Sintesi di una schiuma poliuretanica (poliuretano espanso)
Sintesi di una schiuma poliuretanica (poliuretano espanso)
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<strong>Sintesi</strong> <strong>di</strong> <strong>una</strong> <strong>schiuma</strong> <strong>poliuretanica</strong> (<strong>poliuretano</strong> <strong>espanso</strong>)<br />
Generalità sui poliuretani espansi<br />
Sono materiali molto versatili (li troviamo un po’ ovunque) e leggeri, poiché costituiti in buona<br />
parte <strong>di</strong> aria. Si possono sud<strong>di</strong>videre in due categorie<br />
1) Poliuretani espansi morbi<strong>di</strong> (gomma piuma): sono utilizzati soprattutto per produrre<br />
materassi e imbottiture.<br />
2) Poliuretani espansi rigi<strong>di</strong>: sono largamente utilizzati per produrre lastre <strong>di</strong> materiale<br />
termoisolante utili ad es. per scambiatori <strong>di</strong> calore, boilers, frigoriferi.<br />
I poliuretani espansi si ottengono facendo reagire due ‘ingre<strong>di</strong>enti’, entrambi liqui<strong>di</strong>: un <strong>di</strong>olo<br />
(a cui è stata aggiunta <strong>una</strong> piccola quantità <strong>di</strong> acqua) e un <strong>di</strong>isocianato.<br />
Diolo e <strong>di</strong>isocianato, incontrandosi, reagiscono tra <strong>di</strong> loro e producono il polimero sintetico che<br />
ha nome ‘<strong>poliuretano</strong>’.<br />
Contemporaneamente anche la poca acqua e il <strong>di</strong>isocianato reagiscono tra loro, dando un<br />
prodotto instabile che imme<strong>di</strong>atamente si decompone, producendo anidride carbonica,<br />
responsabile della <strong>schiuma</strong>. Da cui il nome <strong>espanso</strong>.<br />
Sezione <strong>di</strong> un <strong>poliuretano</strong><br />
<strong>espanso</strong> vista al microscopio
<strong>Sintesi</strong> <strong>di</strong> <strong>una</strong> <strong>schiuma</strong> <strong>poliuretanica</strong> (<strong>poliuretano</strong> <strong>espanso</strong>)<br />
Procedura<br />
1. Utilizzare il cilindro e un pennarello per tarare con acqua due bicchieri <strong>di</strong> plastica:<br />
- il primo bicchiere, per il <strong>di</strong>isocianato, dovrà essere tarato per un volume <strong>di</strong> 25 ml<br />
- il secondo bicchiere, per il <strong>di</strong>olo, dovrà essere tarato per un volume <strong>di</strong> 20 ml<br />
2. Asciugare bene i due bicchieri<br />
3. Versare <strong>di</strong>olo e <strong>di</strong>isocianato nei rispettivi bicchieri tarati, fino al livello segnato con il<br />
pennarello.<br />
4. Versare il <strong>di</strong>olo nel bicchiere contenente <strong>di</strong>isocianato e mescolare vigorosamente fino alla<br />
formazione della prima <strong>schiuma</strong>.<br />
5. Interrompere il mescolamento e riporre il bicchiere sul piatto <strong>di</strong> plastica<br />
6. Attendere finchè la <strong>schiuma</strong> ha terminato <strong>di</strong> crescere e comincia a indurire.
<strong>Sintesi</strong> <strong>di</strong> <strong>una</strong> <strong>schiuma</strong> <strong>poliuretanica</strong><br />
3. Meccanismo <strong>di</strong> formazione <strong>di</strong> poliuretani e schiume<br />
Con il termine <strong>poliuretano</strong> si in<strong>di</strong>ca <strong>una</strong> vasta famiglia <strong>di</strong> polimeri termoindurenti in cui la catena<br />
polimerica è costituita <strong>di</strong> legami uretanici -NH-(CO)-O-. I poliuretani sono fondamentalmente ottenuti<br />
per reazione <strong>di</strong> un <strong>di</strong>isocianato (aromatico o alifatico) e <strong>di</strong> un <strong>di</strong>olo, spesso in presenza <strong>di</strong> un<br />
catalizzatore.<br />
OCN R NCO + HO R' OH OCN R NCO R'<br />
<strong>di</strong>isocianato <strong>di</strong>olo<br />
Se la reazione <strong>di</strong> formazione avviene in presenza <strong>di</strong> acqua, è possibile ottenere un <strong>poliuretano</strong> <strong>espanso</strong><br />
grazie alla formazione <strong>di</strong> CO 2 , come nell’esempio seguente:<br />
O<br />
H<br />
H<br />
O<br />
<strong>poliuretano</strong><br />
OCN R NCO + H2O OCN R NH COOH<br />
acido carbammico<br />
(instabile)<br />
OCN R NH COOH<br />
R NH2 CO2 OCN +<br />
n
<strong>Sintesi</strong> del nylon 6,6<br />
1. Procedura<br />
Preparazione della soluzione acquosa<br />
1. Misurare 25 ml <strong>di</strong> acqua con il cilindro graduato e versarli in un beaker.<br />
2. Aggiungere 3,1 ml <strong>di</strong> NaOH 1M (idrossido <strong>di</strong> so<strong>di</strong>o).<br />
3. Aggiungere 0.9 ml <strong>di</strong> EMDA (esametilen<strong>di</strong>ammina) in soluzione acquosa. Coprire con carta stagnola.<br />
Preparazione della fase organica<br />
4. Mettere in <strong>una</strong> beuta 25 ml <strong>di</strong> cicloesano misurandolo con il cilindro.<br />
5. Aggiungere con la pipetta 0,5 ml <strong>di</strong> cloruro <strong>di</strong> a<strong>di</strong>poile. Coprire con carta stagnola.<br />
Formazione del polimero<br />
cloruro <strong>di</strong> a<strong>di</strong>poile<br />
in cicloesano<br />
Film <strong>di</strong> nylon<br />
esametilen<strong>di</strong>ammina<br />
in acqua e soda<br />
6. Versare molto lentamente il contenuto della beuta (soluzione organica) nel beaker con la soluzione<br />
acquosa e osservare la formazione del polimero ( nylon 6,6) all'interfaccia.<br />
7. Con il fil <strong>di</strong> ferro prendere <strong>una</strong> fettuccia del nylon e avvolgerla sul rocchetto <strong>di</strong> plastica.
<strong>Sintesi</strong> del nylon 6,6<br />
2. Schema <strong>di</strong> polimerizzazione (policondensazione interfacciale)<br />
Cl CH2 C<br />
C<br />
O<br />
O<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
C<br />
Cl<br />
+<br />
• Si tratta <strong>di</strong> <strong>una</strong> polimerizzazione interfacciale perché i monomeri sono sciolti in due solventi immiscibili<br />
tra <strong>di</strong> loro e la reazione avviene all’interfaccia<br />
• La reazione è definita policondensazione perché i monomeri reagiscono con eliminazione <strong>di</strong> <strong>una</strong> molecola<br />
piccola (HCl).<br />
• La soluzione so<strong>di</strong>ca serve a neutralizzare l’acido che si forma dalla policondensazione<br />
H 2N<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
cloruro <strong>di</strong> a<strong>di</strong>poile esametilen<strong>di</strong>ammina<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
C<br />
NH<br />
CH 2<br />
nylon 6,6<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
NH +<br />
NH 2<br />
HCl
Polimeri super-assorbenti<br />
Alcuni polimeri sono in grado <strong>di</strong> assorbire gran<strong>di</strong> quantità <strong>di</strong> liqui<strong>di</strong> e, per questa proprietà, trovano<br />
utile applicazione sia nell’industria che nella nostra vita quoti<strong>di</strong>ana: essi sono chiamati polimeri<br />
super-assorbenti e, se il liquido assorbito è l’acqua, il materiale rigonfiato prende il nome <strong>di</strong><br />
idrogelo. L’acqua assorbita negli idrogeli conferisce loro la tipica trasparenza e morbidezza. Tra le<br />
più note applicazioni dei polimeri super-assorbenti si possono citare i pannolini, il gel per capelli, i<br />
cristalli d’acqua per le piante, le lenti a contatto e alcuni tipi <strong>di</strong> protesi. La proprietà <strong>di</strong> alcunii<br />
polimeri <strong>di</strong> assorbire gran<strong>di</strong> quantità <strong>di</strong> acqua è dovuta alla loro affinità chimica con tale liquido e<br />
alla loro struttura microscopica.<br />
Polimero reticolato<br />
Polimero non reticolato<br />
Generalità<br />
Le catene <strong>di</strong> un polimero super-assorbente non sono libere: esse<br />
sono <strong>di</strong>sposte in <strong>una</strong> sorta <strong>di</strong> rete tri<strong>di</strong>mensionale grazie a<br />
vincoli stabilitisi tra le catene. Questa particolare struttura è<br />
detta reticolata. Quando l’acqua incontra il reticolo Quando le<br />
molecole d’acqua incontrano <strong>una</strong> struttura <strong>di</strong> questo tipo e vi è<br />
affinità chimica, le catene non riescono a separarsi e<br />
allontanarsi, ma consentono al liquido <strong>di</strong> penetrare anche in<br />
grande quantità, rimanendo intrappolato: ciò causa il<br />
rigonfiamento del reticolo tri<strong>di</strong>mensionale.<br />
In assenza <strong>di</strong> vincoli tra le catene (polimero non reticolato) la<br />
buona affinità con l’acqua produce <strong>una</strong> soluzione, ovvero un<br />
liquido composto da catene polimeriche, ciasc<strong>una</strong><br />
completamente circondata da molecole d’acqua.
Polimeri super-assorbenti<br />
Si tratta <strong>di</strong> polimeri <strong>di</strong> aci<strong>di</strong> carbossilici, reticolati, che in acqua ionizzano lasciando cariche<br />
negative lungo tutta la catena. Questo comportamento ha due conseguenze:<br />
- le cariche negative si respingono l’un l’altra costringendo il polimero a espandersi<br />
- le molecole d’acqua, polari, sono attratte dalle cariche negative.<br />
Tali fattori aumentano la viscosità e il volume della miscela acqua+polimero man mano che il polimero<br />
trattiene il flusso <strong>di</strong> acqua intorno a sé.<br />
H 2C<br />
HC<br />
O<br />
C<br />
H<br />
n<br />
O<br />
I pannolini per neonati<br />
+ H 2O<br />
Il polimero è in equilibrio con l’acqua attorno a sé, ma tale equilibrio può essere <strong>di</strong>sturbato in vari<br />
mo<strong>di</strong>. Se la concentrazione ionica della soluzione viene aumentata, per esempio aggiungendo cloruro<br />
<strong>di</strong> so<strong>di</strong>o, i nuovi ioni positivi si legano alle cariche negative del polimero neutralizzandone la carica.<br />
Ciò provoca il collasso del gel e la contrazione del polimero alle <strong>di</strong>mensioni originali.<br />
H 2C<br />
H 2O<br />
H 2O<br />
HC<br />
H 2O<br />
O<br />
C<br />
n<br />
O<br />
H 2O<br />
H 2O<br />
+ H 3O