Course Syllabus
Obiettivi
INTRODUZIONE GENERALE al Corso di CHIMICA MACROMOLECOLARE CON LABORATORIO (2324-2-E2701Q067)
Il Corso si svolge durante l’intera annualità e rappresenta un accompagnamento formativo che conduca lo studente alla capacità di conoscere, preparare e trattare i materiali macromolecolari a livello fondamentale. Esso è articolato in due moduli: il primo modulo (Macromolecole con Laboratorio) è costituito da una parte teorica, che inquadra i concetti portanti della scienza dei polimeri ed i metodi di sintesi (4 CFU), seguito nel secondo semestre dal laboratorio, che trasmette la conoscenza diretta e sperimentale delle macromolecole e della loro sintesi (4 CFU); nel secondo modulo (Applicazioni-materiali Polimerici) saranno definite le proprietà dei polimeri specificando le relazioni proprietà/struttura (6 CFU). Al termine dell’annualità, grazie anche a riferimenti a realtà applicative, lo studente conseguirà conoscenze ad ampio respiro che permetteranno di prendere confidenza col settore dei materiali polimerici.
OBIETTIVI del Modulo MACROMOLECOLE CON LABORATORIO (2324-2-E2701Q067-E2701Q067M)
Il corso fornirà le conoscenze di base sulla struttura e sulla sintesi di molecole polimeriche ad alta massa molecolare. La parte di laboratorio permetterà di acquisire le tecniche principali per la preparazione dei polimeri, la caratterizzazione delle masse molecolari e le proprietà termomeccaniche.
Conoscenze e capacità di comprensione
Al termine del corso lo studente conosce:
- la stereochimica, i principali metodi di sintesi delle macromolecole e i principi di distribuzione delle masse molecolari.
- le relazioni proprietà struttura in polimeri amorfi e cristallini.
- le tecniche principali di caratterizzazione dei materiali polimerici (Determinazione dei pesi molecolari, Calorimetria, Analisi dinamico meccanica).
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- sintetizzare i materiali polimerici con polimerizzazione a catena e a stadi.
- determinare i pesi molecolari medi e caratterizzare i polimeri sintetizzati con tecniche calorimetriche e dinamico-meccaniche.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente è in grado di:
- scegliere il metodo di sintesi più appropriato per la realizzazione di materiali polimerici di interesse.
- individuare i metodi di caratterizzazione più adatti alla descrizione dei polimeri sintetizzati.
Abilità comunicative
Saper esporre con proprietà di linguaggio i temi trattati durante il corso e descrivere in una relazione scientifica in modo chiaro e sintetico il procedimento e i risultati delle esperienze condotte in laboratorio, relative alla sintesi e alla caratterizzazione dei materiali polimerici.
Capacità di apprendere
Essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso e di comprendere gli argomenti trattati nella letteratura scientifica riguardante i materiali polimerici.
Contenuti sintetici
Il corso descrive le proprietà delle catene polimeriche, la stereochimica, i principi di distribuzione delle masse molecolari e la sintesi dei polimeri per polimerizzazione a catena, a stadi e di coordinazione. Durante il corso saranno presentate le principali proprietà di alcune famiglie di polimeri. A questa parte seguirà la descrizione delle proprietà dei polimeri cristallini ed amorfi per quanto riguarda la loro viscosità, le proprietà termiche e le principali transizioni, quali transizione vetrosa, fusione e cristallizzazione, la separazione delle masse molecolari con metodi cromatografici. L'attività di laboratorio comprende esercitazioni di sintesi per polimerizzazione a stadi e catena, determinazione delle proprietà (dinamico-meccanica, viscosità ecc.) e della distribuzione delle masse molecolari dei polimeri ottenuti.
Programma esteso
STRUTTURA DELLE MACROMOLECOLE
Costituzione, stereochimica e topologia delle macromolecole. Analisi statistica e distribuzione delle unità monomeriche e delle masse molecolari.
PREPARAZIONE DELLE PRINCIPALI CLASSI DI POLIMERI
Polimerizzazioni a stadi
Grado di polimerizzazione in funzione della stechiometria e del grado di avanzamento della reazione. Distribuzione delle masse molecolari secondo la teoria di Flory. Polimeri lineari, ramificati e reticolati.
Polimerizzazioni a catena
Polimerizzazione radicalica: Inizio propagazione, trasferimento e termine.
Grado di polimerizzazione e relazione di Mayo Lewis. Equazione di copolimerizzazione.
Polimerizzazione anionica: Polimerizzazione ‘vivente’ e polimeri a distribuzione ristretta delle masse molecolari.
Polimerizzazione per coordinazione: Meccanismo della polimerizzazione
Ziegler-Natta eterogenea e catalizzatori di generazioni successive.
Polimerizzazione omogenea promossa da metalloceni.
Il corso riguarda la preparazione, la caratterizzazione delle masse molecolari, lo studio delle transizioni termiche e termomeccaniche di materiali polimerici rappresentativi. Saranno affrontati i principali aspetti sperimentali inerenti la purificazione dei monomeri e l’esecuzione delle polimerizzazioni in ambiente inerte.
Saranno preparati materiali polimerici con i seguenti processi:
Polimerizzazione a stadi: preparazione del Nylon con metodo interfacciale ed, in particolare, di Nylon-6,6 e del Nylon-6,10
Esempi di polimerizzazione a catena con processo radicalico per l’ottenimento di polimeri, quali polistirene o polimetilmetacrilato con massa molecolare controllata.
I materiali così ottenuti verranno caratterizzati con tecniche viscosimetriche per la determinazione della massa molecolare mediante la relazione di Mark Houwink. La distribuzione delle masse molecolari sarà evidenziata mediante cromatografia ad esclusione sterica.
Saranno poi determinate sui materiali ottenuti le proprietà termiche e le principali transizioni, come la transizione vetrosa e la fusione, in funzione delle masse molecolari e della storia termica.
Inoltre, i materiali saranno caratterizzati secondo le loro proprietà dinamico-meccaniche per stabilire il modulo, i fenomeni dissipativi e il regime plastico.
Prerequisiti
Gli studenti dovranno aver maturato i concetti fondamentali di chimica generale ed organica.
Modalità didattica
21 lezioni da 2 ore in presenza in lingua italiana, Didattica Erogativa.
Materiale didattico
Fondamenti di Scienza dei Polimeri, AIM, Pacini Editore, Pisa.
Textbook of Polymer Science (III edition) F.W.Billmeyer, Wiley
E.M. Mc Caffery, Laboratory Preparation for Macromolecular Chemistry, Mc Graw-Hill
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo anno; primo e secondo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
- Colloquio orale sugli argomenti svolti a lezione volto a verificare il livello delle conoscenze acquisite, l'autonomia di analisi e giudizio, le capacità espositive dello studente
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
GENERAL INTRODUCTION to CHIMICA MACROMOLECOLARE CON LABORATORIO Course (2324-2-E2701Q067)
The course takes place throughout the year and represents a formative accompaniment that leads the student to the ability to know, prepare and treat macromolecular materials at a fundamental level. It is divided into two sections: the first unit (Macromolecole con Laboratorio) is constituted by a theoretical part, which frames the fundamental concepts of the science of polymers and the methods of synthesis (4 CFU), followed in the second semester by the laboratory, which transmits direct and experimental knowledge of macromolecules and their synthesis (4 CFU); in the second unit (Applicazioni-materiali Polimerici) the properties of the polymers will be defined by specifying the property / structure relationships (6 CFU). At the end of the year, thanks also to references to application realities, the student will gain wide-ranging knowledge that will allow them to become familiar with the sector of polymeric materials.
AIMS of MACROMOLECOLE CON LABORATORIO Unit (2324-2-E2701Q067-E2701Q067M)
The course will provide the basic knowledge on the structure and on the synthesis of high molecular weight polymers. The laboratory will allow to learn the main techniques for the preparation of polymers, the characterization of the molecular weights and the thermomechanical properties.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student knows:
- the stereochemistry, the main methods of macromolecular synthesis and the principles of molecular mass distribution.
- the property-structure relationships in amorphous and semi-crystalline polymers.
- the main techniques for the characterization of polymeric materials (determination of molecular weights, calorimetry, dynamic mechanical analysis)
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student is able to:
- synthesize polymeric materials by chain, step and coordination polymerization.
- determine the average molecular weights and characterize the polymers with calorimetric and dynamic-machanical techniques.
Making judgments
At the end of the course the student is able to:
- choose the most appropriate synthesis method for the realization of polymeric materials of interest.
- identify the most suitable characterization methods for the description of synthesized polymers.
Communication skills
To be able to present the topics of the course in a suitable language and describe the procedure and the results of the experiments carried out in the laboratory in a clear and concise scientific report.
Learning skills To be able to apply the acquired knowledge to contexts different from those presented during the course, and to understand the topics covered in the scientific literature concerning polymeric materials.
Contents
The course describes the properties of polymer chains, the stereochemistry, the principles of molecular weight distribution and the synthesis of polymers by chain, step and coordination polymerization. During the course the main properties of some polymer families will be presented. Then it will follow the description of the properties of crystalline and amorphous polymers with regard to their viscosity, thermal properties and main transitions, such as glass transition, melting and crystallization, the separation of molecular weights with chromatographic methods. The laboratory activity includes synthesis exercises for step and chain polymerization, determination of the properties (dynamic-mechanics, viscosity, etc.) and of the distribution of the molecular weights of the obtained polymers.
Detailed program
STRUCTURE OF MACROMOLECULES
Constitution, stereochemistry and topology of macromolecules. Statistical analysis and distribution of monomeric units and molecular weights.
PREPARATION OF THE MAIN POLYMER CLASSES
Step polymerization
Degree of polymerization as a function of stoichiometry and the degree of progress of the reaction. Distribution of molecular weights according to the Flory theory. Linear, branched and crosslinked polymers.
Chain polymerizations
Radical Polymerization: Beginning of propagation, transfer and termination.
Degree of polymerization and Mayo Lewis relationship. Copolymerization equation.
Anionic polymerization: 'Living' polymerization and polymer with narrow distribution of molecular weights.
Coordination polymerization: Polymerization mechanism
Heterogeneous Ziegler-Natta and catalysts of successive generations.
Homogeneous polymerization promoted by metallocenes.
The course deals with the preparation, the characterization of the molecular weights, the study of the thermal and thermomechanical transitions of representative polymeric materials. The main experimental aspects concerning the purification of monomers and the execution of polymerizations in an inert environment will be addressed.
Polymeric materials will be prepared with the following processes:
Step polymerization: Nylon preparation by interfacial method and, in particular, Nylon-6,6 and Nylon-6,10.
Examples of chain polymerization with a radical process for obtaining polymers, such as polystyrene or polymethyl methacrylate with controlled molecular weights.
The materials thus obtained will be characterized by viscosimetric techniques for the determination of the molecular mass by means of the Mark Houwink relationship. The distribution of the molecular weights will be evidenced by steric exclusion chromatography.
The thermal properties and the main transitions, such as the glass transition and the melting, will be determined on the obtained materials, as a function of the molecular weights and the thermal history.
Furthermore, the materials will be characterized according to their dynamic-mechanical properties to establish the module, the dissipative phenomena and the plastic regime.
Prerequisites
A basic knowledge of general and organic chemistry is requested.
Teaching form
21 two-hour lectures, in person, in Italian. Delivered Didactics.
Textbook and teaching resource
Fondamenti di Scienza dei Polimeri, AIM, Pacini Editore, Pisa.
Textbook of Polymer Science (III edition) F.W.Billmeyer, Wiley
E.M. Mc Caffery, Laboratory Preparation for Macromolecular Chemistry, Mc Graw-Hill
Semester
Second year; first and second semester.
Assessment method
- Oral interview on the topics covered in class, aimed at verifying the level of the acquired knowledge, the autonomy of analysis and judgment, the student's exhibition skills.
Office hours
By appointment.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Piero Ernesto Sozzani
