Plastiche sintetiche

Le materie plastiche sintetiche sono materiali fatti di molecole lunghissime che i chimici costruiscono a partire da molecole piccole; si possono modellare quando sono molli e poi mantengono la forma. Alcune si ammorbidiscono di nuovo ogni volta che vengono scaldate, altre induriscono per sempre nello stampo. La prima plastica interamente sintetica fu la bachelite, che Leo Baekeland ottenne da fenolo e formaldeide nel 1907. Oggi si producono più di 400 milioni di tonnellate di plastica all’anno, soprattutto da petrolio e gas naturale.

Che cos’è

Una plastica è un materiale fatto di polimeri, molecole formate da lunghe catene di piccole unità, spesso la stessa ripetuta moltissime volte, a volte diverse tra loro. La lunghezza di queste catene e il modo in cui si dispongono permettono di dare forma alla plastica quando è molle e di farle mantenere la forma una volta indurita. Anche la natura produce polimeri: la cellulosa del legno e del cotone, le proteine del corno, la resina della gommalacca e il lattice dell’albero della gomma.

Le plastiche escono dall’impianto chimico in granuli o in polvere, pronte per essere fuse e stampate.

Le plastiche si dividono in tre gruppi. Quelle naturali si usano più o meno come si trovano, come il corno o la gommalacca. Quelle semisintetiche sono polimeri naturali modificati dalla chimica, come la celluloide, ricavata dalla cellulosa, o la gomma vulcanizzata. In quelle interamente sintetiche il polimero stesso si ottiene per sintesi chimica da piccole molecole, invece di derivare da un polimero naturale, anche quando vi si aggiungono cariche come la farina di legno. La bachelite fu la prima; seguirono il polietilene, il PVC, il polistirene e il nylon.

Ogni anno si producono più di 400 milioni di tonnellate di plastica, per la maggior parte da combustibili fossili, soprattutto petrolio e gas naturale. La leggerezza e il basso costo hanno come rovescio il problema dei rifiuti: gli studi dell’OCSE e del gruppo di Roland Geyer concordano nel dire che si ricicla solo una piccola parte dei rifiuti plastici. Il resto finisce per lo più in discarica, bruciato o disperso nell’ambiente.

Come funziona

Le plastiche si dividono in due famiglie secondo il comportamento delle loro catene al calore. In un termoplastico le catene sono tenute insieme solo da forze deboli. Il calore le allenta, il materiale si ammorbidisce e scorre, poi torna a indurire raffreddandosi; si può rifondere e rimodellare molte volte. Il polietilene, il PVC, il nylon e la maggior parte degli imballaggi sono termoplastici. In un termoindurente le catene si legano tra loro con legami chimici in un’unica rete mentre il pezzo viene stampato. Da quel momento il materiale non può più fondere: scaldato, si carbonizza. La bachelite e la melammina sono termoindurenti.

Le due famiglie si lavorano in modo diverso. I termoplastici vengono fusi e iniettati in uno stampo freddo, spinti attraverso una filiera per ottenere barre, tubi e pellicole per estrusione, oppure soffiati in corpi cavi come le bottiglie. I termoindurenti si stampano una volta sola. Nello stampaggio a compressione, il metodo abituale per la bachelite, una carica dosata di polvere da stampaggio si mette in uno stampo d’acciaio in due parti tenuto tra piastre riscaldate. Il pistone di una pressa chiude lo stampo, il calore e la pressione ammorbidiscono la polvere che riempie la cavità, e lo stesso calore completa la reazione che la fa indurire.

La polvere da stampaggio della bachelite era la resina mescolata con una carica, di solito farina di legno, che permetteva di stamparla più in fretta. Gli stampatori la pressavano in presse idrauliche per fare involucri di radio e telefoni, spine, prese e interruttori, manici di pentola, posacenere e scatole: oggetti che dovevano resistere al calore e tenere la corrente nei fili.

Come si fa

In acqua calda i granuli di policaprolattone diventano trasparenti e si possono modellare a mano in un gancio.

Un termoplastico che si ammorbidisce in acqua calda mostra che cosa rende le plastiche così facili da modellare. Il policaprolattone, un poliestere sintetico ottenuto all’inizio degli anni Trenta del Novecento dal gruppo di Wallace Carothers alla DuPont, fonde verso i 60 °C e si vende in granuli per il modellismo e le piccole riparazioni, spesso con nomi come polymorph. Portate l’acqua a ebollizione, versatela in una ciotola resistente al calore e lasciatela raffreddare qualche minuto fino a circa 60 °C. Versate un cucchiaio di granuli e aspettate che siano diventati tutti da bianchi trasparenti e si siano incollati in un’unica pallina.

Tirate fuori la pallina con un cucchiaio o una pinza e aspettate che si possa toccare. Impastatela e modellatela: fatene un cilindretto, avvolgetene un’estremità attorno a una matita per ottenere un gancio, oppure premetela attorno all’estremità di una maniglia di cassetto allentata. Raffreddandosi torna bianca e indurisce; un bagno in acqua fredda accelera la presa. Se la forma non va, rimettete il pezzo nell’acqua calda e ricominciate. Un termoindurente non si lascerebbe rilavorare così.

L’acqua appena bollita scotta, e l’interno della pallina resta caldo quando la superficie sembra già tiepida. Maneggiate i granuli con un cucchiaio o una pinza, provate la pallina sul dorso della mano prima di impastarla e tenete la ciotola fuori dalla portata dei bambini piccoli.

Storia ed evoluzione

Si modellavano plastiche naturali molto prima che la chimica ne creasse di nuove. Il corno e la tartaruga venivano ammorbiditi con il calore e pressati, e nell’Ottocento si stampavano la gommalacca, la guttaperca e la gomma vulcanizzata.

Le prime plastiche prodotte in fabbrica furono semisintetiche. Nel 1862 Alexander Parkes presentò la parkesina, a base di nitrato di cellulosa, all’Esposizione internazionale di Londra, ma la società che fondò nel 1866 per produrla fallì. Nel 1869, negli Stati Uniti, John Wesley Hyatt ammorbidì il nitrato di cellulosa con la canfora e ottenne la celluloide, che imitava l’avorio, il corno e la tartaruga. Hyatt e suo fratello cominciarono a fabbricarla ad Albany nel 1870.

Un telefono degli anni Trenta, uno degli oggetti di bachelite stampata.

Leo Baekeland, un chimico belga che lavorava a New York, cercava un sostituto della gommalacca, una resina naturale usata come isolante elettrico. Nel 1907 trovò il modo di regolare il calore e la pressione applicati a una resina di fenolo e formaldeide, che allora si ricavavano dalla distillazione del catrame di carbon fossile e dallo spirito di legno. Mescolato con cariche, il prodotto dava una plastica dura, stampabile, che non fondeva più. La bachelite fu la prima plastica interamente sintetica. Baekeland depositò il brevetto nel 1907 e lo ottenne nel 1909. Il materiale trovò i primi grandi mercati negli apparecchi elettrici, nella radio e nell’automobile.

In seguito i chimici capirono che cosa fossero i polimeri. Hermann Staudinger sostenne che si trattava di molecole giganti, le macromolecole, e per questo lavoro ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1953. Le aziende chimiche cominciarono a progettare nuove plastiche, e nel 1935 Wallace Carothers inventò alla DuPont il nylon, un sostituto sintetico della seta. La produzione di plastica crebbe rapidamente dopo la Seconda guerra mondiale.