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Preparazione di polimeri: nylon, schiuma poliuretanica e slime

I polimeri

I polimeri sono sostanze sia naturali che sintetiche, costituite da molecole contenenti un enorme numero di atomi. Ne esistono sia di naturali, come il DNA, la cellulosa, le proteine, sia di sintetici, come il polistirolo (PS), il polietilene (PE), il polietilentereftalato (PET), il nylon. I polimeri sono una classe di sostanze molto vasta, di grande importanza. Se anche tralasciamo tutte le sostanze polimeriche di rilievo biologico (il DNA, le proteine,ecc.), e non è poco perché alcune di esse sono coinvolte nei processi vitali (ad esempio il DNA e le proteine), basti pensare che tutto ciò che noi genericamente chiamiamo "plastica", le fibre naturali (cotone, seta) le fibre sintetiche sono formati da polimeri.
La caratteristica saliente dei polimeri è che le loro molecole contengono un grande numero di atomi disposti in lunghe catene, nelle quali si possono riconoscere dei raggruppamenti ricorrenti di atomi, detti unità monomeriche. In qualche modo si può immaginare la molecola di un polimero (macromolecola) come una collana, formata da tante perle: ogni perla è un'unità monomerica. In alcuni casi le catene sono formate da sequenze di una sola unità monomerica, che si ripete molte volte (cioè le "perle" della "collana" sono tutte uguali, come nel caso della cellulosa, in cui l'unità monomerica deriva da una molecola di glucosio che ha perso una molecola di acqua (C6H10O5), o nel caso del polietilene, in cui l'unità monomerica deriva dall'etilene (CH2=CH2).

 
 

In altri casi le catene sono costituite da sequenze più o meno regolari di unità monomeriche diverse (cioè le la "collana" è formata da "perle" diverse). Per esempio, le catene delle proteine sono formate da unità monomeriche di una ventina di tipi diversi, derivate dagli amminoacidi, disposte in sequenze differenti a seconda delle proteine.
Per molti polimeri lineari totalmente sintetici, le macromolecole sono costituite dalla ripetizione di pochi tipi (da uno a tre nella maggior parte dei casi) di unità monomeriche. Questi materiali vengono preparati "agganciando" le une alle altre le molecole di sostanze semplici (monomeri), la cui struttura corrisponde esattamente o quasi esattamente a quella delle unità monomeriche desiderate. Così, il polietilene si ricava dall'etilene:

e il nylon-6 dal caprolattame

Inoltre, i chimici hanno saputo mettere a punto processi efficienti anche per la preparazione di proteine sintetiche, utilizzando i ventuno tipi diversi di "perle" (amminoacidi) che usa la natura.
 

Il nylon

Il nylon è un polimero lineare, cioè le catene non sono collegate fra loro, ma restano separate e nei materiali solidi sono semplicemente affiancate. Sono lineari anche molti altri polimeri comuni, come il polietilene, il polistirolo, il polietilentereftalato. Esiste un'altra classe di polimeri nei quali le catene di atomi, anziché essere separate le une dalle altre, sono legate fra loro da legami chimici, in modo da formare una specie di "gabbia" tridimensionale (detta reticolo). Questi polimeri sono detti reticolati.
Nylon è un nome commerciale che in realtà indica un'intera famiglia di polimeri sintetici, tutti appartenenti alla classe delle poliammidi e furono preparati per la prima volta poco dopo il 1930. Una delle loro prime applicazioni industriali fu la preparazione di fibre sintetiche che ebbero enorme successo come sostituti della seta per la produzione di calze da donna. Diversamente dal nylon-6, di cui si è detto prima, alcuni tipi di nylon richiedono la reazione di due monomeri. Per esempio nel nylon-6,10 i due reagenti sono la esametilendiammina (6 atomi di carbonio) e il cloruro di sebacoile (10 atomi di carbonio). I numeri di fianco al nome del nylon indicano appunto quanti atomi di carbonio sono presenti nei due reagenti (vedi la figura). I due monomeri vengono sciolti in due liquidi diversi, che quando vengono aggiunti l'uno all'altro non si mescolano fra loro, ma formano due strati, uno sovrapposta all'altro. Pertanto, la reazione di polimerizzazione, cioè la reazione di formazione del polimero, avviene nella zona di contatto tra i due strati per questo motivo la metodologia che abbiamo usato si chiama polimerizzazione interfacciale.
I due reagenti si incontrano nella zona di contatto tra i due strati e si legano tra di loro rilasciando acido cloridrico come si vede dalla figura.

Poiché i due reagenti hanno lo stesso gruppo funzionale (COCl, in rosso nella figura, per il cloruro di sebacoile e NH2, in blu nella figura, per l'esametilendiammina) sia a destra che a sinistra, la reazione avviene da tutte e due le parti e alla fine si forma una lunga catena di Nylon 6,10 costituito quindi da molecole alternate dei due reagenti.
E' interessante il fatto che il polimero appena formato crea una pellicola fra i due strati liquidi che ferma la reazione, in quanto i reagenti non riescono più a venire in contatto. Pertanto, per far proseguire la reazione bisogna rimuovere continuamente il polimero man mano viene formato.
 

I poliuretani

I poliuretani vengono formati con una reazione simile a quella del nylon, nella quale il cloruro di sebacoile viene sostituito da un diisocianato o un poliisocianato e l'esametilendiammina da un diolo o un poliolo.

Se nel corso della reazione di formazione del poliuretano si fa in modo che si liberi gas si ottiene una schiuma poliuretanica. Infatti, la reazione produce calore, per cui il gas si scalda, si espande e "gonfia" il poliuretano che va formandosi, nel quale, alla fine, restano intrappolate bollicine di gas. Il gas può essere generato chimicamente per aggiunta di acqua, perché essa reagisce con i gruppi isocianato per dare anidride carbonica (CO2).

È interessante l'analogia con la lievitazione del pane: l'azione del lievito naturale porta alla formazione di anidride carbonica che gonfia l'impasto. Alternativamente alla miscela dei reagenti si aggiunge un liquido che bolle a temperatura relativamente bassa. Poiché nel corso della formazione del poliuretano si libera una buona quantità di calore, questo liquido si scalda fino a bollire e i suoi vapori gonfiano il poliuretano. Anche in questo caso esiste un'interessante analogia culinaria. Infatti i soufflé sono gonfiati durante la cottura dal vapore acqueo che si forma per ebollizione dell'acqua contenuta in ingredienti come latte o uova.
 

Slime

In alcuni casi è possibile trasformare un polimero lineare in un polimero reticolato. Ciò avviene sottoponendo il polimero da reticolare a una reazione chimica che permetta la formazione di legami chimici fra le molecole. Un esempio di reticolazione è dato dalla produzione dello "slime". Questo materiale è in commercio da circa trent'anni come giocattolo, con diversi nomi. Esso viene ottenuto da un polimero lineare, il polivinilalcol (PVA):

Il polimero viene sciolto in acqua e alla soluzione se ne aggiunge un'altra contenente ioni borato:

che si formano per dissoluzione in acqua del borace Na2B4O7•10H2O, un sale derivato dall'acido borico. Lo ione borato si inserisce fra le catene di PVA e i suoi atomi di ossigeno si legano a quelli di idrogeno dei gruppi OH del PVA o viceversa i suoi atomi di idrogeno si legano a quelli di ossigeno del polimero (legami a idrogeno). In questo modo le catene vengono collegate fra loro e il polimero si reticola e non risulta più solubile in acqua. Esso dunque si separa dalla soluzione, trattenendo comunque elevate quantità di acqua, formando un materiale gelatinoso, lo "slime". Se il materiale è molto reticolato (cioè è stato aggiunto molto borace rispetto al polimero) risulta più compatto, mentre se è meno reticolato risulta più fluido. In ogni caso il gel è un fluido non newtoniano, del tipo pseudoplastico (vedi "Un liquido speciale"), per cui se viene tirato energicamente come un elastico diventa rigido (la sua viscosità diminuisce) e si rompe.

 

Cosa vediamo oggi

Nell'esperimento proposto si assisterà alla sintesi del nylon 6,10, alla preparazione di schiume poliuretaniche e alla produzione di slime. Per la sintesi del nylon i due reagenti vengono sciolti in liquidi diversi e non miscibili, successivamente mescolati con cautela, in modo da ottenere due strati, uno dei quali galleggia sull'altro. Subito dopo con una pinza si estrae dalla zona di contatto dei due strati di liquido il primo lembo di Nylon e lo si avvolge con delicatezza attorno a una bacchetta di vetro. La preparazione di schiume poliuretaniche viene condotta a partire da preparati industriali impiegati nella manifattura di oggetti e prodotti commerciali, come imbottiture di vario genere. Infine, la preparazione dello slime consiste semplicemente nel mescolamento delle soluzioni di borace e PVA per ottenere il materiale reticolato, che può essere colorato con coloranti alimentari.
 

Per saperne di più…

• La chimica di tutti i giorni, Gunter Vollmer e Manfred Franz, Edizioni Zanichelli.

 

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Avviso importante
Questa scheda è puramente illustrativa. L’Università di Padova avverte che essa non deve essere usata come fonte di informazioni per eseguire o far eseguire gli esperimenti descritti. Chiunque utilizzi le informazioni contenute nella scheda per questo o qualunque altro scopo lo fa sotto la propria, piena ed esclusiva responsabilità. L’Università di Padova non risponde di eventuali errori ed omissioni nelle informazioni riportate nella scheda né di alcuna conseguenza derivante da qualunque tipo di uso di tali informazioni.

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