Термопластмаси срещу термореактивни материали: Разбиване на разликите

Термопластмасите и термореактивните пластмаси са два основни вида пластмаси, които обикновено се използват в различни индустрии. Въпреки че споделят някои прилики като органични полимери, термопластичните и термореактивните пластмаси имат ключови разлики в тяхната молекулярна структура и свойства, които определят как могат да бъдат използвани.

Тази статия ще ви помогне да разберете разликите между термопласти и термореактивни пластмаси, за да ви помогне да разберете различните им характеристики и приложения.

Преглед на термопластичните и реактивните пластмаси

Двете основни категории полимерни материали, използвани в производството, са термореактивни и термопластични.

Ето кратко определение на двата материала:

• Термопластите са полимери, които стават гъвкави или формовани над определена температура и се втвърдяват при охлаждане. Можете да ги претопляте и преоформяте отново и отново, без да променяте химичната им структура.
• Термореактивните материали са полимерни материали, които необратимо се втвърдяват или втвърдяват чрез образуването на омрежени мрежи.

Разлики между термореактивни и термопластични:

Някои ключови свойства, които се различават:

• Термопластичните пластмаси могат да бъдат многократно втвърдени и омекотени при нагряване, докато термореактивните материали претърпяват постоянно втвърдяване след първоначалното формоване
• Термопластичните пластмаси имат по-ниски температури на топене в сравнение с температурите на разграждане на реактивните пластмаси
• Термореактивните материали обикновено имат по-висока механична якост, твърдост и термична стабилност

Ето няколко примера за термопластмаса

• Акрил
• Найлон
• Ацетален съполимер полиоксиметилен
• Ацетален хомополимер полиоксиметилен
• Поликарбонат (PC)
• Полиетилен (PE)
• Полистирен (PS)
• Полипропилен (PP)
• Поливинилхлорид (PVC)
• Полиетилен терефталат (PET)
• Тефлон

Термореактивните пластмаси се използват в промишлеността, тъй като термореактивните пластмаси осигуряват структурна цялост и са по-икономични. Ето няколко примера за термореактивна пластмаса:

• Феноли
• Силикон
• Меламин
• Епоксидна смола
• Поливинилиден флуорид (PVDF)
• Политетрафлуоретилен (PTFE)
• Полиуретан
• Полиимид

В производството термопластичните пластмаси се поддават на процеси като леене под налягане, докато термореактивните пластмаси изискват импрегниране на армировките и контролирано втвърдяване. Композитите могат да бъдат направени с помощта както на термопластични, така и на термореактивни полимерни матрици. Примери за това са подсилени с въглеродни влакна пластмаси (CFRP) и композити с керамична матрица (CMC) като C/C-SiC.

Химични свойства и структура

Полимерни вериги и омрежване 

Термопластите са линейни вериги от молекули, обикновено базирани на въглерод, като полиетилен и найлон. Лесни за формоване, те са гъвкави, защото им липсват силни връзки между веригите. Молекулите в термореактивните обаче са омрежени, създавайки сложна мрежа. Материали като епоксидни, силиконови и фенолни имат тази мрежеста структура, което ги прави трудни за преоформяне, след като се втвърдят.

• Термопласти: линейни, без омрежване (напр. поликарбонат, акрил)
• Термореактивни материали: омрежени, пресичащи се мрежи (напр. епоксидна смола, полиуретан)

Химическа устойчивост

Ако се изправяте срещу химикали, искате да знаете какво ще издържи. Изборът на полимер е ключов. Термопластите като полипропилен могат да устоят на много химически злодеи без проблем, но те могат да отслабнат с определени разтворители. Термореактивните материали, благодарение на здравата им структура, излизат малко по-здрави – материали като епоксидна смола и фенол издържат устойчиво на по-широк спектър от химични вещества поради това досадно омрежване.

• Химическа устойчивост:
  • Термопласти: добри до отлични (варира според материала, напр. найлон, акрил)
  • Термореактивни: Обикновено отлични (напр. силикон, полиуретан)

Процес на производство и формоване

Когато трябва да произвеждате термопластични и термореактивни продукти, има различни техники за преработка в:

• Термопласти: Нагряват се, за да станат гъвкави за процеси като леене под налягане и екструдиране.
• Термореактивни: Импрегнирани в подсилвания и претърпяват контролирани реакции на втвърдяване.

Инжекционно формоване и екструдиране

Когато се занимавате с термопласти, техники като шприцоване и екструдиране са най-добрите методи. При леене под налягане термореактивната пластмаса се разтопява и се инжектира в матрица под високо налягане. Това е бърз процес, идеален за направата на големи количества идентични артикули. За екструдиране пластмасата се избутва през матрица, за да се създадат дълги, непрекъснати форми.

Основни характеристики на процеса:

• Термопластичните пелети се подават в нагрят варел и се изтласкват в кухината на формата под налягане.
• Проблеми могат да възникнат поради посоката на потока и образуването на заваръчни линии.
• Кристалните термопласти като полиетилен (PE) са по-податливи в сравнение с аморфните като полистирол (PS).

Процеси на втвърдяване

Втвърдяването е критично, когато работите с термореактивни пластмаси. Прилагате топлина или химическа реакция и материалът се променя трайно - не може да бъде преформатиран, след като е втвърден. Този процес позволява на термореактивни материали като полиимид да се втвърдят в здрави, издръжливи елементи като изолация или лепила. Втвърдяването ги прави устойчиви на високи температури и химикали, така че често се използват в тежки среди.

Инфилтрация на течен силиций

Въз основа на резултатите от търсенето инфилтрацията с течен силиций (LSI) е процес, използван за производство на композити с керамична матрица, по-специално C/C-SiC (въглерод-въглерод силициев карбид) композити. Ключовите моменти относно инфилтрацията на течен силиций (LSI) от източниците са:

• Това включва инфилтриране на пореста въглеродна заготовка с разтопен силиций над точката на топене на силиция (1414°C) 
• Разтопеният силиций реагира с въглерод, за да образува силициев карбид (SiC), като по този начин създава матричен композит от SiC
• Това е ефективен и рентабилен начин за производство на SiC матрични композити в сравнение с други процеси като химическа инфилтрация на пари
• Параметри на процеса като температура, ниво на вакуум и налягане на инертен газ могат да се контролират за оптимизиране на инфилтрацията
• Микроструктурата на порестата въглеродна заготовка влияе върху пълнотата на инфилтрацията и реакцията
• Композитите, произведени от LSI, имат висока термична стабилност, топлопроводимост и други подобрени свойства

В обобщение, инфилтрацията с течен силиций (LSI) е специализиран производствен процес за създаване на C/C-SiC композити с керамична матрица, използвайки инфилтрация на разтопен силиций и реакция с въглерод.

Трансфер на смола и реакционно леене под налягане 

Ако използвате термореактивни пластмаси, може да използвате формоване с трансфер на смола (RTM) — това е като по-усъвършенствана версия на леене под налягане, използвайки предварителни форми. Реакционното шприцоване (RIM) е друга техника за термореактивни, смесващи два течни компонента, за да реагират и да се втвърдят във формата. И двата метода ви дават здрави части със сложни форми, често срещани в автомобилни и космически приложения.

Свойства на материала и производителност

Термопластите и термореактивните пластмаси се различават значително по своите свойства и експлоатационни характеристики:

 Механични свойства

• Здравина - Термореактивните материали обикновено предлагат превъзходна здравина и издръжливост в сравнение с термопластичните. Те често се използват в трудни приложения, където материалите трябва да издържат на голямо напрежение, без да се деформират. Междувременно термопласти като полипропилен се отличават с високо съотношение на якост към тегло, което ги прави достатъчно здрави за много приложения, докато са леки.

Еластичност и гъвкавост

Термопластичните пластмаси обикновено са по-гъвкави и еластични от термореактивните. Например, термопласти като полистирен могат да се огъват и разтягат, което ги прави идеални за продукти, които изискват малко повече. Тази еластичност се дължи на по-ниските им точки на топене, което им позволява да бъдат повторно нагрявани и преформатирани според нуждите.

Стабилност и толерантност на размерите

Термореактивните пластове се отличават със стабилност на размерите – няма да ги видите да променят формата или размерите си лесно при нагряване или по време на втвърдяване. Тяхната структура, веднъж поставена, е здрава като скала. За прецизни части, където толерансите са тесни, това е огромно предимство. Термопластите също имат добра стабилност на размерите, но могат да се изкривят, ако не се обработват правилно.

Поведение при свиване и пълзене

Ще забележите, че термопластичните пластмаси са склонни да се свиват донякъде, докато се охлаждат от процесите на формоване. От друга страна, термореактивните имат минимално свиване благодарение на тяхната омрежена структура. В дългосрочен план термопластичните пластмаси могат да пълзят или да се деформират при постоянен стрес, докато термореактивните пластове поддържат формата си стабилно, което им осигурява по-добра устойчивост на удар във времето.

Ефекти на микроструктурата

• Кристалността влияе върху свойствата на полукристалните термопласти
• Плътността на кръстосаните връзки влияе върху термичната стабилност на термореактивните
• Порьозността и дефектите влошават механичните характеристики

Поведение при висока температура

• Повечето термопласти се размекват около 150-200°C
• Реактивните пластове запазват свойствата си до 300-400°C
• Устойчивостта на окисляване и корозия е важна

 Рециклиране и устойчивост

• Термопластите могат да се рециклират
• Термореактивните материали образуват омрежени мрежи и не могат да бъдат преработени

Приложения и използване в индустрията

Термопластичните и термореактивните пластмаси се използват в различни индустрии поради разликите в техните свойства и икономика на разходите:

Индустриални приложения

Някои основни области на приложение:

• Автомобили: Вътрешни части, компоненти под капака
• Космонавтика: конструкции на самолета, компоненти на двигателя
• Конструкция: Тръби, покрития, лепила
• Електроника: Печатни платки, конектори

 Композитни материали и прекурсори

• C/C-SiC композити, направени с помощта на фенолна смола и други термореактивни материали като прекурсори
• Пластмаси, подсилени с въглеродни влакна и стъклени влакна, използващи епоксидни матрици

Икономика на разходите

Докато термопластите имат по-високи разходи за суровини, обработката на термореактивни може да бъде по-сложна и скъпа. Анализът на разходите през жизнения цикъл е важен за определяне на оптималния избор на материал.

Текущи тенденции в изследванията на термореактивни пластмаси и термопластмаси

Текущите изследвания са фокусирани върху по-нататъшното подобряване на термопластмасите и термореактивната пластмаса, както и сравняването на техния потенциал за различни приложения:

Разработка на термореактивен прекурсор

• Оценяване на нови фенолни смоли и други полимери като прекурсори на въглеродни влакна и въглерод-въглерод (C/C)
• Приспособяване на свойствата на прекурсора за оптимизирана композитна производителност

Подобрения в метода на обработка

• Оптимизиране на параметрите на леене под налягане за минимизиране на дефектите на линията на заваряване
• Разработване на високоскоростни и прецизни адитивни производствени техники

Връзки микроструктура-свойства

• Изясняване на връзките между кристалността, плътността на кръстосаните връзки и крайните механични свойства
• Стратегии за намаляване на порьозността и подобряване на здравината на повърхността

Сравнителна оценка

• Технико-икономически анализи за определяне на оптимален избор на материал
• Модели за оценка на жизнения цикъл, като се вземат предвид показателите за устойчивост
• Матрици за решения, класиращи материали въз основа на ключови критерии

Бъдеща перспектива на термопластмасите и термореактивните пластмаси?

Текущият напредък в материалите и производството ще оформи бъдещия пейзаж за термопласти и реактивни пластмаси:

Термопластични прекурсори

• Нови конструирани термопластични прекурсори за производство на композити
• Възползвайте се от възможността за рециклиране, като същевременно запазвате високи механични характеристики

Хибридни системи

• Смеси и композити за оптимизиране на свойствата
• Примерите включват термопластични закалени епоксиди

Адитивно производство

• Високоскоростен 3D печат на крайни термопластични части
• Преодолява ограниченията в геометричната сложност

Устойчива обработка

• Преминаване към производство на биологична основа и с намалени емисии на CO2
• Приемане на принципите на Индустрия 4.0

Като цяло, синергичното използване на термопласти и термореактивни пластмаси ще даде възможност за разработване на високопроизводителни и устойчиви инженерни системи.

В обобщение, термопластичните и термореактивните пластмаси се различават значително по начина, по който се образуват и как реагират на топлина. Термопластичните пластмаси могат да бъдат многократно омекотени с топлина и втвърдени с охлаждане, което им позволява да бъдат преформатирани и рециклирани по-лесно. От друга страна, термореактивните материали претърпяват необратима химическа реакция, когато се втвърдяват, което означава, че запазват формата си за постоянно, но не могат да бъдат претопени или преформовани. Познаването на свойствата на термопластичните в сравнение с термореактивните материали е важно за инженерите и производителите, за да изберат правилния пластмасов материал за различните изисквания към продукта и съображения за края на жизнения цикъл.