Termoplastici, termoindurenti ed elastomeri

Tutte le materie plastiche si dividono in tre grandi famiglie in base a come reagiscono al calore: i termoplastici rammolliscono e si rilavorano, i termoindurenti induriscono una volta per tutte, gli elastomeri sono gomme deformabili. La differenza non è arbitraria: nasce direttamente dall'architettura delle catene e dalla temperatura di transizione vetrosa.

Vediamo che cosa distingue le tre famiglie a livello di struttura, che cos'è la temperatura di transizione vetrosa T_g e perché questi concetti hanno conseguenze pratiche concrete, talvolta drammatiche.

Le tre famiglie e il calore

I termoplastici sono polimeri a catene lineari o ramificate, non collegate da legami covalenti tra loro: scaldandoli rammolliscono fino a diventare fluidi e si possono stampare, estrudere, rimodellare; raffreddandoli tornano solidi, e il ciclo si può ripetere. I termoindurenti sono fortemente reticolati: si modellano una sola volta, durante la formatura, e poi induriscono in modo irreversibile per via dei ponti covalenti tra le catene; scaldarli non li fonde, li degrada. Gli elastomeri sono leggermente reticolati: la rete tiene insieme le catene ma lascia loro grande libertà di srotolarsi e riavvolgersi, da cui l'elasticità.

Cristallino e amorfo

Allo stato solido i termoplastici contengono in genere due tipi di regioni: domini cristallini ordinati (cristalliti), in cui le catene sono ben impacchettate, e domini amorfi disordinati. La proporzione tra i due dipende dalla regolarità della catena e dal modo di lavorazione. Le catene regolari, compatte e capaci di forti interazioni (come i legami a idrogeno) raggiungono alti gradi di cristallinità; quelle irregolari o ramificate restano più amorfe. I cristalliti fondono a una temperatura ben definita, la temperatura di fusione T_m; le regioni amorfe, invece, non fondono ma attraversano una transizione più sfumata.

T_g < T_m  ·  sotto T_g la parte amorfa è vetrosa, sopra T_g è gommosa

La temperatura di transizione vetrosa T_g

La temperatura di transizione vetrosa (T_g) è la temperatura a cui le regioni amorfe passano da uno stato vetroso, rigido e fragile, a uno stato gommoso, morbido e flessibile. Non è una fusione vera e propria: non c'è un cambiamento di fase netto, ma un cambiamento di mobilità delle catene. Sopra la T_g le catene amorfe hanno abbastanza energia per muoversi e scorrere localmente; sotto, sono «congelate» in una struttura rigida. La T_g è uno dei parametri più importanti per definire l'intervallo d'uso di un polimero.

Un esempio concreto: il polistirene ha una T_g intorno a 100°C. A temperatura ambiente è quindi ben sotto la sua T_g, ed è un solido rigido e vetroso; ma proprio per quella T_g vicina a 100°C non è adatto a contenere liquidi bollenti, dove rammollirebbe. La posizione della T_g rispetto alla temperatura d'impiego è ciò che decide se un materiale, in quelle condizioni, sarà rigido o flessibile.

Le tre famiglie a confronto

Perché conta nella pratica

Sapere a quale famiglia appartiene un materiale — e dove cade la sua T_g rispetto alla temperatura d'impiego — è decisivo per scegliere correttamente. Un termoplastico si può saldare e riciclare; un termoindurente no, ma resiste a calore e solventi; un elastomero va usato sopra la sua T_g, altrimenti perde l'elasticità. Errori su questi punti — come l'O-ring del Challenger — mostrano quanto la scelta del materiale e della finestra di temperatura sia una questione di sicurezza, non solo di prestazioni.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra termoplastico e termoindurente?

Un termoplastico ha catene non collegate tra loro da legami covalenti: scaldandolo rammollisce e si può rimodellare quante volte si vuole. Un termoindurente è fortemente reticolato: si modella una sola volta e poi indurisce in modo irreversibile; scaldarlo non lo fonde, lo degrada. Per questo i termoplastici si riciclano per fusione mentre i termoindurenti, in genere, no.

Che cos'è la temperatura di transizione vetrosa?

È la temperatura a cui le regioni amorfe di un polimero passano dallo stato vetroso, rigido e fragile, allo stato gommoso e flessibile. Non è una fusione: riflette il «congelamento» o lo sblocco del moto delle catene. Sopra la T_g il materiale amorfo è morbido, sotto è rigido. È uno dei parametri che definiscono l'intervallo di temperatura in cui un polimero può essere usato.

Che cos'è un elastomero?

È un polimero leggermente reticolato che, usato sopra la sua temperatura di transizione vetrosa, si deforma molto sotto sforzo e ritorna alla forma di partenza quando lo sforzo cessa. La rete rada di ponti tiene insieme le catene impedendone lo scorrimento permanente, mentre la loro libertà di srotolarsi e riavvolgersi dà l'elasticità. Le gomme vulcanizzate ne sono l'esempio tipico.

Perché sotto la T_g un elastomero diventa fragile?

Perché sotto la T_g il moto delle catene si «congela»: il materiale passa dallo stato gommoso a quello vetroso, rigido e fragile, e perde la capacità di deformarsi elasticamente. È ciò che accadde agli O-ring del Challenger, scesi sotto la loro T_g a causa del freddo: da gomme elastiche divennero materiali rigidi, perdendo la capacità di sigillare.

Che differenza c'è tra T_g e T_m?

La T_m (temperatura di fusione) è la temperatura, ben definita, a cui fondono le regioni cristalline ordinate di un polimero; la T_g (transizione vetrosa) riguarda invece le regioni amorfe e segna il passaggio sfumato tra stato vetroso e gommoso. Un polimero semicristallino le possiede entrambe (con T_g < T_m), mentre un polimero completamente amorfo ha solo la T_g.