Polimeri sintetici e da fonti naturali
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
Obiettivo del corso è l'introduzione alle conoscenze di base della scienza dei polimeri, siano questi di origine petrolchimica o derivanti da fonti naturali, propedeutiche allo studio di corsi avanzati in questo settore. Il corso è stato suddiviso in tre sezioni, ciascuna con specifici sotto-obiettivi.
Nella prima sezione, dedicata all'introduzione alla scienza dei polimeri, lo studente apprenderà le definizioni e nozioni di base relative alla scienza dei polimeri.
Nella seconda sezione, dedicata ai polimeri sintetici, lo studente apprenderà i meccanismi classici di polimerizzazione che comprendono il meccanismo della polimerizzazione a stadi e delle polimerizzazioni con meccanismo a catena radicalico, ionico e coordinato.
Nella terza sezione, dedicata ai polimeri da fonti naturali, lo studente apprenderà le definizioni e le classificazioni relative ai biopolimeri ed alle bioplastiche. Verranno discusse le principali famiglie di biopolimeri, le loro funzioni in natura e il loro ruolo nello sviluppo tecnologico dell'uomo. Lo studente apprenderà l'influenza dei parametri strutturali dei biopolimeri sulle loro proprietà, sui meccanismi di degradazione e relativi prodotti di degradazione.
Apprenderà inoltre le strategie di modifica chimica dei biopolimeri per la produzione di bioplastiche, processi fermentativi di biomasse e polimerizzazione di monomeri derivanti da fonti rinnovabili; le loro applicazioni, le loro modalità di degradazione chimica, fisica e biologica.
Nella prima sezione, dedicata all'introduzione alla scienza dei polimeri, lo studente apprenderà le definizioni e nozioni di base relative alla scienza dei polimeri.
Nella seconda sezione, dedicata ai polimeri sintetici, lo studente apprenderà i meccanismi classici di polimerizzazione che comprendono il meccanismo della polimerizzazione a stadi e delle polimerizzazioni con meccanismo a catena radicalico, ionico e coordinato.
Nella terza sezione, dedicata ai polimeri da fonti naturali, lo studente apprenderà le definizioni e le classificazioni relative ai biopolimeri ed alle bioplastiche. Verranno discusse le principali famiglie di biopolimeri, le loro funzioni in natura e il loro ruolo nello sviluppo tecnologico dell'uomo. Lo studente apprenderà l'influenza dei parametri strutturali dei biopolimeri sulle loro proprietà, sui meccanismi di degradazione e relativi prodotti di degradazione.
Apprenderà inoltre le strategie di modifica chimica dei biopolimeri per la produzione di bioplastiche, processi fermentativi di biomasse e polimerizzazione di monomeri derivanti da fonti rinnovabili; le loro applicazioni, le loro modalità di degradazione chimica, fisica e biologica.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di:
1. Definire i concetti di base propedeutici allo studio della scienza dei polimeri, compreso il concetto di distribuzione della massa molecolare e la sua determinazione, e le caratteristiche dello stato solido amorfo e cristallino dei polimeri.
2. Descrivere i meccanismi classici utilizzati per la sintesi di polimeri, quali la polimerizzazione a stadi, le polimerizzazioni a catena con meccanismo radicalico, ionico e coordinato e predire l'andamento del grado di polimerizzazione medio in funzione della conversione nei vari processi di polimerizzazione.
3. Classificare i biopolimeri e prevederne proprietà e applicabilità in base alla struttura chimica.
4. Classificare le bioplastiche ed i loro principali settori applicativi.
5. Descrivere i principali metodi di produzione di bioplastiche, che siano esse derivate da fonti fossili o rinnovabili, biodegradabili o non biodegradabili.
6. Descrivere le proprietà delle principali bioplastiche dal punto di vista commerciale e confrontarle con le alternative "classiche" derivate da petrolio.
7. Definire il concetto di relazione "struttura-attività" e imparare a prevedere l'andamento delle proprietà di materiali polimerici in relazione alle loro caratteristiche strutturali.
8. Descrivere i metodi di degradazione chimici, fisici e biologici dei biopolimeri e delle bioplastiche.
1. Definire i concetti di base propedeutici allo studio della scienza dei polimeri, compreso il concetto di distribuzione della massa molecolare e la sua determinazione, e le caratteristiche dello stato solido amorfo e cristallino dei polimeri.
2. Descrivere i meccanismi classici utilizzati per la sintesi di polimeri, quali la polimerizzazione a stadi, le polimerizzazioni a catena con meccanismo radicalico, ionico e coordinato e predire l'andamento del grado di polimerizzazione medio in funzione della conversione nei vari processi di polimerizzazione.
3. Classificare i biopolimeri e prevederne proprietà e applicabilità in base alla struttura chimica.
4. Classificare le bioplastiche ed i loro principali settori applicativi.
5. Descrivere i principali metodi di produzione di bioplastiche, che siano esse derivate da fonti fossili o rinnovabili, biodegradabili o non biodegradabili.
6. Descrivere le proprietà delle principali bioplastiche dal punto di vista commerciale e confrontarle con le alternative "classiche" derivate da petrolio.
7. Definire il concetto di relazione "struttura-attività" e imparare a prevedere l'andamento delle proprietà di materiali polimerici in relazione alle loro caratteristiche strutturali.
8. Descrivere i metodi di degradazione chimici, fisici e biologici dei biopolimeri e delle bioplastiche.
Periodo: Secondo semestre
Modalità di valutazione: Esame
Giudizio di valutazione: voto verbalizzato in trentesimi
Corso singolo
Questo insegnamento non può essere seguito come corso singolo. Puoi trovare gli insegnamenti disponibili consultando il catalogo corsi singoli.
Programma e organizzazione didattica
Edizione unica
Responsabile
Periodo
Secondo semestre
Programma
Il corso è suddiviso in quattro sezioni.
1. Introduzione alla scienza dei polimeri
1.1 Definizioni e concetti generali
Definizioni di polimero, monomero, macromolecola, unità ripetente, omopolimero, copolimero. Materie plastiche e loro rilevanza. Definizione di polimero naturale, sintetico e artificiale. Classificazione dei polimeri sulla base della struttura chimica di appartenenza. Definizione di copolimero e classificazione. Regioisomeria, isomeria geometrica, configurazioni e conformazioni dei polimeri. Pesi molecolari dei polimeri.
1.2 Stato solido dei polimeri
Introduzione allo stato amorfo e cristallino dei polimeri. Definizione di temperatura di transizione vetrosa e volume libero. Definizione di temperatura di fusione, cristallinità e specificità dello stato cristallino polimerico.
2. Sintesi di polimeri
2.1 Introduzione alle reazioni di polimerizzazione
Reazioni di polimerizzazione con meccanismo a stadi vs. reazioni di polimerizzazione con meccanismo a catena. Aspetti chimici delle reazioni di polimerizzazione, confrontati con reazioni per la sintesi di molecole discrete comuni alla chimica organica fine.
2.2 Polimerizzazione con meccanismo a stadi vs. meccanismo a catena
Classificazione dei monomeri polimerizzabili. Principali classi di polimeri sintetizzabili. Equazione fondamentale della polimerizzazione a stadi: dipendenza del grado di polimerizzazione medio dal rapporto composizionale e dalla conversione. Indipendenza del grado di polimerizzazione dalla conversione nella polimerizzazione a catena. Polimerizzazioni con meccanismo radicalico e ionico.
3 Polimeri da fonti naturali
3.1 Biopolimeri
Definizione di biopolimeri e classificazione: polisaccaridi, polipeptidi e polinucleotidi, polifenoli complessi e gomme naturali. Proprietà chimico-fisiche dei biopolimeri in relazione alla loro struttura. Il ruolo dei biopolimeri in natura. Il ruolo dei biopolimeri nello sviluppo tecnologico dell'uomo. Principali settori applicativi dei biopolimeri e loro derivati.
Modifica chimica di polimeri naturali. Modifiche chimiche di polisaccaridi per specifiche applicazioni tecnologiche.
3.2 Polisaccaridi
Principali classi di polisaccaridi di origine naturale con particolare attenzione alle loro funzioni biologiche. Cellulosa e suoi derivati. Nanocristalli e nanofibrille di cellulosa. Applicazioni in ambito alimentare, cosmetico e farmaceutico. Chitina e chitosano, modifiche chimiche. Applicazioni in ambito alimentare, cosmetico, farmaceutico, agricolo, e per il packaging biodegradabile. Amido, amido termoplastico. Applicazioni in ambito agricolo, e per il packaging biodegradabile. Alginati. Applicazioni in ambito cosmetico.
3.3 Gomme naturali
Esempi di gomme naturali (gomma arabica, gomma guar, gomma tragacanto), estrazione, proprietà chimico-fisiche e applicazioni. Confronto delle proprietà delle gomme naturali con quelle sintetiche.
3.4 Polipeptidi e polinucleotidi
Origine biologica dei polipeptidi e loro funzione. Confronto con poliammidi in termini di sintesi e proprietà. Origine biologica dei polinucleotidi e loro funzione. Confronto tra polipeptidi e polinucleotidi con polimeri sintetici sintetizzati con preciso controllo di sequenze monomeriche per lo storage di informazioni.
3.5 Polifenoli complessi
Esempi di polifenoli complessi: tannini, lignina e flavonoidi. Lignina: origine, proprietà chimico-fisiche, e funzione biologica. Applicazione della lignina in materiali avanzati (packaging biodegradabile), agricoltura (fertilizzanti a rilascio controllato, carrier per pesticidi o erbicidi o ammendanti), come fonte per il recupero di building blocks con diverse finalità (sintesi di tensioattivi o antiossidanti naturali).
4 Bioplastiche
4.1 Bioplastiche
Definizione di bioplastica. Bioplastiche da fonti rinnovabili e biodegradabili: esempi, sintesi, proprietà e applicazioni. Bioplastiche da fonti fossili e biodegradabili: esempi, sintesi, proprietà e applicazioni. Bioplastiche da fonti rinnovabili e non-biodegradabili: esempi, sintesi, proprietà e applicazioni.
4.2 Bioplastiche vs. plastiche tradizionali
Confronto tra le proprietà delle bioplastiche e quelle da fonte fossile. Correlazione struttura-proprietà. Aspetti legati alla stereochimica, influenza della stereoregolarità sulle proprietà del polimero. Vantaggi e svantaggi delle bioplastiche rispetto alle plastiche tradizionali nei vari settori di utilizzo.
4.3 Degradazione e biodegradazione di bioplastiche
Degradazione chimica, enzimatica e microbica, termica, fotoossidativa di bioplastiche nell'ambiente.
Depolimerizzazione di polisaccaridi: aspetti chimici e cinetici.
4.4 Idrogeli sintetici e di origine naturale
Definizione di idrogelo; proprietà degli idrogeli. Sintesi di idrogeli. Idrogeli di origine naturale. Applicazioni di idrogeli in diversi settori.
1. Introduzione alla scienza dei polimeri
1.1 Definizioni e concetti generali
Definizioni di polimero, monomero, macromolecola, unità ripetente, omopolimero, copolimero. Materie plastiche e loro rilevanza. Definizione di polimero naturale, sintetico e artificiale. Classificazione dei polimeri sulla base della struttura chimica di appartenenza. Definizione di copolimero e classificazione. Regioisomeria, isomeria geometrica, configurazioni e conformazioni dei polimeri. Pesi molecolari dei polimeri.
1.2 Stato solido dei polimeri
Introduzione allo stato amorfo e cristallino dei polimeri. Definizione di temperatura di transizione vetrosa e volume libero. Definizione di temperatura di fusione, cristallinità e specificità dello stato cristallino polimerico.
2. Sintesi di polimeri
2.1 Introduzione alle reazioni di polimerizzazione
Reazioni di polimerizzazione con meccanismo a stadi vs. reazioni di polimerizzazione con meccanismo a catena. Aspetti chimici delle reazioni di polimerizzazione, confrontati con reazioni per la sintesi di molecole discrete comuni alla chimica organica fine.
2.2 Polimerizzazione con meccanismo a stadi vs. meccanismo a catena
Classificazione dei monomeri polimerizzabili. Principali classi di polimeri sintetizzabili. Equazione fondamentale della polimerizzazione a stadi: dipendenza del grado di polimerizzazione medio dal rapporto composizionale e dalla conversione. Indipendenza del grado di polimerizzazione dalla conversione nella polimerizzazione a catena. Polimerizzazioni con meccanismo radicalico e ionico.
3 Polimeri da fonti naturali
3.1 Biopolimeri
Definizione di biopolimeri e classificazione: polisaccaridi, polipeptidi e polinucleotidi, polifenoli complessi e gomme naturali. Proprietà chimico-fisiche dei biopolimeri in relazione alla loro struttura. Il ruolo dei biopolimeri in natura. Il ruolo dei biopolimeri nello sviluppo tecnologico dell'uomo. Principali settori applicativi dei biopolimeri e loro derivati.
Modifica chimica di polimeri naturali. Modifiche chimiche di polisaccaridi per specifiche applicazioni tecnologiche.
3.2 Polisaccaridi
Principali classi di polisaccaridi di origine naturale con particolare attenzione alle loro funzioni biologiche. Cellulosa e suoi derivati. Nanocristalli e nanofibrille di cellulosa. Applicazioni in ambito alimentare, cosmetico e farmaceutico. Chitina e chitosano, modifiche chimiche. Applicazioni in ambito alimentare, cosmetico, farmaceutico, agricolo, e per il packaging biodegradabile. Amido, amido termoplastico. Applicazioni in ambito agricolo, e per il packaging biodegradabile. Alginati. Applicazioni in ambito cosmetico.
3.3 Gomme naturali
Esempi di gomme naturali (gomma arabica, gomma guar, gomma tragacanto), estrazione, proprietà chimico-fisiche e applicazioni. Confronto delle proprietà delle gomme naturali con quelle sintetiche.
3.4 Polipeptidi e polinucleotidi
Origine biologica dei polipeptidi e loro funzione. Confronto con poliammidi in termini di sintesi e proprietà. Origine biologica dei polinucleotidi e loro funzione. Confronto tra polipeptidi e polinucleotidi con polimeri sintetici sintetizzati con preciso controllo di sequenze monomeriche per lo storage di informazioni.
3.5 Polifenoli complessi
Esempi di polifenoli complessi: tannini, lignina e flavonoidi. Lignina: origine, proprietà chimico-fisiche, e funzione biologica. Applicazione della lignina in materiali avanzati (packaging biodegradabile), agricoltura (fertilizzanti a rilascio controllato, carrier per pesticidi o erbicidi o ammendanti), come fonte per il recupero di building blocks con diverse finalità (sintesi di tensioattivi o antiossidanti naturali).
4 Bioplastiche
4.1 Bioplastiche
Definizione di bioplastica. Bioplastiche da fonti rinnovabili e biodegradabili: esempi, sintesi, proprietà e applicazioni. Bioplastiche da fonti fossili e biodegradabili: esempi, sintesi, proprietà e applicazioni. Bioplastiche da fonti rinnovabili e non-biodegradabili: esempi, sintesi, proprietà e applicazioni.
4.2 Bioplastiche vs. plastiche tradizionali
Confronto tra le proprietà delle bioplastiche e quelle da fonte fossile. Correlazione struttura-proprietà. Aspetti legati alla stereochimica, influenza della stereoregolarità sulle proprietà del polimero. Vantaggi e svantaggi delle bioplastiche rispetto alle plastiche tradizionali nei vari settori di utilizzo.
4.3 Degradazione e biodegradazione di bioplastiche
Degradazione chimica, enzimatica e microbica, termica, fotoossidativa di bioplastiche nell'ambiente.
Depolimerizzazione di polisaccaridi: aspetti chimici e cinetici.
4.4 Idrogeli sintetici e di origine naturale
Definizione di idrogelo; proprietà degli idrogeli. Sintesi di idrogeli. Idrogeli di origine naturale. Applicazioni di idrogeli in diversi settori.
Prerequisiti
Conoscenze di base di chimica organica, incluse nel corso di Chimica Organica I del medesimo corso di laurea. Conoscenze di base della reattività di comuni gruppi funzionali della chimica organica di base. Conoscenze di base di tecniche analitiche per lo studio di molecole organiche.
Metodi didattici
Lezioni frontali con l'ausilio di diapositive. Gli studenti saranno coinvolti attivamente durante l'insegnamento e l'elaborazione autonoma del materiale didattico.
Materiale di riferimento
Copia delle slide presentate nel corso e letteratura specifica disponibili sul sito della didattica dedicato.
Libri di testo:
"Fundamental Polymer Science", Second Edition
Ulf W. Gedde, Mikael S. Hedenqvist, Springer.
"Chemistry and Physics of Modern Materials", Third Edition
J.M.G. Cowie, Valeria Arrighi, CRC Press.
"From Polymers to Plastics"
A.K. van der Vegt, DUP Blue Print
"Natural Polymers: Volume 1 - Composites and Volume 2 - Nanocomposites and Biodegradation"
M. N. V. Ravi Kumar, Woodhead Publishing
Libri di testo:
"Fundamental Polymer Science", Second Edition
Ulf W. Gedde, Mikael S. Hedenqvist, Springer.
"Chemistry and Physics of Modern Materials", Third Edition
J.M.G. Cowie, Valeria Arrighi, CRC Press.
"From Polymers to Plastics"
A.K. van der Vegt, DUP Blue Print
"Natural Polymers: Volume 1 - Composites and Volume 2 - Nanocomposites and Biodegradation"
M. N. V. Ravi Kumar, Woodhead Publishing
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consisterà in una prova scritta nella quale si richiederà di rispondere a domande aperte vertenti sull'intero programma del corso, unitamente a domande a risposta multipla. Lo scopo è quello di verificare le conoscenze acquisite e la comprensione dei concetti discussi nel corso. La votazione varierà da 18 a 30 in maniera proporzionale alla correttezza delle risposte.
Docente/i