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Polimeri e ceramici. Una alternativa ai metalli

I primi utilizzi dei materiali ceramici sono rinvenibili agli albori della storia umana. Vasellami, tazze, otri venivano realizzati sin dall'epoca preromanica impiegando impasti di argilla e altri ossidi che venivano successivamente sottoposti ad un processo di ricottura. Tra i ceramici di uso moderno il più comune è senz’altro l’allumina. Mentre i cosiddetti “verdi di allumina” sono impasti umidi di ossido e idrossidi di alluminio che possono essere posti facilmente in forma, quando il “verde” viene posto in forni e portato a temperature comprese tra i 1400 e i 1700 °C il materiale che si ottiene è di straordinaria durezza e sostanzialmente non lavorabile per via meccanica.

Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, i ceramici non sono certamente in grado di competere con i metalli né in termini di resistenza meccanica né in termini di resilienza. Generalmente, i ceramici sono materiali decisamente fragili e non in grado di reggere le sollecitazioni meccaniche facilmente sopportate da un acciaio. Per converso, le fasi ceramiche presentano caratteristiche chimiche alquanto straordinarie. Essi sono sostanzialmente inerti e quindi in grado di sopportare l'interazione anche con ambienti chimici estremamente aggressivi. Sono quindi del tutto insensibili ai problemi di corrosione che tipicamente caratterizzano i metalli e, corrispondentemente, garantiscono la possibilità di realizzare contenitori inerti, quindi idonei a contenere sostanze di vario genere senza contaminarle. Anche sul piano della durezza i ceramici superano ampiamente metalli e leghe. Infine, non sorprenderà che i ceramici trovino naturale impiego ovunque sia richiesta la capacità di reggere temperature molto elevate. Questo li mette in grado di coprire applicazioni specifiche. In particolare, risulta sempre più diffusa la ricopertura dei metalli con sottili strati di ceramici. La combinazione tra la resistenza meccanica dei metalli e l’inerzia chimica e termica dei ceramici consente di sviluppare manufatti e strumenti idonei ad operare nelle condizioni più estreme.

Mentre metalli e ceramici sono stati utilizzati sin dai tempi della protostoria, i materiali polimerici sono una acquisizione più recente. Tuttavia va osservato che i polimeri naturali sono descritti già in epoca ellenistica. Caucciù, ambra, alcune gomme naturali trovavano limitato impiego sia nella decorazione di abiti e monili sia nella realizzazione di alcuni semplici oggetti di uso domestico. Occorre tuttavia scivolare in avanti di molti secoli per incontrare i primi polimeri artificiali. Tra questi progenitori dei polimeri moderni può essere ricordata la bachelite, una resina fenolica impiegata all'inizio del XX secolo essenzialmente per realizzare isolamenti elettrici in dispositivi elettromeccanici.

La grande stagione dei materiali polimerici prende le sue mosse dalla scoperta da parte del chimico italiano Giulio Natta e del chimico tedesco Karl Ziegler della possibilità di controllare il processo di polimerizzazione in modo da realizzare polimeri facilmente stampabili e con proprietà plastiche non osservate in altri tipi di materiali.

I polimeri non hanno né la resistenza meccanica dei metalli né l'inerzia chimica o termica dei ceramici. Per converso, essi sono caratterizzati da una lavorabilità estrema e semplice. Diversamente da metalli e ceramici, con i polimeri risulta non solo possibile realizzare lastre, tubi o altre forme elementari semplicemente provvedendo alla polimerizzazione a bassa temperatura in stampi ma è ulteriormente possibile impartire forme complesse al polimero ad esempio per semplice pressatura (stampaggio a caldo). Questo ha un enorme vantaggio sul piano dei costi di produzione, dato che le alte temperature richieste da ceramici e metalli implicano costi energetici estremamente significativi. Di conseguenza, laddove non siano effettivamente necessarie le caratteristiche di resistenza meccanica, chimica o termica garantite da metalli o ceramici, l'uso dei polimeri ha consentito notevoli abbattimenti dei costi di produzione.

Non si deve tuttavia concludere che l'unico vantaggio dei polimeri sia da connettere ai loro costi di produzione ridotti. Oggi sono disponibili ed utilizzati materiali polimerici in grado di reggere sia temperature relativamente elevate sia ambienti chimici relativamente aggressivi. La possibilità di modificare le caratteristiche meccaniche, chimiche e termiche dei polimeri giocando sulla natura chimica dei precursori e anche sull'impiego di monomeri differenti ha inoltre abilitato la realizzazione di polimeri per impieghi sofisticati. In più, esattamente come nel caso di ceramici, le moderne tecnologie dei materiali hanno saputo accoppiare fra di loro polimeri e metalli di modo da ottenere materiali complessivamente in grado di unire la resistenza allo sforzo e alla trazione dei metalli con la varietà di caratteristiche chimiche tipiche dei polimeri.

Le applicazioni strutturali non sono le sole per le quali occorrono materiali nuovi. I materiali funzionali sono almeno altrettanto importanti, e su di essi si è spesa molta della creatività degli scienziati dei materiali negli ultimi secoli.