Polipropilene, come, dove, perché.

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novembre 4, 2018
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molecola polipropilene

Il polipropilene l’ho conosciuto da bambino guardando Carosello. Non sapevo fosse polipropilene, l’ho conosciuto come Moplen, attraverso il viso pacioso di Gino Bramieri.

Se date un’occhiata a youtube cercando “Moplen”, trovate parecchie pubblicità dell’epoca, anni ‘60, ma non solo: trovate anche un interessante video sul polimero girato allora. Questo video, che potete vedere tramite il seguente link, potrebbe essere riproposto ai giorni nostri, cambiando semplicemente l’ambientazione.

Il polipropilene nacque l’11 marzo del 1954 al politecnico di Milano grazie al lavoro svolto da Giulio Natta ed il suo gruppo di ricercatori. Ciò accadde dopo che Natta ebbe un’illuminazione: nel 1951 infatti, partecipando ad un congresso, incontrò Karl Ziegler il quale, in quella occasione, illustrò l’applicazione dei suoi innovativi catalizzatori stereospecifici  che gli permisero di arrivare alla sintesi del polietilene lineare. I due, finanziati dalla Montecatini, collaborarono al punto che nel 1963 furono insigniti del premio Nobel per la chimica.

La prima produzione industriale di polipropilene Moplen avvenne a Ferrara nel 1957, anno in cui fu firmato il trattato di Roma, che sancì la costituzione della Comunità Europea, della comparsa in Italia della grande distribuzione organizzata e della FIAT 500.

Il polipropilene si ottiene per polimerizzazione radicalica del propene, un gas ottenuto da fonti fossili. Dal propene si ottengono tre forme di polipropilene (clicca sulla figura per ingrandire):

pp SINTESI

 Dal punto di vista pratico ed industriale il polipropilene isotattico è quello più interessante poiché la sua configurazione gli conferisce un’elevata cristallinità alla quale corrispondono migliori caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche del polimero.

Il polipropilene è il più utilizzato polimero in assoluto in Europa, sia come volume totale sia per applicazione:

Domanda per polimeroPlastics percentagePlastics x aplication

Le tipologie di polipropilene più comunemente utilizzate sono:

PP omopolimero (PPh) – densità 904 ÷ 908 kg/m3 – p.f. 160 ÷ 165 °C

PP copolimero (PPc) – densità 904 ÷ 908 kg/m3 – p.f. 135 ÷ 159 °C

  • Copolimero random
  • Copolimero a blocchi
  • Impact copolymer – densità 898 ÷ kg/m3

Il PPh è più rigido dei copolimeri ed ha maggiore resistenza a snervamento. Se usato nel suo colore naturale risulta traslucente e permette di vedere attraverso la parete del manufatto. È meno resistente all’urto delle versioni copo, specialmente a T<0 °C.

Il PPc random è ottenuto con l’aggiunta di circa il 5% di etilene (o butene) co-monomero  che “interrompe” la cristallinità del polimero risultando essere otticamente “chiaro” permettendo così di ottenere manufatti trasparenti e di ottimo aspetto estetico. È più flessibile e con proprietà a trazione inferiori rispetto al PPh e all’impact copolymer. Ha proprietà all’impatto superiori al PPh a temperatura ambiente  (Tamb), ma simili a freddo.

Il PPc a blocchi, ottenuto con l’aggiunta di co-monomero nell’ordine del 5 ÷ 15% le cui unità sono inserite regolarmente nella struttura, è meno fragile e più resistente del PPc random.

L’impact copolymer è ottenuto con un processo che implica l’utilizzo di due reattori: nel primo si produce l’omopolimero che è successivamente trasferita nel secondo dove propilene ed etilene sono polimerizzati a dare gomma EPR in forma di noduli microscopici che si disperdono nella  matrice omopolimerica. Sono questi noduli checonferiscono la resistenza all’impattosia a Tamb che a freddo. In generale, maggiore è la concentrazione di gomma, maggiore è la resistenza all’impatto, minori la rigidità a le proprietà a trazione.

Perché il polipropilene

Leggerezza: Sia il polimero tal quale che i compound, a parità di carica o rinforzo, risultano più leggeri della maggior parte degli altri polimeri. Ciò significa che, a parità di applicazione, si produce un maggior numero di pezzi.

Assorbimento di acqua trascurabile: 0,03% dopo 24 h (ASTM D570); incremento di peso 0,2% dopo 6 mesi a  Tamb; incremento di peso <0,5% dopo 6 mesi a 60 °C (fonte Lyondellbasell)

Resistenza chimica: Il PP è un polimero semi-cristallino sostanzialmente apolare, il che lo rende chimicamente stabile a contatto con la maggior parte delle sostanze chimiche. Poiché resta sempre valida la massima “il simile scioglie il simile” è soggetto ad interazione con le sostanze di natura chimica affine.

PP reschim

Resistenza termica: Mantiene le sue caratteristiche elettriche e meccaniche anche in temperatura:

  • 80 °C per il PP tal quale
  • 120 °C per i tipi rinforzati o caricati.

Sterilizzabile a vapore

Saldabilità: a frizione, ultrasuoni e lama calda

Effetto Cerniera: piegato a caldo il PP mantiene la proprietà indefinitamente

Il Polipropilene però non è tutto rose e fiori

Scarsa resistenza al graffio

Fragile a -20 °C

Sensibile al contatto con i metalli: a caldo ed a contatto con metalli o impurezze metalliche il PP può subire degradazione.

Difficile adesione superficiale (verniciatura, serigrafia, tampografia, incollaggio): è necessario attivare la superficie e utilizzare un primer.

Scarsa resistenza alle radiazioni UV: Manufatti non stabilizzati o stabilizzati in maniera scorretta esposti alla luce ingialliscono, perdono gloss, si formano screpolature sulla superficie, si forma un patina bianca che sbianca il colore (chalking o sfarinamento), senza contare i danni non visibili come il decadimento delle proprietà meccaniche. La stabilizzazione viene generalmente effettuata con UV adsorber, ammine stericamente impedite (HALS) o miscele di essi.

Ciclo stab UV

Posso modificarne le caratteristiche?

Come la maggior parte dei polimeri il polipropilene può essere modificato sia per conferirgli proprietà che non possiede sia per incrementare alcune sue proprietà. A questo proposito le famiglie di additivi più utilizzate sono: i mezzi coloranti, le cariche ed i rinforzi e gli additivi funzionali.

Mezzi coloranti

L’ attributo più importante di un manufatto è il suo aspetto. La qualità dell’aspetto costituisce un fattore psicologico in relazione alle prestazioni attese, al suo impiego e la sua durata, determinandone l’accettazione da parte degli utilizzatori. L’ aspetto di un oggetto comprende effetti visivi come il colore, la luminosità, la forma, la superficie. Da utenti, potendo scegliere, opteremmo per quei prodotti che, ai nostri occhi, presentano l’aspetto migliore. Il colore quindi è un messaggio fondamentale del prodotto. L’attrazione visiva riveste una tale importanza che la conformità del colore è inclusa, il più delle volte, nei capitolati di fornitura e nelle specifiche tecniche dei manufatti. La colorazione delle materie plastiche ricopre quindi un aspetto particolare in quanto consente di ottenere manufatti di qualsiasi colore evitando il costoso processo di verniciatura. I mezzi coloranti vengono selezionati in base alla loro compatibilità con il polimero, stabilità termica e solidità alla luce.

Rinforzi

Le fibre di vetro sono filamenti sottili di vetro (Ø 13 micron per il PP in genere) ottenuti attraverso un processo di fusione e filatura di sabbie silicee. Dopo il processo di filatura si applica alla superficie delle fibre un sottile strato di prodotti chimici (appretto o sizing) in grado di creare un legame efficace fra il vetro ed il polimero.

Le fibre di vetro migliorano le caratteristiche meccaniche del PP in particolare:

  • modulo elastico
  • carico di rottura
  • rigidità in temperatura
  • resistenza alla deformazione/rottura sotto carichi ciclici (fatica)
  • resistenza al “creep” (deformazioni permanenti sotto carico costante)
  • resistenza all’impatto
  • proprietà termiche (HDT e Vicat)

Influenzano altre prestazioni:

  • aumentano il peso specifico del compound
  • riducono il ritiro allo stampaggio (possono causare imbarcamenti e deformazioni a causa del ritiro anisotropo, per cui è necessaria un’accurata progettazione dei manufatti)
  • riducono la fluidità del materiale

La forma più utilizzata di fibra di vetro è la cosiddetta chopped strand , ma si possono utilizzare anche roving, fibre macinate e sfere di vetro. Queste ultime poi, danno al compound una buona resistenza al graffio.

Figura fibre

A causa della apolarità del polipropilene, per ottenere le migliori prestazioni dall’uso della fibra di vetro è necessario utilizzare un compatibilizzante che permetta un legame chimico vero e proprio tra la matrice polimerica e la fibra.

La differenza tra PP chimicamente legato alla fibra e non è evidente dalla foto seguente, dove si nota il distacco coesivo della fibra dalla matrice (immagini a destra) per il PP chimicamente legato ed il distacco adesivo per il PP non chimicamente legato.

PP FV CB

Questo si traduce anche in una differenza di caratteristiche tra i due compound:

PP FV cfr

Cariche minerali

Largamente impiegate nella produzione di compound di polipropilene poiché offrono vantaggi importanti come:

  • la riduzione del costo del formulato,
  • un ritiro tendenzialmente isotropo ed
  • il conferimento di una buona stabilità dimensionale.

Nel compound di PP si utilizzano:

Carbonato di calcio: bassa durezza, economico, facilmente disponibile in varie granulometrie e vari trattamenti superficiali, particelle di forma sferica (rapporto di forma ≈ 1) per cui da una migliore resistenza all’urto rispetto agli altri filler ma scarse proprietà di rinforzo. Adatto per applicazioni estetiche.

Talco:minerale soffice, particelle di forma lamellare, può rinforzare se il rapporto di forma è sufficientemente elevato. Largamente utilizzato nelle applicazioni che necessitano buone meccaniche con basso costo, peso ridotto e migliorata termoresistenza. Il talco HAR (High Aspect Ratio) è molto di moda nel settore auto perché migliora le proprietà a trazione rispetto a quello tradizionale permettendo l’alleggerimentodel manufatto, ovvero mantenedo le stesse prestazioni con un minor contenuto di carica. Può contenere una piccola percentuale di impurezze (quarzo, calcite, magnesite, ossidi di ferro) che variano a seconda della provenienza.

Wollastonite: alta durezza (Mohs 4.5)  rispetto agli altri comuni filler, quindi idonea per applicazioni resistenti al graffio, in particolare nel PP per applicazioni auto. Pur avendo un buon rapporto di forma rinforza più del talco ma NON è efficace come il talco HAR e la mica. Ha scarsa resistenza ad acidi e basi contrariamente a talco e mica. È un minerale fibroso.

Wollastonite

Mica: la muscovite è la più comune, è bianca o biancastra; la flogopite, più scura, ha maggiore stabilità termica. A parità di granulometria e rapporto di forma, si comportano in maniera simile quando additivate ai polimeri. Possono dare migliori proprietà di rinforzo rispetto alle altre cariche minerali di uso più comune, possiedono buone proprietà elettriche e fonoassorbenti. Aiutano la marcatura laser.

Modificanti di impatto

Hanno funzione tenacizzante. Possono essere funzionalizzati per conferire o migliorare la compatibilità col polimero. Quelli utilizzati per migliorare il comportamento all’impatto del PP sono in genere di origine poliolefinica. L’aggiunta di questi additivi, oltre ai vantaggi relativi all’aumento della resistenza all’urto anche a freddo, all’aumento della duttilità e della tenacità, comporta la riduzione delle proprietà a trazione, flessione e termiche.

Ritardanti di fiamma

Ostacolano e ritardano il processo di combustione.

Ciclo fuoco

Consentono l’auto-spegnimento del provino allorquando si rimuovono la fiamma, il filo incandescente o la fonte di calore/energia che hanno innescato il processo di combustione durante i test di laboratorio.

Le famiglie generalmente utilizzate per ritardare alla fiamma i compound di polipropilene sono:

alogeno-derivati:

Alogeni

intumescenti:

intumescenti

melamminoderivati:

melamminoderivati

idrossido di magnesio:

MDH

Il PP si può trasformare utilizzando le seguenti tecnologie:

  • Estrusione
  • Stampaggio ad iniezione e rotazionale
  • Soffiaggio
  • Termoformatura
  • Filatura
  • Additive Manufacturing
  • L’essiccazione non è generalmente necessaria, consigliabile per i ritardati alla fiamma.

Applicazioni

Auto

PP automotive

Elettrico ed elettronico

PP EeE

Utilizzati soprattutto compound ritardati alla fiamma.

Edilizia

Building

Imballaggio

PP Imballaggio

Beni di consumo

PP consumer goods

Si presta anche alla produzione di elementi di design.

Arredamento

PP arredamento

Applicazioni sia indoor che outdoor con elementi di design; si consiglia un’ottima stabilizzazione UV per le applicazioni outdoor. Per la sua resistenza chimica adatto anche per arredamenti da laboratorio.

Medicale e cosmetico

 

PP medicale

Filatura e tessitura

PP filati

Qualora siate interessati a maggiori informazioni sull’argomento contattatemi.

Fonti

Profax_and_Moplen_Chemical_Resistance_Guide_ASTM

Omnexus

YouTube

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