Cos'è un copolimero: comprendere le basi della chimica dei polimeri

Comprendere i fondamenti della chimica dei copolimeri è fondamentale per chiunque sia interessato alla scienza dei polimeri, all'ingegneria dei materiali o ai campi correlati. Questo articolo approfondirà la definizione, la classificazione, la sintesi, le proprietà e le applicazioni dei copolimeri, fornendo una panoramica completa di queste affascinanti macromolecole che hanno rivoluzionato la moderna scienza dei materiali.

Cosa sono i copolimeri?

Un copolimero è a tipo di polimero composto da due o più tipi diversi di monomeri, che sono gli elementi costitutivi di base dei polimeri. Questi monomeri sono legati chimicamente per formare lunghe catene durante il processo di polimerizzazione.

I copolimeri presentano una combinazione di due o più monomeri che possono essere disposti in vari modelli. Questi modelli includono strutture alternate, casuali, a blocchi e ad innesto, ognuna delle quali conferisce caratteristiche distinte proprietà chimiche e caratteristiche del materiale.

Come vengono prodotti i copolimeri?

I copolimeri vengono sintetizzati polimerizzando insieme due o più monomeri diversi utilizzando tecniche come polimerizzazione per addizione (radicale libero, anionica) O polimerizzazione per condensazione.

La scelta dei monomeri, il loro rapporto, il metodo di polimerizzazione e la lavorazione determinano la struttura e le proprietà finali del copolimero.

1. Polimerizzazione per addizione – i monomeri con gruppi reattivi (spesso doppi legami di carbonio) sono collegati insieme in una catena. Ciò include la polimerizzazione a radicali liberi e anionica. Gli iniziatori vengono utilizzati per avviare e controllare la reazione.
2. Polimerizzazione per condensazionen – monomeri con gruppi funzionali (spesso gruppi esterei o ammidici) reagiscono per formare un polimero, generalmente con l'eliminazione di una molecola di acqua o metanolo. I catalizzatori vengono impiegati per controllare la reazione.

Cos'è unPolimerizzazione ionica e polimerizzazione radicalica?

• Polimerizzazione anionica:

La polimerizzazione anionica è una polimerizzazione a crescita di catena ionica avviata da reagenti nucleofili come organoliti, reagenti di Grignard e alcossidi metallici.

Implica la polimerizzazione di monomeri vinilici che possiedono gruppi elettron-attrattori come metil metacrilato, acrilonitrile, 2-vinilpiridina, nonché monomeri coniugati come stirene e 1,3-butadiene.
La polimerizzazione procede con la crescita dell'estremità della catena che trasporta una carica negativa e un controcatione.

La polimerizzazione anionica può essere “viva” se non sono presenti fasi di terminazione o trasferimento di catena, consentendo il controllo sul peso molecolare e consentendo la sintesi di copolimeri a blocchi.

• Polimerizzazione radicale: 

La polimerizzazione radicalica, o più specificamente la polimerizzazione radicalica, forma polimeri da monomeri vinilici attraverso reazioni radicaliche che coinvolgono intermedi radicali liberi.

Viene avviato dai radicali liberi generati da iniziatori radicalici e procede attraverso fasi di propagazione in cui i radicali reagiscono con i monomeri per far crescere la catena polimerica.

I monomeri che subiscono facilmente la polimerizzazione radicalica includono stireni, (met)acrilati, (met)acrilammidi e acrilonitrile che possono stabilizzare i radicali che si propagano.

La polimerizzazione radicalica convenzionale ha poco controllo sul peso molecolare e sulla dispersione. I metodi di polimerizzazione radicalica controllata/vivente come ATRP forniscono un controllo migliore.

Quali sono i diversi tipi di copolimero

Due tipi principali di copolimeri sono copolimeri lineari E copolimeri ramificati.

Copolimeri lineari sono costituiti da un'unica catena principale con le diverse unità monomeriche disposte lungo quella catena. Sono ulteriormente classificati in:

1. Copolimeri alternati – copolimeri alternati significano che le due unità monomeriche si alternano in uno schema regolare, ad esempio (-ABAB-)n
2. Copolimeri statistici: i copolimeri statistici (noti anche come copolimeri casuali) sono un tipo di copolimero lineare. Le unità monomeriche sono distribuite in modo casuale lungo la catena, seguendo regole statistiche
3. Copolimeri a blocchi - composti da blocchi di ciascun tipo di monomero legati insieme covalentemente, ad esempio -AAABBB-
4. Copolimeri gradiente: la composizione cambia gradualmente lungo la catena
5. Copolimeri periodici – le unità monomeriche sono disposte in una sequenza ripetitiva, ad esempio (ABABBAAAABBB)n

Copolimeri ramificati hanno una catena principale a cui sono attaccate una o più catene laterali polimeriche. Le due tipologie principali sono:

1. Copolimeri ad innesto: le catene laterali sono strutturalmente distinte dalla catena principale
2. Copolimeri a forma di stella: più catene polimeriche si irradiano da un nucleo centrale
3. Copolimeri a spazzola - con un'alta densità di catene laterali polimeriche attaccate a una struttura lineare, che porta a una struttura a spazzola cilindrica o a forma di verme
4. Copolimeri a pettine: costituiti da una struttura lineare con una densità inferiore di catene laterali polimeriche, che risulta in un pettine più flessibile

Quali sono i vantaggi dei copolimeri?

I copolimeri offrono un'ampia gamma di vantaggi rispetto agli omopolimeri, tra cui proprietà modificabili, proprietà meccaniche e chimiche migliorate, rapporto costo-efficacia e maggiore compatibilità.

Vantaggio	Descrizione
Proprietà sintonizzabili	Le proprietà possono essere personalizzate regolando le proporzioni e la disposizione dei monomeri
Migliore resistenza meccanica e resistenza chimica	Presenta proprietà non ottenibili con gli omopolimeri
Efficacia dei costi	Può sostituire metalli o materiali più complessi
Compatibilità migliorata	Migliorare la compatibilità tra materiali altrimenti incompatibili
Materiali nuovi	La copolimerizzazione può dare come risultato materiali unici
Buone proprietà fisiche	Flessibilità, elasticità e rigidità possono essere regolate
Elaborazione più semplice	Temperatura di lavorazione più bassa e finestra di lavorazione più ampia
Migliori prestazioni a lungo termine	Stabilità termica superiore, resistenza all'ossidazione e resistenza al creep

Quali sono gli svantaggi dei copolimeri?

I copolimeri presentano anche alcuni inconvenienti legati alla complessità della produzione, proprietà meno prevedibili, costi più elevati, potenziale degradazione e proprietà meccaniche più deboli.

Svantaggio	Descrizione
Produzione complessa	La copolimerizzazione è più complessa a causa della gestione di più materiali con diversi tassi di reattività.
Proprietà meno prevedibili	Il raggiungimento di proprietà specifiche nei copolimeri può essere meno prevedibile
Costi più elevati	L'utilizzo di più monomeri e l'ulteriore complessità del processo aumentano i costi di produzione.
Problemi di compatibilità	Alcuni monomeri sono incompatibili, impedendo o complicando la formazione di alcuni copolimeri.
Proprietà meccaniche più deboli	–
Resistenza alla temperatura inferiore	–

Quali sono gli esempi di copolimeri nell'industria

Copolimeri a base di stirene:

• Acrilonitrile Butadiene Stirene (ABS): Utilizzato principalmente nell'industria automobilistica ed elettronica, l'ABS è apprezzato per la sua tenacità e le sue proprietà di resistenza agli urti.
• Stirene-Isoprene-Stirene (SIS): Questo copolimero si trova spesso negli adesivi e nei sigillanti e offre una buona elasticità e resistenza.

Copolimeri a base di etilene:

• Acetato di etilene-vinile (EVA): Conosciuto per la sua morbidezza e flessibilità simili alla gomma, l'EVA è ampiamente utilizzato nell'imballaggio alimentare e come pellicola per la laminazione di pavimenti.
• Polietilene Tetrafluoroetilene (ETFE): L'ETFE è scelto per il suo alto punto di fusione e le eccellenti proprietà elettriche, che lo rendono adatto per rivestimenti di fili e come sostituto leggero del vetro.

Domande frequenti

I copolimeri sono uguali ai polimeri?

No, tutti i copolimeri sono polimeri, ma non tutti i polimeri sono copolimeri. I copolimeri sono una sottoclasse di polimeri caratterizzata dall'avere due o più diverse unità monomeriche ripetitive, che conferiscono loro strutture e proprietà diverse rispetto agli omopolimeri costituiti da un solo tipo di monomero. 

Qual è la differenza tra omopolimero e copolimero？

Gli omopolimeri contengono un singolo tipo di monomero che si ripete in una catena semplice, mentre i copolimeri hanno due o più monomeri diversi disposti in una struttura più complessa. Ciò porta a differenze nella loro sintesi, proprietà e applicazioni finali

I copolimeri sono sicuri per la pelle?

Il copolimero di acrilati di sodio e i relativi copolimeri di acrilati sono stati studiati e considerati sicuri per uso cosmetico “quando formulati per evitare irritazioni”.

L'acido acrilico può essere gravemente irritante e corrosivo per la pelle, gli occhi e il tratto respiratorio in caso di esposizioni elevate.

L'acido metacrilico è limitato nei cosmetici canadesi e classificato come potenzialmente tossico o dannoso.

Per quali applicazioni vengono comunemente utilizzati i copolimeri?

I copolimeri sono utilizzati in un'ampia gamma di prodotti, tra cui componenti automobilistici, contenitori in plastica e dispositivi medici grazie alle loro proprietà meccaniche e chimiche personalizzabili.

In che modo i copolimeri casuali differiscono dalle altre strutture di copolimeri?

I copolimeri casuali contengono una miscela di unità monomeriche disposte senza un ordine particolare lungo la catena, risultando in polimeri con un equilibrio di proprietà dei monomeri costituenti, come migliore resistenza agli urti o flessibilità.

In che modo la composizione di un copolimero influenza le sue proprietà?

Il rapporto e la disposizione dei monomeri all'interno di un copolimero influenzano direttamente le sue proprietà termiche, meccaniche e chimiche, il che significa che il materiale può essere progettato per funzioni specifiche, come maggiore elasticità o resistenza ai solventi.