Umidità nei polimeri: materiali Igroscopici e non Igroscopici

di Marco Arezio

Tutte le materie polimeriche durante la fase di sintesi, di trasporto e di stoccaggio hanno la tendenza a trattenere l’umidità, raggiungendo un valore di equilibrio con l’ambiente, che dipende dal tipo di polimero, dall’umidità e dalla temperatura dell’aria, dalle dimensioni del granulo e da molti altri fattori che si studieranno dettagliatamente nel prossimo capitolo.

In base alla capacità di assorbire le molecole d’acqua presenti nell’ambiente circostante, le materie plastiche si possono suddividere in: igroscopiche e non igroscopiche.

Nei polimeri igroscopici l’acqua è assorbita all’interno del granulo plastico e si lega chimicamente con il materiale stesso.

Appartengono a questo gruppo polimeri ingegneristici come poliammide (PA), policarbonato (PC), polimetilmetacrilato (PMMA), polietilentereftalato (PET), acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS).

Nei polimeri non igroscopici, invece, l’acqua non penetra all’interno del materiale ma si deposita solo sulla superficie.

Polietilene (PE), polipropilene (PP), polistirene (PS) sono polimeri di questo tipo.

Il processo di asportazione dell’umidità superficiale nei materiali non igroscopici risulta essere semplice e veloce e richiede l’utilizzo di essiccatori ad aria calda.

Nel caso dei polimeri igroscopici, invece, la rimozione dell’umidità residua è più difficoltosa e richiede l’utilizzo di deumidificatori nei quali l’aria calda, insufflata per asportare l’acqua contenuta nei granulati polimerici, è preventivamente deumidificata.

Molti polimeri tecnici (chiamati anche “tecnopolimeri” o “polimeri ingegneristici”) sono igroscopici e sono caratterizzati da una determinata percentuale di umidità che li rende saturi e da una precisa velocità di assorbimento.

Quando un polimero igroscopico è esposto all’atmosfera, le molecole d’acqua diffondono all’interno della struttura polimerica legandosi alle catene molecolari e causando la riduzione dei legami intermolecolari e aumentando la mobilità delle molecole, fungendo da plastificante.

In generale l’igroscopicità di un polimero è legata alla polarità della struttura chimica delle macromolecole del polimero stesso.

Un’importante caratteristica dell’acqua è data dalla polarità della sua molecola, con momento di dipolo molecolare pari a 1,847 D.

La molecola dell’acqua forma un angolo di 104,5º con l’atomo di ossigeno al vertice e i due atomi di idrogeno alle due estremità.

Dato che l’ossigeno ha una elettronegatività maggiore, il vertice della molecola ospita una parziale carica elettrica negativa, mentre le estremità recano una parziale carica elettrica positiva.

Una molecola che presenta questo squilibrio di cariche elettriche è detta essere un dipolo elettrico.

Nella struttura molecolare di molti polimeri igroscopici è presente il gruppo carbonilico, che è un gruppo funzionale costituito da un atomo di carbonio e uno d’ossigeno legati da un doppio legame.

La particolarità di questo gruppo è che l’ossigeno è molto elettronegativo e conferisce una polarità al legame.

Dato che l’ossigeno ha una elettronegatività maggiore, esso ospita una parziale carica elettrica negativa, mentre al carbonio rimane una parziale carica elettrica positiva.

Polimeri che contengono molti gruppi carbonilici presentano, quindi, una carica negativa sull’ossigeno che attrae la carica positiva presente sull’atomo di idrogeno della molecola d’acqua.

L’attrazione tra la carica positiva e quella negativa genera un legame debole chiamato a ponte d’idrogeno.

Il gruppo carbonilico è presente in molti polimeri igroscopici come policarbonato (PC), polietilentereftalato (PET) e polibutilentereftalato (PBT).

I legami a ponte d’idrogeno sono deboli rispetto ai forti legami presenti nella catena polimerica, ma sono forti abbastanza da provocare l’assorbimento delle molecole d’acqua fino ad un valore d’equilibrio che è caratteristico per ogni tipo diverso di polimero.

Nelle poliammidi l’idrogeno legato all’azoto ha una debole carica positiva, poiché l’atomo di azoto è molto più elettronegativo dell’atomo di idrogeno, e una volta attratto dalla carica negativa dell’ossigeno della molecola d’acqua forma un legame a ponte d’idrogeno.

Inoltre anche nelle poliammidi è presente il gruppo carbonilico che forma legami deboli con l’idrogeno presente nelle molecole d’acqua.

L’igroscopicità dei polimeri, quindi, è legata alla struttura delle macromolecole e alla formazione di legami a ponte d’idrogeno che provocano l’adsorbimento dell’umidità.

Infatti polimeri che contengono il gruppo carbonilico e polimeri come le poliammidi sono igroscopici ed assorbono umidità attraverso la formazione di legami ad idrogeno.

I polimeri non polari, invece, come le poliolefine (polipropilene e polietilene) e polistirene non assorbono umidità attraverso legami a idrogeno.

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