Il polietilene (in sigla PE), è il più semplice dei polimeri sintetici ed è la più comune fra le materie plastiche.
Ha formula chimica (-C2H4-)n dove il grado di polimerizzazione n può arrivare ad alcuni milioni. Le catene sono di lunghezza variabile e più o meno ramificate.
Il polietilene è una resina termoplastica, si presenta come un solido trasparente (se amorfo) o bianco (se cristallino) con ottime proprietà isolanti e stabilità chimica.
È una delle materie plastiche più versatili ed economiche. Gli usi più comuni sono come isolante per cavi elettrici, film per l'agricoltura, borse e buste di plastica, contenitori di vario tipo, tubazioni, strato interno di contenitori asettici per liquidi alimentari e molti altri.
Storia
Il polietilene è stato sintetizzato per la prima volta accidentalmente dal chimico tedesco Hans von Pechmann nel 1898, mentre riscaldava del diazometano. I suoi colleghi Eugen Bamberger e Friedrich Tschirner analizzarono la sostanza bianca simile a cera sulle pareti del contenitore, scoprirono che conteneva delle lunghe catene di -CH2-, e decisero di chiamarla polimetilene.
La prima sintesi industriale fu ottenuta (ancora accidentalmente) da Eric Fawcett e Reginald Gibson alla ICI Chemicals nel 1933. Il polietilene si era formato applicando una pressione di diverse centinaia di atmosfere su un contenitore contenente etilene e benzaldeide; anche stavolta notarono un materiale simile a cera sulle pareti del contenitore. La reazione era stata tuttavia innescata da tracce di ossigeno contenute nel contenitore e non fu possibile replicarla con successo fino al 1935, quando un altro chimico ICI, Michael Perrin, sviluppò una sintesi industriale riproducibile per la sintesi del polietilene a bassa densità (LDPE).[1] La prima tonnellata di materiale dimostrò che questo aveva qualità impareggiabili come isolante elettrico, e nell'agosto del 1939 ebbe inizio la produzione industriale, che fu interamente assorbita dalle necessità belliche (in particolare nelle tecniche collegate al radar).[2] Finita la guerra il polietilene rischiò di scomparire dai prodotti della ICI, ma i risultati delle ricerche su possibili nuove applicazioni dimostrarono che era assai più versatile di quanto si fosse pensato.
Il successivo traguardo nella sintesi del polietilene è stato lo sviluppo di numerosi catalizzatori che ne hanno permesso la sintesi a temperature e pressioni più blande. Il primo di questi era basato sul biossido di cromo, fu scoperto nel 1951 da Robert Banks e John Paul Hogan alla Phillips Petroleum. Nel 1953, il chimico tedesco Karl Ziegler sviluppò un sistema catalitico basato su alogenuri di titanio e composti organici dell'alluminio che lavoravano a condizioni ancora più basse dei catalizzatori Phillips.[2] Questi ultimi, tuttavia, erano meno costosi e più facilmente maneggiabili; entrambi i sistemi vennero quindi usati nella sintesi industriale per la produzione di HDPE.
La catalisi di tipo Phillips ebbe inizialmente problemi nella sintesi di HDPE di qualità uniforme, e gli impianti che la utilizzavano riempirono i loro magazzini di prodotto che non rispettava le specifiche. Il collasso finanziario fu evitato nel 1957, quando prese piede negli Stati Uniti un anello di polietilene colorato, l'hula hoop.[2]
Un terzo sistema catalitico, basato sui metalloceni, fu scoperto nel 1976 in Germania da Walter Kaminsky e Hansjörg Sinn. Le catalisi a metalloceni e quella Ziegler hanno entrambe dimostrato un'ottima flessibilità nella sintesi di miscele di etene e alfa-olefine gettando le basi della attuale vasta gamma di polietilene. Alcune di queste resine, come la fibra Dyneema, hanno cominciato a rimpiazzare materiali quali il kevlar laddove sono richieste eccellenti proprietà meccaniche di resistenza a trazione.
Classificazione del polietilene
Granuli di LLDPE. Questi granuli sono prodotti durante il processo di polimerizzazione e vengono successivamente lavorati per ottenere il prodotto finito.
In base alla distribuzione dei pesi molecolari e al grado di ramificazione si ottengono tipi di polietilene con proprietà e usi differenti:
Polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE): è un polietilene con peso molecolare medio compreso tra 3×106 e 6×106u (secondo lo standard ASTM D4020).[3] Ne risulta un materiale con catene ben impaccate nella struttura cristallina e molto resistente. Questo tipo di polietilene viene sintetizzato attraverso la polimerizzazione per coordinazione con metalloceni. Le particolari proprietà meccaniche lo rendono adatto, a differenza degli altri tipi più comuni di polietilene, a impieghi particolari, come ad esempio protesi e giubbotti antiproiettile.
Polietilene a media densità (MDPE): è caratterizzato da percentuali inferiori di catene ramificate rispetto al polietilene a bassa densità (LDPE).
Polietilene lineare a bassa densità (LLDPE): è sostanzialmente polietilene lineare dotato di un numero significativo di ramificazioni corte; viene normalmente ottenuto per polimerizzazione di una miscela di etene e α-olefine (butene, esene, ottene) con catalisi di tipo Ziegler-Natta.
Polietilene espanso: è un polietilene che tramite un processo fisico-chimico viene reso poroso, leggero e morbido.
Polietilene reticolato (PE-X): polietilene prodotto in modo da creare catene molecolari collegate in una rete tridimensionale, e conferire maggiore resistenza in un intervallo di temperature e pressioni più ampio ai tubi costituiti da questo materiale.[5]
Sintesi
Il polietilene si sintetizza a partire dall'etilene secondo la reazione:La molecola dell'etilene è caratterizzata dal doppio legame fra gli atomi di carbonio che la rende particolarmente stabile; per tale motivo la reazione di polimerizzazione necessita di condizioni di reazione particolari.
formula di struttura dell'etilene
Per la produzione industriale le possibilità sono:
Polimerizzazione radicalica (o procedimento ad alta pressione): alte temperature (circa 80-300 °C), alte pressioni (circa 1.000-3.000 bar) e presenza di iniziatori radicalici (come ad esempio ossigeno o perossidi).[6] Questo processo viene sfruttato per produrre polietilene a bassa e media densità.[6]
Polimerizzazione con catalizzatori metallocenici, di prima e di seconda generazione con processo in fase gas, e soluzione.
Schema di processo
Schema di un impianto per la produzione di polietilene lineare a bassa densità (LDPE) o polietilene a elevata densità (HDPE). In questo caso si utilizza un reattore a letto fluidizzato.
Uno degli usi classici del polietilene è la fabbricazione, mediante estrusione e successive lavorazioni, dei sacchetti comunemente detti "di plastica",
Viene inoltre impiegato per la creazione del "film estensibile" e del "film a bolle d'aria" (o pluriball).
reti di recinzione, reti anti-grandine, reti per agricoltura, pesca e sicurezza sul lavoro
inserti per protesi del ginocchio.
Busta in polietilene
Flacone in polietilene
Barriera provvisoria componibile "New-Jersey" in polietilene
Elemento di imballaggio in polietilene
Pallone sonda in polietilene
Tubi in polietilene
Note
^ Devis Bellucci, Materiali per la vita: le incredibili storie dei biomateriali che riparano il nostro corpo, Torino, Bollati Boringhieri, 2002, p. 90, ISBN978-88-339-3778-6.
![{\displaystyle {\ce {n (CH2=CH2)-> [-CH2-CH2-]_n}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96c3452d097b24bc6bcdf567eb1a0686d2cfd44d)
