Materiale plastico ad alta temperatura

La ricerca e lo sviluppo nei campi della chimica dei polimeri e della scienza dei materiali furono significativi a metà del ventesimo secolo. Le plastiche e i polimeri furono creati come risultato di questa ricerca e sviluppo. Questi materiali avevano la capacità di resistere a temperature più elevate. Inizialmente furono creati il polifenilensolfuro e il politetrafluoroetilene, che dimostrarono di affrontare e resistere a temperature più elevate rispetto alle plastiche tradizionali. L'industria aerospaziale aumentò la domanda e il requisito significativi di polimeri o plastiche ad alta temperatura negli anni '70. Gli sforzi che furono esercitati a causa della richiesta di materiali leggeri, con eccezionali caratteristiche meccaniche e termiche, portarono quindi alla creazione di polimeri come numerosi tipi di poliammidi e polietereterchetone.

Alla fine le parti metalliche dei motori degli aerei e i suoi componenti strutturali sono stati sostituiti da queste plastiche leggere e resistenti alle alte temperature. Le plastiche convenzionali tendono ad ammorbidirsi alle alte temperature e poi iniziano a degradarsi a queste temperature elevate. Mentre d'altro canto le plastiche ad alta temperatura mantengono le loro proprietà intatte alle alte temperature e sono considerate adatte all'uso in settori in cui esistono condizioni operative estreme. Queste proprietà includono resistenza chimica, stabilità dimensionale e proprietà meccaniche che sono vitali per le prestazioni delle plastiche ad alta temperatura. Queste plastiche ad alta temperatura che sono progettate per affrontare e resistere alle alte temperature in ambienti estremi sono anche chiamate termoplastiche ingegneristiche o termoplastiche ad alte prestazioni.

 

Definizione del materiale plastico ad alta temperatura

Materiale plastico ad alta temperatura è il materiale che è specificamente progettato per funzionare ad alte temperature e resistere a queste temperature elevate. La caratteristica fondamentale che è importante è che le plastiche ad alta temperatura mantengono la loro integrità strutturale e le loro proprietà meccaniche ad alte temperature. Queste plastiche ingegneristiche ad alte prestazioni mantengono la loro forma originale e non si deformano durante il funzionamento a temperature elevate.

A seconda della categoria delle materie plastiche, mantengono le loro caratteristiche tra intervalli di temperatura da 150°C a oltre 300°C. Queste materie plastiche ad alta temperatura trovano il loro utilizzo in applicazioni ad alta temperatura in cui le normali materie plastiche si degraderebbero e si deformerebbero e non potrebbero sostenere quella temperatura elevata. È pertinente menzionare che i metalli sopportano un peso elevato e sono anche sensibili alla corrosione. Tenendo presente ciò, i materiali plastici ad alta temperatura sostituiscono i pasti in tali applicazioni essendo leggeri e resistenti alla corrosione.

Polimeri ad alta temperatura e plastiche ad alta temperatura (Differenziazione)

La variazione di composizione e struttura differenzia plastiche e polimeri. I polimeri ad alta temperatura sono una vasta categoria, mentre le plastiche ad alta temperatura sono un sottoinsieme di questa categoria più ampia. I polimeri ad alta temperatura sono composti sia da termoindurenti che da termoplastici. Per sintetizzare questi polimeri vengono applicati metodi di polimerizzazione avanzati. Nella maggior parte dei casi vengono utilizzati rinforzi o additivi specifici per aumentare le loro prestazioni contro le alte temperature.

Tuttavia, le plastiche ad alta temperatura sono composte solo da termoplastiche. Queste plastiche sono progettate per affrontare e sostenere temperature elevate senza deformarsi. Queste plastiche offrono una degradazione minima o nulla alle alte temperature. Queste plastiche sono specificamente progettate per mantenere la loro resistenza chimica, le proprietà meccaniche e la stabilità dimensionale in ambienti ad alta temperatura.

Quali sono i materiali delle plastiche ad alta temperatura (caratteristiche e applicazioni)?

Di seguito sono elencati i materiali che rientrano nella categoria delle plastiche resistenti alle alte temperature.

1. Politetrafluoroetilene (PTFE)

Questo materiale, denominato anche PTFE, è un eccellente isolante elettrico ed è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui è richiesto l'isolamento elettrico. Questo materiale è anche utilizzato per rivestimenti antiaderenti, in particolare in pentole e guarnizioni e cuscinetti. Questo utilizzo si basa su alcune importanti proprietà di questo materiale, come segue.

• Stabilità alle alte temperature
• Basso coefficiente di attrito
• Buona resistenza chimica

2. Polifenilene solfuro (PPS)

Questo materiale PPS è un termoplastico con struttura semicristallina e presenta le seguenti importanti caratteristiche.

• Ritardante di fiamma (intrinseco)
• Resistenza alle alte temperature
• Resistenza chimica
• Stabilità dimensionale

Queste caratteristiche hanno reso questo materiale adatto all'impiego in applicazioni industriali. Questo materiale è utilizzato anche nel settore elettrico ed elettronico nella produzione di alloggiamenti e connettori. Inoltre nell'industria automobilistica questo materiale è utilizzato per la fabbricazione di componenti sotto il cofano. Vai a Stampaggio a iniezione PPS per saperne di più su questo materiale.

3. Polimero a cristalli liquidi (LCP)

Questo materiale, denominato anche LCP, trova applicazione nei seguenti settori.

• Settore delle telecomunicazioni
• Industria elettronica (produzione di interruttori e connettori)
• Industria automobilistica (produzione di componenti sottocofano)

Questo materiale possiede le seguenti proprietà significative che ne consentono l'impiego nelle applicazioni sopra menzionate.

• Ottima resistenza chimica
• Elevata resistenza meccanica
• Buona stabilità dimensionale
• Ottima rigidità

4. Polietereterchetone (PEEK)

Questo materiale è anche termoplastico con struttura semicristallina ed è anche denominato PEEK. Questo materiale presenta le seguenti caratteristiche.

• Elevato rapporto resistenza/peso
• Buone proprietà meccaniche
• Ottima resistenza chimica
• Stabilità a temperature elevate fino a 250°C

Tenendo in considerazione le proprietà sopra menzionate del PEEK, esso è ampiamente utilizzato nelle seguenti applicazioni per la produzione di componenti che richiedono resistenza a condizioni ambientali estreme e buona resistenza meccanica. Vai a stampaggio a iniezione di plastica peek per saperne di più.

• Industria dei semiconduttori
• Settore automobilistico
• Industria aerospaziale
• Settore medico

5. Polieterimmide (PEI)

Questo materiale, chiamato anche PEI, presenta le seguenti importanti proprietà.

• Resistenza alla fiamma
• Buona resistenza meccanica
• Elevata resistenza termica
• Eccellente stabilità dimensionale
• Buone proprietà elettriche

Le principali applicazioni di questo materiale riguardano i seguenti settori.

• Settore medico (fabbricazione di strumenti chirurgici sterilizzabili)
• Industria automobilistica
• Industria elettronica
• Settore aerospaziale

6. Poliimmidi (PI)

Il materiale ployimide, denominato anche PI, presenta le seguenti caratteristiche.

• Buone proprietà meccaniche
• Ottima stabilità termica fino a 400°C
• Buona resistenza chimica
• Bassa dilatazione termica

Questo materiale è ampiamente utilizzato nell'industria elettronica, aerospaziale e automobilistica per le seguenti applicazioni.

• Isolamento elettrico
• Scudi termici
• Parti e pezzi di ricambio del motore
• Schede di circuito

7.  Fluoropolimeri (FPE)

I materiali plastici ad alta temperatura che rientrano in questa categoria più ampia sono i seguenti.

• Etilenepropilene fluorurato
• Politetrafluoroetilene
• Perfluoroalcossi

Questi polimeri tendono a mostrare determinate qualità descritte di seguito.

• Elevata stabilità della temperatura
• Eccellente resistenza chimica (contro acidi, basi e molti solventi)
• Basso coefficiente di attrito

Questi materiali trovano applicazione principalmente nei seguenti ambiti applicativi.

• Rivestimenti per fili
• Lavorazione dei semiconduttori
• Tubi
• Foche
• Rivestimenti
• Attrezzature per l'elaborazione chimica

  8.Polifenilsulfone (PPSU)

Il PPSU è un componente in plastica termoplastica per alte temperature, scoperto negli anni '60. La sua densità è di 1,24 g/cm2, l'assorbimento d'acqua è di 0,22%, il tasso di restringimento è di 1,007 (0,7%), la temperatura di fusione è di 190 °C, la temperatura di distorsione termica è di 1,82 MPa a 174 °C e la temperatura di utilizzo a lungo termine varia da -100 °C a +150 °C. Questo è uno dei materiali plastici di qualità più elevata tra loro.

Semplice processo di stampaggio per materiale plastico PPSU

Pre-essiccazione: il PPSU deve essere pre-essiccato prima della lavorazione per rimuovere l'umidità dal materiale e prevenire reazioni di idrolisi ad alte temperature. La temperatura di essiccazione è di 90℃–110℃, almeno 3–4 ore di tempo di essiccazione.

Preriscaldamento: il PPSU deve essere preriscaldato prima dello stampaggio a iniezione per migliorare la fluidità del materiale. La temperatura di preriscaldamento è solitamente compresa tra 80 e 120 °C.

Iniezione: iniezione di PPSU nello stampo. La pressione e la velocità di iniezione devono essere determinate in base al tipo e allo spessore della parete di stampaggio a iniezione.

Raffreddamento: è praticamente uguale ad altri componenti stampati a iniezione, ma il PPSU necessita di una temperatura dello stampo più alta rispetto all'ABS o al PC, quindi normalmente il tempo di raffreddamento sarà un po' più lungo, ma questo dipende dallo spessore della parete del componente stampato.

Espulsione: Una volta che il Stampaggio a iniezione di PPSU quando le parti si sono completamente raffreddate nella cavità dello stampo, lo stampo si apre e il sistema di espulsione espelle la parte stampata dallo stampo.

Post-lavorazione: alcune parti potrebbero necessitare di post-lavorazione, come lavorazione meccanica, tornitura CNC, pulizia, ecc., a seconda delle esigenze del cliente.

Applicazione di parti stampate in PPUS,

Il PPUS è molto costoso e viene normalmente utilizzato negli elettrodomestici, nell'elettronica, nell'industria medica, nei biberon, negli strumenti e nei reparti aerospaziali per componenti resistenti al calore, alla corrosione, ad alta resistenza e componenti isolanti, pellicole industriali, ecc.

Nella tabella sottostante sono riportati alcuni materiali ad alta temperatura da utilizzare come riferimento. Se avete bisogno di parti stampate in plastica ad alta temperatura, non esitate a contattarci.

Caratteristica	Test ASTM	PTFE	PFA	FEP	ETF-E	PCTFE	Materiale PVDF	SBIRCIARE	PPSU	PPS
Punto di fusione	(Temperatura approssimativa:C)	327	308	270	260	211	175	343	250	278
Temperatura massima di utilizzo continuo	(20000 ore, valore teorico: ℃	260	260	200	150	120	150	260	180	240
Conduttività termica	C177((W/cm·k).℃/cm)	0.25	0.25	0.25	0.24	0.21	0.13	0.66	0.45	0.5
Durezza (shore)	Misuratore di durezza Shore D	Da 50 a 65	D60	D55	Da 70 a 75	D80	Da D75 a D85	D85	Da 85 a 95	D87-95
Resistenza alla trazione (Mpa)	D638	25-40	28-35	20-25	40-50	32-40	40-58	98 – 100	94-100	>150
Resistenza alla compressione (Mpa)	Distorsione D695/1%, 25°C	5-6	5-6	5-6	11	9-12	13-14	25-35	95	27-134
Allungamento (%)	D638	250-450	300-400	270-330	400-450	90-250	300-450	40-50	60-120	200
Resistenza all'impatto (J/m)	D256	160-170	nessuna rottura	nessuna rottura	nessuna rottura	135-145	1105	40-50	690	800
Proporzione	D792	2.13-2.22	2.12-2.27	2.12-2.27	1.70-1.86	2.10-2.14	1.76-1.78	1.26 – 1.32	1.32-1.5	1.32-1.5
Tasso di restringimento	(Valore teorico)	2%-5%	4%	3%-6%	3%-4%	1.5%-2%	1.40%	0.50%	0.50%	0.50%
Costante dielettrica	D150/106Hz	2.1	2.1	2.1	2.6	2.4	6.43	3.2	3.94	3.5
Resistenza alla rottura elettrica (MV/V)	D149/tempo di scatto, 3,2 mm	19	20	20-24	16	20-24	10	25	6.3	17
Resistenza alle intemperie		eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente
Resistenza alle sostanze chimiche		eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente	eccellente
Ritardante di fiamma, ritardante di fiamma (%)	Concentrazione limite dell'indice di ossigeno	>95	>95	>95	>31	>95	>43	>95	>95	>95

Quali sono i metodi di lavorazione delle materie plastiche ad alta temperatura?

Per la lavorazione delle plastiche ad alta temperatura vengono utilizzate tecniche speciali. Inoltre, durante la lavorazione, ci si assicura che le caratteristiche delle plastiche ad alta temperatura, tra cui la resistenza meccanica e la resistenza al calore, rimangano intatte durante l'intera operazione di produzione.

I metodi di lavorazione più comuni e ampiamente utilizzati per le materie plastiche ad alta temperatura sono i seguenti.

1. Stampaggio a compressione

In questo processo viene preparata una cavità di stampo aperta. Questa cavità di stampo viene quindi riscaldata e una quantità calcolata di plastica viene posizionata al suo interno. Dopo di che questo stampo viene chiuso e viene applicata una pressione adeguata sul materiale. L'applicazione di questa pressione comprime il materiale e il materiale viene trasformato nella forma richiesta. Le parti che sono di grandi dimensioni e hanno geometrie complesse vengono stampate con questo metodo. Queste parti sono difficili da stampare con altri processi di stampaggio. I materiali che vengono lavorati con il metodo di stampaggio a compressione includono polietereterchetone, poliimmidi e plastiche termoindurenti ad alta temperatura. I seguenti parametri devono essere controllati per produrre un prodotto finale uniforme e privo di difetti.

• Temperatura
• Pressione
• Tempo di stampaggio

2. Stampaggio a iniezione

In questo metodo di lavorazione, prima viene preparata una cavità dello stampo della forma desiderata. Dopodiché, il materiale plastico in forma fusa viene iniettato in quella cavità dello stampo. Questa iniezione viene eseguita ad alta temperatura e pressione. Le plastiche ad alta temperatura vengono più comunemente lavorate tramite stampaggio a iniezione. Questo metodo di lavorazione è fattibile per articoli di grandi volumi e forme complesse. I materiali che vengono lavorati tramite stampaggio a iniezione sono costituiti da fluoropolimeri, polifenilensolfuro, polietereterchetone e polieterimmide. I parametri che devono essere controllati per evitare deformazioni e per ottenere stabilità dimensionale sono i seguenti:

• Velocità di raffreddamento
• Temperatura
• Resistenza del materiale dello stampo all'ambiente corrosivo
• Resistenza del materiale dello stampo alle alte temperature

3. Estrusione

Questo metodo utilizza il processo di estrusione per produrre il prodotto o l'articolo desiderato. In questa tecnica di lavorazione viene utilizzata una matrice permanente della forma desiderata. Il materiale plastico in forma fusa viene forzato nella matrice utilizzando una forza di compressione. Come risultato di questo prodotto di sezione trasversale uniforme che porta un profilo continuo, viene prodotto. Per evitare la degradazione termica, il controllo della temperatura di estrusione è fondamentale.

Nella lavorazione per estrusione di materie plastiche ad alta temperatura, la qualità del prodotto estruso e il flusso regolare del materiale variano da materiale a materiale. Quindi, la geometria della matrice e il design delle viti vengono regolati per ottenere la qualità desiderata. Le materie plastiche ad alta temperatura più comuni che vengono comunemente lavorate tramite il metodo di estrusione includono compositi termoplastici, fluoropolimeri, polifenilensolfuro e polietereterchetone. I seguenti prodotti vengono comunemente prodotti tramite questo metodo di lavorazione.

• Tubi
• Fogli
• Bastoni
• Profili di materie plastiche ad alta temperatura

4.  Lavorazione meccanica

Questa tecnica di lavorazione prevede l'utilizzo di vari macchinari e utensili per modellare le plastiche ad alta temperatura. In questo metodo le macchine più comunemente utilizzate sono macchine CNC, fresatrici e torni. Questo tipo di lavorazione viene applicato su prodotti o articoli che hanno geometrie complicate e sono di basso volume. Questo metodo richiede utensili speciali e tecniche specializzate a causa della resistenza e della tenacità del materiale. Controlla Lavorazione CNC PEEK per saperne di più.

Ma tutti i tipi di materie plastiche ad alta temperatura possono essere lavorate utilizzando questa tecnica. Durante il processo di lavorazione delle materie plastiche ad alta temperatura viene generata una notevole quantità di calore. Questo calore è fondamentale per destabilizzare la precisione dimensionale dell'articolo e anche per propagare la degradazione del materiale. Per eliminare gli effetti negativi di questo calore, durante il processo di lavorazione viene eseguita una lubrificazione.

5. Produzione additiva

Questo metodo di lavorazione è molto unico rispetto ad altri metodi di lavorazione. In questa tecnica vengono utilizzate plastiche ad alta temperatura sotto forma di filamenti o polveri. Questa polvere viene utilizzata per produrre le parti strato per strato. Ciò viene eseguito adottando tecniche di produzione additiva. Principalmente ci sono due tecniche di produzione additiva che sono le seguenti.

• Modellazione a deposizione fusa
• Sinterizzazione laser selettiva

Questo processo è fattibile per la produzione di prototipi. Tuttavia, vengono prodotte anche parti con geometrie complesse. Questo metodo di lavorazione offre uno spreco minimo di materiale. Esistono numerose plastiche ad alta temperatura che sono compatibili con il metodo di produzione additiva. Questi materiali includono polietereterchetone e polieterimmide. Questo metodo richiede un controllo molto accurato dei parametri di processo per ottenere la precisione dimensionale e le proprietà meccaniche richieste. Inoltre, per questo metodo di lavorazione sono necessarie attrezzature speciali in grado di gestire materiali plastici ad alta temperatura.

Conclusione

La scienza dei materiali sta toccando nuovi orizzonti e sta mostrando progressi grazie alle plastiche ad alta temperatura. Questi materiali offrono proprietà uniche e speciali, tra cui resistenza meccanica, stabilità alle alte temperature e resistenza a sostanze chimiche come acidi, basi e solventi. I materiali plastici ad alta temperatura hanno permesso la produzione di pezzi di ricambio e prodotti dalle prestazioni di prim'ordine, resistenti, leggeri e durevoli. Di conseguenza, tutti i settori e le industrie di spicco hanno sperimentato una rivoluzione, tra cui elettronica, automotive, medicina e aerospaziale.

I materiali plastici convenzionali non possono resistere alle alte temperature e subiscono degradazione. Tuttavia, le plastiche ad alta temperatura sono molto adatte a tali applicazioni perché hanno la proprietà importante di resistere alle alte temperature. Inoltre, le plastiche ad alta temperatura mostrano resistenza alla corrosione e alle sollecitazioni meccaniche. Questi materiali forniscono una durata di vita estesa a prodotti e pezzi di ricambio grazie alle loro caratteristiche uniche come la resistenza alla fatica, la stabilità dimensionale e l'isolamento elettrico in condizioni operative estreme.

Alta temperatura plastica stanno diventando sempre più importanti giorno dopo giorno perché il settore industriale richiede alte prestazioni di componenti e pezzi di ricambio. La ricerca e lo sviluppo avanzati nei campi della scienza dei materiali e dei metodi di lavorazione stanno dimostrando che questi materiali possono essere utilizzati per requisiti più elevati. Ciò si tradurrà in maggiore efficienza, sostenibilità e sicurezza in numerosi settori.Inizio del modulo