Differenza tra Tg e Tm nello stampaggio a iniezione di plastica

Che cos'è la temperatura di transizione (Tg)?

Temperatura di transizione vetrosa (Tg) si riferisce al punto in cui un polimero passa da uno stato duro e vetroso a uno morbido e gommoso. Al di sopra della Tg, i polimeri diventano flessibili e mostrano alcune caratteristiche di flusso. Al di sotto di questa temperatura, sono più rigidi e meno flessibili.

Fattori che influenzano la Tg

Diversi fattori possono influenzare la Tg nei polimeri.

Peso molecolare è un fattore chiave; pesi molecolari più elevati spesso portano a valori di Tg più elevati. Forze intermolecolari svolgono anche un ruolo. Forze più forti rendono più difficile lo spostamento delle catene polimeriche, aumentando la Tg.

Plastificanti possono essere aggiunti per abbassare la Tg. Rendono più facile alle catene di scivolare l'una sull'altra. D'altro canto, l'aggiunta di riempitivi può aumentare la Tg limitando il movimento. Anche la storia termica è importante. Se un polimero è stato riscaldato e raffreddato molte volte, la Tg può spostarsi.

Cos'è la temperatura di fusione (Tm)?

Quando si riscalda un polimero, le regioni cristalline passano dallo stato solido a quello liquido. Questo processo di fusione avviene alla temperatura di fusione (Tm). Questa temperatura differisce tra i materiali a causa della struttura cristallina e della forza di legame all'interno del polimero. Nei polimeri cristallini, questi modelli sono più ordinati, con conseguente punto di fusione netto.

Influenza del peso molecolare e della struttura

Il peso molecolare di un polimero ha un impatto notevole sulla sua temperatura di fusione. I polimeri con un peso molecolare elevato hanno solitamente una Tm più elevata. Il motivo è che un peso molecolare maggiore aumenta l'intreccio delle catene, rendendo più difficile per le catene muoversi e fondersi.

Anche la struttura molecolare gioca un ruolo. I polimeri lineari potrebbero avere una Tm più distinta di quelli ramificati a causa delle catene strettamente impacchettate. Perfezione cristallina e anche l'allineamento della catena influisce su Tm, con un allineamento migliore che porta a temperature più elevate.

La differenza tra Tg e Tm

Caratteristica	Temperatura di transizione vetrosa (Tg)	Temperatura di fusione (Tm)
Tipo di modifica	Transizione di secondo ordine senza cambiamento di fase; solo cambiamenti di proprietà fisiche	Transizione di fase del primo ordine da solido a liquido
Tipo di materiale	Si verifica solo nei materiali amorfi e semicristallini	Si verifica nei materiali cristallini
Cambiamento di stato	Stato di vetro allo stato di gomma senza cambiare fase	Da fase solida a fase liquida
Struttura molecolare	Nessun cambiamento nella disposizione molecolare; rimane amorfo	Rottura completa della struttura cristallina
Reversibilità	Processo completamente reversibile	Cambiamento di fase reversibile
Intervallo di temperatura	Generalmente si verifica a temperature inferiori a Tm	Tipicamente superiore a Tg
Fattori Influenti	– Struttura chimica del polimero – Peso molecolare – Contenuto di plastificanti – Flessibilità	– Pressione – Legame chimico – Forma e dimensione delle molecole – Imballaggio molecolare
Metodo di misurazione	Tipicamente misurato utilizzando la calorimetria differenziale a scansione	Misurato a una pressione specifica (solitamente pressione standard)
Importanza industriale	Fondamentale nella lavorazione e nelle applicazioni dei polimeri	Importante per la selezione e la lavorazione dei materiali
Stato fisico	Il materiale rimane solido ma diventa flessibile/gommoso	Il materiale si trasforma completamente in liquido
Cambiamento energetico	Comporta un ammorbidimento graduale	Comporta la trasformazione di fase completa
Impatto dell'applicazione	Determina la flessibilità del materiale e le condizioni di lavorazione	Determina la resistenza al calore del materiale e i limiti di lavorazione
Dipendenza dalla velocità di riscaldamento	Più sensibile alle variazioni della velocità di riscaldamento	Meno sensibile alle variazioni della velocità di riscaldamento

Come Tg e Tm definiscono le categorie dei polimeri

Termoplastici vs. Termoindurenti: Tg e Tm aiutano a distinguere queste categorie. I termoplastici hanno sia Tg che Tm e possono essere rimodellati più volte tramite riscaldamento. I termoindurenti, invece, si reticolano ad alte temperature, fissando la forma quando si raffreddano. Presentano una Tg ma non una tipica Tm perché non si fondono.

Cristallinità e proprietà: I polimeri con elevata cristallinità hanno una Tm chiara e nitida e una resistenza meccanica generalmente più elevata. Quelli con un contenuto amorfo più elevato hanno una Tg evidente e una maggiore flessibilità ma una rigidità strutturale inferiore.

Tg e Tm nella fabbricazione di stampi

La temperatura di transizione vetrosa (Tg) e la temperatura di fusione (Tm) sono parametri critici nei processi di stampaggio a iniezione e pressofusione, poiché influenzano direttamente le condizioni di lavorazione e la qualità del prodotto finale. Se la temperatura di lavorazione è inferiore a Tg, il polimero rimane rigido e fragile, il che comporta una flessibilità limitata e un rischio elevato di frattura durante il processo di stampaggio. Ciò può causare difetti come crepe o riempimento incompleto della cavità dello stampo, compromettendo in ultima analisi l'integrità delle parti stampate.

Al contrario, Tm imposta la temperatura massima necessaria per fondere completamente il polimero, assicurando che il materiale possa fluire correttamente nella cavità dello stampo. Se la temperatura supera Tm, il polimero potrebbe degradarsi o decomporsi, portando a scarse proprietà del materiale e difetti nel prodotto finale.

Quando la temperatura di lavorazione è vicina o superiore a Tg, le proprietà del materiale possono cambiare in modo significativo. Il polimero diventa più flessibile, consentendo una migliore deformazione senza rottura, il che migliora le caratteristiche di flusso e facilita il riempimento di progetti di stampi complessi. Tuttavia, temperature elevate possono anche introdurre nuovi meccanismi di degradazione, come l'ossidazione termica o la scissione della catena, che possono influire negativamente sulla qualità complessiva delle parti stampate, inclusa la loro resistenza meccanica e stabilità termica.

Gli effetti di Tg e Tm si estendono oltre le temperature di lavorazione per influenzare i tempi di raffreddamento e ciclo dell'operazione di stampaggio. Quando la temperatura si avvicina a Tg durante il raffreddamento, il materiale passa da uno stato gommoso a uno stato vetroso, il che può influenzare la velocità di raffreddamento e il tempo di ciclo. Se il raffreddamento è troppo rapido, può portare a sollecitazioni interne o deformazioni nel prodotto finale. Al contrario, se il tempo di raffreddamento è esteso, può consentire una migliore cristallizzazione nei polimeri semicristallini, migliorandone le proprietà meccaniche.

Inoltre, Tg e Tm influenzano varie proprietà dei materiali durante la lavorazione, tra cui conduttività termica, chiarezza ottica e prestazioni meccaniche. Ad esempio, i polimeri lavorati sopra Tg in genere presentano proprietà termiche e meccaniche migliorate, in quanto possono adattarsi meglio alle sollecitazioni imposte durante lo stampaggio. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni in cui il prodotto finale è soggetto a carichi meccanici o cicli termici.

I parametri di lavorazione critici influenzati da Tg e Tm includono portata di iniezione, temperatura della parete dello stampo, pressione di riempimento e orientamento delle fibre nei materiali compositi. Questi parametri devono essere attentamente controllati per garantire un flusso di materiale adeguato, mantenere le proprietà fisiche desiderate e ottenere una qualità costante delle parti. Ad esempio, una portata di iniezione ottimale è necessaria per riempire efficacemente lo stampo senza causare difetti come colpi corti o flash eccessivo.

Le considerazioni sull'affidabilità sottolineano anche l'importanza del controllo della temperatura. Il superamento della Tg durante la lavorazione può introdurre nuovi meccanismi di guasto, come una maggiore fragilità o una ridotta resistenza all'impatto, che possono influire negativamente sia sulle proprietà elettriche che meccaniche delle parti stampate. Ciò, a sua volta, influisce sull'affidabilità e sulle prestazioni a lungo termine del prodotto finale, specialmente in applicazioni impegnative.

Tg dei materiali comuni per stampaggio a iniezione di plastica

La tabella seguente elenca le temperature di transizione vetrosa (Tg) in gradi Celsius per vari materiali per stampaggio a iniezione di plastica:

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