Analisi dello stampaggio ad iniezione industriale di manufatti polimerici: effetto delle condizioni di processo

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I polimeri inorganici più importanti sono a base di silicio. 
Il grado di polimerizzazione indica il numero di unità ripetitive monomeriche 
costituenti il polimero: 
• Basso: sotto le 100 unità; 
• Medio: tra le 100 e le1000 unità; 
• Alto: oltre le 1000 unità. 
Nella quotidianità i polimeri sintetici (siano essi gomme, plastiche o fibre) non 
vengono mai usati tal quali; quasi sempre al polimero propriamente detto viene 
aggiunta una serie di composti ausiliari (chiamati cariche) che ne esaltano o ne 
attenuano le proprietà, quali: 
• Coloranti: impartiscono al polimero il colore desiderato; 
• Agenti con caratteristiche particolari, come gli antifiamma, gli 
antiossidanti,  i plastificanti;  
• Cariche artificiali o naturali (quali farina di legno, lignina, fibre 
vegetali) che migliorano la resistenza meccanica ed elettrica del prodotto 
finito; 
• Stabilizzanti: aumentano la resistenza del materiale agli agenti 
atmosferici, in particolare alle radiazioni UV; 
• Lubrificanti e/o scivolanti: evitano che il polimero aderisca ai macchinari 
usati nelle lavorazioni;  
• Espandenti, per ottenere un prodotto più leggero, come ad esempio nel 
caso del polistirolo espanso.  
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1.1.1. SINTESI DEI POLIMERI 
I polimeri più utilizzati derivano prevalentemente da quattro prodotti chimici di 
base, a loro volta derivati dal petrolio: l'etilene, il propilene, il butadiene e lo 
stirene.  
Le reazioni di sintesi dei polimeri si dividono in due grandi classi distinte, la 
polimerizzazione per addizione (o poliaddizione) e la polimerizzazione per 
condensazione (o policondensazione); entrambi i processi avvengono in presenza 
di specifici catalizzatori. 
Nella poliaddizione la reazione è innescata dalla formazione di una specie chimica 
attiva (un radicale, un carbocatione, un carbanione) che somma ricorsivamente su 
di sé una molecola di monomero, spostando il centro di reattività (l’elettrone 
spaiato, la carica elettrica) all’estremità della catena a mano a mano che questa 
cresce. 
Esempio di prodotto di poliaddizione è il polietilene. 
La policondensazione invece consiste in una serie di reazioni ciascuna delle quali 
è sostanzialmente indipendente dalla precedente: specie chimiche aventi due (o 
più) estremità reattive, possono legarsi le une alle altre formando ricorsivamente 
lunghe catene per unione di catene più corte. Esempio di prodotto di 
policondensazione sono i nylon. 
I polimeri sono commercializzati in sospensione, in lastre, ma soprattutto 
sottoforma di granuli, pastiglie o polveri, chiamate polveri da stampaggio; in 
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base al tipo di polimero che si vuole ottenere la polimerizzazione viene condotta 
con diversi processi produttivi: 
• Polimerizzazione in massa: consiste nel miscelare il monomero con un 
opportuno catalizzatore e quindi, secondo i casi, riscaldarlo o raffreddarlo 
in un reattore; 
• Polimerizzazione in soluzione: si sciolgono monomero e catalizzatore in 
un opportuno solvente organico. Questo metodo è usato quando il 
polimero si usa in soluzione (nel caso di vernici e adesivi per esempio); 
• Polimerizzazione in emulsione: si mescolano monomero e catalizzatore 
con acqua alla quale viene aggiunto un emulsionante (sapone o oli, alcoli). 
Avvenuta la polimerizzazione si ottiene una sospensione con aspetto 
lattiginoso; essa si può talvolta impiegare direttamente, per esempio come 
impermeabilizzante, negli adesivi, vernici, ecc, oppure può essere lavata 
ed essiccata; 
• Polimerizzazione in sospensione: il monomero e il catalizzatore vengono 
dispersi in acqua agitando continuamente. 
 
1.1.2. STRUTTURA DEI POLIMERI 
Lo stato fisico dei polimeri è legato alla posizione reciproca delle catene 
costituenti il polimero e dalla loro mobilità reciproca. I parametri che determinano 
lo stato fisico sono: 
1. Struttura delle catene polimeriche; 
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2. Interazioni chimiche tra catene polimeriche; 
3. Dimensioni delle macromolecole. 
 La struttura dei polimeri è definita a vari livelli, tutti tra loro interdipendenti e 
decisivi nel concorrere a formare le proprietà del polimero, dalle quali dipendono 
le applicazioni e gli usi industriali. Tali livelli sono riassumibili nei seguenti: 
• La struttura chimica: Esclusi i gruppi funzionali direttamente coinvolti 
nella reazione di polimerizzazione, gli eventuali altri gruppi funzionali 
presenti nel monomero conservano la 
loro reattività chimica anche nel 
polimero. Nel caso dei polimeri 
biologici (le proteine) le proprietà 
chimiche dei gruppi disposti lungo la 
catena polimerica - con le loro affinità, 
attrazioni e repulsioni - diventano 
essenziali per modellare la struttura 
tridimensionale del polimero stesso, 
struttura da cui dipende l'attività 
biologica della proteina stessa;  
• La struttura stereochimica: L'assenza 
o la presenza di una regolarità nella posizione dei gruppi laterali di un 
polimero rispetto alla catena principale ha un grande effetto sulle proprietà 
del polimero e di conseguenza sulle sue possibili applicazioni industriali. 
Un polimero i cui gruppi laterali sono distribuiti senza un ordine preciso 
Figura 2. Polimero sindiotattico, 
atattico, isotattico. 
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non può formare regioni cristalline al contrario di uno stereochimicamente 
ordinato. Un polimero i cui gruppi laterali sono tutti sul medesimo lato 
della catena principale viene detto isotattico, uno i cui gruppi sono 
alternati regolarmente sui due lati della catena principale viene detto 
sindiotattico ed uno i cui gruppi laterali sono posizionati a caso atattico. 
La scoperta di un catalizzatore capace di guidare la polimerizzazione del 
propilene in modo da dare un polimero isotattico è valsa il premio Nobel a 
Giulio Natta. L'importanza industriale è notevole, il polipropilene 
isotattico è una plastica rigida, il polipropilene atattico una gomma 
pressoché priva di applicazioni pratiche.  
• La distribuzione dei pesi molecolari: la maggior parte dei sistemi 
polimerici non presenta un peso molecolare uniforme (eccetto alcune 
sostanze naturali come le proteine globulari); questa è una conseguenza 
ineliminabile dei diversi metodi di sintesi dei composti macromolecolari; 
da qui nasce l’esigenza di considerare le masse molecolari in termini 
statistici e di studiarne la distribuzione.  
• Il carattere amorfo o semi-cristallino: i polimeri amorfi sono 
generalmente resine o gomme. Fragili al di sotto di una data temperatura 
(la "temperatura di transizione vetrosa") e fluidi viscosi al di sopra di 
un'altra (il "punto di scorrimento"). La loro struttura può essere 
approssimata con l'immagine di un groviglio disordinato di spaghetti. I 
polimeri semi-cristallini sono generalmente plastiche rigide; le catene di 
polimero, ripiegandosi, riescono a disporre regolarmente tratti più o meno 
lunghi gli uni a fianco degli altri formando regioni cristalline regolari dette 
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"cristalliti" che crescono radialmente attorno a "siti di nucleazione”, in una 
matrice amorfa; questi siti possono essere molecole di sostanze capaci di 
innescare la cristallizzazione ("agenti nucleanti") o altre catene di polimero 
stirate dal flusso della massa del polimero; 
• La struttura delle 
catene polimeriche: 
Un polimero viene 
detto "reticolato" se 
esistono almeno due 
cammini diversi per 
collegare due punti 
qualsiasi della sua 
molecola; in caso 
contrario viene detto "lineare" o "ramificato", a seconda che sulla catena 
principale siano innestate o meno catene laterali. Un polimero reticolato si 
può ottenere direttamente in fase di reazione, miscelando al monomero 
principale anche una quantità di un altro monomero simile, ma con più siti 
reattivi (ad esempio, il co-polimero tra stirene e 1,4-divinilbenzene) 
oppure può essere reticolato dopo la sua sintesi per reazione con un altro 
composto (ad esempio, la reazione tra lo zolfo ed il polimero del 2-metil-
1,3-butadiene, nota come vulcanizzazione).  
Figura 3. Struttura delle catene polimeriche 
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1.2. LE MATERIE PLASTICHE  
Con il termine materie plastiche s’intende genericamente un vasto gruppo di 
sostanze chimiche aventi la caratteristica di poter essere modellate nelle forme più 
svariate se sottoposte ad opportune lavorazioni; questa caratteristica prende il 
nome di plasticità; inoltre, grazie alla loro bassa densità, alle relativamente basse 
temperature di lavorabilità e alla uniformità generale della composizione, esse 
sono sempre più spesso sostituite ai materiali tradizionali come legno, ceramici,  
metalli.  
 
1.2.1. CARATTERISTICHE GENERALI 
Le materie plastiche sono caratterizzate da una serie di requisiti tali da porsi 
all'attenzione di operatori tecnici ed economici dei più disparati settori 
merceologici; di seguito si elencano alcune caratteristiche tra le più importanti. 
• Bassa densità: è un requisito vantaggioso perché più i materiali sono 
leggeri più è leggero il manufatto e facilitato il trasporto e la posa in opera; 
• Lavorabilità: grazie a questa caratteristica dalle materie plastiche si 
possono ottenere oggetti di tutte le forme, di tutte le dimensioni e di tutti i 
colori desiderati; 
• Isolamento elettrico: consiste nell'impedire il passaggio della corrente 
elettrica ed è una importante proprietà posseduta da quasi tutte le materie 
plastiche;