Ingegneria i polimeri includono materiali naturali come gomma e materiali sintetici come plastica ed elastomeri. I polimeri sono materiali molto utili perché le loro strutture possono essere alterate e adattate per produrre materiali 1) con una gamma di proprietà meccaniche 2) in un ampio spettro di colori e 3) con diverse proprietà trasparenti.

Mers

Un polimero è composto da molte molecole semplici che ripetono unità strutturali chiamate monomeri. Una singola molecola polimerica può essere composta da centinaia a un milione di monomeri e può avere una struttura lineare, ramificata o di rete. I legami covalenti tengono insieme gli atomi nelle molecole polimeriche e i legami secondari tengono insieme gruppi di catene polimeriche per formare il materiale polimerico. I copolimeri sono polimeri composti da due o più diversi tipi di monomeri.

Catene polimeriche (termoplastiche e termoindurenti)

Un polimero è un materiale organico e la spina dorsale di ogni materiale organico è una catena di atomi di carbonio. L’atomo di carbonio ha quattro elettroni nel guscio esterno. Ciascuno di questi elettroni di valenza può formare un legame covalente con un altro atomo di carbonio o con un atomo estraneo. La chiave per la struttura del polimero è che due atomi di carbonio possono avere fino a tre legami comuni e ancora legame con altri atomi. Gli elementi trovati più frequentemente nei polimeri e nei loro numeri di valenza sono: H, F, Cl, Bf e I con 1 elettrone di valenza; O e S con 2 elettroni di valenza; n con 3 elettroni di valenza e C e Si con 4 elettroni di valenza.

La capacità delle molecole di formare lunghe catene è fondamentale per la produzione di polimeri. Si consideri il materiale polietilene, che è costituito da gas etano, C2H6. Il gas etano ha due atomi di carbonio nella catena e ciascuno dei due atomi di carbonio condivide due elettroni di valenza con l’altro. Se due molecole di etano vengono riunite, uno dei legami di carbonio in ogni molecola può essere rotto e le due molecole possono essere unite con un legame carbonio-carbonio. Dopo che i due mer sono uniti, ci sono ancora due elettroni di valenza liberi a ciascuna estremità della catena per unire altri mer o catene polimeriche. Il processo può continuare a gradire più mers e polimeri insieme fino a quando non viene fermato dall’aggiunta di antera chimica (un terminatore), che riempie il legame disponibile a ciascuna estremità della molecola. Questo è chiamato un polimero lineare ed è blocco di costruzione per polimeri termoplastici.

La catena polimerica è spesso mostrata in due dimensioni, ma va notato che hanno una struttura tridimensionale. Ogni legame è a 109° rispetto al successivo e, pertanto, la spina dorsale di carbonio si estende attraverso lo spazio come una catena contorta di giocattoli. Quando viene applicato lo stress, queste catene si allungano e l’allungamento dei polimeri può essere migliaia di volte maggiore di quello che è nelle strutture cristalline.

La lunghezza della catena polimerica è molto importante. Poiché il numero di atomi di carbonio nella catena è aumentato a oltre diverse centinaia, il materiale passerà attraverso lo stato liquido e diventerà un solido ceroso. Quando il numero di atomi di carbonio nella catena è superiore a 1.000, si ottiene il polietilene materiale solido, con le sue caratteristiche di resistenza, flessibilità e tenacità. Il cambiamento di stato si verifica perché all’aumentare della lunghezza delle molecole aumenta anche le forze di legame totali tra le molecole.

Va anche notato che le molecole non sono generalmente dritte ma sono una massa aggrovigliata. I materiali termoplastici, come il polietilene, possono essere raffigurati come una massa di vermi intrecciati gettati casualmente in un secchio. Le forze di legame sono il risultato delle forze di van der Waals tra le molecole e l’entanglement meccanico tra le catene. Quando i termoplastici vengono riscaldati, c’è più movimento molecolare e i legami tra le molecole possono essere facilmente spezzati. Questo è il motivo per cui i materiali termoplastici possono essere rifusi.

Esiste un altro gruppo di polimeri in cui una singola grande rete, invece di molte molecole, si forma durante la polimerizzazione. Poiché la polimerizzazione viene inizialmente realizzata riscaldando le materie prime e salandole insieme, questo gruppo è chiamato polimeri termoindurenti o materie plastiche. Perché questo tipo di struttura di rete si formi, i mer devono avere più di due posti per il disossamento; altrimenti, è possibile solo una struttura lineare. Queste catene formano strutture e anelli congiunti e possono piegarsi avanti e indietro per assumere una struttura parzialmente cristallina.

Poiché questi materiali sono essenzialmente costituiti da una molecola gigante, non vi è alcun movimento tra le molecole una volta che la massa è impostata. I polimeri termoindurenti sono più rigidi e generalmente hanno una resistenza maggiore rispetto ai polimeri termoplastici. Inoltre, poiché non vi è alcuna possibilità di movimento tra le molecole in un polimero termoindurente, non diventeranno di plastica quando riscaldate.