Termoplasty vs termosety: búranie rozdielov

Termoplasty a termosety sú dva hlavné typy plastov, ktoré sa bežne používajú v rôznych priemyselných odvetviach. Aj keď zdieľajú určité podobnosti ako organické polyméry, termoplasty a termosety majú kľúčové rozdiely vo svojej molekulárnej štruktúre a vlastnostiach, ktoré určujú, ako môžu byť použité.

Tento článok vám pomôže pochopiť rozdiely medzi termoplastmi a termosetmi, aby vám pomohol pochopiť ich rôzne vlastnosti a aplikácie.

Prehľad termoplastov a termosetov

Dve hlavné kategórie polymérnych materiálov používaných vo výrobe sú termosety a termoplasty.

Tu je stručná definícia oboch materiálov:

• Termoplasty sú polyméry, ktoré sa pri určitej teplote stávajú ohybnými alebo tvarovateľnými a po ochladení tuhnú. Môžete ich znova a znova ohrievať a tvarovať bez toho, aby sa zmenila ich chemická štruktúra.
• Termosety sú polymérne materiály, ktoré nevratne vytvrdzujú alebo vytvrdzujú vytvorením zosieťovaných sietí.

Rozdiely medzi termosetom a termoplastom:

Parameter	Termoplasty	termosety
Štruktúra	Lineárne, rozvetvené polyméry	Zosieťované polyméry
Lepenie	Slabé van der Waalsove sily	Silné kovalentné väzby
Bod topenia	Ostrý, dá sa pretaviť	Postupná degradácia
Recyklovateľnosť	Recyklovateľné	Nerecyklovateľné
Príklady	Polyetylén, nylon, PET	Epoxidy, fenoly

Niektoré kľúčové vlastnosti, ktoré sa líšia:

• Termoplasty je možné opakovane vytvrdzovať a zmäkčovať zahriatím, zatiaľ čo termosety po počiatočnom tvarovaní podliehajú trvalému vytvrdzovaniu
• Termoplasty majú nižšie teploty topenia v porovnaní s teplotami degradácie termosetov
• Termosety majú vo všeobecnosti vyššiu mechanickú pevnosť, tvrdosť a tepelnú stabilitu

Tu je niekoľko príkladov termoplastov

• Akryl
• Nylon
• Acetálový kopolymér Polyoxymetylén
• Acetálový homopolymér Polyoxymetylén
• Polykarbonát (PC)
• polyetylén (PE)
• Polystyrén (PS)
• Polypropylén (PP)
• Polyvinylchlorid (PVC)
• Polyetyléntereftalát (PET)
• teflón

Termosetové plasty sa používajú v priemysle, pretože termosety poskytujú štrukturálnu integritu a sú ekonomickejšie. Tu je niekoľko príkladov termosetového plastu:

• fenoly
• Silikón
• Melamín
• Epoxid
• Polyvinylidénfluorid (PVDF)
• Polytetrafluóretylén (PTFE)
• Polyuretán
• Polyimid

Vo výrobe sú termoplasty prístupné procesom, ako je vstrekovanie, zatiaľ čo termosety vyžadujú impregnáciu výstuh a kontrolované vytvrdzovanie. Kompozity môžu byť vyrobené s použitím termoplastických aj termosetových polymérnych matríc. Príkladmi sú plasty vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP) a kompozity s keramickou matricou (CMC) ako C/C-SiC.

Chemické vlastnosti a štruktúra

Polymérne reťazce a zosieťovanie 

Termoplasty sú lineárne reťazce molekúl, zvyčajne na báze uhlíka, ako je polyetylén a nylon. Ľahko sa pretvarujú, sú flexibilné, pretože im chýbajú pevné väzby medzi reťazami. Molekuly v termosetoch sú však zosieťované a vytvárajú komplexnú sieť. Materiály ako epoxid, silikón a fenol majú túto sieťovitú štruktúru, vďaka čomu je ťažké ich pretvarovať po vytvrdnutí.

• Termoplasty: Lineárne, bez zosieťovania (napr. Polykarbonát, Akryl)
• Termosety: zosieťované, pretínajúce sa siete (napr. epoxid, polyuretán)

Chemická odolnosť

Ak ste proti chemikáliám, chcete vedieť, čo vydrží. Výber polyméru je kľúčový. Termoplasty ako polypropylén dokážu bez problémov odolať mnohým chemickým zloduchom, ale s určitými rozpúšťadlami sa môžu oslabiť. Termosety, požehnané ich robustnej štruktúre, sú o niečo pevnejšie – materiály ako epoxid a fenol odolávajú širšiemu spektru chemických látok vďaka tomuto otravnému zosieťovaniu.

• Chemická odolnosť:
  • Termoplasty: Dobré až vynikajúce (líši sa podľa materiálu, napr. nylon, akryl)
  • Termosety: Typicky vynikajúce (napr. silikón, polyuretán)

Výrobný a lisovací proces

Keď potrebujete vyrábať termoplastické a termosetové výrobky, existujú rôzne techniky na spracovanie na:

• Termoplasty: Zahrievané, aby boli ohybné pre procesy, ako je vstrekovanie a vytláčanie.
• Termosety: Impregnované do výstuží a podliehajú kontrolovaným reakciám vytvrdzovania.

Vstrekovanie a vytláčanie

Keď máte čo do činenia s termoplastmi, techniky ako vstrekovanie a extrúzia sú najpoužívanejšie metódy. Pri vstrekovaní sa termosetový plast roztaví a vstrekuje do formy pod vysokým tlakom. Je to rýchly proces, ideálny na výrobu veľkého množstva rovnakých položiek. Pri vytláčaní sa plast pretláča cez matricu, aby sa vytvorili dlhé súvislé tvary.

Kľúčové vlastnosti procesu:

• Termoplastické pelety sa privádzajú do vyhrievaného suda a pod tlakom sa tlačia do dutiny formy.
• Problémy môžu nastať v dôsledku smeru prúdenia a vytvárania zvarových línií.
• Kryštalické termoplasty ako polyetylén (PE) sú náchylnejšie v porovnaní s amorfnými, ako je polystyrén (PS).

Parameter	Účinky
Teplota formy	Rýchlosť chladenia, kryštalinita
Rýchlosť vstrekovania	Smer toku, sila zvaru
Udržiavanie tlaku	Znižuje dutiny a výlevky

Procesy vytvrdzovania

Vytvrdzovanie je rozhodujúce pri práci s termosetovými plastmi. Aplikujete teplo alebo chemickú reakciu a materiál sa natrvalo zmení – po vytvrdnutí sa už nedá pretvarovať. Tento proces umožňuje termosetom, ako je polyimid, stuhnúť na pevné a odolné predmety, ako je izolácia alebo lepidlá. Vytvrdzovaním sú odolné voči vysokým teplotám a chemikáliám, takže sa často používajú v drsnom prostredí.

Infiltrácia tekutého kremíka

Na základe výsledkov vyhľadávania je infiltrácia tekutého kremíka (LSI) proces používaný na výrobu kompozitov s keramickou matricou, konkrétne kompozitov C/C-SiC (karbon-uhlík karbid kremíka). Kľúčové body o infiltrácii tekutého kremíka (LSI) zo zdrojov sú:

• Zahŕňa infiltráciu pórovitého uhlíkového predlisku roztaveným kremíkom nad teplotou topenia kremíka (1414 °C) 
• Roztavený kremík reaguje s uhlíkom za vzniku karbidu kremíka (SiC), čím vzniká matricový kompozit SiC
• Je to efektívny a nákladovo efektívny spôsob výroby kompozitov SiC matrice v porovnaní s inými procesmi, ako je chemická infiltrácia pár
• Parametre procesu, ako je teplota, úroveň vákua a tlak inertného plynu, je možné ovládať, aby sa optimalizovala infiltrácia
• Mikroštruktúra pórovitého uhlíkového predlisku ovplyvňuje úplnosť infiltrácie a reakcie
• Kompozity vyrobené spoločnosťou LSI majú vysokú tepelnú stabilitu, tepelnú vodivosť a ďalšie vylepšené vlastnosti

Stručne povedané, Liquid Silicon Infiltration (LSI) je špecializovaný výrobný proces na vytvorenie kompozitov s keramickou matricou C/C-SiC pomocou infiltrácie roztaveného kremíka a reakcie s uhlíkom.

Prenos živice a reakčné vstrekovanie 

Ak používate termosetové plasty, môžete použiť lisovanie na prenos živice (RTM) – je to ako sofistikovanejšia verzia vstrekovania s použitím predliskov. Reakčné vstrekovanie (RIM) je ďalšou technikou pre termosety, pri ktorej sa zmiešajú dve kvapalné zložky, aby reagovali a stuhli vo forme. Obe metódy vám poskytnú pevné diely so zložitými tvarmi, ktoré sa často vyskytujú v automobilovom a leteckom priemysle.

Vlastnosti materiálu a výkon

Termoplasty a termosety sa výrazne líšia svojimi vlastnosťami a výkonnostnými charakteristikami:

 Mechanické vlastnosti

• Pevnosť - Termosety vo všeobecnosti ponúkajú vynikajúcu pevnosť a odolnosť v porovnaní s termoplastmi. Často sa používajú v náročných aplikáciách, kde materiály musia odolávať vysokému namáhaniu bez deformácie. Medzitým sa termoplasty ako polypropylén môžu pochváliť vysokým pomerom pevnosti k hmotnosti, vďaka čomu sú dostatočne pevné na mnohé použitia a zároveň sú ľahké.

Nehnuteľnosť	Termoplasty	termosety
Tvrdosť	Nižšia	Vyššie
Tuhosť	Nižšia	Vyššie
Húževnatosť	Vyššie	Krehkejšie

Elasticita a flexibilita

Termoplasty sú zvyčajne pružnejšie a elastickejšie ako termosety. Napríklad termoplasty, ako je polystyrén, sa môžu ohýbať a rozťahovať, vďaka čomu sú ideálne pre výrobky, ktoré vyžadujú určitú pružnosť. Táto elasticita je spôsobená ich nižšími bodmi topenia, ktoré umožňujú ich opätovné zahriatie a pretvarovanie podľa potreby.

Rozmerová stabilita a tolerancia

Termosety vynikajú rozmerovou stálosťou – neuvidíte, že by pod teplom alebo počas vytvrdzovania ľahko menili tvar alebo rozmery. Ich štruktúra je raz pevná ako skala. Pre presné diely s tesnými toleranciami je to obrovská výhoda. Termoplasty majú tiež dobrú rozmerovú stabilitu, ale môžu sa deformovať, ak nie sú správne spracované.

Zmršťovanie a tečenie

Všimnete si, že termoplasty majú tendenciu sa trochu zmenšovať, keď sa ochladzujú z lisovacích procesov. Na druhej strane termosety majú vďaka zosieťovanej štruktúre minimálne zmrštenie. Z dlhodobého hľadiska sa termoplasty môžu pri konštantnom namáhaní tečúť alebo deformovať, zatiaľ čo termosety si zachovávajú svoj tvar stabilne, čo im dáva lepšiu odolnosť proti nárazu v priebehu času.

Účinky mikroštruktúry

• Kryštalinita ovplyvňuje vlastnosti semikryštalických termoplastov
• Hustota zosieťovania ovplyvňuje tepelnú stabilitu termosetov
• Pórovitosť a defekty zhoršujú mechanické vlastnosti

Správanie pri vysokej teplote

• Väčšina termoplastov mäkne okolo 150-200°C
• Termosety si zachovávajú vlastnosti až do 300-400°C
• Dôležitá je odolnosť voči oxidácii a korózii

 Recyklácia a udržateľnosť

• Termoplasty sú recyklovateľné
• Termosety tvoria zosieťované siete a nedajú sa opätovne spracovať

Aplikácie a priemyselné využitie

Termoplasty a termosety sa používajú v rôznych priemyselných odvetviach kvôli rozdielom v ich vlastnostiach a nákladovej ekonomike:

Priemyselné aplikácie

Niektoré hlavné oblasti použitia:

• Automobilový priemysel: Časti interiéru, komponenty pod kapotou
• Letectvo a kozmonautika: Konštrukcia draku lietadla, súčasti motorov
• Konštrukcia: Rúry, nátery, lepidlá
• Elektronika: Dosky plošných spojov, konektory

priemysel	Použitie termoplastov	Použitie termosetov
Spotrebný tovar	Hračky, domáce potreby	Lepidlá, nátery
Zdravotnícke prístroje	Flexibilné hadičky, implantáty	Epoxidové kapsuly
Olej a benzín	Ventily, tesnenia	Nátery potrubí

 Kompozity a prekurzory

• C/C-SiC kompozity vyrobené s použitím fenolovej živice a iných termosetov ako prekurzorov
• Plasty vystužené uhlíkovými a sklenenými vláknami s použitím epoxidových matríc

Ekonomika nákladov

Zatiaľ čo termoplasty majú vyššie náklady na suroviny, spracovanie termosetov môže byť zložitejšie a drahšie. Analýza nákladov životného cyklu je dôležitá na určenie optimálneho výberu materiálu.

Súčasné trendy výskumu termosetových plastov a termoplastov

Prebiehajúci výskum sa zameriava na ďalšie zlepšovanie termoplastov a termosetových plastov, ako aj na porovnanie ich potenciálu pre rôzne aplikácie:

Vývoj termosetových prekurzorov

• Hodnotenie nových fenolových živíc a iných polymérov ako uhlíkových vlákien a prekurzorov uhlík-uhlík (C/C)
• Prispôsobenie vlastností prekurzora pre optimalizovaný výkon kompozitu

Vylepšenia metódy spracovania

• Optimalizácia parametrov vstrekovania na minimalizáciu defektov zvarovej línie
• Vývoj vysokorýchlostných a presných aditívnych výrobných techník

Vzťahy medzi mikroštruktúrou a vlastníctvom

• Objasnenie súvislostí medzi kryštalinitou, hustotou zosieťovania a konečnými mechanickými vlastnosťami
• Stratégie na zníženie pórovitosti a zlepšenie medzifázovej pevnosti

Porovnávacie hodnotenie

• Technoekonomické analýzy na určenie optimálneho výberu materiálu
• Modely hodnotenia životného cyklu zohľadňujúce metriky udržateľnosti
• Rozhodovacie matice hodnotia materiály na základe kľúčových kritérií

Kritériá	Hmotnosť	termosety	Termoplasty
náklady	Vysoká	2	4
Výkon	Vysoká	4	3
Vyrobiteľnosť	Stredná	3	4

Budúce vyhliadky termoplastov a termosetových plastov?

Pokračujúci pokrok v materiáloch a výrobe bude formovať budúcu krajinu pre termoplasty a termosety:

Termoplastické prekurzory

• Nové skonštruované termoplastické prekurzory na výrobu kompozitov
• Využite recyklovateľnosť pri zachovaní vysokého mechanického výkonu

Hybridné systémy

• Zmesi a kompozity na optimalizáciu vlastností
• Príklady zahŕňajú termoplastické tvrdené epoxidy

Aditívna výroba

• Vysokorýchlostná 3D tlač konečných termoplastických dielov
• Prekonáva obmedzenia v geometrickej zložitosti

Udržateľné spracovanie

• Posun smerom k výrobe na bio báze a so znížením CO2
• Prijatie princípov Industry 4.0

Trend	Dôsledky
Odľahčenie	Zvýšené používanie vysokovýkonných kompozitov
Hromadné prispôsobenie	Využitie aditívnej výroby
Udržateľnosť	Recyklovateľné a ekologické materiály

Celkovo synergické využitie termoplastov a termosetov umožní vývoj vysokovýkonných a udržateľných inžinierskych systémov.

Stručne povedané, termoplasty a termosety sa výrazne líšia v tom, ako vznikajú a ako reagujú na teplo. Termoplasty je možné opakovane zmäkčovať teplom a vytvrdzovať ochladzovaním, čo umožňuje ich jednoduchšiu úpravu a recykláciu. Na druhej strane termosety prechádzajú pri vytvrdzovaní nezvratnou chemickou reakciou, čo znamená, že si trvalo držia svoj tvar, ale nie je možné ich pretaviť ani preformovať. Poznanie vlastností termoplastov v porovnaní s termosetmi je dôležité pre inžinierov a výrobcov pri výbere správneho plastového materiálu pre rôzne požiadavky na výrobky a úvahy o konci životnosti.