Non un materiale, una famiglia tenuta insieme da un legame
Il poliuretano non è un materiale, è una famiglia. Ciò che ne tiene insieme i membri è un legame che si ripete lungo la catena, il gruppo uretanico, di formula -NH-CO-O-. Tutto il resto cambia: sotto la stessa parola stanno una schiuma morbida da imbottitura, un pannello rigido da isolamento, una ruota piena che regge un carrello, un film sottile e trasparente, un filo elastico.
La larghezza della famiglia dipende dal modo in cui il polimero viene fatto. Non si parte da un monomero unico, ma da due classi di reagenti che si scelgono a coppie: un isocianato e un poliolo. Cambiando l’uno, l’altro o il rapporto fra i due si passa da un elastomero cedevole a un reticolo rigido senza mai uscire dalla definizione.
Isocianato e poliolo: come si costruisce un poliuretano
Il gruppo isocianato, -N=C=O, è insolitamente reattivo: appena incontra un idrogeno mobile lo attacca. Un poliolo porta gruppi ossidrilici, e quando i due si incontrano l’ossidrile si addiziona all’isocianato e nasce il legame uretanico. È una poliaddizione, non una policondensazione: nessuna molecola piccola viene espulsa durante la reazione.
Gli isocianati industriali si usano come di-isocianati, cioè con due gruppi reattivi per molecola, altrimenti la catena non crescerebbe. I polioli si dividono in due grandi tipi, poliesteri e polieteri, e la scelta si legge poi nel prodotto: catene lunghe e mobili danno materiali morbidi, catene corte e molto ramificate danno reticoli rigidi. Accanto ai due reagenti c’è sempre un corredo di catalizzatori, tensioattivi, ritardanti di fiamma, cariche e pigmenti. Il rapporto molare fra gruppi isocianato e gruppi ossidrilici ha perfino un nome proprio, indice di isocianato, ed è uno dei parametri che decidono le proprietà finali.
Come nasce la schiuma di poliuretano
Nelle schiume la reazione che costruisce la catena non basta: serve un gas che gonfi la massa mentre indurisce. La via più diffusa nel flessibile è chimica e usa l’acqua. Una molecola d’acqua reagisce con un gruppo isocianato e forma un acido carbammico instabile, che in poco tempo si decompone in un’ammina e in anidride carbonica; l’ammina attacca a sua volta un secondo isocianato e forma un legame urea. Il gas che espande è quindi un sottoprodotto della reazione stessa, non un additivo soffiato dentro, e la sua quantità si regola dosando l’acqua.
L’alternativa è fisica: nel poliolo si scioglie un composto bassobollente e chimicamente inerte, che evapora per il calore della reazione, che è esotermica.
Il risultato è una struttura cellulare. Se le pareti fra le celle restano forate la schiuma è a celle aperte e l’aria la attraversa, quindi si comprime e si riprende; se le celle sono chiuse il gas resta imprigionato e il materiale diventa rigido e poco permeabile. Le imbottiture che devono cedere sotto un corpo e tornare su lavorano sulle celle aperte, i pannelli isolanti sulle celle chiuse.
Densità apparente, portanza e resilienza
Il numero che compare più spesso è la densità, in chilogrammi per metro cubo. Le schiume flessibili nel loro insieme coprono all’incirca da 10 a 300 kg/m³, e i valori intorno a 30 o 35 kg/m³ sono quelli abituali nelle imbottiture da riposo. Il metodo di prova sta nella EN ISO 845, che definisce la densità apparente delle materie plastiche e delle gomme cellulari e distingue la densità dell’intero pezzo da quella del solo nucleo, tolte le pelli formatesi in stampo.
Densità non è durezza, ed è l’equivoco più comune. La densità dice quanto materiale c’è in un dato volume; quanto il blocco cede sotto carico è un’altra grandezza, che si misura schiacciando un provino di dimensioni fissate e leggendo la forza necessaria a raggiungere una certa percentuale di schiacciamento. Un terzo numero, la resilienza, dice quanta energia il blocco restituisce invece di dissiparla: le schiume viscoelastiche stanno all’estremo basso di quella scala, ed è per questo che tornano in forma lentamente.
Nel campo delle schiume rigide c’è poi un impiego da laboratorio. La norma ASTM F1839-08(2021) specifica una schiuma poliuretanica rigida a celle chiuse da usare come materiale di riferimento nelle prove meccaniche su dispositivi e strumenti ortopedici, con proprietà dell’ordine di quelle riportate per l’osso spongioso umano. La stessa norma precisa che quel materiale non è destinato all’impianto nel corpo.
Il poliuretano davanti al fuoco
Il poliuretano è un materiale organico e brucia. Le formulazioni per imbottiture ne tengono conto con ritardanti di fiamma e, in molti casi, con una guaina esterna che fa da barriera fra la fiamma e il blocco.
In Italia la classificazione di riferimento è quella del decreto ministeriale del 26 giugno 1984, che ordina i materiali in classi da 0 a 5: lo 0 è il non combustibile e i numeri crescono al crescere della partecipazione alla combustione. Per gli imbottiti le classi portano una sigla propria, IM, quindi 1 IM e 2 IM. La classe non è una dichiarazione del produttore: si ottiene con una prova di laboratorio e con l’omologazione ministeriale del prototipo, che dura cinque anni ed è rinnovabile se il prodotto non è stato modificato. Sul piano europeo l’accendibilità di materassi e basi letto imbottite si prova secondo la EN 597, in due parti, con la sigaretta senza fiamma nella prima e una fiamma equivalente a quella di un fiammifero nella seconda.
Poliuretano, elastan e le fibre elastiche
Il poliuretano compare anche come fibra tessile, e in etichetta con due nomi distinti. Il regolamento (UE) n. 1007/2011 elenca il poliuretano fra le denominazioni ammesse e, separatamente, l’elastan: fibra elastomerica costituita da almeno l’85% in massa di poliuretano segmentato che, allungata fino a tre volte la lunghezza iniziale, la riprende rapidamente non appena la trazione cessa. È la fibra che dà elasticità a bende, reti tubolari e tessuti a compressione, e in etichetta va scritta così, non con il nome commerciale con cui è più conosciuta.
La parola segmentato spiega anche la meccanica. La catena alterna tratti morbidi, lunghi e mobili, e tratti rigidi che si aggregano fra loro e funzionano da ancoraggi fisici: sotto trazione i tratti morbidi si distendono, al rilascio gli ancoraggi riportano indietro la catena. È la stessa architettura che nei poliuretani termoplastici dà un materiale che si lavora come una plastica e si comporta come una gomma, ed è da lì che vengono una ruota piena che non si buca e una cinghia che regge trazione senza deformarsi in modo permanente.
Da qui anche la distanza dai materiali con cui viene scambiato. La gomma è altra cosa: poliisoprene naturale o sintetico, oppure dieni polimerizzati, senza alcun gruppo uretanico in catena. E il rivestimento che si chiama similpelle è quasi sempre poliuretano steso su un supporto tessile, quindi non un materiale a sé ma uno strato sottile sopra qualcos’altro.
