Un team di ricercatori dell'Istituto di materiali polimerici sintetici dell'Accademia delle scienze russa, MIPT e altrove hanno determinato come la regolarità delle molecole di polipropilene e il trattamento termico influenzino le proprietà meccaniche del prodotto finale. Le loro nuove intuizioni consentono di sintetizzare un materiale con proprietà predeterminate come elasticità o durezza. Il documento che descrive in dettaglio lo studio è stato pubblicato in Polimero .

In termini di volume di produzione, polipropilene è secondo solo al polietilene. Modificando la sua struttura molecolare, il polipropilene può essere utilizzato per produrre materiali con un'ampia gamma di caratteristiche, dagli elastici alla plastica antiurto. Però, la relazione tra la struttura chimica del polimero e le sue proprietà meccaniche non è completamente compresa.

Ciò che rende le proprietà dei materiali polimerici così variabili è la loro composizione. Una molecola polimerica è una lunga catena di unità ripetute di lunghezza disuguale. Se queste molecole sono mescolate più o meno a caso in un materiale, si dice amorfo. Tali polimeri sono morbidi. In altri materiali, le catene polimeriche formano interconnessioni chiamate reticolazioni. Ciò dà luogo a regioni di struttura atomica molto regolare (fig. 1), simile a quello dei cristalli, da qui il nome cristalliti. Tengono insieme l'intera rete molecolare, e più cristalliti ci sono in un materiale, più è difficile. Per formare legami incrociati, le catene molecolari devono possedere una certa regolarità strutturale chiamata isotatticità.

Una catena di polipropilene è costituita da uno scheletro di atomi di carbonio con atomi di idrogeno attaccati. Ogni altro atomo di carbonio nella catena ha un gruppo metilico attaccato ad esso. Due atomi di carbonio adiacenti nella catena con gli atomi di idrogeno e il gruppo metilico ad essi legato costituiscono un'unità ripetitiva chiamata propilene, o propene. La configurazione spaziale della macromolecola, la catena polimerica, è determinata dall'orientamento reciproco dei gruppi metilici nella catena (fig. 2):se sono tutti su un lato, la molecola si dice isotattica. Se si alternano tra guardare da una parte e dall'altra, l'arrangiamento è noto come sindiotattico. L'assenza di qualsiasi modello coerente è indicata come atatticità. I segmenti di catena isotattica sono molto efficaci nella formazione di reticolazioni. Perciò, un grado più elevato di isotatticità del polipropilene si traduce in un materiale più resistente. I chimici possono sintetizzare polipropilene con isotatticità predeterminata. Gli autori si sono proposti di stabilire la precisa relazione tra le proprietà meccaniche del materiale e l'isotatticità.

Cosa lo rende forte

Il grado di isotatticità di un polimero è espresso in termini di contenuto di pentadi in esso. Una pentade è un segmento di molecola perfettamente isotattico lungo cinque unità ripetute. I ricercatori hanno esaminato polipropileni caratterizzati da vari gradi di isotatticità:nello specifico, 25, 29, 50, 72, 78, 82, e oltre il 95 per cento. Campioni di ogni tipo di polipropilene sono stati ottenuti sotto forma di film, 0,5-0,7 millimetri di spessore, utilizzando due tecniche distinte:vale a dire, tempra del materiale fuso in acqua ghiacciata e raffreddamento ad una velocità di 3 gradi al minuto. I film sono stati quindi sottoposti a stiramento a 10 millimetri al minuto su una macchina di prova.

Utilizzando i risultati dei test meccanici, gli autori hanno tracciato una curva sforzo-deformazione per ciascuno dei campioni. Hanno scoperto che il comportamento dei campioni sotto sforzo era correlato alla loro isotatticità e alla preistoria termica, ovvero se sono stati raffreddati lentamente o rapidamente. I ricercatori hanno descritto questa relazione come una dipendenza del modulo elastico dal grado di cristallinità (fig. 4). Moduli elastici più elevati corrispondono a materiali più tenaci. Il grado di cristallinità è la percentuale dei cristalliti, contrariamente alle regioni amorfe, nel volume del materiale. Il team ha anche dimostrato che i cristalliti nei campioni raffreddati e raffreddati lentamente differivano nella loro forma.

"Molte persone fanno tentativi per migliorare le proprietà del polipropilene, poiché il ritorno sugli sforzi investiti è grande. È prodotto da milioni di tonnellate, e basta modificare leggermente la struttura della catena o le condizioni di preparazione per ottenere un materiale con le proprietà desiderate, " dice l'autore Maxim Shcherbina, che insegna al MIPT ed è uno dei principali ricercatori presso il Laboratorio di Strutture Polimeriche Funzionali dell'Istituto dei Materiali Polimerici Sintetici, RAS. "Durante la sintesi, si determina la struttura della molecola. Ma quando lo fai, si determinano anche le proprietà della rete e quindi le proprietà del materiale. Questa è la conclusione principale che traiamo nel documento. Proprio adesso, stiamo facendo cose simili con il polietilene, un altro polimero molto popolare".