimento dei rifiuti plastici, quasi tutti non biodegradabili, avviene di solito per riciclaggio o per stoccaggio in discariche; bruciando materiali plastici negli inceneritori si possono generare diossine (solo per i polimeri che contengono nella molecola atomi di cloro, ad esempio, il PVC), una famiglia di composti tossici. Questi problemi ambientali hanno incentivato negli ultimi anni lo sviluppo e la diffusione della bioplastica, i cui polimeri sono diversi da quelli petroderivati e si ottengono da zuccheri e amidi vegetali come quello di mais (ad esempio il PLA).

Aggiunta di cariche

Alla base polimerica vengono aggiunte svariate sostanze ausiliarie ("cariche", additivi e plastificanti) in funzione dell'applicazione cui la materia plastica è destinata. Possono essere plastificanti, coloranti, antiossidanti, lubrificanti ed altri componenti speciali.

Tali sostanze hanno la funzione di stabilizzare, preservare, fluidificare, colorare, decolorare e proteggere dall'ossidazione il polimero. In genere servono a modificarne le proprietà reologiche (lavorabilità), aspetto e resistenza in funzione della destinazione d'uso.

Polietilene (PE)

Lo stesso argomento in dettaglio: Polietilene.

La tipologia di polietilene è ampia. Fra i diversi tipi abbiamo:

• HDPE (polietilene ad alta densità): è resistente agli urti.
  • Usi: flaconi, sacchetti, tubi per l'acqua e il gas.
• LDPE (polietilene a bassa densità): è la plastica più leggera. Sensibile al calore, ma resiste agli agenti chimici. Ha un buon isolamento elettrico.
  • Usi: sacchetti, imballaggi, pellicole per alimenti.
• UHMWPE (polietilene ad ultra-alto peso molecolare): presenta alta resistenza all'abrasione, alta resilienza e basso coefficiente d'attrito radente.
  • Usi: solette per sci, snowboard.

Polistirene

Lo stesso argomento in dettaglio: Polistirene.

• PS (polistirene): duro e rigido.
  • Usi: scotch per le auto, giocattoli, oggetti d'arredamento, stoviglie, gusci di elettrodomestici.
• Polistirene espanso (comunemente detto polistirolo): resina polistirenica a forma schiumosa; ha bassissimo peso specifico e conducibilità termica; buona elasticità.
  • Usi: imballaggi, isolamento termico ed elettrico dei muri

Altri polimeri termoplastici

• PET (polietilene tereftalato): consente di ottenere fogli sottili e leggeri. Resistente al calore fino a 250 °C ed impermeabile ai gas.
  • Usi: contenitori per liquidi, vaschette per frigo e forno.
• PVC (polivinilcloruro o cloruro di polivinile): è la plastica più utilizzata. Ha buone proprietà meccaniche e chimiche.
  • Usi: finestre, serramenti esterni, giocattoli, bottiglie, contenitori, grondaie, calzature, rivestimenti di fili elettrici, tappezzerie, finta pelle.
• PP (polipropilene): è resistente al calore ed agli agenti chimici. Ha un buon isolamento elettrico.
  • Usi: nel settore casalingo, parti di elettrodomestici, valigeria, imballaggi, lastre e tubazioni per l'edilizia.
• PA - poliammide (nylon): una delle prime plastiche sintetizzate. Resistente all'usura e non infiammabile.
  • Usi: ingranaggi, apparecchi radiotelevisivi, abbigliamento.
• Resine acriliche: simili al vetro perché sono trasparenti.
  • Usi: fusori delle lampade, coperture trasparenti, oggetti d'arredamento.
• Nitrato di cellulosa e/o celluloide: la prima plastica in assoluto. Simile alla madreperla
  • Usi: pettini, tasti, oggetti che imitano l'avorio.
• ABS (acrilonitrile butadiene stirene): giocattoli, modellismo, stampa 3D.
• PLA (acido polilattico): prodotto utilizzando come materia prima il mais, tramite un processo biotecnologico che permette di ottenere capacità produttiva elevata e una gamma di prodotti diversificati;
  • Usi: contenitori compostabili, stampa 3D.
• PTFE: politetrafluoroetilene comunemente noto come Teflon

Resine termoindurenti

• Resine fenoliche: le caratteristiche dipendono dai materiali con cui sono mescolate.
  • Usi: settore casalingo, mobili per televisori.
• Resine poliuretaniche: dure e colorate. Hanno buone proprietà meccaniche e sono facilmente lavorabili.
  • Usi: spine, prese, elettrodomestici, interruttori.
• Resine melamminiche: buona resistenza alle alte temperature e all'umidità.
  • Usi: laminati, casalinghi, arredamento, vernici.
• Resine epossidiche: eccellente adesività, resistenza al calore, resistenza chimica. Possiedono buone proprietà meccaniche e sono ottimi isolanti elettrici.
  • Usi: vernici, rivestimenti, adesivi e materiali compositi.
• Resine poliesteri insature: leggere, facilmente lavorabili e resistenti agli agenti atmosferici.
  • Usi: piscine, coperture per tetti.
• Resine vinilestere: dotati di caratteristiche molto simili alle resine poliestere, ma di migliori proprietà chimiche e meccaniche.
  • Usi: manufatti sportivi (canoe, piccole imbarcazioni), serbatoi per uso alimentare.

Stampaggio per compressione

Lo stampaggio per compressione è un processo di lavorazione impiegato per le materie plastiche termoindurenti (ma talvolta è utilizzato anche per i termoplastici).

Nello stampaggio per compressione il polimero, inizialmente in forma di polvere o pellet (pastiglie), viene sottoposto ad elevate pressioni, e in questa maniera si realizza il processo di reticolazione.

Stampaggio ad iniezione

Lo stesso argomento in dettaglio: Stampaggio ad iniezione.

La lavorazione più usata per produrre in serie oggetti in plastica è lo stampaggio ad iniezione. Si fa con speciali presse (dette "presse per iniezione termoplastica"), che fondono i granuli di materia plastica e la iniettano ad alta velocità e pressione negli stampi, dove il polimero, raffreddandosi, assume la geometria voluta.

Lo stampaggio per iniezione viene impiegato sia nel caso di materiali termoplastici che termoindurenti.

Stampaggio per trasferimento

Nello stampaggio per trasferimento il polimero viene portato ad una temperatura tale da rammollirlo e al tempo stesso evitare la reticolazione, che si fa successivamente in uno stampo chiuso, in cui la massa rammollita viene trasferita (da cui il nome del processo).

Formatura per estrusione

Nella formatura per estrusione il materiale viene spinto grazie ad una vite attraverso un'apertura. La forma finale del manufatto (la cui materia prima fluisce in maniera continua) dipende dalla geometria dell'apertura.

Questo processo si utilizza per i materiali termoplastici e talvolta per quelli termoindurenti. I tubi in plastica vengono prodotti tramite questo processo.

Soffiaggio

Utilizzato per produrre corpi cavi (come bottiglie, fustini, bombole) consiste nel dilatare una certa porzione di resina di forma cilindrica con un getto d'aria sotto pressione, fino a farla aderire alle pareti di uno stampo; la produzione di oggetti cilindrici è realizzata facendo precedere la fase di soffiatura da una fase di estrusione per la realizzazione del tubo di alimentazione alla soffiatura. La formatura per soffiatura viene impiegata anche per la produzione dei gusci di certi tipi di casco.

Termoformatura

Lo stesso argomento in dettaglio: Termoformatura.

É la tecnica generalmente utilizzata per la lavorazione delle plastiche termoindurenti, con cui si producono sedie e alcuni parti di mobili. Le resine, ammorbidite dal calore, sono compresse tra uno stampo e un controstampo dove, indurendosi, prendono la dorma voluta.

Estrusione in bolla

Un metodo diffuso per ottenere pellicole di polietilene è l'estrusione in bolla. Consiste nel far passare il polimero scaldato dall'estrusore attraverso una filiera circolare posta in posizione orizzontale. Il film ottenuto è raffreddato e fatto passare attraverso una calandra di traino che chiude il sistema. È anche inserita dell'aria per aumentare il volume del sistema, gonfiando ciò che assomiglia molto ad un pallone. In questo modo si produce il film termoretraibile usato per produrre imballaggi.

Pultrusione

La pultrusione è un processo continuo che permette di produrre profilati plastici rinforzati da fibre, come ad esempio la fibra di carbonio e la fibra di vetro e fibra tessile

La bassa quantità di plastica riciclata

Nel 2022 l'Ocse ha presentato uno studio che analizzando il periodo tra il 1950 e il 2015 stima che

auspicando uno sforzo per aumentare la quota di riciclo.

In merito ai bassi quantitativi di plastica riciclata influiscono i processi onerosi legati a questa attività; il ridotto numero di volte che mediamente la plastica può venire riciclata meccanicamente a causa della diminuzione delle sue proprietà meccaniche ed il fatto che non tutte le plastiche possono essere riciclate con le tecnologie attuali. Il plasmix è la frazione di scarto derivante dalla raccolta differenziata della plastica che racchiude le plastiche non riciclabili e gli errori di raccolta commessi dai cittadini.

Il plasmix che deve essere smaltito, viene spesso utilizzata come CSS (combustibile solido secondario) per produrre energia nei termovalorizzatori, dato l'alto potere calorifico inferiore (PCI) compreso tra 28,4 Mj/Kg per il plasmix e 23,7 Mj/Kg per il plasmix fine. Però non sempre questo viene fatto, alle volte per aumentare il tasso di riciclo le plastiche non riciclabili vengono esportate con traffici illegali gestiti dalle ecomafie. Nei territori di esportazione, come la Turchia, non sempre si hanno degli adeguati standard impiantistici di gestione dei fumi, delle acque reflue, e degli scarti di lavorazione: spesso, infatti, capita che per non pagare impianti di gestione degli scarti le aziende dei paesi terzi si disfino illegalmente di grandi quantitativi di plastiche abbandonandole in natura. Questo va a costituire il problema dell'inquinamento da plastica, e l'aumento del numero di incendi data la natura della plastica solitamente combustibile ed infiammabile, che, per l'effetto lente si accende ed è difficile da spengere specialmente quando l'incendio comporta un'area estesa.

Un'altra tecnologia di gestione è quella del riciclo chimico della plastica che permette di scomporre i polimeri della plastica fino al livello dei loro monomeri originari o blocchi molecolari di base, anziché limitarsi a fonderli meccanicamente come viene fatto nel riciclaggio meccanico. Questo viene fatto con processi quali la pirolisi, la gassificazione e la depolimerizzazione.

L'inquinamento da plastica

Lo stesso argomento in dettaglio: Inquinamento causato dalla plastica.

L'inquinamento causato dalla plastica consiste nella dispersione delle materie plastiche nell'ambiente, che con il passare del tempo e a causa degli agenti atmosferici, si vanno a degradare in frammenti più piccoli chiamati microplastiche e nanoplastiche che una volta entrate in natura iniziano a far parte della catena alimentare e contaminano tutto il percorso fino ad arrivare a noi esseri umani dove causando gravi problemi di salute

Studi sperimentali

• Dal 2013, quando è nata The Ocean Cleanup, un'organizzazione no-profit per lo studio di tecnologie che consentano di raccogliere i rifiuti di plastica presenti negli oceani, al marzo del 2026, hanno superato i 50 milioni di kg di plastica rimossi.
• Nel 2017 in Italia è stato scoperto che un tipo di bruco (la Galleria mellonella) si nutre di plastica ed è oggetto di studio allo scopo di tamponare l'impatto ambientale della plastica.