Syllabus del corso
Obiettivi
Lo scopo del corso è di far familiarizzare gli studenti con concetti rilevanti nella chimica dei polimeri come la caratterizzazione di polimeri e le distribuzioni di peso molecolare; la termodinamica di soluzioni polimeriche; lo stato cristallino e amorfo; l'elasticità della gomma; relazione struttura-proprietà. Verranno inoltre presentati argomenti speciali dei materiali polimerici come i copolimeri a blocchi e polimeri naturali.
Applicazione della conoscenza:
• Acquisizione della capacità di applicare le nozioni apprese nel corso alla descrizione efficace di polimeri di interesse applicativo ed industriale
Competenze comunicative:
• Acquisizione di capacità comunicative verbali e scritte in concetti relativi alla struttura gerarchica dei polimeri dal livello molecolare a quello macroscopico.
Elaborazione di giudizi:
• Lo studente acquisirà la competenza di associare la principali carattetirsctiche di un polimero (temperatura di transizione vetrosa, temperatura di fusione, viscosistà e modulo elastico) all'architettura molecolare dello stesso.
Competenze di apprendimento
• Lo studente è in grado di estendere quanto appreso nelle lezioni a casi di studio non trattati durante il corso. In particolare è in
grado di gestire i datasheetd di polimeri di interesse industriale
Contenuti sintetici
Termodinamica delle soluzioni polimeriche. Teoria di Flory-Huggings . Conformazione delle catene in soluzione: polimeri flessibili e rigidi. Concetto di random coil e raggio di girazione. Miscele polimeriche e diagrammi di fase. Sintesi e proprietà dei copolimeri a blocchi. Lo stato cristallino dei polimeri: lamelle, sferuliti, fibre. Polimeri semicristallini: polietilene, polipropilene iso- e sindiotattico. Polimeri liquido cristallini. Polimeri reticolati ed elasticità della gomma. Comportamento meccanico dei polimeri. Viscoelasticità e reologia dei polimeri: misure di creep, tempi di rilassamento. Polisaccaridi e materiali a base proteica.
Programma esteso
Conformazioni dei Polimeri, end-to –end distance, lunghezza di persistenza, catene semiflessibili e catene rigide, raggio di girazione, dendrimeri, polimeri ramificati
Termodinamica delle soluzioni polimeriche, entropia ed entalpia di miscelamento, Teoria di Flory-Huggings, parametro X
Pressione osmotica, osmometria, Teoria di Flory Hugging della pressione osmotica, parametro B, concetto di solvente q
Diagramma di fase di soluzioni polimeri, binodale, spinodale e punto critico
Copolimeri a blocchi in soluzione ed allo stato solido
Dinamica delle soluzioni polimeriche, frizione e viscosità, fluidi Newtoniani e Non-Newtoniani, legge di Stokes, viscosità di soluzioni polimeriche diluite, equazione di Mark- Houwink, difffusione e relazione di Stokes-Einstein, polimerizzazione in emulsione
Elasticità della gomma, vulcanizzazione della gomma naturale, proprietà meccaniche, termodinamica dell’elasticità.
Proprietà Meccaniche: misure di creep, di rilassamento, plateau gommoso, elemento di Maxwell, elemento di Voigt
Polimeri semicristallini, conformazione ad elica, termodinamica della cristallizzazione, lamelle, sferuliti,
Materiali polimerici a base di carboidrati, cellulosa, emicellulosa, acetato di cellulosa, amido, agar
Materiali polimerci a base di proteine, lana, seta, keratina, collagene
Prerequisiti
Conoscenze di base di chimica dei polimeri quali il concetto di catena polimerica, peso molecolare medio, semplici metodi di polimerizzazione
Modalità didattica
24 lezioni di due ore ciascune in presenza in lingua italiana. In caso di presenza di incoming students il corso potrà essere erogato in lingua inglese.
Materiale didattico
Testi:
"Polymer Chemistry” (Second Edition) P.C. Hiemenz, T.P. Lodge, CRC Press.
“Introduction to Physical Polymer Science” (Fourth Edition), L.H. Sperling, Wiley”
Presentazioni powerpoint con i contenuti delle varie lezioni
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Secondo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame consiste in una prova orale in cui sono discussi gli argomenti presentati nelle lezioni. Oltre all’apprendimento delle nozioni fondamentali esposte nel corso, vengono valutate anche le capacità e attitudini dello studente ad adattare i fondamenti teorici della chimica dei polimeri a particolari condizioni operative e pratiche (per esempio la differenze di proprietà meccaniche tra una gomma e un termoplastico, oppure l'origine molecolare dell'elasticità della gomma); viene infine valutata la capacità espositiva e adeguatezza del linguaggio dello studente.
Vengono inoltre effettuate due prove intermedie (con la risoluzione di esercizi e la risposta a domande) alla metà dello svolgimento del corso ed alla fine del corso; ogni prova comprende 10 tra domande ed esercizi; gli studenti che ottengono esito positivo in entrambe le prove (per ogni esercizio o domanda vengono attribuiti da 0 a 10 punti, si considera esito positivo il superamento dei 50 punti ) possono sostenere una prova orale ridotta, in cui vengono discussi le domande e gli esercizi delle due prove intermedie.
Orario di ricevimento
Martedi ore 14:00-16:00 nel ufficio del docente
Sustainable Development Goals
Aims
The aims of the course is to familiarize students with relevant comcepts in polymer chemistry like characterization of polymers and molecular weight distributions; thermodynamics of polymer solutions; the crystalline and amorphous states; rubber elasticity; structure-property relationships. Special topics in polymer materials like block copolymers and natural polymers will be also introduced.
Application of knowledge:
• Acquisition of the ability to apply the notions learned during the course to the effective description of polymers of applicative and industrial interest
Communication skills:
• Acquisition of verbal and written communication skills in concepts related to the hierarchical structure of polymers from the molecular to the macroscopic level.
Elaboration of judgments:
• The student will acquire the ability to associate the main characteristics of a polymer (glass transition temperature, melting temperature, viscosity and elastic modulus) to its molecular architecture.
Learning skills
• The student is able to extend what has been learned in the lessons to case studies not covered during the course. In particular, he is able to
manage the datasheets of polymers of industrial interest
Contents
Thermodynamics of polymer solutions. Flory-Huggings theory. Chain conformation in solution: flexible and rigid polymers. Concept of random coil and radius of gyration. Polymeric mixtures and phase diagrams. Block copolymers synthesis and properties. Emulsion Polymerization. T. The crystalline state of polymers: lamellae, spherulites, fibers. Semi-crystalline polymers: polyethylene, iso- and syndiotactic polypropylene. Crystalline liquid polymers. Cross-linked polymers and rubber elasticity. Mechanical behavior of polymers. Viscoelasticity and rheology of polymers: creep measurements, relaxation times. Polysaccharides and protein based materials
Detailed program
Conformations of Polymers, end-to-end distance, length of persistence, semi-flexible chains and rigid chains, radius of gyration, dendrimers, branched polymers
Thermodynamics of polymer solutions, entropy and mixing enthalpy, Flory-Huggings theory, parameter χ
Osmotic pressure of a polyme solution, osmometry, Flory Huggins theory for osmotic pressure, parameter B, comcept of θ solvent
Phase diagram of polymer solutions, binodal, spinodal and critical point (LCST and UCST)
Block copolymers and self-assembly in bulk and in solution
Dynamics of polymeric solutions, friction and viscosity, Newtonian and Non-Newtonian fluids, Stokes's law, viscosity of diluted polymeric solutions, Mark-Houwink's equation, diffusion and Stokes-Einstein relationship, emulsion polymerization
Elasticity of rubber, vulcanization of natural rubber, mechanical properties, thermodynamics of elasticity.
Mechanical properties: creep, relaxation, rubbery plateau, Maxwell element, Voigt element
Semicrystalline polymers, helical conformation, thermodynamics of crystallization, lamellae, spherulites,
Polymeric materials based on carbohydrates, cellulose, hemicellulose, cellulose acetate, starch, agar
Polymeric materials based on proteins, wool, silk, keratin, collagen
Prerequisites
Basic knowledge of polymer chemistry: definition of polymer, average molecular weight, simple polymerization methods
Teaching form
24 lectures of 2 hours each in classroom in italian language. In the case of incoming students, the course will be delivered in English.
Textbook and teaching resource
Textbooks
"Polymer Chemistry” (Second Edition) P.C. Hiemenz, T.P. Lodge, CRC Press.
“Introduction to Physical Polymer Science” (Fourth Edition), L.H. Sperling, Wiley”
Powerpoint presntation containing the lessons
Semester
Second semester
Assessment method
The exam consists of an oral exam in which the topics presented in the lessons are discussed. In addition to learning the fundamentals presented in the course, the student's skills and aptitudes are also assessed to adapt the theoretical foundations of polymer chemistry to particular operational and practical conditions (for example the differences in mechanical properties between a rubber and a thermoplastic, or the molecular origin of the elasticity of the rubber); the exhibition capacity and adequacy of the student's language is evaluated.
Two intermediate tests are also carried out (with the resolution of exercises and the answer to questions) at half of the course and at the end of the course; each test includes 10 questions and exercises; students who obtain a positive result in both the tests (for each exercise or question are assigned from 0 to 10 points, the achievement of 50 points is considered positive) can take a reduced oral exam, in which the questions and the exercises of the two intermediate tests are discussed.
Office hours
On tuedsay from 2:00 to 4:00 in instructor's office
