Introduzione e applicazioni del polipropilene
Il polipropilene (PP) è un polimero ad alto peso molecolare prodotto attraverso la polimerizzazione di monomeri di propilene. In base al processo di polimerizzazione impiegato, la produzione di PP può essere suddivisa in cinque metodi principali: polimerizzazione in soluzione, polimerizzazione in sospensione (slurry), polimerizzazione in massa, polimerizzazione in fase gassosa e polimerizzazione combinata in massa/fase gassosa. In base alla sua struttura molecolare, il polipropilene è generalmente classificato in tre tipi: polipropilene isotattico, polipropilene sindiotattico e polipropilene atattico. Il polipropilene isotattico è il tipo più ampiamente utilizzato, rappresentando oltre il 90% del consumo totale. Il polipropilene atattico è principalmente utilizzato in additivi, adesivi e materiali modificati. Quando viene utilizzato come supporto per masterbatch modificati, offre elevata viscosità, buona scorrevolezza e ottime prestazioni di incapsulamento.
Proprietà del polipropilene
① Proprietà meccaniche
Rispetto al polietilene, il polipropilene offre generalmente migliori proprietà meccaniche, tra cui maggiore resistenza, rigidità e durezza, nonché una migliore lucentezza superficiale. Tuttavia, queste proprietà rimangono relativamente moderate rispetto a quelle di altre materie plastiche ingegneristiche. Requisiti di resistenza più elevati possono essere soddisfatti utilizzando polipropilene altamente cristallino o incorporando cariche e materiali rinforzanti.
La resistenza all'urto del polipropilene è influenzata da fattori quali il peso molecolare, la cristallinità e la dimensione dei cristalli, e dipende fortemente anche dalla temperatura. La sua resistenza all'urto tende a diminuire alle basse temperature. Allo stesso tempo, il polipropilene presenta un'eccellente resistenza alla flessione e alla fatica. A temperatura ambiente, i prodotti in polipropilene possono sopportare piegature ripetute—fino a circa un milione di cicli—senza cedimenti.
② Proprietà elettriche
Come polimero non polare, il polipropilene possiede eccellenti proprietà isolanti elettriche. Le sue prestazioni elettriche sono relativamente insensibili alle variazioni dell’umidità ambientale e della frequenza del campo elettrico, consentendogli di funzionare efficacemente come materiale dielettrico e isolante, anche nelle applicazioni ad alta frequenza.
Il polipropilene presenta inoltre un’eccellente resistenza all’arco elettrico, con un tempo di resistenza all’arco di circa 130–180 secondi, considerato elevato tra i materiali plastici. Tuttavia, la sua tendenza alla fragilità alle basse temperature ne limita l’uso in alcune applicazioni di isolamento rispetto al polietilene e al cloruro di polivinile (PVC). È quindi principalmente utilizzato per l’isolamento dei cavi di comunicazione e per gli involucri degli elettrodomestici.
③ Proprietà termiche
Il polipropilene dimostra una buona resistenza al calore e può generalmente essere utilizzato a temperature superiori a 100 °C, raggiungendo circa 120 °C in condizioni di carico leggero. La sua temperatura massima di servizio continuo è di circa 120 °C, mentre la sua temperatura di servizio a breve termine può raggiungere circa 150 °C.
Offre inoltre un'eccellente resistenza all'acqua bollente e al vapore, rendendolo particolarmente adatto per prodotti medicali che richiedono la sterilizzazione ad alta pressione. Con una conduttività termica di circa 0,15–0,24 W/(m·K), inferiore a quella del polietilene, il polipropilene può anche fornire un efficace isolamento termico.
④ Resistenza chimica
Il polipropilene è un polimero non polare, cristallino, a base alcano, con una buona resistenza alla corrosione chimica. A temperatura ambiente è insolubile nei solventi, sebbene possa rigonfiarsi se esposto a determinati solventi.
Il PP resiste generalmente ad acidi, alcali, sali e alla maggior parte dei solventi organici, inclusi alcoli, fenoli, aldeidi, chetoni e la maggior parte degli acidi carbossilici. Tuttavia, è sensibile agli agenti ossidanti forti, all'acido solforico concentrato e all'acido nitrico concentrato. Presenta inoltre un'eccellente resistenza alla fessurazione sotto sforzo ambientale.
Gli idrocarburi aromatici e gli idrocarburi clorurati possono causare il rigonfiamento del polipropilene, con un effetto che diventa più pronunciato all'aumentare della temperatura. A temperature elevate, il polipropilene può dissolversi in solventi come tetraidronaftalene, decaidronaftalene e 1,2,4-triclorobenzene.
⑤ Proprietà ambientali
Il polipropilene ha una resistenza agli agenti atmosferici relativamente scarsa. Gli atomi di idrogeno legati ai suoi atomi di carbonio terziari sono suscettibili all'ossidazione, rendendo il PP particolarmente sensibile alle radiazioni ultraviolette (UV) e soggetto a degradazione in caso di esposizione prolungata all'ossigeno e alla luce UV.
Senza stabilizzazione, il polipropilene può subire un rapido deterioramento delle prestazioni dopo solo quattro mesi di stoccaggio in ambienti interni. Può anche diventare fragile dopo un invecchiamento ad alta temperatura a 150 °C per circa 0,5–3,0 ore o dopo circa 12 giorni di esposizione atmosferica.
Pertanto, alla resina di polipropilene vengono generalmente aggiunti antiossidanti e stabilizzanti alla luce per migliorarne la resistenza all’ossidazione e alla degradazione UV. In presenza di rame, la velocità di degradazione ossidativa può aumentare di diverse centinaia di volte. Di conseguenza, è necessario incorporare inibitori del rame, come la salicilidene etilendiammina, la benzoil idrazide o il benzotriazolo, per contribuire a proteggere il polipropilene dalla degradazione accelerata.
Applicazioni
Il polipropilene offre eccellenti proprietà di lavorazione, che consentono di produrlo in un'ampia varietà di articoli attraverso diversi metodi di trasformazione. I prodotti in polipropilene stampati a iniezione sono ampiamente utilizzati, con il polipropilene convenzionale destinato principalmente ad applicazioni di consumo quotidiano. Il polipropilene modificato, invece, è ampiamente impiegato in componenti per automotive, elettrodomestici e industriali. Ad esempio, il polipropilene modificato per resistere agli urti è comunemente usato per paraurti e copricerchi, mentre il polipropilene rinforzato è adatto per cruscotti, volanti, pale di ventilatori, maniglie e altri componenti.
I prodotti in polipropilene estruso rappresentano anche una parte significativa del consumo di polipropilene, in particolare le fibre e i filamenti. Il loro ampio utilizzo è attribuito all'eccellente resistenza meccanica, alla resistenza all'usura, alla resistenza chimica e al costo relativamente basso del polipropilene. I prodotti in filamento e fibra di polipropilene includono monofilamenti, filati piatti (filati a nastro) e fibre in fiocco.
I monofilamenti sono caratterizzati da bassa densità, elevata tenacità e buona resistenza all'abrasione, rendendoli adatti alla produzione di corde, reti da pesca e prodotti simili. I filati piatti offrono un'elevata resistenza alla trazione e sono ampiamente utilizzati per fabbricare sacchi tessuti per il confezionamento di fertilizzanti, cemento, grano e materie prime chimiche. Possono anche essere trasformati in tessuti intrecciati per materiali promozionali, teloni e prodotti correlati.
Le fibre di polipropilene sono ampiamente utilizzate nella produzione di tappeti, coperte, abbigliamento, erba sintetica, tessuti filtranti, materiali non tessuti, tende e altri prodotti. La lavorazione per estrusione è inoltre ampiamente impiegata per produrre film di polipropilene. I film di polipropilene biassialmente orientati offrono una maggiore resistenza e trasparenza, rendendoli adatti ad applicazioni quali nastri per macchine da scrivere, imballaggi per sigarette e sacchetti per imballaggi alimentari.
Altri prodotti estrusi in polipropilene includono tubi, lastre, strisce strette, filati da film diviso e reggette. I prodotti cavi in polipropilene offrono un'eccellente trasparenza, prestazioni meccaniche e proprietà barriera all'umidità. Di conseguenza, sono ampiamente utilizzati come contenitori per imballaggi di detergenti, cosmetici, prodotti farmaceutici, combustibili liquidi, reagenti chimici e altri prodotti.
Il polipropilene è anche la principale resina sintetica utilizzata nella produzione di masterbatch modificati. Nelle prime fasi di sviluppo di questa tecnologia, i tecnici della Beijing Plastics Industry Company utilizzarono il polipropilene atattico (APP), un sottoprodotto della produzione di polipropilene isotattico presso la Yanshan Petrochemical, insieme a carbonato di calcio pesante e adeguati additivi per produrre masterbatch modificati riempiti. Questi masterbatch venivano incorporati in prodotti in polipropilene come filati piatti e reggette per migliorare la stampabilità, ridurre il ritiro del prodotto e aumentare l’efficienza economica complessiva.
Questo approccio ha inoltre fornito un modo efficace per utilizzare un sottoprodotto petrolchimico. Identificando un'applicazione per il polipropilene atattico, il processo ha contribuito ad aumentare il valore di questo materiale altrimenti sottoutilizzato. Tuttavia, con il continuo sviluppo delle tecnologie di produzione delle resine sintetiche, l'isotatticità del polipropilene è aumentata, mentre la resa e la qualità del polipropilene atattico sono gradualmente diminuite. Poiché il volume di produzione e la gamma di applicazioni dei masterbatch modificati riempiti si sono rapidamente ampliati, meno produttori hanno continuato a utilizzare il polipropilene atattico come resina portante.
Oggi, il polipropilene isotattico rappresenta la maggior parte delle resine portanti utilizzate nei masterbatch modificati riempiti. Anche il polipropilene in polvere prodotto attraverso processi di polimerizzazione in massa su piccola scala continua a svolgere un ruolo importante in questa applicazione.
