La conduttività dei materiali polimerici

La scoperta dei polimeri conduttivi risale alla seconda metà degli anni ’70: fino ad allora, infatti, tali materiali erano noti unicamente per le loro proprietà isolanti. Da quel momento in avanti sono stati compiuti progressi molto importanti nel settore, e i polimeri sono diventati competitivi rispetto ai semi conduttori in molti ambiti: si pensi alle celle solari OPV, ma anche ai transistor a strato sottile o ai LED. Peraltro, non tutti i polimeri sono conduttivi, ma attraverso opportuni interventi possono diventare tali: per rendere il PTFE conduttivo, per esempio, è sufficiente integrare del carbonio in una minima percentuale, così che non vi siano cambiamenti di colore né ripercussioni sulle altre proprietà. Il poliacetilene, a sua volta, può essere trasformato da isolante a semi conduttore, o addirittura a conduttore vero e proprio, con l’uso di sostanze come il pentafluoruro di arsenico, gli alogenuri, lo iodio e il bromo. Le proprietà conduttive risultano più o meno amplificate a seconda della concentrazione della sostanza dopante che viene impiegata.

Le caratteristiche dei polimeri conduttivi

È strano pensare ad un polimero come a un materiale conduttivo, visto che si tratta di un isolante elettrico. Tuttavia, con l’aggiunta di specifiche cariche è possibile conseguire i risultati desiderati, tenendo conto del fatto che la richiesta di prodotti conduttivi da parte del mercato delle materie plastiche serve a soddisfare una vasta gamma di applicazioni, tra le quali vale la pena di menzionare la dissipazione elettrostatica e la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche. I materiali polimerici compositi conduttivi, in sostanza, non sono che il frutto della miscelazione di cariche conduttive in matrici polimeriche con caratteristiche isolanti.

Perché scegliere i polimeri conduttivi

Ma quali sono i motivi che spingono il mercato a richiedere il PTFE conduttivo o altri polimeri con le stesse caratteristiche? Il fatto è che le materie plastiche garantiscono un bel po’ di vantaggi, a cominciare dalla densità ridotta: il che si traduce in oggetti dal peso molto contenuto. Oltre a ciò, è necessario tenere conto del largo spettro di caratteristiche meccaniche e della semplicità di formatura, senza dimenticare i costi tutto sommato ridotti. Le materie plastiche conduttive, inoltre, in diverse applicazioni devono essere in grado di resistere al fuoco: è il caso del settore automotive o dell’elettronica.

Il carbon black

Uno dei prodotti che contribuiscono a trasformare un polimero in un materiale conduttivo è il carbon black, che è formato principalmente da carbonio. Il suo aspetto ricorda quello di una polvere nera molto fine, e la sua conducibilità elettrica fa sì che vi si possa fare affidamento in qualità di filler per la realizzazione di plastiche conduttrici. Ovviamente le proprietà sono diverse a seconda della dimensione media delle particelle e del livello di purezza. La conducibilità elettrica, comunque, può essere assicurata anche dalla grafite, la cui struttura caratteristica rende possibile il trasferimento di elettroni.

Gli effetti delle cariche conduttive

Nel caso in cui l’addizione delle cariche conduttive avvenga in concentrazioni piuttosto elevate, fino al 30% del peso, possono essere modificate anche altre proprietà, come per esempio la resistenza all’abrasione, la resistenza all’impatto e la rigidità. Non è detto, comunque, che l’impatto che ne deriva sia sempre auspicabile, almeno per ciò che concerne le proprietà meccaniche del polimero. In altri termini, conseguire particolari vantaggi dal punto di vista della conduttività elettrica può compromettere caratteristiche di altro tipo.

Come vengono classificati i polimeri conduttivi

La classificazione dei polimeri conduttivi fa riferimento alle modalità con le quali la conduzione viene ottenuta: si hanno, quindi, i polimeri che sono naturalmente conduttivi, i complessi polimerici a trasferimento di carica, i polimeri organometallici e i polimeri conduttivi compositi. Questi ultimi vengono creati miscelando i polimeri con polveri metalliche e altre particelle conduttive, come per esempio fibre di carbonio e scaglie di grafite. Il materiale passa da isolante a conduttore nel momento in cui il materiale conduttivo copre circa un quarto del volume complessivo: rientrano in tale categoria il PVC, il nylon e il polipropilene, le cui applicazioni nella vita di tutti i giorni sono ben note.

Gli ambiti di applicazione

È davvero lunga la lista dei potenziali campi di applicazione a cui possono essere destinati i polimeri conduttivi: tra gli altri vale la pena di menzionare, nel settore medico, i muscoli artificiali e il rilascio controllato di sostanze, che è possibile per effetto dell’emissione di ioni. In ambito elettrico, invece, i polimeri conduttivi possono essere usati per le cosiddette smart windows, vale a dire i vetri elettrocromici, ma anche per gli elettrodi all’interno delle batterie ricaricabili. Non vanno dimenticati, poi, i transistor a effetto di campo, i circuiti stampati e i sensori chimici. Nel campo della meccanica, la conduttività dei polimeri può essere sfruttata per la produzione di adesivi conduttivi, ma anche per la realizzazione di rivestimenti isolanti il cui scopo è quello di prevenire l’accumulo di carica elettrostatica.