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.
Ogni parte di una macchina di confezionamento viene progettata per affrontare sollecitazioni meccaniche, pressioni elevate e sforzi termici: queste macchine automatiche sono il motore che alimenta numerosi settori industriali, dove la resistenza dei componenti garantisce alta efficienza e affidabilità.
Nel cuore di questo processo c'è l'uso di tecnopolimeri avanzati come PEEK, PTFE e POM, che resistono a temperature alte e a cicli di usura intensivi, rendendo le macchine capaci di funzionare in modo continuo senza compromessi. A differenza dei metalli, questi materiali offrono vantaggi concreti: sono più leggeri, maggiormente resistenti alla corrosione e migliorano la durata complessiva dei componenti.
Boccole, guarnizioni o ingranaggi sono tutti componenti lavorati che devono rigorosamente rispettare le tolleranze strette, richieste per il funzionamento impeccabile della macchina.
La fresatura e la tornitura CNC sono tecniche che Setecs utilizza per ottenere componenti di altissima precisione, ideali per svariate applicazioni industriali.
QUALE STRATEGIA ADOTTARE IN QUESTA INDUSTRIA?
C’è una tendenza in forte crescita nel settore delle macchine di confezionamento automatiche: si tratta della sostituzione di componenti metallici tradizionali con materiali plastici avanzati, che offrono performance superiori e una maggiore leggerezza. Questa è detta “metal replacement” e i tecnopolimeri come il PEEK e il PTFE si stanno affermando come valida alternativa ai metalli.
Ad esempio, l'uso del PEEK al posto di componenti metallici negli ingranaggi ha permesso a queste macchine di ridurre i tempi di fermo macchina e i costi di manutenzione. La maggiore durata e la bassa usura dei materiali riducono anche la necessità di sostituzioni frequenti, aumentando così l'efficienza e la produttività complessiva.
Inoltre, l'utilizzo di tecnopolimeri avanzati porta con sé altri numerosi vantaggi, poiché riduce l'uso di metalli pesanti nel lungo termine.
Le specifiche nei processi di tornitura e fresatura.
Tornitura e fresatura di tecnopolimeri avanzati richiedono competenze elevate e tecnologie all’avanguardia. La lavorazione di materiali come il Teflon o il PEEK comporta sfide tecniche legate alla resistenza alla temperatura e alle tolleranze di precisione.
- PEEK (Polietereterchetone): Materiale altamente resistente, il PEEK viene tornito e fresato per ottenere componenti che sopportano alte temperature, senza compromettere la precisione.
- PTFE (Teflon): Conosciuto per la sua bassa frizione, il PTFE è ideale per applicazioni dove sono richieste guarnizioni, boccole, e parti di movimento che devono resistere a condizioni di lavoro estreme.
- POM (Poliossimetilene): Materiale perfetto per la realizzazione di ingranaggi e guarnizioni grazie alla sua alta rigidità e resistenza all’usura. Viene fresato per ottenere componenti di precisione che garantiscono affidabilità nel tempo.
Setecs affronta questi processi utilizzando tecnologie avanzate che permettono una lavorazione precisa e senza errori di questi materiali, ottenendo componenti ad alte performance per i settori più esigenti, come automotive, farmaceutico e industria meccanica.
Quali vantaggi offrono queste lavorazioni sui materiali?
I principali vantaggi offerti dalla lavorazione dei tecnopolimeri in Setecs comprendono:
- Alta precisione: ogni componente viene lavorato con tolleranze strette per garantire perfetta compatibilità e performance nei sistemi industriali.
- Resistenza e durabilità: tecnopolimeri come PEEK e PTFE sono progettati per resistere a pressioni elevate, temperature estreme, e sollecitazioni chimiche, senza perdere la stabilità dimensionale.
- Flessibilità nelle applicazioni: Setecs riesce a personalizzare ogni componente per rispondere a esigenze specifiche del cliente, garantendo soluzioni su misura e tempi di risposta rapidi.
Componenti a disegno customizzati: fresatura di PEEK per applicazioni industriali
Con le nostre fresatrici a 3 e 5 assi, e tornitura CNC, realizziamo componenti customizzati che rispondono alle specifiche esigenze dei clienti, tra cui guarnizioni, snodi, stelle dentate, ingranaggi, giunti e rotori dentati. Ogni pezzo viene progettato su misura, seguendo rigorosi standard di precisione per garantire una performance ottimale nelle condizioni più gravose.
Il nostro processo di fresatura del PEEK prevede l’utilizzo di utensili di ultima generazione che permettono di ottenere tolleranze micrometriche senza compromettere le proprietà del materiale. Questo processo consente la realizzazione di componenti che operano in ambienti ad alte temperature, sistemi a bassa frizione, e applicazioni che richiedono un’elevata resistenza all'usura.
Setecs accompagna le aziende nella scelta del miglior materiale plastico – tramite un protocollo di consulenza – in base all'applicazione concreta e agli obiettivi aziendali. Ogni progetto viene co-progettato insieme, con un occhio alla precisione, uno alla sostenibilità.
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