Materiale termoplastice vs termostabile: defalcarea diferențelor

Materialele termoplastice și termorigide sunt două tipuri principale de materiale plastice care sunt utilizate în mod obișnuit în diverse industrii. Deși împărtășesc unele asemănări ca polimeri organici, materialele termoplastice și termorigide au diferențe cheie în structura și proprietățile lor moleculare care determină modul în care pot fi utilizate.

Acest articol vă va ajuta să înțelegeți diferențele dintre materialele termoplastice și termorigide pentru a vă ajuta să înțelegeți diferitele caracteristici și aplicații ale acestora.

Prezentare generală a materialelor termoplastice și termostabile

Cele două categorii principale de materiale polimerice utilizate în fabricație sunt termorigide și termoplastice.

Iată o scurtă definiție a ambelor materiale:

• Materialele termoplastice sunt polimeri care devin flexibili sau modelabili peste o anumită temperatură și se solidifică la răcire. Le puteți reîncălzi și remodela din nou și din nou fără a le modifica structura chimică.
• Termoseturile sunt materiale polimerice care se întăresc sau se întăresc ireversibil prin formarea de rețele reticulate.

Diferențele dintre termorigid și termoplastic:

Parametru	Termoplastice	Termoseturi
Structura	Polimeri liniari, ramificati	Polimeri reticulati
Legătura	Forțe slabe de van der Waals	Legături covalente puternice
Punct de topire	Ascuțit, poate fi retopit	Degradarea treptată
Reciclabilitate	Reciclabil	Nu este reciclabil
Exemple	Polietilenă, nailon, PET	Epoxidici, fenolici

Câteva proprietăți cheie care diferă:

• Materialele termoplastice pot fi întărite și înmuiate în mod repetat atunci când sunt încălzite, în timp ce termoplastele suferă o întărire permanentă după formarea inițială
• Materialele termoplastice au temperaturi de topire mai scăzute în comparație cu temperaturile de degradare ale termorezistentelor
• Termoseturile au, în general, rezistență mecanică, duritate și stabilitate termică mai mari

Iată câteva exemple de termoplastic

• Acril
• Nailon
• Copolimer acetal Polioximetilen
• Acetal Homopolimer Polioximetilen
• Policarbonat (PC)
• Polietilenă (PE)
• Polistiren (PS)
• Polipropilenă (PP)
• Clorura de polivinil (PVC)
• Tereftalat de polietilenă (PET)
• teflon

Materialele plastice termorigide sunt utilizate în industrii, deoarece termorigidele asigură integritate structurală și sunt mai economice. Iată câteva exemple de plastic termorigid:

• Fenolici
• Silicon
• Melamina
• Epoxid
• Fluorura de poliviniliden (PVDF)
• Politetrafluoretilenă (PTFE)
• Poliuretan
• Poliimidă

În producție, materialele termoplastice sunt susceptibile de procese precum turnarea prin injecție, în timp ce termorigidele necesită impregnarea armăturilor și întărire controlată. Compozitele pot fi realizate folosind atât matrice termoplastică, cât și matrice polimerică termostabilită. Exemple sunt materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP) și compozitele cu matrice ceramică (CMC), cum ar fi C/C-SiC.

Proprietăți chimice și structură

Lanțuri polimerice și reticulare 

Materialele termoplastice sunt lanțuri liniare de molecule, de obicei pe bază de carbon, cum ar fi polietilena și nailonul. Ușor de remodelat, sunt flexibile, deoarece nu au legături puternice între lanțuri. Cu toate acestea, moleculele din termorigide sunt reticulate, creând o rețea complexă. Materiale precum epoxidice, silicon și fenolic au această structură asemănătoare ochiurilor, ceea ce le face să fie greu de remodelat odată ce s-au întărit.

• Termoplastice: liniare, fără reticulare (de exemplu, policarbonat, acril)
• Termose: rețele reticulate, care se intersectează (de exemplu, epoxidice, poliuretan)

Rezistență chimică

Dacă te confrunți cu substanțele chimice, vrei să știi ce va rezista. Alegerea polimerului este cheia. Materialele termoplastice precum polipropilena pot rezista multor răufăcători chimici fără probleme, dar s-ar putea slăbi cu anumiți solvenți. Termoseturile, binecuvântați structura lor robustă, ies puțin mai puternice – materiale precum epoxidice și fenolic rezistă ferm împotriva unui spectru mai larg de substanțe chimice datorită acestei reticulare neplăcute.

• Rezistență chimică:
  • Termoplastice: bune până la excelente (diferă în funcție de material, de exemplu, nailon, acril)
  • Termoseturi: de obicei excelente (de exemplu, silicon, poliuretan)

Procesul de fabricație și turnare

Când trebuie să produceți produse termoplastice și termosecuri, există diferite tehnici de prelucrare în:

• Materiale termoplastice: încălzite pentru a le face flexibile pentru procese precum turnarea prin injecție și extrudare.
• Termorezistenți: impregnat în armături și suferă reacții de întărire controlată.

Turnare prin injecție și extrudare

Când aveți de-a face cu termoplastice, tehnici precum turnarea prin injecție și extrudarea sunt metodele de bază. În turnarea prin injecție, plasticul termorigid este topit și injectat într-o matriță la presiune ridicată. Este un proces rapid, ideal pentru realizarea unor cantități mari de articole identice. Pentru extrudare, plasticul este împins printr-o matriță pentru a crea forme lungi și continue.

Caracteristicile cheie ale procesului:

• Peleții termoplastic sunt introduși într-un butoi încălzit și forțați în cavitatea matriței sub presiune.
• Pot apărea probleme din cauza direcției curgerii și a formării liniilor de sudură.
• Termoplastele cristaline precum polietilena (PE) sunt mai predispuse în comparație cu cele amorfe precum polistirenul (PS).

Parametru	Efecte
Temperatura mucegaiului	Viteza de răcire, cristalinitate
Viteza de injectare	Direcția curgerii, rezistența liniei de sudură
Menținerea presiunii	Reduce golurile și chiuvetele

Procese de întărire

Întărirea este esențială atunci când lucrați cu materiale plastice termorigide. Aplicați căldură sau o reacție chimică, iar materialul se schimbă permanent - nu poate fi remodelat după ce este întărit. Acest proces permite termorigidelor precum poliimida să se solidifice în elemente puternice și durabile, cum ar fi izolația sau adezivii. Întărirea le face rezistente la temperaturi ridicate și la substanțe chimice, așa că sunt adesea folosite în medii dure.

Infiltrare de siliciu lichid

Pe baza rezultatelor căutării, infiltrarea de siliciu lichid (LSI) este un proces utilizat pentru fabricarea compozitelor cu matrice ceramică, în special compozitelor C/C-SiC (carbură de siliciu carbon-carbon). Punctele cheie despre infiltrarea de siliciu lichid (LSI) din surse sunt:

• Implica infiltrarea unei preforme poroase de carbon cu siliciu topit deasupra punctului de topire al siliciului (1414°C) 
• Siliciul topit reacționează cu carbonul pentru a forma carbură de siliciu (SiC), creând astfel un compozit cu matrice de SiC
• Este o modalitate eficientă și rentabilă de fabricare a compozitelor cu matrice SiC în comparație cu alte procese precum infiltrarea chimică a vaporilor.
• Parametrii procesului cum ar fi temperatura, nivelul vidului și presiunea gazului inert pot fi controlați pentru a optimiza infiltrarea
• Microstructura preformei poroase de carbon afectează completitatea infiltrației și a reacției
• Compozitele realizate de LSI au stabilitate termică ridicată, conductivitate termică și alte proprietăți îmbunătățite

Pe scurt, infiltrarea cu siliciu lichid (LSI) este un proces de fabricație specializat pentru a crea compozite cu matrice ceramică C/C-SiC folosind infiltrarea siliciului topit și reacția cu carbonul.

Transfer de rășină și turnare prin injecție cu reacție 

Dacă utilizați materiale plastice termorigide, este posibil să utilizați turnarea prin transfer de rășină (RTM) - este ca o versiune mai sofisticată a turnării prin injecție, folosind preforme. Turnarea prin injecție cu reacție (RIM) este o altă tehnică pentru termorigide, amestecând două componente lichide pentru a reacționa și a se fixa în interiorul matriței. Ambele metode vă oferă piese puternice cu forme complexe, adesea întâlnite în aplicații auto și aerospațiale.

Proprietățile materialelor și performanța

Materialele termoplastice și termorigide diferă semnificativ în ceea ce privește proprietățile și caracteristicile de performanță:

 Proprietăți mecanice

• Rezistență - Termoseturile oferă în general rezistență și durabilitate superioare în comparație cu materialele termoplastice. Sunt adesea folosite în aplicații solicitante în care materialele trebuie să reziste la solicitări mari fără a se deforma. Între timp, materialele termoplastice precum polipropilena au un raport mare rezistență-greutate, ceea ce le face suficient de puternice pentru multe utilizări, în timp ce sunt ușoare.

Proprietate	Termoplastice	Termoseturi
Duritate	Inferior	Superior
Rigiditate	Inferior	Superior
Duritate	Superior	Mai fragil

Elasticitate și flexibilitate

Materialele termoplastice sunt de obicei mai flexibile și mai elastice decât termorigidele. De exemplu, materialele termoplastice precum polistirenul se pot îndoi și întinde, făcându-le ideale pentru produsele care necesită unele dau. Această elasticitate se datorează punctelor lor de topire mai mici, care le permit să fie reîncălzite și remodelate după cum este necesar.

Stabilitate dimensională și toleranță

Termoseturile excelează în stabilitatea dimensională - nu le veți vedea că își schimbă cu ușurință forma sau dimensiunile sub căldură sau în timpul întăririi. Structura lor, odată stabilită, este solidă. Pentru piesele de precizie unde toleranțele sunt strânse, acesta este un avantaj imens. Materialele termoplastice au, de asemenea, o bună stabilitate dimensională, dar se pot deforma dacă nu sunt prelucrate corect.

Comportament de contracție și de curgere

Veți observa că termoplastele tind să se micșoreze oarecum pe măsură ce se răcesc din procesele de turnare. Pe de altă parte, termorigidele au o contracție minimă datorită structurii lor reticulate. Pe termen lung, materialele termoplastice se pot strecura sau se pot deforma sub presiune constantă, în timp ce termoplastele își mențin forma constant, oferindu-le o rezistență mai bună la impact în timp.

Efectele microstructurii

• Cristinitatea afectează proprietățile termoplasticelor semicristaline
• Densitatea de reticulare afectează stabilitatea termică a termorigidelor
• Porozitatea și defectele degradează performanța mecanică

Comportament la temperaturi ridicate

• Majoritatea materialelor termoplastice se înmoaie la 150-200°C
• Termoseturile păstrează proprietățile până la 300-400°C
• Rezistența la oxidare și la coroziune este importantă

 Reciclare și durabilitate

• Materialele termoplastice sunt reciclabile
• Termoseturile formează rețele interconectate și nu pot fi reprocesate

Aplicații și utilizare în industrie

Materialele termoplastice și termorigide sunt utilizate în diverse industrii datorită diferențelor în proprietățile lor și a costurilor economice:

Aplicații din industrie

Câteva domenii majore de aplicare:

• Auto: piese interioare, componente de sub capotă
• Aerospațial: Structuri ale corpului aeronavei, componente ale motorului
• Construcție: țevi, acoperiri, adezivi
• Electronică: plăci de circuite imprimate, conectori

Industrie	Utilizarea materialelor termoplastice	Utilizare termoset
Bunuri de consum	Jucării, articole de uz casnic	Adezivi, acoperiri
Dispozitive medicale	Tuburi flexibile, implanturi	Încapsulanti epoxidici
Ulei si gaz	Supape, garnituri	Acoperiri pentru țevi

 Compozite și precursori

• Compozite C/C-SiC realizate folosind rășină fenolică și alte termorezistente ca precursori
• Materiale plastice armate cu fibră de carbon și fibră de sticlă folosind matrici epoxidice

Economia costurilor

În timp ce materialele termoplastice au costuri mai mari ale materiilor prime, prelucrarea cu termorezistență poate fi mai complexă și mai costisitoare. Analiza costurilor ciclului de viață este importantă pentru a determina alegerea optimă a materialului.

Tendințele actuale de cercetare ale materialelor plastice termorigide și termoplasticelor

Cercetările în curs se concentrează pe îmbunătățirea în continuare a materialelor termoplastice și a plasticului termorigid, precum și pe compararea potențialului acestora pentru diferite aplicații:

Dezvoltarea precursorului termorezistent

• Evaluarea noilor rășini fenolice și a altor polimeri ca fibră de carbon și precursori carbon-carbon (C/C)
• Adaptarea proprietăților precursoarelor pentru performanțe optimizate ale compozitului

Îmbunătățiri ale metodei de procesare

• Optimizarea parametrilor de turnare prin injecție pentru a minimiza defectele liniei de sudură
• Dezvoltarea tehnicilor de fabricație aditivă de mare viteză și precizie

Relații microstructură-proprietate

• Elucidarea legăturilor dintre cristalinitate, densitatea legăturilor încrucișate și proprietățile mecanice finale
• Strategii pentru reducerea porozității și îmbunătățirea rezistenței interfeței

Evaluare comparativă

• Analize tehnico-economice pentru a determina alegerea optimă a materialului
• Modele de evaluare a ciclului de viață ținând cont de metricile de sustenabilitate
• Matrice de decizie ierarhizarea materialelor pe baza unor criterii cheie

Criterii	Greutate	Termoseturi	Termoplastice
Cost	Înalt	2	4
Performanţă	Înalt	4	3
Fabricabilitatea	Mediu	3	4

Perspectivele viitoare ale materialelor termoplastice și materialelor plastice termorigide?

Progresele continue în materie de materiale și producție vor modela viitorul peisaj al materialelor termoplastice și termorigide:

Precursori termoplastici

• Noi precursori termoplastici proiectați pentru fabricarea compozitelor
• Profitați de reciclabilitate, păstrând în același timp performanța mecanică ridicată

Sisteme hibride

• Amestecuri și compozite pentru a optimiza proprietățile
• Exemplele includ materiale epoxidice termoplastice întărite

Fabricare aditivă

• Imprimare 3D de mare viteză a pieselor termoplastice de uz final
• Depășește limitările în complexitatea geometrică

Procesare durabilă

• Trecerea către producție pe bază de bio și cu CO2 redus
• Adoptarea principiilor Industriei 4.0

Tendinţă	Implicații
Ușurare	Utilizarea sporită a compozitelor de înaltă performanță
Personalizare in masa	Valorificarea producției aditive
Durabilitate	Materiale reciclabile și ecologice

În general, utilizarea sinergică a materialelor termoplastice și termorigide va permite dezvoltarea unor sisteme de inginerie durabile și de înaltă performanță.

Pe scurt, materialele termoplastice și termorigide diferă semnificativ în modul în care sunt formate și în modul în care răspund la căldură. Materialele termoplastice pot fi înmuiate în mod repetat cu căldură și întărite cu răcire, permițându-le să fie remodelate și reciclate mai ușor. Pe de altă parte, termorigidele suferă o reacție chimică ireversibilă atunci când se întăresc, ceea ce înseamnă că își păstrează forma permanent, dar nu pot fi retopite sau remodelate. Cunoașterea proprietăților materialelor termoplastice față de cele termorezistente este importantă pentru ingineri și producători pentru a selecta materialul plastic potrivit pentru diferite cerințe ale produsului și considerații legate de sfârșitul vieții.