Термопласты против термореактивных материалов: различия

Термопласты и реактопласты — два основных типа пластмасс, которые обычно используются в различных отраслях промышленности. Хотя термопласты и термореактивные пластики имеют некоторые сходства с органическими полимерами, они имеют ключевые различия в своей молекулярной структуре и свойствах, которые определяют, как их можно использовать.

Эта статья поможет вам понять различия между термопластами и реактопластами, а также понять их различные характеристики и области применения.

Обзор термопластов и термореактивных материалов

Двумя основными категориями полимерных материалов, используемых в производстве, являются реактопласты и термопласты.

Вот краткое определение обоих материалов:

• Термопласты — это полимеры, которые становятся гибкими или формуемыми при температуре выше определенной и затвердевают при охлаждении. Вы можете разогревать и изменять их форму снова и снова, не изменяя их химическую структуру.
• Термореактивные материалы — это полимерные материалы, которые необратимо отверждаются или затвердевают за счет образования сшитых сетей.

Отличия термореактивного материала от термопластика:

Параметр	Термопласты	Реактопласты
Состав	Линейные разветвленные полимеры	Сшитые полимеры
Склеивание	Слабые силы Ван дер Ваальса.	Прочные ковалентные связи
Температура плавления	Острый, можно переплавить	Постепенная деградация
Возможность вторичной переработки	пригодный для вторичной переработки	Не подлежит вторичной переработке
Примеры	Полиэтилен, нейлон, ПЭТ	Эпоксидные смолы, фенольные смолы

Некоторые ключевые свойства, которые отличаются:

• Термопласты могут многократно отверждаться и размягчаться при нагревании, тогда как термореактивные материалы подвергаются постоянному затвердеванию после первоначального формования.
• Термопласты имеют более низкие температуры плавления по сравнению с температурами разложения термореактивных материалов.
• Реактопласты обычно имеют более высокую механическую прочность, твердость и термическую стабильность.

Вот несколько примеров термопластика.

• Акрил
• Нейлон
• Ацетальный сополимер Полиоксиметилен
• Ацеталь гомополимер полиоксиметилен
• Поликарбонат (ПК)
• Полиэтилен (ПЭ)
• Полистирол (ПС)
• Полипропилен (ПП)
• Поливинилхлорид (ПВХ)
• Полиэтилентерефталат (ПЭТ)
• Тефлон

Термореактивные пластмассы используются в промышленности, поскольку термореактивные пластмассы обеспечивают структурную целостность и более экономичны. Вот несколько примеров термореактивного пластика:

• Фенолы
• Силикон
• Меламин
• Эпоксидная смола
• Поливинилиденфторид (ПВДФ)
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ)
• Полиуретан
• Полиимид

В производстве термопласты поддаются таким процессам, как литье под давлением, тогда как термореактивные материалы требуют пропитки армирования и контролируемого отверждения. Композиты могут быть изготовлены с использованием как термопластичных, так и термореактивных полимерных матриц. Примерами являются пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP) и композиты с керамической матрицей (CMC), такие как C/C-SiC.

Химические свойства и структура

Полимерные цепи и сшивка 

Термопласты представляют собой линейные цепочки молекул, обычно на основе углерода, таких как полиэтилен и нейлон. Их легко переформовать, они гибкие, поскольку им не хватает прочных связей между цепями. Однако молекулы термореактивных материалов сшиты, образуя сложную паутину. Такие материалы, как эпоксидная смола, силикон и фенольная смола, имеют сетчатую структуру, из-за которой им трудно изменить форму после отверждения.

• Термопласты: линейные, без сшивки (например, поликарбонат, акрил).
• Термореактивные материалы: сшитые пересекающиеся сетки (например, эпоксидная смола, полиуретан).

Химическая устойчивость

Если вы сталкиваетесь с химическими веществами, вы хотите знать, что выдержит. Выбор полимера имеет решающее значение. Термопласты, такие как полипропилен, могут без проблем противостоять многим химическим злодеям, но они могут ослабнуть под воздействием определенных растворителей. Термореактивные материалы, слава богу, их прочная структура, оказываются немного прочнее — такие материалы, как эпоксидная смола и фенольная смола, устойчивы к более широкому спектру химических веществ благодаря этому неприятному сшиванию.

• Химическая устойчивость:
  • Термопласты: от хорошего до отличного (зависит от материала, например, нейлон, акрил)
  • Реактопласты: обычно превосходные (например, силикон, полиуретан).

Процесс производства и формования

Когда вам необходимо производить термопластичные и термореактивные изделия, существуют различные методы переработки:

• Термопласты: нагреваются, чтобы сделать их гибкими для таких процессов, как литье под давлением и экструзия.
• Реактопласты: пропитываются армирующими элементами и подвергаются контролируемым реакциям отверждения.

Литье под давлением и экструзия

Когда вы имеете дело с термопластами, лучше всего использовать такие методы, как литье под давлением и экструзия. При литье под давлением термореактивный пластик плавится и впрыскивается в форму под высоким давлением. Это быстрый процесс, идеально подходящий для изготовления большого количества одинаковых изделий. При экструзии пластик проталкивается через матрицу для создания длинных непрерывных форм.

Ключевые характеристики процесса:

• Гранулы термопласта подаются в нагретый цилиндр и под давлением подаются в полость формы.
• Проблемы могут возникнуть из-за направления потока и образования линий сварки.
• Кристаллические термопласты, такие как полиэтилен (ПЭ), более склонны к разрушению, чем аморфные, такие как полистирол (ПС).

Параметр	Последствия
Температура формы	Скорость охлаждения, кристалличность
Скорость впрыска	Направление потока, прочность линии сварного шва
Удержание давления	Уменьшает пустоты и раковины

Процессы отверждения

Отверждение имеет решающее значение при работе с термореактивными пластиками. Вы применяете тепло или химическую реакцию, и материал постоянно меняется — после отверждения ему нельзя изменить форму. Этот процесс позволяет термореактивным материалам, таким как полиимид, затвердевать в прочные и долговечные изделия, такие как изоляция или клей. Отверждение делает их устойчивыми к высоким температурам и химикатам, поэтому их часто используют в суровых условиях.

Инфильтрация жидкого кремния

Судя по результатам поиска, инфильтрация жидкого кремния (LSI) — это процесс, используемый для производства композитов с керамической матрицей, в частности композитов C/C-SiC (углерод-углерод-карбид кремния). Ключевые моменты об инфильтрации жидкого кремния (LSI) из источников:

• Он включает в себя пропитку пористой углеродной заготовки расплавленным кремнием при температуре выше температуры плавления кремния (1414°C). 
• Расплавленный кремний реагирует с углеродом с образованием карбида кремния (SiC), образуя матричный композит SiC.
• Это эффективный и экономичный способ изготовления композитов с матрицей SiC по сравнению с другими процессами, такими как химическая инфильтрация паров.
• Параметры процесса, такие как температура, уровень вакуума и давление инертного газа, можно контролировать для оптимизации инфильтрации.
• Пористая микроструктура углеродной заготовки влияет на полноту пропитки и реакции.
• Композиты производства LSI обладают высокой термостабильностью, теплопроводностью и другими улучшенными свойствами.

Таким образом, инфильтрация жидким кремнием (LSI) — это специализированный производственный процесс для создания композитов с керамической матрицей C / C-SiC с использованием инфильтрации расплавленного кремния и реакции с углеродом.

Перенос смолы и реакционное литье под давлением 

Если вы используете термореактивные пластмассы, вы можете использовать трансферное формование смолы (RTM) — это похоже на более сложную версию литья под давлением с использованием преформ. Реакционное литье под давлением (RIM) — это еще один метод обработки реактопластов, при котором два жидких компонента смешиваются для реакции и отверждения внутри формы. Оба метода позволяют получить прочные детали сложной формы, часто встречающиеся в автомобильной и аэрокосмической промышленности.

Свойства материала и производительность

Термопласты и реактопласты существенно различаются по своим свойствам и эксплуатационным характеристикам:

 Механические свойства

• Прочность. Термореактивные материалы обычно обладают превосходной прочностью и долговечностью по сравнению с термопластами. Их часто используют в сложных условиях, когда материалы должны выдерживать высокие нагрузки без деформации. Между тем, термопласты, такие как полипропилен, могут похвастаться высоким соотношением прочности к весу, что делает их достаточно прочными для многих применений, оставаясь при этом легкими.

Свойство	Термопласты	Реактопласты
Твердость	Ниже	Выше
Жесткость	Ниже	Выше
Прочность	Выше	Более хрупкий

Эластичность и гибкость

Термопласты обычно более гибкие и эластичные, чем термореактивные. Например, термопласты, такие как полистирол, могут гнуться и растягиваться, что делает их идеальными для продуктов, требующих некоторой податливости. Эта эластичность обусловлена их более низкой температурой плавления, что позволяет их повторно нагревать и изменять форму по мере необходимости.

Стабильность размеров и допуск

Реактопласты отличаются стабильностью размеров — вы не увидите, чтобы они легко меняли форму или размеры под воздействием тепла или во время отверждения. Их структура после установки становится прочной. Для прецизионных деталей с жесткими допусками это огромное преимущество. Термопласты также обладают хорошей стабильностью размеров, но при неправильной обработке могут деформироваться.

Усадка и ползучесть

Вы заметите, что термопласты имеют тенденцию к некоторой усадке по мере охлаждения в процессе формования. С другой стороны, термореактивные материалы имеют минимальную усадку благодаря своей сшитой структуре. В долгосрочной перспективе термопласты могут ползать или деформироваться под постоянным напряжением, тогда как термореактивные материалы устойчиво сохраняют свою форму, что со временем обеспечивает им лучшую ударопрочность.

Эффекты микроструктуры

• Кристалличность влияет на свойства полукристаллических термопластов
• Плотность поперечных связей влияет на термическую стабильность реактопластов.
• Пористость и дефекты ухудшают механические характеристики.

Высокотемпературное поведение

• Большинство термопластов размягчаются при температуре около 150-200°C.
• Реактопласты сохраняют свойства до 300-400°C.
• Важна стойкость к окислению и коррозии.

 Переработка и устойчивое развитие

• Термопласты подлежат вторичной переработке
• Реактопласты образуют сшитую сеть и не подлежат повторной обработке.

Приложения и промышленное использование

Термопласты и реактопласты используются в различных отраслях промышленности из-за различий в их свойствах и экономической эффективности:

Отраслевые приложения

Некоторые основные области применения:

• Автомобильная промышленность: детали интерьера, компоненты под капотом.
• Аэрокосмическая промышленность: конструкции планера, компоненты двигателей.
• Строительство: Трубы, покрытия, клеи.
• Электроника: Печатные платы, разъемы.

Промышленность	Использование термопластов	Использование термореактивных материалов
Потребительские товары	Игрушки, товары для дома	Клеи, покрытия
Медицинское оборудование	Гибкие трубки, имплантаты	Эпоксидные герметики
Нефти и газа	Клапаны, уплотнения	Покрытия труб

 Композиты и прекурсоры

• Композиты C/C-SiC, изготовленные с использованием фенольной смолы и других термореактивных материалов в качестве исходных материалов.
• Углеродные и стеклопластики с использованием эпоксидных матриц.

Экономика затрат

Хотя термопласты требуют более высоких затрат на сырье, обработка термореактивных материалов может быть более сложной и дорогой. Анализ стоимости жизненного цикла важен для определения оптимального выбора материала.

Текущие тенденции исследований термореактивных пластмасс и термопластов

Текущие исследования направлены на дальнейшее совершенствование термопластов и термореактивных пластиков, а также на сравнение их потенциала для различных применений:

Разработка предшественников термореактивных материалов

• Оценка новых фенольных смол и других полимеров в качестве предшественников углеродного волокна и углерод-углерода (C/C).
• Адаптация свойств прекурсора для оптимизации характеристик композита

Улучшения метода обработки

• Оптимизация параметров литья под давлением для минимизации дефектов линии сварного шва
• Разработка высокоскоростных и прецизионных технологий аддитивного производства.

Отношения микроструктура-имущество

• Выяснение связи между кристалличностью, плотностью поперечных связей и конечными механическими свойствами.
• Стратегии уменьшения пористости и улучшения межфазной прочности

Сравнительная оценка

• Технико-экономический анализ для определения оптимального выбора материала
• Модели оценки жизненного цикла с учетом показателей устойчивости
• Матрицы решений, ранжирующие материалы на основе ключевых критериев

Критерии	Масса	Реактопласты	Термопласты
Расходы	Высокий	2	4
Производительность	Высокий	4	3
Технологичность	Середина	3	4

Будущие перспективы термопластов и термореактивных пластмасс?

Продолжающийся прогресс в области материалов и производства будет формировать будущее термопластов и реактопластов:

Прекурсоры термопластов

• Новые термопластичные предшественники для производства композитов
• Используйте возможности вторичной переработки, сохраняя при этом высокие механические характеристики.

Гибридные системы

• Смеси и композиты для оптимизации свойств
• Примеры включают термопластичные упрочненные эпоксидные смолы.

Производство добавок

• Высокоскоростная 3D-печать деталей из термопласта конечного использования
• Преодолевает ограничения геометрической сложности.

Устойчивая переработка

• Переход к производству на биологической основе и с сокращением выбросов CO2
• Принятие принципов Индустрии 4.0

Тренд	Подразумеваемое
Облегчение	Увеличение использования высокоэффективных композитов.
Массовая персонализация	Использование аддитивного производства
Устойчивое развитие	Перерабатываемые и экологически чистые материалы

В целом синергетическое использование термопластов и реактопластов позволит разработать высокопроизводительные и устойчивые инженерные системы.

Таким образом, термопласты и реактопласты существенно различаются по тому, как они образуются и как реагируют на тепло. Термопласты можно многократно размягчать при нагревании и затвердевать при охлаждении, что позволяет легче придавать им форму и перерабатывать. С другой стороны, термореактивные материалы при отверждении подвергаются необратимой химической реакции, то есть они постоянно сохраняют свою форму, но не могут быть переплавлены или переформованы. Знание свойств термопластов по сравнению с термореактивными материалами важно для инженеров и производителей, чтобы выбрать правильный пластиковый материал с учетом различных требований к продукции и условий окончания срока службы.