Termoplasti protiv duroplasta: Razbijanje razlika

Termoplasti i duroplasti dvije su glavne vrste plastike koje se obično koriste u raznim industrijama. Iako dijele neke sličnosti kao organski polimeri, termoplasti i duroplasti imaju ključne razlike u svojoj molekularnoj strukturi i svojstvima koja određuju kako se mogu koristiti.

Ovaj članak pomoći će vam razumjeti razlike između termoplasta i duroplasta kako biste lakše razumjeli njihove različite karakteristike i primjene.

Pregled termoplasta i duroplasta

Dvije glavne kategorije polimernih materijala koji se koriste u proizvodnji su duroplasti i termoplasti.

Ovdje je kratka definicija oba materijala:

• Termoplasti su polimeri koji postaju savitljivi ili kalupljivi iznad određene temperature i skrućuju se nakon hlađenja. Možete ih ponovno zagrijavati i preoblikovati uvijek iznova bez promjene njihove kemijske strukture.
• Duroplasti su polimerni materijali koji se nepovratno stvrdnjavaju ili stvrdnjavaju stvaranjem umreženih mreža.

Razlike između duroplasta i termoplasta:

Neka ključna svojstva koja se razlikuju:

• Termoplasti se mogu više puta očvrsnuti i omekšati kada se zagriju, dok duroplasti prolaze trajno otvrdnjavanje nakon početnog oblikovanja
• Termoplasti imaju niže temperature taljenja u usporedbi s temperaturama razgradnje duroplasta
• Duroplasti općenito imaju veću mehaničku čvrstoću, tvrdoću i toplinsku stabilnost

Evo nekoliko primjera termoplasta

• Akril
• Najlon
• Acetalni kopolimer polioksimetilen
• Acetal homopolimer polioksimetilen
• Polikarbonat (PC)
• Polietilen (PE)
• Polistiren (PS)
• polipropilen (PP)
• Polivinilklorid (PVC)
• Polietilen tereftalat (PET)
• Teflon

Duroplasti se koriste u industriji jer duroplasti osiguravaju strukturni integritet i ekonomičniji su. Evo nekoliko primjera duroplasta:

• Fenoli
• Silikon
• Melamin
• Epoxy
• Poliviniliden fluorid (PVDF)
• Politetrafluoretilen (PTFE)
• Poliuretan
• Poliimid

U proizvodnji, termoplasti su podložni postupcima poput injekcijskog prešanja, dok duroplasti zahtijevaju impregnaciju ojačanja i kontrolirano stvrdnjavanje. Kompoziti se mogu izraditi korištenjem i termoplastičnih i duroplastičnih polimernih matrica. Primjeri su plastika ojačana ugljičnim vlaknima (CFRP) i keramički matrični kompoziti (CMC) poput C/C-SiC.

Kemijska svojstva i struktura

Polimerni lanci i umrežavanje 

Termoplasti su linearni lanci molekula, obično na bazi ugljika, poput polietilena i najlona. Lako se preoblikuju, fleksibilni su jer nemaju jake veze između lanaca. Međutim, molekule u duroplastima su umrežene, stvarajući složenu mrežu. Materijali poput epoksida, silikona i fenola imaju ovu mrežastu strukturu, zbog čega ih je teško preoblikovati nakon što se očvrsnu.

• Termoplastika: linearna, bez umrežavanja (npr. polikarbonat, akril)
• Duroplasti: umrežene mreže koje se križaju (npr. epoksi, poliuretan)

Kemijska otpornost

Ako se borite protiv kemikalija, želite znati što će izdržati. Izbor polimera je ključan. Termoplastika poput polipropilena može se bez problema oduprijeti mnogim kemijskim negativcima, ali bi mogla oslabiti s određenim otapalima. Duroplasti, zahvaljujući njihovoj čvrstoj strukturi, izlaze malo jači – materijali poput epoksida i fenola otporni su na širi spektar kemijskih tvari zbog tog neugodnog umrežavanja.

• Kemijska otpornost:
  • Termoplastika: dobra do izvrsna (ovisi o materijalu, npr. najlon, akril)
  • Duroplasti: obično izvrsni (npr. silikon, poliuretan)

Proces proizvodnje i oblikovanja

Kada trebate proizvoditi termoplastične i duroplastične proizvode, postoje različite tehnike za preradu u:

• Termoplastika: Zagrijana kako bi postala savitljiva za procese poput injekcijskog prešanja i ekstruzije.
• Duroplasti: Impregnirani u ojačanja i prolaze kontrolirane reakcije stvrdnjavanja.

Injekcijsko prešanje i ekstruzija

Kada imate posla s termoplastikom, tehnike poput injekcijskog prešanja i ekstruzije su metode koje se najčešće koriste. U injekcijskom prešanju, duroplast se topi i ubrizgava u kalup pod visokim pritiskom. To je brz proces, idealan za izradu velikih količina identičnih proizvoda. Za ekstruziju, plastika se gura kroz matricu kako bi se stvorili dugi, kontinuirani oblici.

Ključne karakteristike procesa:

• Termoplastične kuglice stavljaju se u zagrijanu bačvu i pod pritiskom guraju u šupljinu kalupa.
• Problemi se mogu pojaviti zbog smjera protoka i stvaranja linija zavara.
• Kristalni termoplasti poput polietilena (PE) skloniji su u usporedbi s amorfnim kao što je polistiren (PS).

Procesi stvrdnjavanja

Stvrdnjavanje je kritično kada radite s termoreaktivnom plastikom. Primijenite toplinu ili kemijsku reakciju, a materijal se trajno mijenja - ne može se preoblikovati nakon što se stvrdne. Ovaj proces omogućuje duroplastima poput poliimida da se stvrdnu u jake, izdržljive predmete poput izolacije ili ljepila. Stvrdnjavanje ih čini otpornima na visoke temperature i kemikalije, pa se često koriste u teškim uvjetima.

Infiltracija tekućim silikonom

Na temelju rezultata pretraživanja, Infiltracija tekućim silicijem (LSI) je proces koji se koristi za proizvodnju kompozita s keramičkom matricom, posebno C/C-SiC (ugljik-ugljik silicij karbid) kompozita. Ključne točke o infiltraciji tekućeg silicija (LSI) iz izvora su:

• Uključuje infiltraciju poroznog ugljičnog preforma rastaljenim silicijem iznad točke taljenja silicija (1414°C) 
• Rastaljeni silicij reagira s ugljikom u obliku silicijevog karbida (SiC), čime se stvara kompozit SiC matrice
• To je učinkovit i isplativ način izrade SiC matričnih kompozita u usporedbi s drugim procesima poput kemijske parne infiltracije
• Parametri procesa poput temperature, razine vakuuma i tlaka inertnog plina mogu se kontrolirati kako bi se optimizirala infiltracija
• Porozna mikrostruktura predoblika ugljika utječe na potpunost infiltracije i reakcije
• Kompoziti koje proizvodi LSI imaju visoku toplinsku stabilnost, toplinsku vodljivost i druga poboljšana svojstva

Ukratko, Infiltracija tekućim silicijem (LSI) je specijalizirani proizvodni proces za stvaranje C/C-SiC keramičkih matričnih kompozita korištenjem infiltracije rastaljenog silicija i reakcije s ugljikom.

Prijenos smole i reakcijsko injekcijsko prešanje 

Ako koristite termoreaktivnu plastiku, mogli biste upotrijebiti kalupljenje za prijenos smole (RTM) — to je poput sofisticiranije verzije injekcijskog prešanja, upotrebom predformi. Reakcijsko injekcijsko prešanje (RIM) još je jedna tehnika za duroplaste, miješanje dviju tekućih komponenti koje reagiraju i stvrdnu se unutar kalupa. Obje metode daju snažne dijelove složenih oblika, koji se često nalaze u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji.

Svojstva materijala i izvedba

Termoplasti i duroplasti značajno se razlikuju po svojim svojstvima i radnim karakteristikama:

 Mehanička svojstva

• Čvrstoća - Duroplasti općenito nude superiornu čvrstoću i izdržljivost u usporedbi s termoplastima. Često se koriste u zahtjevnim primjenama gdje materijali moraju izdržati veliki stres bez deformiranja. U međuvremenu, termoplasti poput polipropilena mogu se pohvaliti visokim omjerom čvrstoće i težine, što ih čini dovoljno jakima za mnoge upotrebe, a istovremeno su lagani.

Elastičnost i fleksibilnost

Termoplasti su obično fleksibilniji i elastičniji od duroplasta. Na primjer, termoplasti kao što je polistiren mogu se savijati i istezati, što ih čini idealnim za proizvode koji zahtijevaju malo popusta. Ta je elastičnost posljedica nižih tališta, što im omogućuje ponovno zagrijavanje i preoblikovanje prema potrebi.

Dimenzijska stabilnost i tolerancija

Duroplasti se ističu dimenzionalnom stabilnošću—nećete vidjeti da lako mijenjaju oblik ili dimenzije pod utjecajem topline ili tijekom stvrdnjavanja. Njihova struktura jednom postavljena je čvrsta kao kamen. Za precizne dijelove kod kojih su tolerancije male, ovo je velika prednost. Termoplasti također imaju dobru dimenzionalnu stabilnost, ali se mogu iskriviti ako se ne obrade ispravno.

Ponašanje skupljanja i puzanja

Primijetit ćete da se termoplasti donekle skupljaju dok se hlade u procesu oblikovanja. S druge strane, duroplasti imaju minimalno skupljanje zahvaljujući svojoj umreženoj strukturi. Dugoročno, termoplasti mogu puzati ili se deformirati pod stalnim stresom, dok duroplasti postojano održavaju svoj oblik, što im daje bolju otpornost na udarce tijekom vremena.

Učinci mikrostrukture

• Kristalnost utječe na svojstva polukristalnih termoplasta
• Gustoća poprečnih veza utječe na toplinsku stabilnost duroplasta
• Poroznost i defekti pogoršavaju mehaničku izvedbu

Ponašanje pri visokim temperaturama

• Većina termoplasta omekša blizu 150-200°C
• Duroplasti zadržavaju svojstva do 300-400°C
• Važna otpornost na oksidaciju i koroziju

 Recikliranje i održivost

• Termoplasti se mogu reciklirati
• Duroplasti tvore umrežene mreže i ne mogu se ponovno preraditi

Primjene i uporaba u industriji

Termoplasti i duroplasti se koriste u raznim industrijama zbog razlika u njihovim svojstvima i ekonomičnosti troškova:

Primjene u industriji

Neka glavna područja primjene:

• Automobili: dijelovi interijera, komponente ispod haube
• Zrakoplovstvo: konstrukcije zrakoplova, komponente motora
• Izgradnja: Cijevi, premazi, ljepila
• Elektronika: Tiskane pločice, konektori

 Kompoziti i prekursori

• C/C-SiC kompoziti izrađeni korištenjem fenolne smole i drugih duroplasta kao prekursora
• Plastika ojačana karbonskim vlaknima i staklenim vlaknima koja koristi epoksidne matrice

Ekonomika troškova

Dok termoplasti imaju veće troškove sirovina, obrada duroplasta može biti složenija i skuplja. Analiza troškova životnog ciklusa važna je za određivanje optimalnog izbora materijala.

Trenutačni trendovi istraživanja duroplasta i termoplasta

Istraživanja koja su u tijeku usmjerena su na daljnje poboljšanje termoplasta i duroplasta, kao i na usporedbu njihovog potencijala za različite primjene:

Razvoj prekursora duroplasta

• Procjena novih fenolnih smola i drugih polimera kao prekursora ugljičnih vlakana i ugljik-ugljik (C/C)
• Prilagođavanje svojstava prekursora za optimizirane performanse kompozita

Poboljšanja metode obrade

• Optimiziranje parametara injekcijskog prešanja kako bi se smanjili nedostaci linije zavara
• Razvijanje brzih i preciznih tehnika aditivne proizvodnje

Odnosi mikrostruktura-svojstva

• Razjašnjavanje veza između kristalnosti, gustoće poprečnih veza i krajnjih mehaničkih svojstava
• Strategije za smanjenje poroznosti i poboljšanje međufazne čvrstoće

Usporedna procjena

• Tehnoekonomske analize za određivanje optimalnog izbora materijala
• Modeli procjene životnog ciklusa uzimajući u obzir metriku održivosti
• Matrice odlučivanja rangiraju materijale na temelju ključnih kriterija

Buduća perspektiva termoplasta i termoreaktivne plastike?

Tekući napredak u materijalima i proizvodnji će oblikovati budući krajolik za termoplaste i duroplaste:

Termoplastični prekursori

• Novi projektirani termoplastični prekursori za proizvodnju kompozita
• Iskoristite mogućnost recikliranja uz zadržavanje visokih mehaničkih performansi

Hibridni sustavi

• Mješavine i kompoziti za optimizaciju svojstava
• Primjeri uključuju termoplastične ojačane epokside

Aditivna proizvodnja

• Brzi 3D ispis završnih termoplastičnih dijelova
• Nadilazi ograničenja u geometrijskoj složenosti

Održiva obrada

• Prijelaz na proizvodnju na bazi bioloških proizvoda i smanjenu emisiju CO2
• Usvajanje načela Industrije 4.0

Sve u svemu, sinergijsko korištenje termoplasta i duroplasta omogućit će razvoj visokoučinkovitih i održivih inženjerskih sustava.

Ukratko, termoplasti i duroplasti se značajno razlikuju po tome kako su oblikovani i kako reagiraju na toplinu. Termoplastika se može više puta omekšati toplinom i očvrsnuti hlađenjem, što im omogućuje lakše preoblikovanje i recikliranje. Duroplasti s druge strane podliježu nepovratnoj kemijskoj reakciji kada se stvrdnu, što znači da trajno zadržavaju svoj oblik, ali se ne mogu pretopiti ili ponovno oblikovati. Poznavanje svojstava termoplasta u odnosu na duroplaste važno je za inženjere i proizvođače kako bi odabrali pravi plastični materijal za različite zahtjeve proizvoda i razmatranja o kraju životnog vijeka.