Tworzywa termoplastyczne a termoutwardzalne: przełamywanie różnic

Tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne to dwa główne rodzaje tworzyw sztucznych powszechnie stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Chociaż tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne mają pewne podobieństwa do polimerów organicznych, mają kluczowe różnice w strukturze molekularnej i właściwościach, które określają sposób ich wykorzystania.

Ten artykuł pomoże Ci zrozumieć różnice między tworzywami termoplastycznymi i termoutwardzalnymi, aby pomóc zrozumieć ich różne cechy i zastosowania.

Przegląd tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych

Dwie główne kategorie materiałów polimerowych stosowanych w produkcji to tworzywa termoutwardzalne i termoplastyczne.

Oto krótka definicja obu materiałów:

• Tworzywa termoplastyczne to polimery, które stają się giętkie lub podatne na formowanie powyżej określonej temperatury i twardnieją po ochłodzeniu. Można je wielokrotnie podgrzewać i zmieniać kształt, bez zmiany ich struktury chemicznej.
• Materiały termoutwardzalne to materiały polimerowe, które nieodwracalnie utwardzają się lub utwardzają poprzez tworzenie usieciowanych sieci.

Różnice między termoutwardzalnym a termoplastycznym:

Niektóre kluczowe właściwości, które się różnią:

• Tworzywa termoplastyczne można wielokrotnie utwardzać i zmiękczać po podgrzaniu, natomiast termoutwardzalne ulegają trwałemu utwardzeniu po wstępnym formowaniu
• Tworzywa termoplastyczne mają niższą temperaturę topnienia w porównaniu do temperatur degradacji tworzyw termoutwardzalnych
• Termoplasty mają na ogół wyższą wytrzymałość mechaniczną, twardość i stabilność termiczną

Oto kilka przykładów tworzyw termoplastycznych

• Akryl
• Nylon
• Kopolimer acetalowy, polioksymetylen
• Homopolimer acetalu, polioksymetylen
• Poliwęglan (PC)
• Polietylen (PE)
• Polistyren (PS)
• Polipropylen (PP)
• Polichlorek winylu (PVC)
• politereftalan etylenu (PET)
• Teflon

Tworzywa termoutwardzalne są stosowane w przemyśle, ponieważ zapewniają integralność strukturalną i są bardziej ekonomiczne. Oto kilka przykładów tworzyw termoutwardzalnych:

• Fenole
• Silikon
• Melamina
• Epoksyd
• Polifluorek winylidenu (PVDF)
• Politetrafluoroetylen (PTFE)
• poliuretan
• Poliamid

W produkcji tworzywa termoplastyczne można poddać procesom takim jak formowanie wtryskowe, natomiast termoutwardzalne wymagają impregnacji wzmocnień i kontrolowanego utwardzania. Kompozyty można wytwarzać przy użyciu zarówno termoplastycznych, jak i termoutwardzalnych matryc polimerowych. Przykładami są tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) i kompozyty z osnową ceramiczną (CMC), takie jak C/C-SiC.

Właściwości chemiczne i struktura

Łańcuchy polimerowe i sieciowanie 

Tworzywa termoplastyczne to liniowe łańcuchy cząsteczek, zwykle na bazie węgla, takie jak polietylen i nylon. Łatwe do ponownego formowania, są elastyczne, ponieważ brakuje im silnych wiązań między łańcuchami. Jednakże cząsteczki materiałów termoutwardzalnych są usieciowane, tworząc złożoną sieć. Materiały takie jak żywica epoksydowa, silikon i fenol mają strukturę przypominającą siatkę, co sprawia, że po utwardzeniu trudno je zmienić.

• Tworzywa termoplastyczne: liniowe, nie sieciujące (np. poliwęglan, akryl)
• Materiały termoutwardzalne: usieciowane, przecinające się sieci (np. żywica epoksydowa, poliuretan)

Odporność chemiczna

Jeśli walczysz z chemikaliami, chcesz wiedzieć, co się utrzyma. Wybór polimeru jest kluczowy. Tworzywa termoplastyczne, takie jak polipropylen, mogą bez problemu oprzeć się wielu chemicznym złoczyńcom, ale mogą osłabić się w przypadku niektórych rozpuszczalników. Termoutwardzalne, błogosławiąc ich solidną strukturę, wychodzą nieco mocniejsze – materiały takie jak epoksyd i fenol wytrzymują szersze spektrum substancji chemicznych ze względu na to nieznośne sieciowanie.

• Odporność chemiczna:
  • Tworzywa termoplastyczne: dobre lub doskonałe (w zależności od materiału, np. nylon, akryl)
  • Materiały termoutwardzalne: zazwyczaj doskonałe (np. silikon, poliuretan)

Proces produkcji i formowania

Jeśli chcesz wyprodukować produkty termoplastyczne i termoutwardzalne, istnieją różne techniki przetwarzania na:

• Tworzywa termoplastyczne: podgrzewane w celu nadania im elastyczności w procesach takich jak formowanie wtryskowe i wytłaczanie.
• Materiały termoutwardzalne: Impregnowane we wzmocnieniach i podlegają kontrolowanym reakcjom utwardzania.

Formowanie wtryskowe i wytłaczanie

Jeśli masz do czynienia z tworzywami termoplastycznymi, najlepszymi metodami są techniki takie jak formowanie wtryskowe i wytłaczanie. Podczas formowania wtryskowego termoutwardzalne tworzywo sztuczne jest topione i wtryskiwane do formy pod wysokim ciśnieniem. Jest to szybki proces, idealny do wytwarzania dużych ilości identycznych przedmiotów. W celu wytłaczania tworzywo sztuczne jest przepychane przez matrycę w celu utworzenia długich, ciągłych kształtów.

Kluczowe cechy procesu:

• Granulki termoplastyczne są podawane do podgrzewanej beczki i pod ciśnieniem wtłaczane do wnęki formy.
• Mogą wystąpić problemy związane z kierunkiem przepływu i tworzeniem się linii spawu.
• Krystaliczne tworzywa termoplastyczne, takie jak polietylen (PE), są bardziej podatne w porównaniu do amorficznych, takich jak polistyren (PS).

Procesy utwardzania

Utwardzanie ma kluczowe znaczenie podczas pracy z tworzywami termoutwardzalnymi. Pod wpływem ciepła lub reakcji chemicznej materiał zmienia się trwale – po utwardzeniu nie można go zmienić. Proces ten pozwala termoutwardzalnym materiałom, takim jak poliimid, zestalić się w mocne i trwałe elementy, takie jak izolacja lub kleje. Utwardzanie czyni je odpornymi na wysokie temperatury i chemikalia, dlatego często stosuje się je w trudnych warunkach.

Infiltracja ciekłego krzemu

Na podstawie wyników wyszukiwania, infiltracja ciekłego krzemu (LSI) to proces stosowany do wytwarzania kompozytów z osnową ceramiczną, w szczególności kompozytów C/C-SiC (węgiel-węgiel krzemu). Kluczowe punkty dotyczące infiltracji ciekłego krzemu (LSI) ze źródeł to:

• Polega na infiltracji porowatej preformy węglowej roztopionym krzemem o temperaturze powyżej temperatury topnienia krzemu (1414°C) 
• Stopiony krzem reaguje z węglem, tworząc węglik krzemu (SiC), tworząc w ten sposób kompozyt z osnową SiC
• Jest to wydajny i opłacalny sposób wytwarzania kompozytów z osnową SiC w porównaniu z innymi procesami, takimi jak chemiczna infiltracja par.
• Parametry procesu, takie jak temperatura, poziom próżni i ciśnienie gazu obojętnego, można kontrolować w celu optymalizacji infiltracji
• Mikrostruktura porowatej preformy węglowej wpływa na kompletność infiltracji i reakcji
• Kompozyty wytwarzane przez LSI mają wysoką stabilność termiczną, przewodność cieplną i inne ulepszone właściwości

Podsumowując, infiltracja ciekłego krzemu (LSI) to wyspecjalizowany proces produkcyjny mający na celu utworzenie kompozytów z osnową ceramiczną C/C-SiC przy użyciu infiltracji stopionego krzemu i reakcji z węglem.

Transfer żywicy i formowanie wtryskowe reakcyjne 

Jeśli używasz tworzyw termoutwardzalnych, możesz zastosować formowanie przetłoczne żywicy (RTM) — jest to bardziej wyrafinowana wersja formowania wtryskowego z wykorzystaniem preform. Reakcyjne formowanie wtryskowe (RIM) to kolejna technika termoutwardzania polegająca na mieszaniu dwóch płynnych składników w celu przereagowania i zestalenia wewnątrz formy. Obie metody pozwalają uzyskać mocne części o skomplikowanych kształtach, często spotykane w zastosowaniach motoryzacyjnych i lotniczych.

Właściwości materiału i wydajność

Tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne różnią się znacznie pod względem właściwości i parametrów użytkowych:

 Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość -Termosety zazwyczaj oferują lepszą wytrzymałość i trwałość w porównaniu do tworzyw termoplastycznych. Są często używane w wymagających zastosowaniach, w których materiały muszą wytrzymywać duże naprężenia bez deformacji. Tymczasem tworzywa termoplastyczne, takie jak polipropylen, charakteryzują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy, co sprawia, że są wystarczająco mocne do wielu zastosowań, a jednocześnie są lekkie.

Elastyczność i elastyczność

Tworzywa termoplastyczne są zazwyczaj bardziej elastyczne i elastyczne niż termoutwardzalne. Na przykład tworzywa termoplastyczne, takie jak polistyren, mogą się zginać i rozciągać, co czyni je idealnymi do produktów wymagających pewnej elastyczności. Ta elastyczność wynika z ich niższej temperatury topnienia, która umożliwia ich ponowne podgrzanie i zmianę kształtu w razie potrzeby.

Stabilność wymiarowa i tolerancja

Materiały termoutwardzalne wyróżniają się stabilnością wymiarową — nie zobaczysz, jak łatwo zmieniają kształt lub wymiary pod wpływem ciepła lub podczas utwardzania. Ich struktura po związaniu jest solidna jak skała. W przypadku części precyzyjnych, w których tolerancje są wąskie, jest to ogromna zaleta. Tworzywa termoplastyczne mają również dobrą stabilność wymiarową, ale mogą się wypaczać, jeśli nie zostaną prawidłowo przetworzone.

Skurcz i pełzanie

Zauważysz, że tworzywa termoplastyczne mają tendencję do pewnego kurczenia się po ochłodzeniu w wyniku procesów formowania. Z drugiej strony termoutwardzalne tworzywa sztuczne charakteryzują się minimalnym skurczem dzięki usieciowanej strukturze. W dłuższej perspektywie tworzywa termoplastyczne mogą pełzać lub odkształcać się pod wpływem stałego naprężenia, podczas gdy termoutwardzalne stale zachowują swój kształt, zapewniając z czasem lepszą odporność na uderzenia.

Skutki mikrostruktury

• Krystaliczność wpływa na właściwości półkrystalicznych tworzyw termoplastycznych
• Gęstość usieciowania wpływa na stabilność termiczną materiałów termoutwardzalnych
• Porowatość i defekty pogarszają właściwości mechaniczne

Zachowanie w wysokiej temperaturze

• Większość tworzyw termoplastycznych mięknie w temperaturze w pobliżu 150-200°C
• Termoutwardzalne zachowują właściwości do 300-400°C
• Ważna jest odporność na utlenianie i korozję

 Recykling i zrównoważony rozwój

• Tworzywa termoplastyczne nadają się do recyklingu
• Materiały termoutwardzalne tworzą usieciowane sieci i nie można ich ponownie przetwarzać

Zastosowania i zastosowanie w przemyśle

Tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne są stosowane w różnych gałęziach przemysłu ze względu na różnice w ich właściwościach i ekonomice:

Zastosowania branżowe

Niektóre główne obszary zastosowań:

• Motoryzacja: Części wewnętrzne, elementy pod maską
• Lotnictwo i kosmonautyka: konstrukcje płatowców, elementy silników
• Konstrukcja: Rury, powłoki, kleje
• Elektronika: Płytki drukowane, złącza

 Kompozyty i prekursory

• Kompozyty C/C-SiC wykonane z żywicy fenolowej i innych materiałów termoutwardzalnych jako prekursorów
• Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym i włóknem szklanym z wykorzystaniem matryc epoksydowych

Ekonomia kosztów

Chociaż tworzywa termoplastyczne charakteryzują się wyższymi kosztami surowców, przetwarzanie termoutwardzalne może być bardziej złożone i kosztowne. Analiza kosztów cyklu życia jest ważna dla określenia optymalnego wyboru materiału.

Aktualne trendy badawcze w zakresie tworzyw termoutwardzalnych i tworzyw termoplastycznych

Trwające badania skupiają się na dalszym ulepszaniu tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych, a także porównywaniu ich potencjału w różnych zastosowaniach:

Rozwój prekursora termoutwardzalnego

• Ocena nowych żywic fenolowych i innych polimerów jako prekursorów włókien węglowych i węgla-węgla (C/C)
• Dostosowywanie właściwości prekursora w celu zoptymalizowania wydajności kompozytu

Ulepszenia metod przetwarzania

• Optymalizacja parametrów wtrysku w celu zminimalizowania defektów linii spawu
• Opracowywanie szybkich i precyzyjnych technik wytwarzania przyrostowego

Relacje mikrostruktura-właściwość

• Wyjaśnienie powiązań między krystalicznością, gęstością usieciowania i ostatecznymi właściwościami mechanicznymi
• Strategie zmniejszania porowatości i poprawy wytrzymałości międzyfazowej

Ocena porównawcza

• Analizy techniczno-ekonomiczne w celu ustalenia optymalnego wyboru materiału
• Modele oceny cyklu życia uwzględniające wskaźniki zrównoważonego rozwoju
• Matryce decyzyjne rankingujące materiały w oparciu o kluczowe kryteria

Perspektywy przyszłości tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych?

Ciągły postęp w zakresie materiałów i produkcji będzie kształtował przyszły krajobraz tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych:

Prekursory termoplastyczne

• Nowe prekursory termoplastyczne do produkcji kompozytów
• Wykorzystaj możliwość recyklingu, zachowując jednocześnie wysoką wydajność mechaniczną

Systemy hybrydowe

• Mieszanki i kompozyty optymalizujące właściwości
• Przykłady obejmują termoplastyczne utwardzane epoksydy

Produkcja dodatkowa

• Szybki druk 3D końcowych części termoplastycznych
• Pokonuje ograniczenia związane ze złożonością geometryczną

Zrównoważone przetwarzanie

• Przejście na produkcję opartą na biologii i zmniejszoną emisję CO2
• Przyjęcie zasad Przemysłu 4.0

Ogólnie rzecz biorąc, synergiczne wykorzystanie tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych umożliwi opracowanie wysokowydajnych i zrównoważonych systemów inżynieryjnych.

Podsumowując, tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne różnią się znacznie pod względem sposobu formowania i reakcji na ciepło. Tworzywa termoplastyczne można wielokrotnie zmiękczać pod wpływem ciepła i utwardzać podczas chłodzenia, co ułatwia ich przekształcanie i recykling. Z drugiej strony tworzywa termoutwardzalne po utwardzeniu ulegają nieodwracalnej reakcji chemicznej, co oznacza, że trwale zachowują swój kształt, ale nie można ich przetapiać ani ponownie formować. Znajomość właściwości tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych jest ważna dla inżynierów i producentów przy wyborze odpowiedniego materiału z tworzywa sztucznego dla różnych wymagań produktu i czynników związanych z końcem życia.