Scuola Secondaria di 1° grado

“Luigi Pietrobono”

Frosinone

Ciao,sono Pet, sarò la

vostra guida nell’affascinante

mondo della plastica!

Esplorando ... la Scienza

La plastica è un polimero che ha trasformato la nostra vita

Dai giocattoli ai contenitori per alimenti, dalle parti di un computer ai telefonini, dalle gomme delle automobili ai collant di nylon fino a parti dello Space Shuttle, ……….. tutto questo è una

CATENA DI MACROMOLECOLE

costituite da POLIMERI ……..

La plastica, questa sconosciuta.

Alcune macromolecole si trovano in natura e formano classi di composti indispensabili per la vita:

Amido e cellulosa

Polisaccaridi che ci forniscono cibo,vestiario, riparo,...

proteine

Che costituiscono parti del nostro

corpo

Acidi nucleici

Che controllano l’ereditarietà

Le macromolecole, però, possono essere sintetizzate,attraverso la polimerizzazione

Un polimero è una grande molecola che ha l'aspetto di una lunga catena, alla quale possono essere legate ramificazioni. La molecola è formata da tante unità-base, come avviene per le perle di una collana. Anche le unità base sono singole molecole, chiamate monomeri: si possono aggregare a gruppi di due, tre, quattro o più (e allora si chiamano dimeri, trimeri, tetrameri...) o a centinaia (alti polimeri). Un alto polimero naturale è la cellulosa, costituita da tante unità di zucchero. Una fibra di cotone (cellulosa quasi allo stato puro) per esempio, è formata da 3.500 monomeri di zucchero, mentre il polivinilcloruro ha una catena di 25mila monomeri. Altri polimeri sono le gomme e le materie plastiche, la lana, l'amido.

Cos’è un polimero?

Ogni "perla della collana" è unita alle altre con un legame chimico, caratteristico per ogni polimero: una volta trovato il solvente adatto a scioglierlo, la catena si depolimerizza, cioè si spezza e libera le unità. Viceversa, nella polimerizzazione, si ricrea la struttura: è quanto avviene per esempio quando si ripara una bicicletta e, con uno speciale mastice, si "vulcanizzano" la gomma della camera d'aria e della toppa.

Oggi è possibile stabilire a priori l'ordine dei monomeri nella catena e modificarlo come si vuole per ottenere polimeri con caratteristiche diverse.

Ma come riescono i singoli monomeri ad essere legati tra di loro?

MONOMERI 1 MONOMERI 2+

Ne può derivare il seguente POLIMERO

Per ottenere un polimero partendo da due liquidi.Dobbiamo però precisare che in una tale reazione, l’ordine di assemblaggio dei monomeri, varia al variare del polimero che vogliamo ottenere.

Abbiamo capito che la plastica è un materiale che viene prodotto artificialmente mediante la trasformazione chimica di altre sostanze. Queste possono essere naturali oppure a volta sintetiche.

Nasce da risorse naturali: prevalentemente carbone, sale comune, gas e, soprattutto, petrolio - di cui la produzione mondiale di materie plastiche assorbe circa il 4% annuo.

Per produrre la plastica si utilizzano essenzialmente due processi: il processo di polimerizzazione e il processo di policondensazione, entrambi i processi avvengono in presenza di specifici catalizzatori.

Nella polimerizzazione i monomeri (quali l'etilene e il propilene) vengono riaccorpati e legati in lunghe catene.

Si ottengono così i polimeri, ciascuno dei quali ha proprietà, struttura e dimensione diverse in funzione dei differenti tipi di monomeri di base.

Le prime sintesi avevano come scopo quello di preparare materiali tali da sostituire le macromolecole naturali come le gomme e la seta; poi si sviluppò una specifica tecnologia che produce centinaia di sostanze diverse.

Possiamo avere una polimerizzazione:

a catenaa più

passaggi

Dovuta ad una serie di reazioniciascuna delle quali consuma una

particella reattiva e produce un’altra particella simile e così via.

Le particelle possono essere o radicali liberi o cationi o anioni.

Ad esempio: la polimerizzazione dell’etilene

Dovuta a più reazioni indipendenti,un monomero può reagire con più

di un gruppo funzionalead esempio:

(glicole + acido bicarbossilico estere)

Uno degli esempi più conosciuto è senza dubbio il polietilene (che possiamo leggere con la sua sigla chimica “PET” sulle bottigliette), questo è un polimero

formato dalla reazione (in opportune condizioni) di molte molecole di etilene. Se l’etilene viene scaldato sotto pressione con ossigeno, si ottiene un composto dal peso molecolare alto (circa 20.000) che è il polietilene.

La cosa sorprendente che deriva da questa reazione è che l’etilene a pressione e temperatura ordinarie (1 atm e ~ 25°C) è un gas, invece dopo la reazione di polimerizzazione il prodotto (polietilene) possiede le proprietà di un solido.

nCHCH 22

O2,calore, pressione

22 CHnCH ETILENE POLIETILENE

Per realizzare i prodotti finali pronti per il loro utilizzo, alle

materie plastiche si uniscono additivi, cioè sostanze che ne

esaltano o ne attenuano le proprietà, quali

coloranti;

agenti con caratteristiche particolari, come gli

antifiamma, gli antiossidanti, gli antistatici, i plastificanti;

cariche naturali o artificiali, per aumentare la rigidità e

migliorare le proprietà meccaniche;

espandenti, per ottenere un prodotto più leggero, come

ad esempio nel caso del polistirolo espanso.

In sintesi:

La prima materia plastica a essere stata inventata fu la celluloide, nel 1860. Si cercava un materiale per costruire palle da biliardo senza usare l’avorio, troppo costoso e prezioso (l’avorio è il materiale di cui sono fatte le zanne degli elefanti!). Dopo la celluloide ne furono inventate via via moltissime altre, tra cui la bachelite, il rayon, il PVC (cloruro di polivinile, con cui si realizzano tubi e rivestimenti per fili elettrici), il polistirolo, il teflon e il nylon, molto usato come fibra tessile. Uno scienziato italiano, Giulio Natta, diede un contributo molto importante a questo settore della tecnologia, inventando il polipropilene (PP), la sostanza di cui sono fatti molti contenitori in plastica per alimenti e alcuni tipi di moquette.

1835H. Regnault ottiene la prima sostanza basata sulla polimerizzazione: il PVC

1846Lo svizzero Frederick Schoenbein isola il primo polimero

artificiale: il nitrato di cellulosa.

1862Due industriali americani mettono in palio 10.000 dollari

per chi avesse trovato un sostituto dell’avorio per la fabbricazione delle palle da bigliardo.

Li vince Alexander Parkes che sintetizza la nitrocellulosa (nitrato di cellulosa più canfora), a cui da il nome di

Parkesina

1869Un tipografo di New York, John W. Hyatt,

mescolando insieme la Parkesina e la canfora, inventa la Celluloide

1889George Eastman riesce ad utilizzare la

Celluloide per fare pellicole fotografiche

1909Leo H. Baekeland, utilizzando prodotti sintetici

(fenolo e formaldeide) ricavati dalla distillazione del carbone, crea la Bachelite: è la

prima vera plastica.

anni '20Nasce la Fòrmica, laminato plastico a base di urea, fenolo,

formaldeide (e carta kraft), utilizzata nell’arredamento

anni '30Si utilizzano 16 materie plastiche differenti, fra cui il

polistirolo e i poliuretani

1935Gibson e Fawcett mettono a punto il Polietilene

1938Wallace Hume Carothers produce il Nylon, la più importante

fibra tessile artificiale che si ottiene per condensazione dell'acido adipico da solo (Nylon 6) o con esametilen-diammina

(Nylon 6.6)

1948I tecnici dell’areonautica americani mettono a punto il

Plexiglass

1954Giulio Natta scopre il Polipropilene isotattico, con caratteristiche migliori del polietilene precedente. A lui viene conferito nel 1963 il Premio Nobel per

la Chimica.

Tutto questo ha portato ad una vera “Rivoluzione dei materiali”

Materiali che sembrano diversi sono invece costruiti con la stessa sostanza lavorata in modi differenti

La plastica si divide in due grandi rami:

TERMOINDURENTI TERMOPLASTICHE

I termoindurenti a loro volta possono dividersi e qui ne presentiamo alcuni tipi:

UP sono utili nei trasporti e grandi contenitori, si ottengono da varie miscele;

PU usate per pelli sintetiche, suole e tacchi da scarpa;

DAP utilizzato per tessuti o fibre di vetro;

MF ha una forte resistenza meccanica e viene utilizzato per stoviglie;

PTFE (TELFON) usato per rivestimenti antiaderenti.

I termoplasticiSono formate con il calore e grazie a questo possono essere rimodellate.

ABS utilizzato per materiali resistenti come le valige, piccoli o grandi elettrodomestici e accessori nel settore automobilistico;

POM adoperato per la produzione della meccanica fine;

PA utilizzato per le fibre sintetiche tra i quali il nylon, nelle masse da stampaggio, nell’ industria meccanica, nella produzione di film, e nell’imballaggio di prodotti alimentari;

PBT adottato in campo meccanico, elettronico e viene rinforzato con fibre di vetro,

PC adoperato per caschi protettivi e parti integranti dell’auto;

PPO viene fatto uso per settori elettrici come l’elettronica trasporti, elettrodomestici ecc…;

PE viene impiegato per cassette e cassoni industriali ma anche per serbatoi;

PPS fatto uso per applicazioni tecniche come in campo fotografico, aeronautico e per particolari elettrodomestici;

PET adottato per bottiglie, tappeti, buste e nastri per audio e vhs;

PIB i tipi oleosi vengono impiegati nel settore adesivo, invece i tipi semisolidi vengono usati come impermeabili di supporto in tessuti;

PVDC viene utilizzato sotto forma di soluzione per gas ed aromi;

PMMA adottato per piastre trasparenti e per apparecchiature ottiche.

La lavorabilità è diversa per materie termoplastiche e termoindurenti. Le termoplastiche sono fusibili: rammolliscono quando vengono riscaldate e induriscono per raffreddamento; la maggior parte delle materie termoindurenti indurisce in modo irreversibile quando viene riscaldata.

I due processi base di polimerizzazione sono le reazioni di condensazione e le reazioni di addizione. Le prime producono piccole molecole di sottoprodotti come l'acqua, l'ammoniaca e il glicole, mentre le seconde non generano sottoprodotti. Il peso molecolare medio per i polimeri da addizione è generalmente maggiore di quello dei polimeri da condensazione.

Dalla rivoluzione dei materiali, come si fabbricano gli oggetti più comuni?

Bottiglie – Vestiti - Gomme delle automobili – Sacchetti ....ognuno di loro viene prodotto secondo una specifica tecnica. Per esempio la moquette……

In una fabbrica di materie plastiche, la sostanza sintetizzata viene fatta passare attraverso una serie di rulli ad alta temperatura che la riducono in sottili fogli. Questo tipo di materiale non può essere fuso due volte e questa caratteristica impone che una sola industria provveda alla sintesi della materia prima e alla stampa del prodotto finito.

Nei polimeri cristallini le catene di macromolecole sono disposte in maniera regolare e ordinata.

Stirandole catene di un polimero (ad esempio il poliestere), in un’unica direzione, si ottengono fibre tessili sintetiche.

Se lo stiramento viene fatto sia in altezza che in larghezza, si ottengono i nastri delle videocassette…….

La gomma naturale è un polimero disordinato, con le

macromolecole aggrovigliate.

Attraverso la vulcanizzazione, gli atomi di sostanze aggiunte, ADDITIVI, si dispongono tra

le macromolecole formando un reticolato snodato.

Così le macromolecole possono distendersi se tirate

o aggrovigliarsi se compresse

un po’ di zolfo e il polimero diventa più elastico e resistente

zolfo

Le fibre plastiche sono tenaci e

anche 5 volte più forti di quelle

d’acciao.

Dall’intreccio di microfibre del diametro di meno di un millesimo di millimetro ottenute da una filiera (un po’ come si fa per gli spaghetti), si può produrre la pelle

sintetica.

Ecco le fasi di lavorazione dello stampaggio a iniezione e soffiaggio, per la produzione delle bottiglie in plastica!

Punto di iniezione

Provetta

1. Si fonde la plastica (PET) 2. Si inietta in uno stampo di metallo

la cui cavità è sagomata a forma di provetta; per ottenere le bottiglie con la filettatura per il tappo, questo deve essere già sagomato nello stampo.

Premessa: Una delle caratteristiche della plastica è la MODELLABILITA’, questo è il motivo principale della sua ampia utilizzazione: con essa è possibile costruire in poco tempo prodotti dalla forma complessa con fasi lavorative semplici ed economiche

4. Viene riscaldata e sottoposta a un getto di aria compressa che la fa dilatare e aderire perfettamente alle pareti dello stampo.

5. Una volta raffreddata, si apre lo stampo e la bottiglia è pronta!

Stampo sagomato

Immissione di aria compressa

3. Appena raffreddata si passa al soffiaggio, qui la provetta viene inserita in uno stampo sagomato nella forma che si intende ottenere.

Segnalatoci dall’equipe scientifica dell’Università di Tor Vergata : Si prende una una soluzione organica, alla quale si aggiungono alcune gocce di soda che aiutano i monomeri ad unirsi (la soda agisce cioè da catalizzatore), si versa lentamente nel becker la soluzione contenente l’altro monomero, un sale di sebacile; la prima cosa che si osserva è che questi due liquidi sono immiscibili.

L’unico punto di contatto tra le due soluzioni è il piano orizzontale in cui i due liquidi si dividono, questo è il punto in cui avviene la reazione.

Con una bacchetta di vetro si prende la pellicola formatasi tra le due fasi; si può filare il polimero, inizialmente gelatinoso.

E’ importante notare che il polimero potrà essere filato fin tanto che entrambi i monomeri saranno presenti.

Ricordando che "il simile scioglie il simile", è molto interessante provare ad invertire la reazione di polimerizzazione:

Servendoci semplicemente di:

ACETONE POLISTIROLOe

tale polimero si scioglie velocemente a contatto con il solvente per unghie!!!

La plastica ha grande importanza in termini di sviluppo sociale ed economico: aiuta la vita sia delle popolazioni in via di sviluppo sia delle nazioni più avanzate, rendendola migliore e più igienica.

L’industria della plastica è da sempre impegnata a contribuire con la conservazione dell’ambiente, rendendosi interprete dei progressi che migliorano la vita dell’uomo.

1. Alla tutela ambientale 2. Al progresso sociale

Con la conservazione dell’ambiente

Rendendosi interprete dei progressiChe migliorano la vita dell’uomo

2Per quanto riguarda lo sviluppo economico e sociale la plastica:

è un valore aggiunto perché genera occupazione e ricchezza; migliora notevolmente la qualità della vita perché:

v è determinante nell’informatica, v utile negli imballaggi perché leggera, v flessibile, v robusta e voluminosa, v permette l’illuminazione in paesi sperduti e l’irrigazione in paesi aridi, v conserva le risorse, v protegge l’ambiente v viene utilizzata per costruire mezzi di trasporto.

1Per quanto riguarda la tutela ambientale, la plastica ha diversi vantaggi:

fa consumare poco petrolio (4% mondiale, che produce energia completamente ricedibile) e poco carbone,

è leggera, conserva risorse naturali e ne evita il rapido deterioramento, è meno costosa negli imballaggi alimentari; è recuperabile al 40% del totale.

Fra tutti i materiali utilizzati nelle tecnologie spaziali, la plastica è sicuramente uno dei più importanti, grazie alla sua

quasi illimitata versatilità ed elevata performance, che le consente di far fronte alle pressanti esigenze che esistono

nello spazio. Naturalmente, la plastica è anche parte integrante di molti trasferimenti tecnologici realizzati per

applicazioni terrestri legate alla ricerca scientifica in generale.

LA PLASTICA NELLO SPAZIO

Le sostanze plastiche sembrano indistruttibili cioè “immortali”, per cui si teme che la civiltà possa rimanere sepolta sotto un ammasso di plastica, anche se sappiamo che con esse si possono fare cose un tempo impensabili, in tutti i campi.

Il prossimo futuro è legato al riciclaggio non inquinante e allo studio di

bioplastiche

Il riciclaggio della plastica:Raccolta la plastica, attraverso un reparto, detto di rigenerazione, si lavano gli scarti delle plastiche provenienti dai centri di raccolta e si tranciano finemente per mezzo di una macchina. Passano poi ad essere asciugati ma non totalmente, a caldo, e, in parte umidi, vengono immessi in un estrusore, in una pressa cioè dove sono portati a temperatura di fusione. Il pastone che ne viene fuori è ulteriormente trasformato in granuli.Successivamente i granuli, tramite una tramoggia che li raccoglie, passano a delle macchine diversificate che preparano sacchi neri per la raccolta dei rifiuti solidi urbani tubi di seconda scelta per l’irrigazione, manichette per l’irrigazione a pioggia, ecc.Vengono lavorati anche granuli di plastica vergine, cioè non riciclata. Da questi si ricavano tubi in polietilene utilizzati per il trasporto di liquidi potabili o sacchi neutri per alimenti.

In alcuni Comuni della nostra Provincia si sta avviando (anche se nettamente in ritardo) la campagna per la raccolta

differenziata porta a porta.

Le motivazioni:

1. Fornire al cittadino un servizio utile

2. Tutelare di più l’ambiente mandando a recuperare materiale riciclabile

3. Cambiare mentalità, non più discariche ma il riciclaggio di quelle tipologie di materiali allo stesso tempo pregiati ma fortemente difficili da smaltire per volume e composizione come vetro, plastica, carta, lattine. Oltre il 70% dei rifiuti domestici è costituito proprio da questi materiali largamente utilizzati per l’imballaggio di detersivi e alimenti.

COSA GETTAREContenitori in plastica per liquidi o per alimenti (affettati, formaggi, pasta fresca) con i simboli PET, PVC e PE, ad esempio bottiglie di acqua o bibite, flaconi per detersivi (purchè risciacquati), flaconi di salse e yogurt, vaschette per alimenti (carne, pesce) vaschette e barattoli per gelati, buste e sacchetti per alimenti (pasta, riso, surgelati, patatine), vasi per fiori in plastica.

COSA NON GETTAREPlastica di vario genere come piatti, bicchieri, posate, giocattoli, terrine, tappetini antiscivolo, custodie per CD, polistirolo, tubetti di dentifricio.

DOVE GETTAREPer la raccolta differenziata della plastica sono presenti i cassonetti da 3,2 mc di colore azzurro con coperchio bloccato e dotati di appositi fori di inserimento del rifiuto. Nella raccolta porta a porta lasciarli davanti alla propria abitazione il giorno prestabilito da un apposito calendario fisso per il ritiro.

PER UN SERVIZIO MIGLIORERicordarsi sempre prima di inserire le bottiglie di togliere il tappo e schiacciarle. Riducendo il volume, i cassonetti possono contenere una maggiore quantità di rifiuto e si evitano quindi sprechi.

Sono plastiche con molecole costituite da polimeri con una struttura e una composizione diversa dalle altre, ciò consente agli agenti naturali di aggredire le lunghe catene di atomi spezzandole e riducendole a componenti che possono essere assorbiti dall'ambiente senza effetti tossici, e che addirittura possono sostenere la vita di organismi, dai batteri alle piante.

Il loro tempo di decomposizione è di qualche mese (in compostaggio) contro i 1000 richiesti dalle materie plastiche e hanno il pregio di non rendere sterile il terreno sul quale vengono depositati. Ciò consente di ricavare concime fertilizzante dai contenitori bio e di impiegarli in pellicole per l'agricoltura e per le serre, in tal modo la pellicola è lasciata a decomporsi naturalmente sul terreno o sulla serra (se non viene più coltivata).

I vantaggi di un materiale "biologico" sono:

un'alternativa a riciclaggio e reimpiego senza compiti ulteriori per i consumatori;

i rifiuti bio teoricamente possono essere depositati tutti in discarica data la loro rapida biodegradabilità;

l'impatto ambientale di tale scelta di smaltimento è inferiore sia alla termovalorizzazione di rifiuti bio sia al compostaggio, in termini di energia richiesta ed emissioni dei processi;

L a pressione dei rifiuti per ridurne la densità volumica richiede 5-10 minuti per tonnellata di rifiuti (poca energia) ed ha emissioni zero (la pressione dei rifiuti non è un processo chimico, ma meccanico).

Un team di ricercatori della Cornell University ha scoperto che dalle bucce dell’arancia è possibile ricavare il limonene un polimero plastico a basso impatto ambientale e adatto a diversi utilizzi. Il professor Coates e il suo staff hanno sintetizzato il nuovo polimero combinando l'ossido di limonene, un derivato dell'olio di limonene, con l'anidride carbonica, questa reazione permette di ottenere il carbonato di polilimonene, un polimero plastico del tutto simile al polistirene ma facilmente degradabile.

Un team di ricercatori giapponesi ha messo a punto il MildDisc, un compact disc realizzato con una materia plastica derivata dal mais, che incenerita o sotterrata non lascia sostanze nocive.

Anche i pomodori hanno dimostrato di essere un'ottima materia prima per la realizzazione dell'eco plastica. I ricercatori del CNR di Pozzuoli hanno infatti ricavato dalle bucce di pomodori un polisaccaride con il quale si possono realizzare buste di plastica a basso impatto ambientale. 

Focalizziamo l’attenzionesu ...

Giulio Natta nacque a Porto Maurizio (oggi Imperia) nel 1903 da genitori liguri. Frequentò le scuole superiori e un biennio propedeutico universitario a Genova. Nel 1921 frequentò i corsi di ingegneria chimica industriale presso il Regio Istituto Tecnico Superiore (oggi Politecnico di Milano) dove si laureò nel 1924 a soli 21 anni. Natta arrivò a Milano nel 1921, ed entrò come allievo interno nel laboratorio di Giorgio Renato Levi. Appena dopo la laurea Natta ebbe il suo primo incarico nel 1925, e divenne libero docente a 24 anni.

Nel 1932 vinse una borsa, e andò a Friburgo nel laboratorio del fisico Seemann. Nel 1938 Parravano assegnò a Natta dei soldi per ricerche connesse alla produzione di idrogeno. Nel 1939 Natta ritornò al Politecnico di Milano, sulla cattedra di Chimica industriale. Avvenne poi l'incontro fra Giulio Natta e Pietro Giustiniani. I due personaggi nell'estate del 1947 compirono insieme un lungo viaggio negli Stati Uniti per constatare da vicino il livello tecnico dell'industria chimica americana. Le strutture di ricerca industriale impiegavano migliaia di ricercatori, e la produzione aveva in gran parte abbandonato il carbone come materia prima, per orientarsi verso il petrolio. Al ritorno dal viaggio Giustiniani strinse con Natta un accordo di collaborazione per un centro di ricerca avanzata. Nel 1952 la Montecatini acquistò i diritti per lo sviluppo industriale in Italia delle scoperte di Ziegler, e Natta ottenne l'accesso agli studi del chimico tedesco. Nell'Istituto milanese la ricerca si estese subito alla polimerizzazione di diversi monomeri.

Giulio Natta ricevette il premio Nobel il 10 dicembre 1963 a Stoccolma.

Motivazione del Premio Nobel

“Per le scoperte nel campo della chimica e della tecnologia dei polimeri”

Tra il marzo 1954 e il giugno successivo tutto il laboratorio di Natta fu mobilitato e finalmente cominciarono ad essere spedite le prime richieste di brevetti. Nel dicembre 1954 Natta presentò i principali risultati all'Accademia dei Lincei. Il successo di Natta fu reso possibile dall'unione di due forze diverse. Giulio Natta morì a Bergamo il 2 maggio 1979.

Il nostro piccolo laboratorio scientifico

Rielaborazione in classe delle ricerche effettuate

Lavori di ricerca e costruzione di mappe nell’aula di informatica

Alcune fasi della costruzione del manifesto

Che ne dite, è stato davvero

un bel viaggio in un mondo

affascinante?

ciao