Polimeri plastici resistenti al calore. Scelte e applicazioni
Come aumentare la resistenza al calore dei componenti in plastica? Otto polimeri per alte temperature.
Tra le caratteristiche della plastica, la resistenza al calore è una discriminante piuttosto importante.
Nella produzione di alcuni componenti ad uso industriale, ma non solo (si pensi per esempio agli imballi alimentari) è fondamentale impiegare materiali plastici con buona resistenza alle temperature elevate.
Perciò prima di tutto bisogna conoscere quale sarà la destinazione d’uso del prodotto per scegliere materiale e successivamente lavorazione.
Ci sono polimeri termoplastici come polipropilene (PP) e polietilene (PE) che, grazie alle loro caratteristiche, trovano largo impiego in diversi settori.
Il PP offre elevata resistenza agli acidi ed ha caratteristiche fisiche eccellenti mentre il PE oltre alla resistenza agli acidi risulta resistente anche agli alcali. Entrambi trovano largo impiego in settori come quello alimentare, meccanico e chimico, per esempio.
Quando parliamo di calore, però, la scelta va dirottata su altri materiali, con caratteristiche specifiche. Nella progettazione, e quindi nell’individuazione della plastica da utilizzare, la resistenza termica non è riferita alla temperatura di lavorazione, di fusione o di cristallizzazione del polimero che si andrà a trattare,ma alla temperatura alla quale un materiale perde resistenza e, di conseguenza, compromette la propria funzionalità.
Che sia un componente di una macchina automatica, un elemento di un impianto speciale, una parte di un sistema elettrico o di una struttura idraulica, occorre valutare le proprietà che il polimero plastico deve possedere in relazione al calore e alle temperature di esercizio.
Per dirla in altri termini, in fase di progettazione di un cuscinetto va considerato il calore generato dall’attrito che lo coinvolgerà così come, per un recipiente ad uso alimentare domestico che può essere scaldato nel microonde, andrà considerato il calore generato a cui dovrà essere resistente.
Cosa significa resistere al calore?
Ma allora cosa si intende per resistenza al calore di un polimero plastico?
Non esiste una temperatura precisa, un valore al di sopra del quale una materia plastica si definisce resistente al calore e un’altra no. Si tratta più che altro di individuare le temperature di interesse per i requisiti di funzionamento e di lavoro del pezzo.
Detto questo, parlando di applicazioni di polimeri ad alte temperature, possiamo definire a questo proposito come valore di riferimento qualunque temperatura superiore a 175°C. Rispetto a questa temperatura, infatti, i sopra citati polipropilene (PP) e polietilene (PE) non possono certo definirsi performanti dal momento che il primo perde resistenza già a 82°C e il secondo a 130°C.
Ma resistere al calore significa essere ignifugo? Niente affatto. La proprietà che consente ad un polimero di mantenere la propria resistenza sino ad una certa temperatura non implica una elevata resistenza all’infiammabilità. Questa infatti avviene a temperature differenti e nei materiali può essere gestita con l’aggiunta di composti organici alogenati o di altri ritardanti di fiamma.
Materiali termoplastici con una buona resistenza a temperature elevate: i fantastici quattro
Ecco la top 4 dei polimeri plastici resistenti al calore e i loro maggiori campi di impiego.
Iniziamo dai due materiali che, in virtù delle loro caratteristiche, hanno trovato più ampia diffusione: il polietereterchetone conosciuto con la sigla PEEK e il politetrafluoroetilene o PTFE.
Il polietereterchetone è un polimero termoplastico ad alte prestazioni, tanto che in molte circostanze lo si può considerare una valida alternativa al metallo. Con caratteristiche tra cui l’ottima resistenza chimica, che lo rende insolubile nei solventi più comuni e in un’ampia gamma di liquidi organici e inorganici, il PEEK presenta inoltre proprietà meccaniche eccellenti con un’alta resistenza all’usura, all’abrasione e all’urto.
Il PEEK è un polimero con notevoli proprietà elettriche e discrete proprietà di isolamento elettrico e per quanto riguarda il calore, le sue prestazioni sono considerevoli: il PEEK conserva le proprie caratteristiche a temperature di 250°C o superiori arrivando ai 300°C per brevi periodi senza sensibili deterioramenti.
La resistenza all’idrolisi e ai cicli di sterilizzazione lo rende adatto al contatto con gli alimenti secondo le normative europee e secondo la FDA statunitense. L’alta resistenza ai raggi gamma, inoltre, lo qualifica per l’impiego nel settore medico per impianti spinali e dispositivi di fissaggio. Si parla in questo caso di un polimero ad elevata stabilità dimensionale, capace quindi di mantenere forma e dimensioni anche al variare delle condizioni ambientali.
Il politetrafluoroetilene o PTFE, è un polimero ad altissimo peso molecolare conosciuto come il materiale antiattrito per eccellenza. Il PTFE ha una resistenza al calore che gli consente di lavorare senza deteriorarsi entro i 260°C.
Idrofobico e con un basso coefficiente di attrito, il PTFE è inoltre resistente alla maggior parte degli acidi, dei solventi e di altri prodotti chimici corrosivi e per questo si dimostra un materiale particolarmente adatto a diversi impieghi, tanti dei quali in campo industriale.
Essendo relativamente morbido e quindi non troppo difficile da lavorare, ha anche un’ottima classe di resistenza all’infiammabilità, che come abbiamo visto in precedenza non è direttamente collegata alla resistenza alle alte temperature.
Il politetrafluoroetilene è impiegato in rivestimenti, per esempio in campo tessile, nella realizzazione di componenti di vario tipo, dagli alloggiamenti ai cuscinetti e può essere associato a fibra di vetro, PEEK, carbografite e altri.
Proseguendo nella panoramica che presenta i migliori polimeri in termini di resistenza alle alte temperature, ecco il solfuro di polifenilene o PPS che, nonostante prestazioni inferiori rispetto a PEEK e PTFE per quanto riguarda le capacità termiche, comunque garantisce una temperatura di lavoro fino a 220°C.
Il PPS è un materiale termoplastico con buona forza meccanica e resistenza alla corrosione che grazie anche alle proprietà dielettriche trova largo impiego nel settore elettrico e automobilistico.
Con caratteristiche meccaniche ed elettriche simili al precedente, il polifenilsulfone o PPSU, a differenza del polifenilene, si presta anche per essere utilizzato per parti lavorate. Analogamente al PPS ha una temperatura di lavoro simile e viene adoperato principalmente nel settore alimentare, medico e dell’automobile.
Altri polimeri plastici resistenti al calore
A seguire, per quanto riguarda le prestazioni ad alte temperature, va segnalato il polieterimmide o PEI, conosciuto anche come Ultem. Il funzionamento si attesta a temperature fino a 171°C, ha buone proprietà dielettriche e presenta una considerevole resistenza a solventi e fiamme.
L’LCP, un polimero cristallino liquido noto come Vectra, possiede grandi caratteristiche di fluidità e resistenza termica fino a 240°C e assieme al PC/PBT, una miscela di policarbonato e polibutilene tereftalato resistente fino a 130°C, rientra nei materiali plastici in uso soprattutto nella stampa 3D.
L’ottavo polimero è in realtà un grande escluso: il PVC.
Il polivinilcloruro o cloruro di polivinile, è sicuramente una delle materie plastiche più diffuse che, a seconda degli additivi usati per produrlo, presenta proprietà diverse. Leggero, idrorepellente, isolante termico, con buone proprietà meccaniche e di resistenza, il PVC non ha però una resistenza al calore notevole, la sua temperatura di lavoro di ferma infatti a soli 60°C.
Nelle specifiche che riguardano la scelta di un polimero per la produzione di un pezzo va tenuto in considerazione il fattore termico nel momento in cui è definita la destinazione d’uso finale che quel componente avrà. Le caratteristiche dei diversi polimeri li rendono così più o meno adatti all’impiego in ambienti con temperature di un certo tipo.
Si dice performante quindi un materiale non tanto in senso assoluto, piuttosto rispetto ad altri negli stessi parametri entro i quali andranno a lavorare.
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