Le materie plastiche

Le plastiche sono materiali abbastanza recenti, progettati dalle industrie chimiche dopo il 1900.
Oggi i settori di impiego principali sono gli imballaggi, gli oggetti di vario tipo e l’edilizia.
Le plastiche sono materiali che non esistono in natura. Vengono prodotte nell’impianti chimici manipolando le molecole di una materia prima, che può essere la virginnafta o il gas naturale.

Sono dette materie plastiche quei materiali artificiali con struttura macromolecolare che in determinate condizioni di temperatura e pressione subiscono variazioni permanenti di forma.

Originariamente molte materie plastiche venivano prodotte con resine di origine vegetale, ad esempio la cellulosa (dal cotone), gli oli (dai semi di alcune piante), i derivati dell’amido e il carbone; tra i materiali non vegetali usati è invece da citare la caseina (dal latte).
Sebbene la produzione di nylon fosse basata in origine su carbone, acqua e aria, e il nylon 11 sia ancora basato sull’olio estratto dai semi di ricino, la maggior parte delle materie plastiche è attualmente derivata dai prodotti petrolchimici, facilmente utilizzabile e poco costosa.

Si dividono in termoplastici, termoindurenti ed elastomeri.
Le gomme, pur avendo chimicamente e tecnologicamente molti aspetti in comune con le materie plastiche, non sono normalmente considerate tali.
Le caratteristiche vantaggiose delle materie plastiche rispetto ai materiali metallici e non metallici sono la grande facilità di lavorazione, l'economicità, la colorabilità, l'isolamento acustico, termico, elettrico, meccanico (vibrazioni), la resistenza alla corrosione e l'inerzia chimica, nonché l'idrorepellenza e l'inattaccabilità da parte di muffe, funghi e batteri. La plastica si ottiene dalla lavorazione del petrolio.
Lo smaltimento dei rifiuti plastici, quasi tutti non biodegradabili, avviene di solito per riciclaggio o per stoccaggio in discariche: bruciando materiali plastici negli inceneritori infatti si generano diossine (solo per quanto riguarda i polimeri che contengono atomi di cloro nella loro molecola, come ad esempio il PVC), una famiglia di composti tossici. Queste difficoltà hanno incentivato negli ultimi anni la diffusione della bioplastica, in cui una piccola percentuale di resina è sostituita da farine vegetali quale quella di mais.

Tipologie

Termoplastiche. Sono dette termoplastiche quelle materie plastiche che acquistano malleabilità, cioè rammolliscono, sotto l'azione del calore. In questa fase possono essere modellate o formate in oggetti finiti e quindi per raffreddamento tornano ad essere rigide. Questo processo, teoricamente, può essere ripetuto più volte in base alle qualità delle diverse materie plastiche.
Esempi: rotella, boccaglio, marcatura della strada.

Termoindurenti. I termoindurenti o resine sono un gruppo di materie plastiche che, dopo una fase iniziale di rammollimento dovute al riscaldamento, induriscono per effetto di reticolazione tridimensionale; nella fase di rammollimento per effetto combinato di calore e pressione risultano formabili e una volta induriti, hanno la resistenza dell’acciaio.
Se questi materiali vengono riscaldati dopo l'indurimento non ritornano più a rammollire, ma si decompongono carbonizzandosi.

Le principali categorie di resine sono:

• Resine epossidiche . Molto resistenti ad agenti chimici e a solventi, presentano ottime caratteristiche meccaniche elettriche; vengono impiegati come sigillanti, come collanti o agenti protettivi; vengono utilizzati per risanare muri e strutture in legno degradate.
• Resine fenoliche, cioè bacheliti liquide e solide. Quelle liquide sono termoplastiche e vengono impiegate come collanti e impregnanti; quelle solide e semisolide sono invece termoindurenti e, addizionate a cariche, sono utilizzate anche nel settore delle costruzioni, componenti elettrici e motoristici, manici pentole.
• Resine melamminiche. Sono resine termoindurenti che resistono bene agli agenti fisico chimici. Utilizzate per la produzione di apparecchi igienico sanitari, colle, vernici e nella fabbricazione dei laminati plastici, stoviglie e isolanti elettrici.
• Poliesteri non i poliesteri insaturi si producono lastre rinforzate con fibre di vetro per coperture o elementi di arredo, vengono usate nel settore della nautica nella fabbricazione di scafi e di intere imbarcazioni, nel settore dei trasporti, dei grandi contenitori e in una serie di applicazioni che vanno da parti di aerei ed elicotteri a schermi radar, articoli sportivi.
• Ureiche. Sono resine termoindurenti più o meno trasparenti. Hanno caratteristiche simili alle resine melamminiche, che spesso sostituiscono. Vengono utilizzati principalmente per apparecchi igienico sanitari, vernici e colle; impiegati nella produzione di pannelli truciolati.
• Resine alchiliche. Vengono usate negli apparecchi RTV, parti elettriche di motori a scoppio e motori elettrici.
• Resine furaniche. Rivestimenti anticorrosivi nell’industria chimica anche sotto forma di laminati impregnati, preparazione di stampi.
• Resine alliliche, isolatori elettrici, articoli tecnici per calcolatori, circuiti stampati, parti per avionica ed aerospaziale, lastre rinforzate, tubi, parti di missili.
• Poliuretano : automobilistico, arredamento- imbottiture, industria civile-coibentazione termica, elettrodomestici-materiali fonoassorbenti, finte pelli, suole e tacchi da scarpe, film per isolamento elettrico, articoli per lo sport, per uso tecnico e nel settore medicale.
• Policarbonato : apparecchiature medicali per la dialisi artificiale e per la cardiochirurgia, per la prima infanzia e le cure domiciliari (biberon, aerosol, incubatrici). Vassoi, contenitori per alimenti, bicchieri ed altri oggetti in policarbonato si diffondono ovunque nella ristorazione collettiva ed ospedaliera grazie alla loro leggerezza ed infrangibilità, unita ad un periodo di utilizzazione praticamente illimitato. grosse strutture di contenimento per l’elettronica fino ad allora realizzate in lamiera piegata, saldata e verniciata.

Elastomeri . Gli elastomeri sono polimeri sintetici o naturali, i quali possiedono un'elasticità caratteristica che permette loro, sotto sforzo, un allungamento da 1 a 10 volte; questo è possibile grazie alla loro particolare struttura molecolare, composta da reticoli a maglie larghe (groviglio di catene molecolari) che anche se tese, appena la forza esterna smette di agire sul polimero, ritornano subito al loro stato iniziale.
In relazione al loro modo di produzione possono rientrare nel gruppo dei termoindurenti o termoplastici. Gli elastomeri termoplastici entrano nel mercato nei tardi anni settanta, sono prodotti per stampaggio ed estrusione e hanno la facoltà di poter essere fusi ancora dopo la lavorazione. Gli elastomeri termoindurenti, invece, subiscono la saldatura delle catene tramite la vulcanizzazione, e di conseguenza non è più possibile fonderli dopo la formatura.
I principali utilizzi di queste particolari materie plastiche sono:pneumatici, calzature, adesivi, componenti per edilizia, tubi, cavi elettrici, componenti e guarnizioni per auto, elettrodomestici; modificanti materie plastiche e bitumi, additivi per oli lubrificanti (elastomeri solidi); sottofondo tappeti, patinatura della carta, schiuma stampata (lattici sintetici).

Tecniche di Produzione

Estrusione. E' un processo che consiste nel forzare un materiale plastico portato allo stato fluido attraverso un orifizio il cui profilo riproduce in negativo la forma che si desidera impartire al manufatto.
E' un processo continuo, molto diffuso. La continuità del processo consente di ottenere i più elevati gradi di produttività e i più bassi costi di produzione, ma dal punto di vista operativo questa è una limitazione perché impone che il manufatto sia di forma costante in tutta la sua lunghezza. Per questo l'estrusione è il mezzo ideale per la produzione di tubi, barre, tubolari, lastre, ecc., tutti quei manufatti la cui sezione rimane costante.
Il materiale da utilizzare deve essere un materiale termoplastico (deve poter raggiungere lo stato fluido). Inoltre il materiale deve essere in grado di mantenere la forma impressagli almeno finché esso non sia sufficientemente raffreddato.
Per questi motivi sono adatti a tale processo materiali quali i polimeri di alto peso molecolare che allo stato fluido presentano una viscosità tanto elevata da conferire loro una certa pastosità.

Fasi del processo di estrusione: trasporto; riscaldamento; fusione della resina di alimentazione; omogeneizzazione del prodotto fuso; forzamento di questo attraverso l'orifizio di estrusione.
Alla singola macchina ad estrusione o estrusore sono collegati vari dispositivi ausiliari che servono per l'esatto dimensionamento del prodotto; per il raffreddamento del materiale; per la raccolta del prodotto sotto forma di rotolo o per il taglio in barre.
L'estrusore è costituito da un cilindro cavo provvisto di mezzi di riscaldamento; una vite senza fine ruotante all'interno del cilindro; una matrice di estrusione nella quale è ricavato l'orifizio di estrusione; una tramoggia di alimentazione; il motore e il relativo riduttore di velocità (necessario per ridurre la velocità del motore generalmente troppo elevata e per regolarla a seconda di materiale e forma).
Il materiale viene caricato all'interno della tramoggia, da qui fluisce nell'interno dell'estrusore dove viene preso dalla vite e per effetto della sua rotazione spinto verso la matrice mentre fonde per effetto del calore fornito dall'esterno e per l'azione meccanica della vite.

Calandratura. E' un processo continuo al pari dell'estrusione, impiegato per la produzione di fogli e film continui a partire da resine termoplastiche.
Esso viene anche applicato in processi di rivestimento di tessuti, di carta e di altri materiali di supporto come pure nell'accoppiamento di due o più lastre continue di materiale plastico.
Il processo di calandratura consiste nel far passare la resina, già preventivamente omogeneizzata e plastificata, fra due o più coppie di rulli rotanti e riscaldati i quali schiacciano il prodotto fino a ridurlo in forma di foglio.
Spesso, dopo che il calandrato è stato portato allo spessore desiderato, lo si fa passare attraverso una o più coppie di cilindri, detti cilindri finitori, i quali hanno lo scopo di conferire alle superfici del prodotto ancora caldo aspetti particolari.
Materiali utilizzabili: resine acriliche; acetato di cellulosa; acetato butirrato di cellulosa; nitrato di cellulosa; etilcellulosa; metilcellulosa; metacrilato di metilene; nailon; policarbonati; poliesteri; polietilene; polifluoro carbonati; polipropilene; polistirolo; acetato di polivinile; acetato; cloruro di polivinile(il più usato); cloruro di polivinilidene.

Stampaggi

Stampaggio per Compressione. Consiste nella compressione di una resina termoindurente contenuta, sotto forma di polvere, pastiglie o di scaglie, entro la cavità di uno stampo riscaldato.
Sotto l'azione continuata del calore e della pressione la resina subisce un insieme di trasformazioni chimiche e fisiche nel corso delle quali dapprima rammollisce fino a diventare fluida e poi comincia ad indurirsi progressivamente fino ad assumere irreversibilmente una consistenza solida finale.
Gli stampi constano di due parti: il punzone che riproduce in negativo la forma interna dell'oggetto da stampare; e la matrice nella quale è ricavata una cavità (detta impronta) che ne riproduce sempre in negativo la forma esterna.
La pressione necessaria per l'operazione di stampaggio viene fornita da una pressa.

Fasi del processo: caricamento della resina; chiusura parziale dello stampo; fusione della resina; chiusura a fondo dello stampo con pressione piena; cottura del materiale plastico; apertura dello stampo ed estrazione del pezzo stampato.

Stampaggio per Trasferimento. La resina termoindurente da stampare viene dapprima compressa e fusa dentro una camera di carica separata e quindi trasferita o iniettata nella cavità di uno stampo chiuso e riscaldato che crea il prodotto per compressione.
I vantaggi, rispetto al semplice stampaggio per compressione, sono la riduzione della pressione di stampaggio rispetto al valore necessario in assenza di preriscaldamento, la riduzione del tempo di cottura con conseguente riduzione della durata del ciclo di stampaggio e aumento della produttività, il notevole miglioramento delle caratteristiche fisiche degli oggetti stampati, la possibilità di stampare pezzi di maggiori dimensioni, il maggior rispetto delle dimensioni (l'iniezione della resina nell'impronta avviene quando lo stampo è già chiuso) e la minor usura dello stampo in quanto viene a mancare l'azione abrasiva della polvere di stampaggio contro le pareti dell'impronta.
Questo procedimento è particolarmente indicato per produrre oggetti di forma complessa o oggetti che prevedano l'inserimento al loro interno di parti metalliche sottili e delicate, come avviene per gli oggetti destinati all'industria elettronica.
Tuttavia il macchinario utilizzato nello stampaggio per trasferimento (a pressione indiretta) è più complesso e quindi più costoso di quello necessario per lo stampaggio a pressione diretta.

Stampaggio per Iniezione. Processo di lavorazione tipico delle resine termoplastiche, consiste nell'iniettare nell'impronta di uno stampo chiuso una resina fusa in una camera di carica separata. Questo processo è diffuso per la produzione di oggetti di materiale plastico su grande scala e a prezzi ridotti.
A differenza di quanto avviene nello stampaggio per trasferimento, in cui la quantità di resina che di volta in volta viene fusa è quella strettamente necessaria per riempire l'impronta dello stampo, nello stampaggio per iniezione si dispone di una notevole riserva di materiale fuso, sufficiente per effettuare parecchi stampaggi.

La macchina è costituita delle seguenti parti: una tramoggia di alimentazione; una camera di fusione cilindrica corredata di mezzi di riscaldamento; un pistone che scorre all'interno della camera di fusione e di uno stampo.
La resina viene caricata nella tramoggia di alimentazione. Ad ogni ciclo di stampaggio, un dosatore automatico, posto sotto la tramoggia e comandato dal movimento del pistone, lascia cadere nella camera di fusione una quantità predeterminata di resina. Quindi il pistone spinge il materiale fuso nella cavità dello stampo attraverso opportuni canali di adduzione. Appena ultimato il riempimento dell'impronta, lo stampo viene raffreddato energicamente allo scopo di ottenere la solidificazione della resina. Quindi si procede all'estrazione dell'oggetto stampato.
Tutte queste fasi si compiono in un tempo molto breve. La durata di un ciclo completo di stampaggio varia, a seconda del tipo di resina e della complessità dell'oggetto da stampare, da 10 a 30 secondi.

Grazie a queste sue possibilità il processo di stampaggio ad iniezione è divenuto il metodo più diffuso per la produzione di articoli in materiale plastico.
Lo stampaggio ad iniezione è probabilmente il metodo più utilizzato per produrre oggetti in materiale plastico.
Esistono anche diverse varianti di questa tecnologia.

Formatura per Soffiatura (Blow Molding). La tecnologia dello formatura per soffiatura è la più utilizzata per produrre contenitori per liquidi di ogni genere in plastica. Si parte dalla realizzazione di una preforma che viene riscaldata e tramite gas in pressione viene spinta ad aderire alle pareti dello stampo: il prodotto viene successivamente raffreddato ed estratto.
Non tutti i materiali sono adatti a questo tipo di lavorazione: in particolare sono indicati quei materiali ad alto peso molecolare, con elevata resistenza del fuso, in modo da evitare difetti nelle preforme e da evitare tensionamenti nel prodotto finito dovuti allo stiro del materiale.
Esistono tre tipologie di soffiatura.

Termoformatura. Con la termoformatura si ottengono prodotti anche finiti, di grande superficie, di media complessità geometrica, con spessori costanti variabili tra 0,1 e 10 millimetri.
E' tipicamente utilizzata per lavorare materiali termoplastici amorfi o con basso grado di cristallinità.
Esistono diversi tipi di termoformatura ma tutti si basano su principi comuni: si parte da una lastra o da nastri di materiale preriscaldato (ad aria o ad infrarossi) che viene fatto aderire allo stampo e successivamente raffreddato (ad aria o ad acqua). Il semilavorato si trova sempre a contatto con due ambienti che si trovano a pressioni diverse, positive o negative.
Per termoformatura vengono prodotti numerosi manufatti quali lucernari, elementi modulari per edilizia, container, cabine sanitarie, interni di elettrodomestici, elementi per autoveicoli e imbarcazioni, insegne luminose, imballaggi per alimenti, imballaggi per medicinali (blisters).

Colata. La colata è una delle tecnologie di trasformazione delle materie plastiche più semplice ed intuitiva: molto utilizzata soprattutto per i materiali termoindurenti , viene utilizzata anche per materiali termoplastici come poliammidi e polimetilmetacrilati per sistemi ottici.
La tecnologia consiste nel far avvenire la reazione di polimerizzazione colando nello stampo uno dei reagenti (nel caso delle poliammidi, ad esempio, viene colato il caprolattame). In questo modo si riescono ad ottenere spessori notevoli, importanti in quel genere di applicazioni strutturali dove siano richieste prestazioni elevate di resistenza ad elevati carichi.

Stampaggio Rotazionale. Questa tecnologia è conosciuta per la produzione di oggetti cavi, che presentano un ottima finitura superficiale, dimensioni anche elevate ed assenza quasi totale di tensioni interne.
Il materiale viene caricato, generalmente in polvere, nello stampo, e successivamente riscaldato e fuso all'interno di un forno. Lo stampo nel frattempo ruota lentamente (da 10 a 40 giri/min) rispetto a due assi ortogonali tra di loro, distribuendo il materiale in modo uniforme.
Successivamente il prodotto viene raffreddato ed estratto dallo stampo. Questa tecnologia è molto utilizzata per materiali termoplastici , soprattutto polietilene, policarbonato, poliammidi, polivinilcloruro, ABS ma anche per termoindurenti.

Tipi di Plastiche, loro caratteristiche e usi

Polietilene (PE) (Polietilene ad alta densità)  resistente agli urti.
LDPE (Polietilene a bassa densità): È la plastica più leggera. È sensibile al calore ma resiste agli agenti chimici. Ha un buon isolamento elettrico. Termoplastico, translucido quando è prodotto come pellicola, permeabile agli idrocarburi, agli alcoli e ai gas, resistente ai raggi X e agli agenti chimici.
Pellicole, sacchetti, condutture, guaine isolanti, tappi, coperchi, imballaggi, giocattoli.

Polipropilene (PP) Termoplastico, bassa densità, elevata rigidità, resistente ai raggi X, poco permeabile all'acqua,
resistente alle alte temperature.

Polistirene (PS) (Polistirene o, meno comunemente, polistirolo): Duro e rigido.
Polistirene espanso: Resina polistirenica a forma schiumosa; ha bassissimo peso specifico e conducibilità termica; buona elasticità. Termoplastico, trasparente quando è prodotto come pellicola, non tossico se ingerito, dotato di proprietà ottiche ed elettriche, facilmente colorabile, resistente ai raggi X, agli oli e ai grassi.
Imballaggi, utensili da cucina, rivestimenti da arredamento, isolanti termici, giocattoli, articoli per ufficio, rasoi usa-e-getta.

Cloruro di polivinile (PVC): Termoplastico, flessibile o rigido, opaco o trasparente, resistente ai raggi X, agli acidi, alle basi, agli oli, ai grassi e agli alcoli.
Casalinghi, imballaggi, guaine isolanti per cavi elettrici, condutture, rivestimenti per pavimenti, infissi e porte, valigie e oggetti in similpelle, articoli sportivi e da campeggio, prodotti per l'industria chimica e automobilistica.

Politetrafluoroetilene (PTFE) o Teflon : Chimicamente inerte, antiaderente, impermeabile all'acqua e ai grassi, eccellente resistenza al calore e alla corrosione.
Protesi ortopediche e acustiche, guarnizioni, parti meccaniche destinate al contatto con sostanze corrosive, guaine isolanti per cavi elettrici, rivestimenti per padelle antiaderenti.

Polimetacrilatodi metile (PMMA) o Plexiglas : Termoplastico, trasparente, eccellenti proprietà ottiche, buona resistenza alle intemperie e all'invecchiamento.
Impiegato come sostituto del vetro per insegne luminose, vetreria, finestrini, vetrine; fibre ottiche, oggetti d'uso odontoiatrico, lenti a contatto, protesi.

Poliammide (PA) (ad esempio: nylon): Termoplastico, eccellenti proprietà meccaniche, resistente alle temperature.

Siliconi : Di consistenza fluida, con proprietà lubrificanti e antiaderenti, lievemente tossici.
Fluidi per trasformatori elettrici, mastici, produzione di stampi complessi, rivestimenti antiaderenti, vernici, rivestimenti cerosi, chirurgia estetica e trattamento delle ustioni.

Formaldeide: Termoindurenti, acquistano facilmente la forma voluta.
Bicchieri e stoviglie.

Resine fenoplastiche: Termoindurenti, di grande durata.
Bachelite, vernici indurenti.

PET (Polietilene Tereftalato) : Consente di ottenere fogli sottili e leggeri. Resistente al calore fino a 250 °C ed impermeabile ai gas.
Contenitori per liquidi, vaschette per frigo e forno.

Resine acriliche: Simili al vetro perché sono trasparenti.
Fusori delle lampade, coperture trasparenti, oggetti d'arredamento.

PLA (Acido Polilattico): Prodotta utilizzando come materia prima il mais, tramite un processo biotecnologico che permette di ottenere capacità produttiva elevata e una gamma di prodotti diversificati.
Contenitori compostabili.