Polietilene
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Il polietilene (o politene) è il più semplice dei polimeri sintetici ed è il più comune fra le materie plastiche.
Viene spesso indicato con la sigla "PE", così come ad esempio si usa "PS" per il polistirene o "PVC" per il polivinilcloruro. Ha formula chimica (-CH2-)n dove n può arrivare fino ad alcuni milioni. Le catene possono essere di lunghezza variabile e più o meno ramificate.
Il polietilene è una resina termoplastica, si presenta come un solido trasparente (forma amorfa) o bianco (forma cristallina) con ottime proprietà isolanti e di stabilità chimica, è un materiale molto versatile ed una delle materie plastiche più economiche; gli usi più comuni sono come isolante per cavi elettrici, film per l'agricoltura, borse e buste di plastica, contenitori di vario tipo, tubazioni, strato interno di contenitori asettici per liquidi alimentari ("brick") e molti altri.
[modifica] Sintesi
Il polietilene si sintetizza a partire dall'etene secondo la reazione:
n CH2=CH2 → [-CH2-CH2-]n
La molecola dell'etene è caratterizzata dal doppio legame fra gli atomi di carbonio che la rende particolarmente stabile
Per questo motivo la reazione di polimerizzazione necessita di condizioni di reazione particolari. Per la produzione industriale le possibilità sono:
- Polimerizzazione radicalica: alte temperature (circa 200 °C), alte pressioni (circa 2000 bar) e presenza di iniziatori radicalici
- Polimerizzazione per coordinazione con l'uso di catalizzatori a base di metalli di transizione (ad esempio sistemi di catalisi Ziegler-Natta)
[modifica] Classificazione del polietilene
In base alla distribuzione dei pesi molecolari e al grado di ramificazione si ottengono tipi di politene con proprietà e usi differenti:
- Polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE)
- Polietilene ad alta densità (HDPE)
- Polietilene a bassa densità (LDPE)
- Polietilene lineare a bassa densità (LLDPE)
UHMWPE è un PE con un numero di monomeri medio nelle catene dell'ordine dei milioni (fra 3 e 6 milioni). Ne risulta un materiale con catene ben "impacchettate nella struttura cristallina e molto resistente. Questo tipo di polietilene viene sintetizzato attraverso la polimerizzazione per coordinazione con metoalloceni. Le particolari proprietà meccaniche lo rendono adatto, a differenza degli altri tipi più comuni di polietilene ad impieghi particolari, come ad esempio protesi e giubbotti antiproiettile.
HDPE è un polietilene poco ramificato, ha quindi forze intermolecolari elevate e quindi maggior rigidità, viene generalmente sintezziato attraverso polimerizzazione per coordinazione con un sistema catalitico di tipo Ziegler Natta.
LDPE è molto più ramificato dell'HDPE, è quindi un materiale più duttile e meno rigido, viene generalmente sintetizzato attraverso polimerizzazione radicalica.
LLDPE è sostanzilmente polietilene lineare, viene normalmente ottenuto per polimerizzazione di una miscela di etene e alfa olefine (butene,esene,ottene) con catalisi di tipo Ziegler Natta
[modifica] Storia
Il polietilene è stato sintetizzato per la prima volta accidentalmente dal chimico tedesco Hans von Pechmann nel 1898, mentre riscaldava del diazometano. I suoi colleghi Eugen Bamberger e Friedrich Tschirner analizzarono la sostanza bianca simile a cera sulle pareti del contenitore e scoprirono che conteneva delle lunghe catene di -CH2-, decisero di chiamare questa sostanza polimetilene.
La prima sintesi industriale fu scoperta (ancora accidentalmente) da Eric Fawcett e Reginald Gibson alla ICI Chemicals nel 1933. Il polietilene si era formato applicando una pressione di diverse centinaia di atmosfere su un contenitore contenente etilene e benzaldeide, anche stavolta notarono un materiale simile a cera sulle pareti del contenitore. La reazione era stata tuttavia innescata da tracce di ossigeno contenute nel contenitore e non fu possibile replicarla con successo fino al 1935, quando un altro chimico ICI, Michael Perrin, sviluppò una sintesi industriale riproducibile per la sintesi del polietilene a bassa densità (LDPE). La prima tonnellata di materiale dimostrò che questo aveva qualità impareggiabili come isolante elettrico, e nell'agosto del 1939 iniziò la produzione industriale, che fu interamente assorbita dalle necessità belliche (in particolare nelle tecniche collegate al radar). Finita la guerra il polietilene rischiò di scomparire dai prodotti della ICI, ma i risultati delle ricerche su possibili nuove applicazioni dimostrarono che il polietilene era un materiale assai più versatile di quanto si fosse pensato.
Il seguente traguardo raggiunto nella sintesi dell'etilene è stato lo sviluppo di numerosi tipi di catalizzatori che hanno permesso la sintesi dell'etilene a temperature e pressioni più blande. Il primo di questi catalizzatori era basato sul biossido di cromo, fu scoperto nel 1951 da Robert Banks e John Hogan alla Phillips Petroleum. Nel 1953, il chimico tedesco Karl Ziegler sviluppò un sistema catalitico basato su alogenuri di titanio e composti organici dell'alluminio che lavoravano a condizioni ancora più blande dei catalizzatori Phillips. Questi ultimi, tuttavia, erano meno costosi e più facilmente maneggiabili, entrambi i sistemi vennero quindi usati nella sintesi industriale per la produzione di HDPE.
La catalisi di tipo Phillips ebbe inizialmente problemi nella sintesi di HDPE di qualità uniforme portando gli impianti che la utilizzavano a riempire i loro magazzini di prodotto fuori specifica. Il collasso finanziaro fu evitato nel 1957, quando la diffusione di un giocattolo consistente in un tubo circolare di polietilene colorato, l'hula hoop, prese piede negli Stati Uniti.
Un terzo sistema catalitico, basato sui metalloceni, fu scoperto nel 1976 in Germania da Walter Kaminsky e Hansjörg Sinn. Le catalisi a metalloceni e quella Ziegler hanno entrambe dimostrato un ottima flessibilità nella sintesi di miscele di etene e alfa olefine gettando le basi della vasta gamma di tipi di polietilene esistenti . Alcune di queste resine, come la fibra Dyneema, hanno iniziato a rimpiazzare materiali come il kevlar per le applicazioni dove sono richieste eccellenti proprietà meccaniche di resistenza a trazione.
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