La catena più semplice fra i polimeri industriali
Il polietilene è il polimero dell’etilene: la sua catena è la ripetizione dell’unità -CH2-CH2- e nient’altro. Questa è insieme la struttura più semplice fra i polimeri di uso industriale e la più prodotta al mondo. La sigla è PE.
Detto così sembrerebbe un materiale unico, e non lo è. Sotto quel nome stanno un film che si lacera fra due dita e una tavola spinale che regge il peso di un adulto. La differenza non sta nella formula, che è la stessa, ma nella forma della catena: quanto è lunga e quanto porta rami laterali.
Ramificazioni e cristallinità: da dove viene la densità
Una catena lineare può affiancarsi alle vicine e impacchettarsi in zone ordinate, i cristalliti, dove le molecole stanno strette e il materiale è denso e rigido. Una catena piena di rami laterali non ci riesce: i rami tengono le catene distanti e lasciano molto materiale amorfo, cioè disordinato. Da qui la densità, che nel polietilene non è un dato accessorio ma il criterio con cui il materiale viene classificato.
Le ramificazioni non si scelgono a valle, nascono dal processo. La polimerizzazione radicalica ad alta pressione, condotta a centinaia di bar con iniziatori radicalici, produce catene molto ramificate. La polimerizzazione di coordinazione a bassa pressione, con catalizzatori Ziegler-Natta o al cromo, produce catene lineari. Sono due impianti diversi che dallo stesso gas ricavano due plastiche che si comportano in modo opposto.
Polietilene a bassa e ad alta densità
Le due grandi famiglie sono l’LDPE, a bassa densità, e l’HDPE, ad alta densità, e la soglia convenzionale corre attorno a 0,94 g/cm³. È una scala strettissima in valore assoluto e larghissima negli effetti: uno scarto di poche unità sulla seconda cifra decimale separa un sacchetto morbido e trasparente da un ceppo da cucina che si lavora al tornio.
L’LDPE è tenero, si allunga molto prima di rompersi, resta trasparente in film sottile e si salda a caldo con facilità: da qui il suo impiego nei film, nei sacchi e negli strati di accoppiamento. L’HDPE è rigido, opaco, resiste all’abrasione e si stampa in pezzi che devono tenere la forma: taniche, contenitori, tappi, tavole, ceppi.
All’estremo della scala delle catene sta l’UHMWPE, il polietilene ad altissimo peso molecolare, con macromolecole talmente lunghe che allo stato fuso il materiale non scorre più e si lavora per sinterizzazione. È il polietilene delle superfici di scorrimento delle protesi articolari, e per quell’uso esiste una serie normativa dedicata, la ISO 5834, che comprende fra l’altro una parte sulle forme stampate per impianti chirurgici e una sul metodo di misura dell’indice di ossidazione.
Quanto calore regge il polietilene
È il limite che decide più cose di quante ci si aspetti. Il polietilene fonde in una fascia che dipende dal tipo, indicata fra i 115 e i 140 °C, con i tipi lineari e densi nella parte alta; ma il materiale si ammorbidisce e perde forma ben prima di fondere.
Le indicazioni dei produttori di articoli da laboratorio collocano la temperatura massima di impiego dell’HDPE intorno ai 120 °C, e su quel numero si gioca una differenza pratica netta. Un ciclo a vapore standard lavora a 121 °C, cioè appena sopra, e per questo l’HDPE viene dichiarato non autoclavabile, mentre altre plastiche da laboratorio reggono decine di cicli. Ne discende una regola che si legge in tutto il monouso sanitario: pipette, contenitori per la raccolta, tappi, teli e film in polietilene sono articoli che si usano una volta e si buttano, non articoli che tornano dall’autoclave.
Film, taniche e tavole spinali in polietilene
Nel monouso sanitario e alberghiero il polietilene compare quasi sempre in due forme. La prima è il film accoppiato alla carta, il cosiddetto politenato: un velo di polietilene viene steso fuso sopra il foglio di cellulosa e vi aderisce raffreddandosi. Ne esce un materiale a due facce, una che assorbe e una che non lascia passare i liquidi, ed è la costruzione dei lenzuolini a rotolo, dei bavagli, delle salviette.
La seconda forma è il pezzo stampato o estruso: taniche per la raccolta, contenitori, pipette monouso, tappi per provette, ceppi e taglieri. Qui la ragione della scelta è la somma di tre proprietà poco appariscenti, cioè che il polietilene non si corrode, non assorbe acqua e si lavora con facilità.
C’è infine un impiego che dipende da una proprietà meno ovvia. Le tavole spinali di soccorso si fanno in polietilene ad alta densità anche perché il materiale contiene soltanto elementi di numero atomico basso, e l’assorbimento dei raggi X cresce rapidamente con il numero atomico: la tavola resta traslucida alla radiografia, e l’immagine si può fare senza toglierla da sotto.
Polietilene, polietilene tereftalato e PVC
L’equivoco più costoso è con il polietilene tereftalato, il PET, che porta la parola polietilene dentro il nome e polietilene non è. Il PET è un poliestere: nella sua catena, oltre al segmento etilenico, ci sono il legame estere e l’anello aromatico dell’acido tereftalico, e da lì vengono la rigidità, la trasparenza e un punto di fusione molto più alto.
Il PVC sta lontano per un’altra ragione: la sua catena porta cloro, che nel polietilene non c’è. Il cloro cambia tutto, dalla densità alla rigidità al comportamento in combustione, e obbliga il PVC a portare plastificanti per diventare flessibile, cosa di cui il polietilene non ha bisogno.
La vicina più stretta è il polipropilene, che alla stessa ossatura aggiunge un gruppo metilico ogni due atomi di carbonio. Il regolamento europeo sulle denominazioni tessili le descrive con esattezza da manuale, chiamando polietilenica la fibra formata da macromolecole lineari sature di idrocarburi alifatici non sostituiti, e polipropilenica quella in cui un atomo di carbonio ogni due porta una ramificazione metilica in configurazione isotattica. Un metile ogni due carboni: è tutta lì la distanza fra le due plastiche più diffuse del mondo.
