Come scegliere una plastica resistente al calore
Avete bisogno di aumentare la resistenza al calore dei vostri pezzi in plastica? Ecco otto polimeri per alte temperature che dovreste conoscere
Se qualche volta vi è capitato di lasciare un recipiente per alimenti un po' troppo a lungo nel microonde, allora saprete che alcune plastiche non reagiscono molto bene alle alte temperature. A seconda dell'anno di acquisto e del tipo di recipiente, potreste aver conservato la cena di ieri sera in polipropilene (PP), policarbonato (PC) o polietilene (PE), nessuno dei quali è noto per la sua resistenza al calore. Il polipropilene, ad esempio, comincia a perdere resistenza a 82 °C. La performance del polietilene è migliore a 130 °C, ma anche il cosiddetto policarbonato per le alte temperature resiste solo fino a un massimo di 140 °C.
Definizione di caldo: cos'è una plastica resistente al calore?
Come indica il simboletto del forno a microonde sul retro di questi recipienti, ognuno dei polimeri appena elencati può essere chiaramente utilizzato per riscaldare gli avanzi. Tuttavia, per le applicazioni ad alta temperatura occorre qualcosa di più robusto. Ma cosa significa esattamente? In altre parole, quanto è caldo il caldo? La risposta esatta dipende dai requisiti dell'applicazione, ma ai fini di questo suggerimento di progettazione, definiamolo come superiore a 175 °C.
Chiariamo anche che stiamo parlando, per lo più, di temperature di lavoro e non di temperature di fusione o cristallizzazione del polimero (questo argomento viene trattato altrove sul nostro sito). Non stiamo nemmeno parlando delle capacità ignifughe di un polimero. Come vedrete, questo importante attributo ha poco a che fare con la resistenza al calore.
Prendiamo allora in considerazione l'acrilonitrile butadiene stirene, una plastica comune che forse conoscete come ABS. Materiale di elezione per idraulici e giocattolai di tutto il mondo, l'ABS ha una temperatura di rammollimento Vicat , ovvero la temperatura alla quale il materiale perde la sua "stabilità", di circa 104 °C e una temperatura di inflessione per calore di appena 94 °C. Aggiungendo un composto organico alogenato o un altro composto ritardante di fiamma, questi valori scendono significativamente, anche se il materiale ha molte meno probabilità di prendere fuoco.
Teflon®, decisamente meglio
Vediamo allora quali sono alcuni di questi polimeri per le alte temperature. Cominciamo con il politetrafluoroetilene (PTFE), meglio conosciuto con il nome commerciale di Teflon®. Scoperto per caso alla DuPont nel 1938, il PTFE comincia a deteriorarsi dopo che la temperatura raggiunge circa 260 °C. E nonostante quanto detto prima sul ritardo di fiamma, il PTFE ha anche un'ammirevole classe di infiammabilità V-0. Sebbene alle temperature più basse si mantenga chimicamente stabile e privo di tossicità, occorre tener conto della sicurezza dei fumi nel caso in cui la temperatura superi i 350 °C. È idrofobico (repelle l'acqua), ha uno dei coefficienti di attrito più bassi di qualsiasi plastica (il che lo rende estremamente scivoloso). Inoltre, è altamente resistente alla maggior parte degli acidi, dei solventi e di altri prodotti chimici corrosivi.
Il PTFE è spesso usato come rivestimento per tappeti e indumenti, ma grazie al suo basso coefficiente di attrito, è anche una scelta eccellente per componenti come blocchi di cuscinetti e alloggiamenti. Il PTFE è relativamente morbido, quindi facile da lavorare, ma la maggiore dilatazione termica ne riduce la stabilità dimensionale. Dato che quando viene riscaldato oltre il suo punto di fusione di 327°C non diventa fluido, non può essere stampato a iniezione né estruso per la stampa 3D.
Prestazioni del PEEK
Una termoplastica resistente al calore, lavorabile a macchina e stampabile a iniezione, è il polietereterchetone o PEEK. Con un punto di fusione vicino a quello del PTFE, il PEEK mantiene le sue proprietà meccaniche (che sono decisamente eccellenti) a temperature di 250 °C o superiori (fino a 300 °C per brevi periodi). È anche resistente alle radiazioni, agli agenti chimici e all'idrolisi. Quest'ultima caratteristica significa che il PEEK può essere sterilizzato in autoclave, il che ne fa uno dei materiali di elezione del settore medico per impianti spinali e dispositivi di fissaggio. Queste stesse proprietà lo rendono adatto come polimero per uso alimentare.
Il PEEK ha una buona resistenza dielettrica, quindi è comunemente usato come isolante elettrico nelle applicazioni dei semiconduttori. Non è così scivoloso come il PTFE, ma ha ancora un basso coefficiente di attrito ed è molto resistente all'usura. Trova largo impiego nelle guarnizioni automobilistiche, negli anelli di usura e sulle superfici dei cuscinetti. Grazie al suo elevato rapporto forza-peso e ad altri attributi fisici, il PEEK spesso sostituisce le leghe metalliche in vari componenti per aerei: con una densità di 1,32 pesa 1/5 dell'acciaio (8) e meno della metà della maggior parte delle leghe di alluminio (3). Come il PTFE, il PEEK è un materiale davvero straordinario...
Altri polimeri per alte temperature
Sebbene il solfuro di polifenilene (PPS) non sia al livello di PEEK e PTFE in termini di capacità termiche, offre comunque una temperatura di lavoro di tutto rispetto, ovvero di 220 °C. Conosciuto dagli ingegneri automobilistici ed elettrici come Ryton®, questa termoplastica fornisce una buona combinazione di resistenza alla corrosione, forza meccanica e proprietà dielettriche. Inoltre ha un buon indice di fluidità per le operazioni di stampaggio a iniezione in plastica con un tasso di restringimento minimo, il che lo rende un buon candidato per i connettori elettrici di precisione e componenti simili.
Il PPS non si presta a essere utilizzato per parti lavorate, ma il PPSU sì. Il polifenilsulfone (aka Radel®) ha una temperatura di lavoro abbastanza vicina al PPS, possiede caratteristiche meccaniche ed elettriche simili, può essere sterilizzato ed è abbastanza lavorabile. È usato per le lunette dei finestrini degli aerei, le impugnature degli strumenti chirurgici, i raccordi dell'acqua calda e, dal momento che è conforme alla FDA (come gli altri polimeri fin qui esaminati), è adatto al contatto diretto con il cibo.
C'è poi il polieterimmide (PEI), conosciuto come Ultem. Il PEI è lavorabile a macchina e stampabile a iniezione ed è disponibile con diversi livelli di riempimento in vetro (GF). Con una temperatura massima di funzionamento continuo di 171 °C, l'Ultem non è esattamente compatibile con la cottura dei biscotti, ma è un polimero eccellente per tutte le applicazioni che richiedono robustezza, rigidità, resistenza ai solventi e alle fiamme, nonché proprietà dielettriche.
Che dire dei materiali di stampa 3D resistenti al calore?
Tra le altre plastiche per alte temperature degne di nota c'è il Vectra, un tipo di polimero cristallino liquido (LCP) stampabile a iniezione, normalmente usato nel settore SMT (tecnologia a montaggio superficiale). Offre eccellenti caratteristiche di fluidità, può produrre pezzi con pareti molto sottili e ha un range operativo fino a 240 °C. C'è anche il PC/PBT, una miscela di policarbonato e polibutilene tereftalato in grado di resistere a temperature fino a 130 °C: niente a che vedere con gli omologhi descritti finora, ma comunque in grado di offrire un buon equilibrio di tenacità e resistenza agli agenti atmosferici, soprattutto quando le temperature fredde sono un problema (come a -40 °C).
Potreste pensare: "Ma che succede con le parti stampate in 3D? Quali sono le opzioni di materiali per alte temperature in questo caso?". Siete fortunati. Il migliore è una resina per stereolitografia avanzata ad alta temperatura (PerFORM) simile alla ceramica, in grado di sopportare temperature fino a 268 °C dopo un processo opzionale di post-polimerizzazione. Questo dà ai progettisti l'opportunità di prototipare parti robuste e rigide per l'uso in applicazioni come i test nella galleria del vento, gli attrezzaggi rapidi, gli alloggiamenti per dispositivi elettronici e altro ancora. Allo stesso modo, il simil-PC avanzato per alte temperature (Accura 5530) è un materiale traslucido che coniuga la trasparenza ottica a una buona resistenza al calore. E come i policarbonati utilizzati per la lavorazione e lo stampaggio a iniezione in plastica, l'Accura 5530 resiste all'acqua, ai prodotti chimici, al fuoco e agli effetti elettrici.
Metalli?
A questo punto dovreste aver selezionato una plastica adatta, ma se avete bisogno di temperature molto più elevate, possiamo fornire una gamma di metalli per la lavorazione CNC (acciai inossidabili, titanio) e per la fabbricazione additiva (+ Inconel® e cromo cobalto).
Considerazioni sulla produzione
Dal momento che ognuno dei polimeri tecnici fin qui considerati è sia robusto che stabile, c'è poco di cui preoccuparsi in termini di analisi di fattibilità. Alcuni sono più abrasivi di altri e richiedono all'operatore di utilizzare punte e frese in metallo duro, mentre quelli con temperature di fusione molto alte potrebbero necessitare di alcune modifiche per il processo di stampaggio a iniezione in plastica. Essendo tutti in catalogo come materiali standard Protolabs, forniremo un feedback durante il processo di preventivazione online.
Per ulteriori dettagli, vi invitiamo a consultare l'ampio elenco di schede tecniche dei materiali disponibili sul nostro sito web. Con più di 140 polimeri e 30 tipi di elastomeri o gomme siliconiche liquide (LSR) disponibili (alcuni dei quali possono resistere a temperature piuttosto elevate), troverete sicuramente il materiale perfetto per il vostro prossimo progetto. Se avete delle domande, scriveteci. I nostri application engineer sono sempre disponibili ad aiutarvi al numero +39 (0)321 381 211 o all'indirizzo [email protected]