Una spina dorsale di carbonio con un anello ogni due
Il polistirene è un polimero termoplastico che si ottiene dallo stirene, un idrocarburo aromatico con un doppio legame laterale. La catena finita ha formula (C8H8)n: una spina dorsale di soli atomi di carbonio e, su un carbonio sì e uno no, un anello benzenico che sporge di fianco. La sigla è PS, e sui manufatti destinati alla raccolta il codice identificativo della resina è il 6.
L’anello ingombrante spiega quasi tutto il comportamento del materiale. Nel prodotto industriale gli anelli si dispongono lungo la catena senza un ordine, in modo atattico: le catene non riescono a impacchettarsi in zone cristalline e il solido resta amorfo. Un solido amorfo non ha interfacce interne che diffondano la luce, ed è per questo che una provetta o una vaschetta in polistirene si guarda attraverso come se fosse vetro. Esiste anche una versione sindiotattica, con gli anelli alternati in modo regolare e quindi cristallina, ottenuta con catalizzatori Ziegler-Natta, ma sul mercato pesa poco.
Dallo stirene alla catena
La polimerizzazione è una reazione di addizione, di solito innescata da perossidi che si spezzano in radicali liberi. Il radicale attacca il doppio legame di una molecola di stirene, che si apre e diventa a sua volta un radicale: da lì la catena cresce agganciando un monomero dopo l’altro, finché due estremità reattive non si incontrano e si spengono a vicenda.
Il polimero puro, quello che in fabbrica chiamano cristallo, è rigido e fragile: gli anelli laterali irrigidiscono la catena e il pezzo, urtato, si spacca di netto con bordi taglienti invece di deformarsi. Per correggere questo difetto si disperde nella matrice una fase gommosa, in genere polibutadiene innestato sulla catena, e le particelle di gomma fermano le microfratture prima che attraversino lo spessore. Ne esce il polistirene antiurto, che regge i colpi ma perde la trasparenza, perché la fase dispersa ha un indice di rifrazione diverso dalla matrice e diffonde la luce. In questo materiale trasparenza e tenacità si scambiano l’una con l’altra.
I numeri che descrivono il polistirene
Il polistirene compatto ha una densità intorno a 1,05 g/cm³, quindi affonda in acqua. La transizione vetrosa, la temperatura sopra la quale il polimero smette di essere vetroso e comincia a scorrere, cade attorno ai 100 °C; le schede dei materiali per laboratorio fermano il campo d’impiego molto prima, verso i 70 °C. L’indice di rifrazione sta intorno a 1,6, alto per una plastica, ed è la ragione della lucentezza tipica delle superfici stampate.
Sul piano chimico tiene bene le soluzioni saline, l’ambiente alcalino e gli acidi non ossidanti, mentre verso i solventi organici cede: l’acetone lo scioglie in fretta, gli idrocarburi aromatici e quelli clorurati lo attaccano. Un contenitore in polistirene che si opacizza o si crepa dopo il contatto con un solvente non si è rotto per caso.
Compatto, espanso ed estruso
Lo stesso polimero dà tre materiali diversi a seconda di quanta aria racchiude. Nell’espanso sinterizzato le perle impregnate di pentano vengono gonfiate col vapore e poi saldate fra loro in blocco: la densità scende a poche decine di chilogrammi per metro cubo e il polimero occupa una frazione minima del volume. Nell’estruso la massa fusa viene espansa in continuo all’uscita di una filiera e forma una struttura a celle chiuse, più compatta e meno permeabile all’acqua.
Le due forme non sono intercambiabili e hanno norme di prodotto separate: EN 13163 per l’espanso sinterizzato ed EN 13164 per l’estruso, entrambe nell’edizione del 2012 con l’emendamento del 2015. Chi scrive espanso senza dire quale dei due intende non ha ancora detto abbastanza.
Il polistirene delle provette e delle piastre da laboratorio
Nel monouso da laboratorio il polistirene mette insieme tre cose: si guarda attraverso, resta rigido e si stampa a iniezione in grandi numeri a costo basso. Da lì provette, capsule di Petri, micropiastre e vaschette.
C’è però un ostacolo che il materiale grezzo non supera. La superficie del polistirene è coperta di anelli fenilici ed è fortemente idrofoba: l’acqua vi forma gocce e le cellule non vi si attaccano. Le piastre per coltura cellulare sono quindi trattate con una scarica corona o con un plasma, che ossida lo strato più esterno e vi innesta gruppi carbossilici, ossidrilici e amminici. La superficie diventa idrofila, la sua energia superficiale sale, e le proteine di adesione presenti nel terreno vi si adsorbono: è su quello strato di proteine che le cellule prendono appoggio. Il trattamento tocca pochi nanometri di spessore, ma senza di esso la piastra non lavora.
Sulla sterilizzazione la regola è netta: il polistirene in autoclave non ci va. Un ciclo a 121 °C lo porta ben oltre la transizione vetrosa e il pezzo si deforma. Il monouso in polistirene esce quindi già sterile dalla linea, trattato con ossido di etilene oppure irraggiato con raggi gamma, e chiude il suo ciclo dopo un solo impiego.
Polistirene, polistirolo e polipropilene
Polistirolo è il nome storico, costruito sul vecchio nome del monomero, stirolo; la nomenclatura chimica preferisce polistirene, e nell’uso italiano corrente polistirolo tende a indicare l’espanso. Il polimero però è lo stesso, e la distinzione è di lessico, non di chimica.
Il confronto che pesa davvero è un altro. Il polipropilene è una poliolefina semicristallina: traslucido invece che trasparente, densità fra 0,89 e 0,92 g/cm³, quindi galleggia; campo d’impiego fino a 121 °C, il che lo porta in autoclave; e buona tenuta verso i solventi, proprio dove il polistirene lascia. La divisione del lavoro nella plastica da laboratorio segue queste due righe: dove serve vedere il campione attraverso la parete e il pezzo si butta, lavora il polistirene; dove il pezzo deve tornare in autoclave o incontrare un solvente, lavora il polipropilene. Il primo si sceglie per gli occhi, il secondo per il calore.
