Polimeri: polimerizzazione per addizione e condensazione

I polimeri sono molecole giganti formate dalla ripetizione di tante piccole unità uguali, i monomeri. Dalle plastiche degli imballaggi alle fibre tessili, dalle gomme alle resine, dai materiali biologici come proteine e DNA: il mondo è fatto in larga parte di polimeri. Capire come si formano — per addizione o per condensazione — e come la struttura ne determina le proprietà è la chiave per orientarsi nell’industria dei materiali e della plastica.

Vediamo che cos’è un polimero, i due grandi meccanismi di polimerizzazione e perché la struttura conta tanto.

Monomeri e polimeri

Un polimero è una macromolecola costituita dalla ripetizione di un’unità base, detta unità ripetitiva, derivata da piccole molecole chiamate monomeri. Il numero di unità ripetute è il grado di polimerizzazione: può andare da poche decine a centinaia di migliaia, e da esso dipende in gran parte la massa molecolare del materiale e le sue proprietà meccaniche.

grado di polimerizzazione = massa molare del polimeromassa molare dell’unità ripetitiva

Polimerizzazione per addizione

Nella polimerizzazione per addizione i monomeri, tipicamente molecole con un doppio legame (come l’etilene), si sommano l’uno all’altro senza eliminare alcun sottoprodotto. Il doppio legame si apre e si forma un nuovo legame con il monomero successivo, in una reazione a catena che può crescere rapidamente. È il meccanismo che produce le grandi plastiche di massa: polietilene (PE), polipropilene (PP), PVC, polistirene.

Polimerizzazione per condensazione

Nella polimerizzazione per condensazione i monomeri si uniscono eliminando una piccola molecola a ogni legame formato, di solito acqua. Richiede monomeri con due gruppi funzionali reattivi alle estremità (per esempio un diacido e un diolo, o un diammina e un diacido). Sono polimeri di condensazione il nylon (poliammide), il PET (poliestere) e molte resine. Il legame che si forma — ammidico o estereo — è lo stesso che abbiamo incontrato tra acidi e derivati.

Come la struttura determina le proprietà

Le proprietà di un polimero non dipendono solo da quale monomero è stato usato, ma da come le catene sono organizzate. Catene lineari impacchettate ordinatamente danno materiali densi, resistenti e spesso parzialmente cristallini (come il polietilene ad alta densità); catene ramificate si impacchettano peggio e danno materiali più morbidi e flessibili; catene reticolate, legate tra loro da ponti chimici, danno materiali rigidi e indeformabili (i termoindurenti, come molte resine). Anche il comportamento al calore cambia: i termoplastici rammolliscono e si rimodellano scaldandoli (riciclabili), mentre i termoindurenti, una volta formati, non fondono più.

Copolimeri e additivi

La varietà delle plastiche non nasce solo dai monomeri puri. Spesso si combinano due o più monomeri diversi nello stesso polimero, ottenendo un copolimero le cui proprietà sono intermedie o nuove rispetto a quelle dei componenti: è un modo per “regolare” su misura rigidità, resistenza all’urto o trasparenza. Inoltre, quasi nessuna plastica commerciale è il polimero puro: contiene additivi — plastificanti che la rendono più flessibile, stabilizzanti contro luce e calore, cariche minerali, coloranti, ritardanti di fiamma. Questi additivi sono spesso determinanti per le prestazioni e, sul piano della sicurezza chimica, sono frequentemente al centro dell’attenzione normativa (si pensi al dibattito su alcuni plastificanti). Conoscere la composizione completa di un materiale, e non solo il polimero di base, è quindi essenziale per chi ne valuta la conformità.

Perché conta nell’industria

La conoscenza dei meccanismi di polimerizzazione e della relazione struttura-proprietà è alla base dell’intera industria delle materie plastiche, delle fibre e delle gomme. Permette di progettare un materiale con la rigidità, la trasparenza, la resistenza chimica o la riciclabilità desiderate, scegliendo monomero, meccanismo e architettura della catena. È anche centrale per i temi della sostenibilità: il modo in cui un polimero è costruito decide se e come potrà essere riciclato a fine vita. I termoplastici, che fondono e si rimodellano, si prestano al riciclo meccanico; i termoindurenti reticolati, che non fondono, pongono problemi ben più difficili. Per questo la progettazione di un materiale oggi non può prescindere dal pensare già al suo destino dopo l’uso.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra monomero e polimero?

Il monomero è la piccola molecola di partenza; il polimero è la macromolecola che si forma legando insieme molte copie del monomero. Il numero di unità ripetute è il grado di polimerizzazione, da cui dipende la massa molecolare del materiale.

In che cosa differiscono addizione e condensazione?

Nella polimerizzazione per addizione i monomeri (di solito con doppio legame) si sommano senza liberare sottoprodotti; nella condensazione i monomeri bifunzionali si uniscono eliminando ogni volta una piccola molecola, tipicamente acqua. Producono famiglie diverse di plastiche.

Che cosa sono i termoplastici e i termoindurenti?

I termoplastici rammolliscono scaldandoli e si possono rimodellare e riciclare (catene lineari o poco ramificate); i termoindurenti, dopo la formatura, sono reticolati e non fondono più, restando rigidi (molte resine). La differenza dipende dall’architettura delle catene.

Perché due plastiche fatte dello stesso monomero possono essere diverse?

Perché contano la lunghezza delle catene e la loro organizzazione: catene lineari e ordinate danno materiali densi e resistenti, catene ramificate danno materiali più morbidi, catene reticolate danno materiali rigidi. La struttura, non solo la composizione, determina le proprietà.

Il legame dei polimeri di condensazione è lo stesso degli esteri e delle ammidi?

Sì. Nei poliesteri (come il PET) il legame è estereo, nelle poliammidi (come il nylon) è ammidico: gli stessi legami che si formano tra acidi carbossilici e alcoli o ammine. La polimerizzazione per condensazione è di fatto la ripetizione di queste reazioni su monomeri bifunzionali.