Scienza dei polimeri
A.A. 2025/2026
Obiettivi formativi
Questo corso mira a fornire agli studenti una comprensione chiara e approfondita dei concetti fondamentali relativi alla sintesi e alla caratterizzazione chimico-fisica dei polimeri, preparandoli così allo studio di corsi avanzati sulla disciplina.
Nella fase iniziale, verranno introdotti i concetti e le definizioni di base sui polimeri. Successivamente, gli studenti approfondiranno sia i meccanismi classici che quelli avanzati di sintesi dei polimeri, con particolare attenzione alla sintesi controllata di architetture polimeriche complesse, tra cui la polimerizzazione radicalica controllata e la polimerizzazione ad apertura d'anello.
Il corso tratterà inoltre le proprietà chimico-fisiche delle soluzioni e dei blend polimerici, le proprietà termiche dei polimeri e le tecniche per la loro determinazione. Infine, verrà fornita una panoramica completa sui diversi metodi di determinazione dei pesi molecolari, sia tradizionali che avanzati.
Nella fase iniziale, verranno introdotti i concetti e le definizioni di base sui polimeri. Successivamente, gli studenti approfondiranno sia i meccanismi classici che quelli avanzati di sintesi dei polimeri, con particolare attenzione alla sintesi controllata di architetture polimeriche complesse, tra cui la polimerizzazione radicalica controllata e la polimerizzazione ad apertura d'anello.
Il corso tratterà inoltre le proprietà chimico-fisiche delle soluzioni e dei blend polimerici, le proprietà termiche dei polimeri e le tecniche per la loro determinazione. Infine, verrà fornita una panoramica completa sui diversi metodi di determinazione dei pesi molecolari, sia tradizionali che avanzati.
Risultati apprendimento attesi
Alla fine del corso, lo studente sarà in grado di:
1. Definire i concetti di base ed i termini essenziali per lo studio della scienza dei polimeri.
2. Identificare le classi di monomeri polimerizzabili con i meccanismi sintetici descritti.
3. Descrivere i meccanismi fondamentali utilizzati per la sintesi di architetture polimeriche complesse e controllate, in particolare utilizzando meccanismi di polimerizzazioni vivente.
4. Comprendere le differenti caratteristiche dello stato solido amorfo e cristallino dei polimeri e l'influenza delle temperature di transizione tipiche di questi stati sulle proprietà fisiche e la lavorabilità dei polimeri.
5. Master the basic concepts relating to the physical chemistry of polymer solutions.
6. Essere in grado di interpretare semplici tracciati calorimetrici di tipo DSC, identificando temperature di fusione e di transizione vetrosa e fenomeni di invecchiamento fisico.
7. Essere in grado di interpretare semplici tracciati termogravimetrici (TGA) per determinare la stabilità termica di polimeri e la composizione di miscele polimeriche.
8. Essere in grado di interpretare semplici spettri MALDI-TOF per l'identificazione della distribuzione delle masse molecolari dei polimeri e di loro dettagli strutturali.
9. Essere in grado di interpretare semplici spettri SEC per la determinazione dei pesi molecolari dei polimeri.
1. Definire i concetti di base ed i termini essenziali per lo studio della scienza dei polimeri.
2. Identificare le classi di monomeri polimerizzabili con i meccanismi sintetici descritti.
3. Descrivere i meccanismi fondamentali utilizzati per la sintesi di architetture polimeriche complesse e controllate, in particolare utilizzando meccanismi di polimerizzazioni vivente.
4. Comprendere le differenti caratteristiche dello stato solido amorfo e cristallino dei polimeri e l'influenza delle temperature di transizione tipiche di questi stati sulle proprietà fisiche e la lavorabilità dei polimeri.
5. Master the basic concepts relating to the physical chemistry of polymer solutions.
6. Essere in grado di interpretare semplici tracciati calorimetrici di tipo DSC, identificando temperature di fusione e di transizione vetrosa e fenomeni di invecchiamento fisico.
7. Essere in grado di interpretare semplici tracciati termogravimetrici (TGA) per determinare la stabilità termica di polimeri e la composizione di miscele polimeriche.
8. Essere in grado di interpretare semplici spettri MALDI-TOF per l'identificazione della distribuzione delle masse molecolari dei polimeri e di loro dettagli strutturali.
9. Essere in grado di interpretare semplici spettri SEC per la determinazione dei pesi molecolari dei polimeri.
Periodo: Primo 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
Primo semestre
Programma
1. Introduzione alla scienza dei polimeri
Materie plastiche e loro rilevanza. Definizione di monomero, macromolecola e unità ripetente. Polimeri naturali, sintetici, artificiali ed inorganici. Copolimeri statistici, alternati, a blocchi e ad innesto. Isomeria geometrica, configurazioni e conformazioni dei polimeri. Masse molecolare dei polimeri e loro distribuzioni; valori medi numerici e ponderali.
2. Meccanismo di polimerizzazione a stadi
Monomeri polimerizzabili. Dipendenza del grado di polimerizzazione dai parametri di reazione; funzioni di distribuzione numerale e ponderale delle masse molecolari. Sintesi di polimeri reticolati.
3. Meccanismo di polimerizzazione con radicali liberi (FRP)
Monomeri polimerizzabili. Principali stadi di reazione: inizio, propagazione e termine, trasferimento di catena. Dipendenza del grado medio di polimerizzazione dai parametri di reazione. Reazioni di inibizione e ritardo; auto-accelerazione. Reazione di depolimerizzazione e "ceiling temperature".
4. Polimerizzazione con meccanismo ionico
Monomeri polimerizzabili ed iniziatori specifici per meccanismi con intermedi cationici ed anionici; dipendenza della velocità di polimerizzazione dalla natura solvente. Meccanismo cationico: trasferimento di catena. Meccanismo anionico: polimerizzazione vivente.
5. Polimerizzazione stereospecifica
Monomeri polimerizzabili. Catalizzatori di tipo Ziegler/Natta: composizione, struttura e reattività generale. Catalizzatori iso- e sindiospecifici. Catalizzatori supportati ed impiego del terzo e quarto componente. Stadi di di terminazione e trasferimento di catena. Catalizzatori di tipo metallocenico: composizione, struttura e reattività generale. Ruolo dei metilalluminossani. Catalizzatori iso- e sindiospecifici. Effetto della simmetria sulla specificità del catalizzatore.
6. Polimerizzazione radicalica controllata (CRP): polimerizzazione mediata da nitrossidi (NMP); polimerizzazione a trasferimento di atomi (ATP); reversible addiction fragmentation chain transfer (RAFT).
7. Polimerizzazione ad apertura dell'anello (ROP): monomeri polimerizzabili. Classificazione degli iniziatori in elettrofili e nucleofili. Polimerizzazione pseudo-ionica. Polimeri di interesse industriale.
8. Polimerizzazione mediante trasferimento di gruppo. Monomeri polimerizzabili e meccanismo di polimerizzazione a catena.
9. Reazioni di copolimerizzazione. Definizione dei rapporti di reattività e loro metodi di determinazione.
9. Chimica fisica delle soluzioni polimeriche e blends polimerici.
10. Self assembly di polimeri, micelle polimeriche e polimerosomi.
11. Analisi del peso molecolare: viscosimetrica in soluzione; osmometria; diffusione della luce; cromatografia ad esclusione dimensionale; analisi MALDI-TOF.
12. Stato amorfo e cristallino: requisiti per il raggiungimento della cristallinità; morfologia dei cristalli polimerici; velocità di cristallizzazione. Polimeri amorfi e temperatura di transizione vetrosa.
13. Analisi termica. Calorimetrica a scansione (DSC): principio di funzionamento; analisi delle temperature di transizione vetrosa e di fusione. Dipendenza della forma dei termogrammi dalla velocità di riscaldamento e/o raffreddamento. Ricottura e invecchiamento fisico. Analisi termogravimetrica: principio di funzionamento e applicazione allo studio della decomposizione termica e termo-ossidativa dei polimeri.
Materie plastiche e loro rilevanza. Definizione di monomero, macromolecola e unità ripetente. Polimeri naturali, sintetici, artificiali ed inorganici. Copolimeri statistici, alternati, a blocchi e ad innesto. Isomeria geometrica, configurazioni e conformazioni dei polimeri. Masse molecolare dei polimeri e loro distribuzioni; valori medi numerici e ponderali.
2. Meccanismo di polimerizzazione a stadi
Monomeri polimerizzabili. Dipendenza del grado di polimerizzazione dai parametri di reazione; funzioni di distribuzione numerale e ponderale delle masse molecolari. Sintesi di polimeri reticolati.
3. Meccanismo di polimerizzazione con radicali liberi (FRP)
Monomeri polimerizzabili. Principali stadi di reazione: inizio, propagazione e termine, trasferimento di catena. Dipendenza del grado medio di polimerizzazione dai parametri di reazione. Reazioni di inibizione e ritardo; auto-accelerazione. Reazione di depolimerizzazione e "ceiling temperature".
4. Polimerizzazione con meccanismo ionico
Monomeri polimerizzabili ed iniziatori specifici per meccanismi con intermedi cationici ed anionici; dipendenza della velocità di polimerizzazione dalla natura solvente. Meccanismo cationico: trasferimento di catena. Meccanismo anionico: polimerizzazione vivente.
5. Polimerizzazione stereospecifica
Monomeri polimerizzabili. Catalizzatori di tipo Ziegler/Natta: composizione, struttura e reattività generale. Catalizzatori iso- e sindiospecifici. Catalizzatori supportati ed impiego del terzo e quarto componente. Stadi di di terminazione e trasferimento di catena. Catalizzatori di tipo metallocenico: composizione, struttura e reattività generale. Ruolo dei metilalluminossani. Catalizzatori iso- e sindiospecifici. Effetto della simmetria sulla specificità del catalizzatore.
6. Polimerizzazione radicalica controllata (CRP): polimerizzazione mediata da nitrossidi (NMP); polimerizzazione a trasferimento di atomi (ATP); reversible addiction fragmentation chain transfer (RAFT).
7. Polimerizzazione ad apertura dell'anello (ROP): monomeri polimerizzabili. Classificazione degli iniziatori in elettrofili e nucleofili. Polimerizzazione pseudo-ionica. Polimeri di interesse industriale.
8. Polimerizzazione mediante trasferimento di gruppo. Monomeri polimerizzabili e meccanismo di polimerizzazione a catena.
9. Reazioni di copolimerizzazione. Definizione dei rapporti di reattività e loro metodi di determinazione.
9. Chimica fisica delle soluzioni polimeriche e blends polimerici.
10. Self assembly di polimeri, micelle polimeriche e polimerosomi.
11. Analisi del peso molecolare: viscosimetrica in soluzione; osmometria; diffusione della luce; cromatografia ad esclusione dimensionale; analisi MALDI-TOF.
12. Stato amorfo e cristallino: requisiti per il raggiungimento della cristallinità; morfologia dei cristalli polimerici; velocità di cristallizzazione. Polimeri amorfi e temperatura di transizione vetrosa.
13. Analisi termica. Calorimetrica a scansione (DSC): principio di funzionamento; analisi delle temperature di transizione vetrosa e di fusione. Dipendenza della forma dei termogrammi dalla velocità di riscaldamento e/o raffreddamento. Ricottura e invecchiamento fisico. Analisi termogravimetrica: principio di funzionamento e applicazione allo studio della decomposizione termica e termo-ossidativa dei polimeri.
Prerequisiti
Conoscenze di base di chimica organica, incluse nel corso di Chimica Organica I del medesimo corso di laurea. Queste includono: nomenclatura, struttura e reattività generale di composti alifatici e aromatici; reattività di alcheni, alchini, alogenuri alifatici, acidi carbossilici; reazioni di sintesi di esteri, amidi, uretani, urea.
Metodi didattici
Lezioni frontali con l'ausilio di diapositive.
Materiale di riferimento
1. Materiale didattico corrispondente alle slide Power Point presentate a lezione disponibili sul sito del corso sulla piattaforma Ariel.
2. "Principles of polymerization" Geroge Odian, Wiley.
2. "Principles of polymerization" Geroge Odian, Wiley.
Modalità di verifica dell’apprendimento e criteri di valutazione
L'esame consisterà in una prova scritta nella quale si richiede di rispondere a domande aperte vertenti sull'intero programma del corso. Lo scopo è quello di verificare le conoscenze acquisite e la comprensione dei concetti discussi nei due moduli teorico e di laboratorio. La votazione varierà da 18 a 30 in maniera proporzionale alla correttezza delle risposte.
In particolare, saranno considerati i seguenti argomenti:
· Definizioni generali e concetti introduttivi sulla chimica dei polimeri.
· Meccanismi di sintesi dei polimeri, con riferimento alle famiglie dei monomeri polimerizzabili, alle reazioni di trasferimento di catena e all'andamento ed il controllo dei pesi molecolari nei vari processi di polimerizzazione.
· Controllo della stereochimica nelle polimerizzazioni con meccanismo coordinato. Dipendenza del controllo stereochimico dalla simmetrica dei catalizzatori metallocenici.
· Definizioni e caratteristiche delle soluzioni e dei blend polimeri.
· Definizioni e caratteristiche dello stato solido dei polimeri.
· Conoscenza dei principali valori delle temperature di transizione vetrosa e di fusione dei polimeri commerciali citati durante il corso.
· Metodi di analisi termica: principali metodi sperimentali e loro applicazioni. Differenza fra TGA e TGA ad alta risoluzione. Differenza fra DSC e MDSC.
· Metodi di determinazione delle masse molecolari: principali metodi sperimentali e loro applicazioni.
In particolare, saranno considerati i seguenti argomenti:
· Definizioni generali e concetti introduttivi sulla chimica dei polimeri.
· Meccanismi di sintesi dei polimeri, con riferimento alle famiglie dei monomeri polimerizzabili, alle reazioni di trasferimento di catena e all'andamento ed il controllo dei pesi molecolari nei vari processi di polimerizzazione.
· Controllo della stereochimica nelle polimerizzazioni con meccanismo coordinato. Dipendenza del controllo stereochimico dalla simmetrica dei catalizzatori metallocenici.
· Definizioni e caratteristiche delle soluzioni e dei blend polimeri.
· Definizioni e caratteristiche dello stato solido dei polimeri.
· Conoscenza dei principali valori delle temperature di transizione vetrosa e di fusione dei polimeri commerciali citati durante il corso.
· Metodi di analisi termica: principali metodi sperimentali e loro applicazioni. Differenza fra TGA e TGA ad alta risoluzione. Differenza fra DSC e MDSC.
· Metodi di determinazione delle masse molecolari: principali metodi sperimentali e loro applicazioni.
Docente/i
Ricevimento:
Ricevimento con orario libero, preferibile appuntamento via e-mail
Studio piano 3° Dipartimento di Chimica