Copolimeri e architettura della catena

Cambiare il monomero non è l’unico modo per cambiare un polimero: si possono combinare due o più monomeri diversi nella stessa catena (copolimeri) e si può modellare la forma delle catene — lineari, ramificate o reticolate. Sono queste scelte di architettura, più ancora della chimica di base, a decidere se un materiale sarà rigido o gommoso, fusibile o indistruttibile.

Vediamo che cosa sono i copolimeri e le loro disposizioni (casuali, a blocchi, a innesto) e come l’architettura della catena — lineare, ramificata, reticolata — determina le proprietà.

Omopolimeri e copolimeri

Un polimero costituito da un solo tipo di unità ripetente è un omopolimero (per esempio il polistirene puro). Quando nella stessa catena entrano due o più monomeri diversi si parla di copolimero. La copolimerizzazione è uno strumento potentissimo: combinando le caratteristiche di monomeri diversi si possono «sintonizzare» flessibilità, resistenza, temperatura di rammollimento e molte altre proprietà senza dover inventare un monomero nuovo.

omopolimero: −A−A−A−A−  ·  copolimero a blocchi: −A−A−A−B−B−B−

Le disposizioni dei copolimeri

In un copolimero i due monomeri (chiamiamoli A e B) possono disporsi lungo la catena in modi molto diversi, e questa sequenza cambia radicalmente le proprietà.

Perché la sequenza cambia tutto

Un copolimero casuale tende ad avere proprietà mediate, intermedie tra quelle dei due omopolimeri corrispondenti, e una sola fase omogenea. Un copolimero a blocchi, invece, conserva localmente le proprietà di ciascun blocco: se uno è rigido e l’altro flessibile, i due tipi di blocco tendono a separarsi in microdomini distinti, e il materiale può comportarsi come un elastomero termoplastico, gommoso ma rilavorabile. I poliuretani, per esempio, alternano blocchi rigidi (uretano) e blocchi flessibili (poliestere o polietere di basso peso molecolare): è questa alternanza a dare la loro tipica combinazione di tenacità ed elasticità.

L’architettura: lineare, ramificata, reticolata

Indipendentemente dalla composizione, le catene possono avere forme diverse. Una catena lineare è un filo continuo: le catene possono scorrere e impacchettarsi, e il materiale è in genere fusibile e solubile. Una catena ramificata ha rami laterali che ostacolano l’impacchettamento, abbassando densità e cristallinità (è il caso dell’LDPE). Una struttura reticolata — con ponti covalenti che collegano catene diverse in un’unica rete tridimensionale — non può più fondere né sciogliersi: è il caso dei termoindurenti e, con poche reticolazioni, delle gomme vulcanizzate.

Architettura e proprietà

Riassumendo, la forma della catena ha effetti diretti e prevedibili sul comportamento del materiale.

Perché conta nella pratica

Per chi seleziona o progetta materiali polimerici, copolimerizzazione e architettura sono le leve principali per ottenere le proprietà volute. Sapere che un copolimero è a blocchi anziché casuale, o che un materiale è reticolato anziché lineare, spiega immediatamente perché non si rilavora, perché resiste ai solventi o perché ha quel particolare comportamento elastico. È un livello di lettura indispensabile per interpretare le schede tecniche e per dialogare con chi formula i compound.

Domande frequenti

Che cos’è un copolimero?

È un polimero la cui catena contiene due o più tipi di unità ripetente, derivate da monomeri diversi, a differenza dell’omopolimero che ne ha uno solo. La copolimerizzazione permette di combinare le caratteristiche di monomeri diversi e di sintonizzare proprietà come flessibilità, resistenza e temperatura di rammollimento senza dover sintetizzare un monomero nuovo.

Che differenza c’è tra copolimero casuale e a blocchi?

In un copolimero casuale i due monomeri sono mescolati senza ordine lungo la catena, e il materiale ha in genere proprietà intermedie e omogenee. In un copolimero a blocchi lunghi tratti di un monomero si alternano a lunghi tratti dell’altro: i blocchi conservano le proprie proprietà e tendono a separarsi in microdomini, dando spesso materiali con comportamento elastomerico ma rilavorabile.

Che cosa significa che un polimero è reticolato?

Significa che le sue catene sono collegate tra loro da ponti covalenti, formando un’unica rete tridimensionale anziché molecole separate. Un polimero reticolato non può più fondere né sciogliersi: con poche reticolazioni si comporta da elastomero (gomma), con molte da termoindurente rigido e infusibile. La vulcanizzazione della gomma è un esempio di reticolazione controllata.

Perché un polimero lineare si può fondere e uno reticolato no?

Perché nelle catene lineari le molecole sono separate e tenute insieme solo da forze intermolecolari: scaldando, queste forze si vincono, le catene scorrono e il materiale fonde. In un reticolo, invece, le catene sono unite da legami covalenti veri e propri, che il calore non rompe senza degradare il materiale: non c’è uno stato fuso, quindi il termoindurente non si rilavora.

A cosa serve fare un copolimero a blocchi?

Serve a combinare in un solo materiale proprietà che i singoli omopolimeri non avrebbero. Alternando blocchi rigidi e blocchi flessibili si ottengono, per esempio, elastomeri termoplastici: gommosi e deformabili come una gomma, ma fusibili e rilavorabili come una plastica. I poliuretani, con i loro blocchi rigidi e flessibili alternati, sono un esempio classico di questo approccio.