CRISTALLINITA' POLIMERICA

Questa pagina è dedicata interamente ai cristalli polimerici. No, non ha niente a che vedere con i polimeri usati dalla comunità new age. Parliamo di un altro tipo di cristallo. Il cristallo di cui parliamo è qualsiasi oggetto nel quale le molecole sono disposte con un ordine ed uno schema regolare. Il ghiaccio è un cristallo. Nel ghiaccio tutte le molecole d'acqua sono disposte in modo specifico. Così pure il sale da tavola, il cloruro di sodio. (Stranamente il servizio bello di bicchieri in cristallo di vostra madre non è assolutamente cristallo, in quando il vetro è un solido amorfo, ossia un solido nel quale le molecole non hanno alcun ordine o disposizione definita.

Per capire tutto quanto detto sui cristalli ed i solidi amorfi possiamo andare a casa. A casa? Perché? Così potete dare un'occhiata al cassetto delle calze, ecco perché. Vedete certe persone sono molto pulite ed ordinate. Quando ripongono le calze nel cassetto le piegano e le mettono in modo ordinato cosi:

Ci sono invece persone non molto interessate alla pulizia e all'ordine del cassetto delle calze. Questi ragazzi butteranno le calze nel cassetto formando un gran disordine. Il loro cassetto sarà così:

I polimeri sono come le calze. A volte sono disposte in maniera ordinata, come le calze nel cassetto rappresentato nella prima foto. In questo caso il polimero è detto cristallino. Altre volte non c'è ordine, e le catene di polimero formano solo un grande groviglio come le calze nella foto in basso. Quando avviene questo il polimero viene detto amorfo.

In questa pagina parleremo dei polimeri cristallini regolari ed ordinati.

I polimeri che tipo di disposizione preferiscono?

A loro piace essere allineati, allungati, come una pila regolare di nuove assi nel deposito di legna.

Non sempre si possono allungare in maniera ordinata. Effettivamente pochi polimeri possono allungarsi completamente e questi sono il polietilene ad altissimo peso molecolare e le aramidi come il Kevlar  ed il Nomex. Quasi tutti i polimeri possono allungarsi per brevi tratti prima di ripiegarsi su loro stessi. Potete vederlo nella figura.

La maggior parte dei polimeri non si allunga completamente, come questo. Si ripiegano su loro stessi dopo essersi allungati per brevi tratti, come questi.

Per il polietilene la lunghezza delle catene arriverà fino a 100 angstroms prima che le catene si ripieghino.

Non solo si ripiegano in questo modo. I polimeri formano dei "pacchi" con queste catene ripiegate. Ecco una figura che rappresenta uno di questi "pacchi", detti lamella.

Si ripiegano e formano pacchi. Un pacco di catene polimeriche ripiegate su loro stesse come queste si chiama lamella.

Non è sempre così ordinata. Talvolta parte della catena è racchiusa nel cristallo ed un'altra parte non lo è. Quando accade questo otteniamo il disordine che vedete rappresentato qui sotto, la nostra lamella non è più regolare ed ordinata, ma trasandata con le catene che penzolano ovunque!

Qualche volta una catena polimerica è indecisa, una parte si trova nella lamella cristallina, ma un'altra parte rimane all'esterno, nella regione amorfa.

Naturalmente essendo indecise, le catene polimeriche spesso decidono che vogliono ritornare nella lamella dopo aver vagato all'esterno per un po’. Quando questo si verifica otteniamo una figura come questa:

Queste lamelle hanno catene che escono per un po’ poi ritornano. Sulla sinistra la catena rientra nella lamella proprio vicino a dove era uscita. Nella figura a destra la nostra catena fuoriuscita rientra in un punto lontano da dove era uscita. Sono due casi possibili. Entrambe le figure mostrano il cosiddetto modello "switchboard" di una lamella polimerica cristallina.

E' il modello switchboard di una lamella polimerica cristallina. Visto che siete simpatici vi diremo che quando una catena polimerica non vaga intorno e all'esterno del cristallo ma si ripiega su se stessa, come abbiamo visto nella prima figura, viene detta modello a ripiegamenti regolari ed adiacenti.

Stato amorfo e stato cristallino.

State pensando a qualche cosa? Se osservate le figure in alto vedrete che una parte del polimero è cristallino ed una parte non lo è! Si, ragazzi, quasi tutti i polimeri cristallini non sono completamente cristallini. Le catene, o parti di catene, che non sono nei cristalli, non hanno una disposizione ordinata delle loro catene. Noi scienziati illustri diciamo che sono allo stato amorfo. Un polimero cristallino, quindi, ha in effetti due componenti: la frazione cristallina e la frazione amorfa. La frazione cristallina è nelle lamelle, e la frazione amorfa è all'esterno delle lamelle. Se osserviamo attentamente la lamella possiamo vedere come sono disposte le frazioni cristalline ed amorfe.

Una sferulite di polimero cristallino e le sue parti

Come potete notare, la lamella cresce come i raggi di una ruota di bicicletta partendo da un nucleo centrale. (Talvolta noi scienziati illustri chiami amo la lamella fibrilla lamellare) Si espandono effettivamente in tre direzioni, assomigliano più ad una sfera che ad una ruota. Questa sfera viene chiamata sferulita. In un campione di cristallo ci sono miliardi di sferuliti.

Tra le lamelle cristalline vi sono regioni dove non c'è ordine nella disposizione delle catene polimeriche. Queste aree disordinate sono le regioni amorfe di cui stiamo parlando.

Come potete vedere nella figura, una singola catena polimerica può essere in parte nella lamella cristallina e in parte nello stato amorfo. Alcune catene a volte iniziano in una lamella, attraversano la regione amorfa e si uniscono ad un'altra lamella. Queste catene sono dette molecole di collegamento

Come avete visto nessun polimero è totalmente cristallino. Se state producendo una materia plastica, è una cosa positiva. La cristallinità rende il materiale resistente, ma lo rende anche fragile . Un polimero completamente cristallino sarebbe troppo fragile per essere utilizzato come materia plastica. Le regioni amorfe danno al polimero tenacità ossia la capacità di piegarsi senza rompersi.

Per produrre le fibre sono utili i polimeri il più possibile cristallini perché una fibra è effettivamente un lungo cristallo. Volete saperne di più? Visitate la pagine sulle Fibre!

Molti polimeri sono un insieme di regioni cristalline ed amorfe, ma alcuni sono estremamente cristallini ed altri sono estremamente amorfi. Ecco alcuni dei polimeri che tendono verso gli estremi opposti:

Alcuni sono estremamente cristallini Alcuni sono estremamente Amorfi

Il polistirene sindiotattico è molto ordinato, con i gruppi fenilici disposti in modo alternato sulla catena. Può formare facilmente blocchi di cristalli. Lo stirene atattico non presenta quest'ordine. I gruppi fenilici si trovano su qualsiasi lato della catena, senza un ordine preciso, e non possono formare blocchi. Il polistirene atattico è molto amorfo.

I gruppi esteri polari agevolano la formazione di cristalli resistenti ed inoltre gli anelli aromatici si raggruppano in pile ordinate rendendo i cristalli ancora più resistenti.

Gli anelli fenilici nel polietilenterftalato formano pacchi ordinati per dare origine a cristalli resistenti.

Quale livello di cristallinità?

Ricordate, abbiamo detto che molti polimeri contengono buona parte di materiale cristallino e buona parte di materiale amorfo. Esiste un modo per misurare l'area cristallina e l'area amorfa di un campione di polimero. Abbiamo dedicato una pagina intera a questo metodo, la pagina sulla calorimetria a scansione differenziale.

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