Termoplastici vs termoindurenti: abbattere le differenze

I materiali termoplastici e termoindurenti sono due tipi principali di plastica comunemente utilizzati in vari settori. Sebbene condividano alcune somiglianze con i polimeri organici, i materiali termoplastici e termoindurenti presentano differenze fondamentali nella loro struttura molecolare e nelle proprietà che determinano il modo in cui possono essere utilizzati.

Questo articolo ti aiuterà a comprendere le differenze tra materiali termoplastici e termoindurenti per aiutarti a comprendere le loro diverse caratteristiche e applicazioni.

Panoramica sui materiali termoplastici e termoindurenti

Le due principali categorie di materiali polimerici utilizzati nella produzione sono termoindurenti e termoplastici.

Ecco una breve definizione di entrambi i materiali:

• I materiali termoplastici sono polimeri che diventano flessibili o modellabili al di sopra di una temperatura specifica e si solidificano dopo il raffreddamento. Puoi riscaldarli e rimodellarli ancora e ancora senza alterare la loro struttura chimica.
• I materiali termoindurenti sono materiali polimerici che polimerizzano o induriscono irreversibilmente attraverso la formazione di reti reticolate.

Differenze tra termoindurente e termoplastico:

Alcune proprietà chiave che differiscono:

• I materiali termoplastici possono essere induriti e ammorbiditi ripetutamente quando riscaldati, mentre i termoindurenti subiscono un indurimento permanente dopo la formatura iniziale
• I termoplastici hanno temperature di fusione inferiori rispetto alle temperature di degradazione dei termoindurenti
• I termoindurenti hanno generalmente maggiore resistenza meccanica, durezza e stabilità termica

Ecco alcuni esempi di materiale termoplastico

• Acrilico
• Nylon
• Copolimero acetalico Poliossimetilene
• Acetale Omopolimero Poliossimetilene
• Policarbonato (PC)
• Polietilene (PE)
• Polistirolo (PS)
• Polipropilene (PP)
• Polivinilcloruro (PVC)
• Polietilentereftalato (PET)
• Teflon

Le plastiche termoindurenti sono utilizzate nelle industrie perché i termoindurenti forniscono integrità strutturale e sono più economici. Ecco alcuni esempi di plastica termoindurente:

• Fenoli
• Silicone
• Melamina
• Epossidico
• Fluoruro di polivinilidene (PVDF)
• Politetrafluoroetilene (PTFE)
• Poliuretano
• Poliimmide

Nella produzione, i materiali termoplastici sono adatti a processi come lo stampaggio a iniezione, mentre i materiali termoindurenti richiedono l'impregnazione di rinforzi e una polimerizzazione controllata. I compositi possono essere realizzati utilizzando matrici polimeriche sia termoplastiche che termoindurenti. Esempi sono la plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) e i compositi a matrice ceramica (CMC) come C/C-SiC.

Proprietà chimiche e struttura

Catene polimeriche e reticolazione 

I materiali termoplastici sono catene lineari di molecole, solitamente a base di carbonio, come il polietilene e il nylon. Facili da rimodellare, sono flessibili perché mancano di forti legami tra le catene. Tuttavia, le molecole dei materiali termoindurenti sono reticolate, creando una rete complessa. Materiali come resina epossidica, silicone e fenolici hanno questa struttura a rete, che li rende difficili da rimodellare una volta induriti.

• Termoplastici: lineari, senza reticolazione (ad es. policarbonato, acrilico)
• Termoindurenti: reti reticolate e intersecanti (ad esempio, resina epossidica, poliuretano)

Resistenza chimica

Se sei alle prese con prodotti chimici, vuoi sapere cosa resisterà. La scelta del polimero è fondamentale. I materiali termoplastici come il polipropilene possono resistere a molti agenti chimici senza intoppi, ma potrebbero indebolirsi con alcuni solventi. I materiali termoindurenti, benedetta la loro struttura robusta, risultano un po' più forti: materiali come quelli epossidici e fenolici resistono saldamente a uno spettro più ampio di sostanze chimiche a causa di quella fastidiosa reticolazione.

• Resistenza chimica:
  • Termoplastici: da buoni a eccellenti (varia in base al materiale, ad es. nylon, acrilico)
  • Termoindurenti: tipicamente eccellenti (ad es. Silicone, poliuretano)

Processo di produzione e stampaggio

Quando è necessario produrre manufatti termoplastici e termoindurenti esistono diverse tecniche per la trasformazione in:

• Termoplastici: riscaldati per renderli flessibili per processi come lo stampaggio a iniezione e l'estrusione.
• Termoindurenti: impregnati nei rinforzi e sottoposti a reazioni di polimerizzazione controllate.

Stampaggio ad iniezione ed estrusione

Quando si ha a che fare con materiali termoplastici, tecniche come lo stampaggio a iniezione e l'estrusione sono i metodi più indicati. Nello stampaggio a iniezione, la plastica termoindurente viene fusa e iniettata in uno stampo ad alta pressione. È un processo veloce, ideale per realizzare grandi quantità di articoli identici. Per l'estrusione, la plastica viene spinta attraverso una matrice per creare forme lunghe e continue.

Caratteristiche principali del processo:

• I pellet termoplastici vengono immessi in un barile riscaldato e forzati in una cavità dello stampo sotto pressione.
• Possono verificarsi problemi a causa della direzione del flusso e della formazione di linee di saldatura.
• I materiali termoplastici cristallini come il polietilene (PE) sono più inclini rispetto a quelli amorfi come il polistirene (PS).

Processi di polimerizzazione

La polimerizzazione è fondamentale quando si lavora con plastica termoindurente. Applichi calore o una reazione chimica e il materiale cambia in modo permanente: non può essere rimodellato una volta indurito. Questo processo consente ai materiali termoindurenti come la poliimmide di solidificarsi in articoli resistenti e durevoli come isolanti o adesivi. La polimerizzazione li rende resistenti alle alte temperature e agli agenti chimici, quindi vengono spesso utilizzati in ambienti difficili.

Infiltrazione di silicio liquido

Sulla base dei risultati della ricerca, l'infiltrazione di silicio liquido (LSI) è un processo utilizzato per produrre compositi a matrice ceramica, in particolare compositi C/C-SiC (carburo di silicio carbonio-carbonio). I punti chiave sull'infiltrazione di silicio liquido (LSI) dalle fonti sono:

• Implica l'infiltrazione di una preforma di carbonio porosa con silicio fuso al di sopra del punto di fusione del silicio (1414°C) 
• Il silicio fuso reagisce con il carbonio per formare carburo di silicio (SiC), creando quindi una matrice composita SiC
• È un modo efficiente ed economico per fabbricare compositi a matrice SiC rispetto ad altri processi come l'infiltrazione di vapori chimici
• I parametri di processo come la temperatura, il livello di vuoto e la pressione del gas inerte possono essere controllati per ottimizzare l'infiltrazione
• La microstruttura porosa della preforma di carbonio influisce sulla completezza dell'infiltrazione e della reazione
• I compositi realizzati da LSI hanno elevata stabilità termica, conduttività termica e altre proprietà migliorate

In sintesi, l'infiltrazione di silicio liquido (LSI) è un processo di produzione specializzato per creare compositi a matrice ceramica C/C-SiC utilizzando l'infiltrazione di silicio fuso e la reazione con il carbonio.

Trasferimento di resina e stampaggio a iniezione di reazione 

Se utilizzi plastica termoindurente, potresti utilizzare lo stampaggio a trasferimento di resina (RTM): è come una versione più sofisticata dello stampaggio a iniezione, utilizzando preforme. Lo stampaggio a iniezione con reazione (RIM) è un'altra tecnica per i materiali termoindurenti, mescolando due componenti liquidi per reagire e fissarsi all'interno dello stampo. Entrambi i metodi forniscono parti robuste con forme complesse, spesso presenti nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali.

Proprietà e prestazioni dei materiali

I materiali termoplastici e termoindurenti differiscono significativamente nelle loro proprietà e caratteristiche prestazionali:

 Proprietà meccaniche

• Resistenza: i materiali termoindurenti generalmente offrono resistenza e durata superiori rispetto ai materiali termoplastici. Sono spesso utilizzati in applicazioni impegnative in cui i materiali devono resistere a sollecitazioni elevate senza deformarsi. Nel frattempo, i materiali termoplastici come il polipropilene vantano un elevato rapporto resistenza/peso, che li rende abbastanza resistenti per molti usi pur essendo leggeri.

Elasticità e flessibilità

I materiali termoplastici sono in genere più flessibili ed elastici dei termoindurenti. Ad esempio, i materiali termoplastici come il polistirene possono piegarsi e allungarsi, rendendoli ideali per prodotti che richiedono una certa elasticità. Questa elasticità è dovuta ai loro punti di fusione più bassi, che consentono loro di essere riscaldati e rimodellati secondo necessità.

Stabilità dimensionale e tolleranza

I termoindurenti eccellono nella stabilità dimensionale: non li vedrai cambiare facilmente forma o dimensioni sotto il calore o durante la polimerizzazione. La loro struttura una volta impostata è solida come una roccia. Per le parti di precisione in cui le tolleranze sono ristrette, questo rappresenta un enorme vantaggio. Anche i materiali termoplastici hanno una buona stabilità dimensionale, ma possono deformarsi se non lavorati correttamente.

Comportamento al ritiro e al creep

Osserverai che i materiali termoplastici tendono a restringersi leggermente mentre si raffreddano dai processi di stampaggio. I materiali termoindurenti, invece, hanno un restringimento minimo grazie alla loro struttura reticolata. Nel lungo termine, i materiali termoplastici possono deformarsi o deformarsi sotto stress costante, mentre i materiali termoindurenti mantengono saldamente la loro forma, conferendo loro una migliore resistenza agli urti nel tempo.

Effetti della microstruttura

• La cristallinità influisce sulle proprietà dei materiali termoplastici semicristallini
• La densità della reticolazione influisce sulla stabilità termica dei materiali termoindurenti
• Porosità e difetti degradano le prestazioni meccaniche

Comportamento alle alte temperature

• La maggior parte dei materiali termoplastici si rammolliscono intorno ai 150-200°C
• I termoindurenti mantengono le proprietà fino a 300-400°C
• Importante la resistenza all'ossidazione e alla corrosione

 Riciclaggio e Sostenibilità

• I materiali termoplastici sono riciclabili
• I materiali termoindurenti formano reti reticolate e non possono essere riprocessati

Applicazioni e uso industriale

I materiali termoplastici e termoindurenti sono utilizzati in vari settori a causa delle differenze nelle loro proprietà e nell'economia dei costi:

Applicazioni di settore

Alcune principali aree di applicazione:

• Automotive: parti interne, componenti sotto il cofano
• Aerospaziale: strutture della cellula, componenti del motore
• Edilizia: Tubi, rivestimenti, adesivi
• Elettronica: circuiti stampati, connettori

 Compositi e Precursori

• Compositi C/C-SiC realizzati utilizzando resina fenolica e altri termoindurenti come precursori
• Materie plastiche rinforzate con fibra di carbonio e fibra di vetro utilizzando matrici epossidiche

Economia dei costi

Mentre i materiali termoplastici hanno costi di materia prima più elevati, la lavorazione dei materiali termoindurenti può essere più complessa e costosa. L'analisi dei costi del ciclo di vita è importante per determinare la scelta ottimale del materiale.

Tendenze attuali della ricerca sulle plastiche termoindurenti e sui materiali termoplastici

La ricerca in corso è focalizzata sull'ulteriore miglioramento dei materiali termoplastici e della plastica termoindurente, nonché sul confronto del loro potenziale per diverse applicazioni:

Sviluppo di precursori termoindurenti

• Valutazione di nuove resine fenoliche e altri polimeri come precursori di fibra di carbonio e carbonio-carbonio (C/C)
• Personalizzazione delle proprietà dei precursori per prestazioni composite ottimizzate

Miglioramenti del metodo di elaborazione

• Ottimizzazione dei parametri di stampaggio a iniezione per ridurre al minimo i difetti della linea di saldatura
• Sviluppo di tecniche di produzione additiva ad alta velocità e precisione

Relazioni microstruttura-proprietà

• Chiarimento dei collegamenti tra cristallinità, densità di reticolazione e proprietà meccaniche finali
• Strategie per ridurre la porosità e migliorare la resistenza interfacciale

Valutazione comparativa

• Analisi tecnico-economiche per determinare la scelta ottimale del materiale
• Modelli di valutazione del ciclo di vita considerando le metriche di sostenibilità
• Matrici decisionali che classificano i materiali in base a criteri chiave

Prospettive future per i materiali termoplastici e termoindurenti?

I continui progressi nei materiali e nella produzione daranno forma al panorama futuro dei materiali termoplastici e termoindurenti:

Precursori termoplastici

• Nuovi precursori termoplastici ingegnerizzati per la produzione di compositi
• Sfruttare la riciclabilità mantenendo elevate prestazioni meccaniche

Sistemi ibridi

• Miscele e compositi per ottimizzare le proprietà
• Gli esempi includono epossidici rinforzati termoplastici

Produzione di additivi

• Stampa 3D ad alta velocità di parti termoplastiche per uso finale
• Supera i limiti nella complessità geometrica

Elaborazione sostenibile

• Passaggio a una produzione a base biologica e a riduzione di CO2
• Adozione dei principi dell’Industria 4.0

Nel complesso, l’utilizzo sinergico di materiali termoplastici e termoindurenti consentirà di sviluppare sistemi ingegnerizzati sostenibili e ad alte prestazioni.

In sintesi, i materiali termoplastici e i termoindurenti differiscono in modo significativo nel modo in cui si formano e nel modo in cui rispondono al calore. I materiali termoplastici possono essere ammorbiditi ripetutamente con il calore e induriti con il raffreddamento, consentendo loro di essere rimodellati e riciclati più facilmente. I materiali termoindurenti, invece, subiscono una reazione chimica irreversibile una volta polimerizzati, il che significa che mantengono la loro forma in modo permanente ma non possono essere rifusi o rimodellati. Conoscere le proprietà dei materiali termoplastici rispetto ai termoindurenti è importante per ingegneri e produttori per selezionare il materiale plastico giusto per i diversi requisiti del prodotto e per considerazioni sulla fine del ciclo di vita.