I polimeri sintetici sono materiali comuni utilizzati per produrre componenti e attrezzature in molti settori. Questi materiali sono popolari per la loro tolleranza agli stress ambientali noti per degradare le sostanze naturali. In questo articolo, esploriamo il poliuretano termoplastico e il silicone come esempi di due di questi materiali sintetici.
TPU e silicone come polimeri sintetici
estratti da prodotti petrolchimici. In alcuni casi, queste molecole sono derivate da fonti rinnovabili.
I polimeri sintetici possono essere termoplastici o plastiche termoindurenti. I termoplastici sono facilmente deformabili più volte, mentre i termoindurenti possono essere stampati solo una volta. In questo caso, il TPU è un termoplastico, mentre il silicone è un elastomero. Inoltre, gli elastomeri sono ampiamente considerati polimeri termoindurenti.
Cos'è il TPU (poliuretano termoplastico)?
Il poliuretano termoplastico è sia un elastomero che un termoplastico. Ciò significa che ha sia le proprietà della gomma che della plastica. Queste proprietà rendono il TPU affidabile nelle applicazioni in cui sono necessarie elasticità e durata. Questo spiega perché il materiale è sempre richiesto da diversi produttori.
Il TPU è amorfo o semicristallino.
- TPU amorfo
Il tipo amorfo di TPU ha caratteristiche quali morbidezza, flessibilità ed elasticità. La sua struttura polimerica è caratterizzata dalla casualità delle molecole. Questa configurazione casuale è ciò che fornisce la struttura amorfa del materiale.
La disposizione casuale del TPU amorfo rende il materiale morbido ed elastico. Ciò facilita i processi di stampaggio, il che significa che è facile modellarlo in molte parti. Questo materiale è uno dei più elastici rispetto ad altri tipi di TPU.
Grazie alla natura morbida del materiale, diventa utile nella produzione di scarpe e attrezzature sportive. La morbidezza è importante in questa applicazione poiché assicura che gli atleti abbiano un materiale morbido, comodo e sicuro. Ciò significa che le industrie tessili possono trarre grandi benefici da questo materiale.
- TPU semicristallino
Rispetto al TPU amorfo, il semicristallino è molto più durevole e rigido. Ciò significa che ha una migliore resistenza fisica. Queste caratteristiche sono supportate dalla disposizione delle molecole in una struttura cristallina.
Grazie a proprietà come rigidità e durevolezza, questo materiale viene utilizzato in applicazioni in cui la resistenza è una priorità. Ciò include l'industria automobilistica. Inoltre, può essere utilizzato per realizzare componenti esterni per macchinari di grandi dimensioni.
Cos'è il silicone?
Il nome scientifico per silicone è polisilossano. Ciò implica che il materiale è una sostanza ed è un polimero di monomeri silossanici. I silossani sono composti costituiti da atomi di silicio e ossigeno nella loro struttura molecolare.
Una delle caratteristiche principali del silicone è che è un composto inorganico. Ciò significa che la sua struttura polimerica è composta da sostanze che non esistono in natura. È noto che gli elementi inorganici hanno un'elevata durata, e questo spiega perché il silicone è tra le gomme più durevoli.
Il silicone può esistere come liquido, gel, pasta o elastomero (gomma). Ognuno di questi tipi di silicone ha un caso d'uso specifico. In altri casi, hanno anche composizioni diverse nella struttura molecolare del polimero. Questo è importante perché aiuta nel processo di classificazione del composto. Ecco perché trovi diversi tipi di silicone come adesivo, LSR e così via.
TPU vs Silicone: Composizione chimica
Non sarebbe un articolo dettagliato se non menzionasse la composizione chimica di questi due polimeri sintetici. La composizione chimica è indicata dai monomeri che compongono il materiale. Ciò comporta anche il processo di sintesi dei polimeri.
La chimica del TPU (poliuretano termoplastico)
La forma più elementare di TPU contiene segmenti morbidi e duri nella struttura molecolare. Ogni segmento ha un elemento o composto particolare che lo compone. In questo caso, il segmento morbido è fatto di polietere o poliammide mentre quello duro è fatto di polibutadiene o poliestere.
Entrambi i segmenti svolgono un ruolo cruciale nelle proprietà del TPU. Mentre il segmento duro conferisce al TPU resilienza e rigidità, il segmento morbido controlla il modulo di elasticità del materiale.
Per bilanciare queste due caratteristiche del materiale, durezza ed elasticità, i rapporti dei composti devono essere sotto controllo. Inoltre, i rapporti possono essere regolati di conseguenza per controllare un aspetto. Ad esempio, i produttori possono aumentare il rapporto di polibutadiene o poliestere per rendere il TPU molto più duro e meno elastico. Tutto questo dipende dal caso d'uso del materiale.
Come viene sintetizzato il poliuretano termoplastico?
La sintesi del TPU avviene in due fasi. La prima fase è nota come policondensazione, seguita poi dall'estensione della catena.
Nel primo passaggio, policondensazione, i monomeri vengono fatti reagire insieme per formare un prepolimero. I monomeri utilizzati per il TPU sono in genere dioli e diisocianati. I dioli sono molecole a catena lunga con due gruppi idrossilici, mentre i diisocianati sono molecole a catena lunga con due gruppi isocianato.
Il primo passaggio prevede la formazione di un prepolimero. Ciò comporta la reazione di monomeri in condizioni specifiche. I monomeri comuni utilizzati in questa reazione sono dioli e diisocianati.
I dioli contengono gruppi idrossilici e sono molecole a catena lunga. Ciò è importante perché significa che è facile formare polimeri da loro. D'altro canto, i diisocianati contengono gruppi isocianato, che sono anche a catena lunga. Questi due composti devono essere di alta qualità senza impurità per un prepolimero di qualità.
Nella seconda fase, il prepolimero formato viene quindi fatto reagire con un estensore di catena. Lo scopo dell'estensore di catena, come suggerisce il nome, è di estendere le catene dei prepolimeri. Questo perché i polimeri sono tipicamente composti a catena lunga. Ciò determina la formazione di un polimero a catena lunga che è commercialmente noto come TPU.
La chimica del silicone
La polimerizzazione dei composti silossanici è piuttosto semplice. Ciò che devi tenere a mente è che il tipo di tecnica di polimerizzazione è noto come polimerizzazione ad apertura di anello (ROP). Questo tipo di reazione trasforma il ciclosilossano in polimeri silossanici lineari.
La magia del silicone è tuttavia influenzata durante il processo di polimerizzazione. Ci sono catalizzatori, esaltatori e altre sostanze che vengono mescolate al lattice per far emergere le proprietà del materiale. Questo è piuttosto essenziale ed è ciò che rende il materiale così durevole.
Produzione di elastomeri siliconici
Per realizzare la gomma, si usa un processo chiamato idrosililazione. Questo processo comporta la reazione di silicio e un idroalogenuro. È una specie di idrosi più avanzata. Gli idroalogenuri più comuni usati in questo processo sono l'acido cloridrico o l'acido bromidrico.
Questa reazione di idrosililazione porta alla formazione di silanolo. Successivamente, il silanolo viene fatto reagire con un alcol per formare un silossano, un monomero che viene poi polimerizzato come abbiamo visto per produrre un composto polimerico noto come polisilossano o silicone.
TPU vs Silicone: Proprietà e caratteristiche
Confrontare TPU e silicone come polimeri ci aiuta a comprendere questi materiali a livello molecolare. È piuttosto essenziale farlo poiché si otterrà una visione di come funzionano questi materiali. Uno dei modi migliori per studiare questi confronti è osservare le proprietà di queste sostanze.
Proprietà del TPU
Il TPU è un materiale versatile con un'ampia gamma di proprietà, tra cui:
Elevata resistenza all'abrasione
La struttura molecolare del TPU rende il materiale durevole. Questa è una proprietà fisica richiesta per i materiali che dovrebbero avere un'elevata resistenza all'abrasione. La resistenza all'abrasione è la capacità di resistere all'usura che si verifica a causa di ripetute abrasioni. Ciò è sperimentato principalmente dai componenti che sono utilizzati in applicazioni di schermatura o sigillatura.
Anche la resistenza e la rigidità del materiale influenzano la resistenza all'abrasione. Le molecole di uretano che si trovano nei monomeri di base migliorano questa proprietà. Pertanto, il TPU può resistere ad applicazioni in cui è previsto attrito.
Prestazioni a bassa temperatura
I materiali che possono mantenere forma e struttura in ambienti freddi sono detti avere tolleranza alle basse temperature. Ciò significa che possono rimanere per lo più rigidi e flessibili in queste condizioni. Come la maggior parte degli elastomeri, il TPU ha questa capacità.
La maggior parte delle gomme perde la propria rigidità in condizioni di bassa temperatura. Diventa fragile e rigida, cosa che non è prevista per la gomma a temperatura ambiente. Ciò è diverso per la maggior parte dei tipi di plastica. Tuttavia, questo può essere modificato durante il processo di fabbricazione del composto.
Elevata resistenza al taglio
La resistenza all'impatto è un prodotto della gestione dello stress. Lo stress è tutto, dalla tensione, all'attrito, alla trazione e ad altri elementi. I materiali che possono rimanere indeformati in queste condizioni sono considerati avere un'elevata resistenza al taglio.
Un'elevata resistenza al taglio aiuta nelle applicazioni in cui c'è molto movimento. Questo perché il materiale può rimanere invariato e fornire una lunga durata. Questo, unito al fatto che il TPU ha un'elevata resistenza all'attrito, rende il materiale ideale per molte applicazioni.
Elevata elasticità
Come la maggior parte degli elastomeri, anche il TPU è elastico. L'elasticità è definita come la capacità di allungarsi e tornare alla sua forma originale senza deformarsi. La maggior parte delle plastiche si strappa quando viene tirata. Questo è ciò che differenzia il TPU dalle altre classi di plastiche.
L'elasticità del TPU è influenzata principalmente dalla struttura molecolare del composto. Inoltre, i legami incrociati delle molecole svolgono un ruolo importante nel modulo elastico del materiale. In quanto tale, il TPU è piuttosto utile nelle applicazioni in cui è desiderata l'elasticità.
Trasparenza
Se vi è mai capitato di imbattervi in qualcosa fatto di TPU, potreste aver notato la natura trasparente del materiale. Alcune varianti di TPU sono trasparenti per progettazione. Ciò accade quando vengono aggiunte bolle d'aria durante il processo di fabbricazione del composto. Nella maggior parte dei casi, il materiale è solitamente traslucido, il che significa che un po' di luce può passare attraverso.
Resistenza all'olio e al grasso
Olio e grasso sono i colpevoli che distruggono molte sostanze. Tuttavia, il TPU è progettato per gestire gli effetti dannosi di questi composti.
L'aspetto più dannoso di olio e grasso è la riduzione della tensione superficiale. Questi composti divorano la superficie rompendo le catene polimeriche del TPU. Ciò può finire per causare molti incidenti in varie applicazioni.
Inoltre, le proprietà di resistenza a olio e gas sono dovute al fatto che il composto ha proprietà idrofobiche. La struttura portante in uretano è responsabile di ciò. Come già sapete, oli e acqua non si mescolano. Pertanto, gli oli non sarebbero in grado di danneggiare il TPU poiché si protegge essendo un idrorepellente.
Proprietà del silicone
Diamo ora un'occhiata alle proprietà meccaniche e chimiche comuni del silicone. Proviamo a confrontarle con quelle del TPU e vediamo se ci sono somiglianze o differenze.
Elevata elasticità
Come tutte le gomme, il silicone è piuttosto elastico. Inoltre, è tra le gomme più elastiche in circolazione. Questo perché ha un modulo elastico di 0,0167 GPa. Per avere un'idea di quanto sia grande, GPA sta per gigapascal, ovvero miliardi.
Un elevato modulo elastico rende il silicone piuttosto affidabile in applicazioni come la fabbricazione di guarnizioni e tenute. Queste applicazioni richiedono l'elasticità come proprietà per garantire che i componenti possano resistere allo stress. Puoi pensare a tutte le applicazioni in cui ciò si applicherebbe.
Elevata resistenza meccanica
Quando una sostanza può resistere alla deformazione, alla deformazione permanente e ad altre forze esterne, si dice che abbia un'elevata resistenza meccanica. Ciò è visibile nella maggior parte dei tipi di silicone e spiegherebbe perché il silicone viene utilizzato in ambienti difficili. Ad esempio, O-ring in silicone necessitano di resistenza meccanica per essere sufficientemente forti da sopportare la resistenza.
Eccellente resistenza chimica
L'esercito è uno dei maggiori consumatori di materiale siliconico. In particolare, la branca della Marina usa o-ring e guarnizioni a base di silicone per le proprie attrezzature. Questo perché il materiale non può essere danneggiato da sostanze chimiche presenti nell'acqua. Lo stesso vale per gli impianti chimici in cui sono richiesti componenti durevoli.
Bassa conduttività termica
Per la conduttività termica, il silicone è anche un materiale importante utilizzato. Una bassa conduttività termica significa che il materiale non può trasferire calore da una regione all'altra. In altre parole, non può consentire al calore di fuoriuscire. Questo spiega perché il silicone viene utilizzato per realizzare utensili da cucina. Sono le proprietà isolanti del composto.
Bassa tossicità
Esistono molti polimeri sintetici tossici, ma il silicone non è uno di questi. Tossico significa la presenza di sostanze estranee che rappresentano una minaccia per la vita umana e per l'ambiente in generale. Se fosse tossico, il silicone non sarebbe mai così affidabile nel settore medico.
Eccellente stabilità termica
Non confondere stabilità termica e conduttività termica. Si tratta di proprietà diverse, ciascuna con un significato particolare. La stabilità termica è la capacità di rimanere invariata indipendentemente dal livello di calore. Ciò significa che il silicone mantiene le sue proprietà chimiche e fisiche sia in condizioni di calore basso che elevato.
TPU vs Silicone: classificazione e gradi
Sia il TPU che il silicone possono essere classificati in varie categorie in base a diversi fattori. Nella maggior parte dei casi, viene utilizzata la struttura del polimero. In altri casi, le categorie sono influenzate da fattori esterni come i metodi di polimerizzazione e vulcanizzazione. Impariamo questi gradi e tipi comuni.
Classificazione del TPU
Esistono due tipi principali di TPU. Da una parte, abbiamo quelli a base di poliestere, mentre dall'altra quelli a base di polietere. Impariamo le differenze.
TPU a base di poliestere
Come si può capire dal nome, i TPU a base di poliestere contengono una struttura molecolare di poliestere. Gli altri elementi nel composto provengono dall'estensore di catena utilizzato nel processo di fabbricazione.
Uno dei segni rivelatori di un TPU a base di poliestere sono le sue proprietà meccaniche complessive. Queste sostanze sono piuttosto rigide, il che le rende desiderabili in molte applicazioni. Tra queste rientrano l'industria automobilistica e aerospaziale.
TPU a base di polietere
Gli eteri sono composti che hanno ossigeno legato a un gruppo alchilico o arilico. La struttura portante dei TPU in polietere è composta da polieteri ed estensori di catena di polioli. Ciò rende il materiale piuttosto durevole in molti modi.
Quando li studi attentamente, ti renderai conto che sia i TPU a base di polietere che quelli a base di poliestere non variano poi così tanto. Entrambi condividono una struttura simile, solo che differiscono l'uno dall'altro in una certa misura. Questo è importante perché può aiutarti a scegliere considerando i due tipi di TPU.
Tipi di elastomeri siliconici
Il silicone può anche essere classificato in base a determinati parametri. Ciò dipenderà dal produttore o dalle specifiche del cliente. Inoltre, ci sono gradi speciali che sono proprietari e solo il produttore ne conosce la composizione.
- Siliconi metilici (polidimetilsilossano): I siliconi metilici sono piuttosto comuni in molte aree. Uno degli indicatori chiave di questi materiali è l'elevato grado di idrofobicità, in altre parole, la repulsione all'acqua. Tuttavia, possono resistere ad alte temperature. Questo tipo di silicone può essere considerato basico.
- Siliconi vinilici: I gruppi vinilici sono considerati gruppi funzionali nella maggior parte dei composti. In questo tipo di silicone, questi gruppi vinilici migliorano la resistenza all'idrolisi del materiale. Di conseguenza, i siliconi vinilici sono molto più tolleranti all'umidità e al calore elevato rispetto al silicone metilico.
- Fluorosiliconi: Hai mai sentito parlare di fluoroelastomeri? Si tratta di elastomeri sintetici che hanno una struttura principale fluorurata. Il fluoro è noto per prosperare in molte sostanze chimiche, ed è per questo che è un elemento ideale per la produzione di elastomeri ad alte prestazioni. Pertanto, questo tipo di silicone ha eccellenti proprietà chimiche e fisiche.
- Siliconi amminici: Una delle caratteristiche degli amminosiliconi è la sensazione tattile che si ottiene quando si tocca il materiale. Di solito è morbido al tatto, ma ciò non significa che manchi di rigidità. Per questo motivo, vengono utilizzati nell'industria tessile per produrre indumenti ad alte prestazioni.
- Siliconi fenilici: La caratteristica principale del silicone fenilico è la struttura ad anello che le sue molecole formano nel processo di polimerizzazione. Somiglia di più agli anelli benzenici. Naturalmente, ciò è facilitato dal gruppo fenilico nella struttura molecolare.
Tutti i tipi di silicone sopra menzionati possono essere facilmente reperiti dal tuo produttore di silicone di fiducia. La cosa da tenere a mente è che ognuno dei tipi ha proprietà leggermente diverse dalla sua controparte. Se non altro, sono realizzati per avere proprietà particolari per aiutarti a scegliere in base al caso d'uso previsto.
TPU vs Silicone: confronto tra somiglianze e differenze
Un altro punto di paragone per TPU e silicone sono le somiglianze e le differenze. In altre parole, quanto sono simili o diversi questi materiali? Per farlo, ci affidiamo principalmente alle proprietà meccaniche e chimiche di questi materiali.
Somiglianze tra TPU e silicone
Cominciamo con le somiglianze. Come vedrete, i due composti hanno molte somiglianze. Alcune di queste includono;
Versatilità
La versatilità è la capacità di adattarsi a diverse condizioni. Nella maggior parte dei casi, questo è essenziale poiché significa che i materiali possono avere un'ampia gamma di applicazioni, tra le altre cose. I materiali versatili sono anche molto richiesti poiché hanno più valore nei loro stati riciclati.
Natura del polimero
La natura del polimero di questi materiali è in qualche modo correlata. Da un lato, sono entrambi materiali sintetici. In secondo luogo, sono entrambi inorganici. Queste caratteristiche si dimostrano essenziali nella produzione di diversi materiali.
Resistenza all'usura
Sia il TPU che il silicone hanno un alto grado di resistenza all'usura. I monomeri che compongono questi composti polimerici hanno elementi speciali che migliorano questa proprietà. La resistenza all'usura è una caratteristica importante poiché amplia le possibili applicazioni di questi composti.
Proprietà
Le proprietà del silicone e del TPU non coincidono del tutto. Tuttavia, la somiglianza qui si verifica perché entrambi possono essere identificati dalle loro proprietà. Inoltre, entrambi hanno proprietà chimiche e fisiche come la maggior parte dei polimeri. Questo è essenziale nella produzione poiché aiuta a scegliere materiali che possono sostenere fattori di stress.
Differenze tra TPU e silicone
Le differenze tra TPU e silicone sono come il giorno e la notte. In altre parole, è piuttosto facile identificarli sia fisicamente che chimicamente. Alcune di queste differenze includono;
Modalità di elaborazione
Il silicone viene prodotto utilizzando metodi piuttosto specifici. Tra cui stampaggio a iniezione, stampaggio a compressione e altri. In una certa misura, gli stessi metodi possono essere utilizzati per produrre componenti in TPU.
La lavorazione del TPU è più impegnativa del silicone. Uno dei motivi è la classe di polimero di ciascun materiale. I termoindurenti e i termoplastici hanno proprietà e comportamenti piuttosto diversi in presenza di calore. Mentre i termoindurenti non possono fondersi, i termoplastici possono facilmente disintegrarsi se esposti al calore.
Facilità di elaborazione
Possiamo anche confrontare questi due materiali in base alla facilità di fabbricazione. Il TPU è noto per essere più difficile da lavorare del silicone. Questo perché il TPU è generalmente un termoplastico, il che significa che i tecnici devono fare attenzione a non distruggerlo con il calore.
Inoltre, il TPU ha una viscosità più elevata del silicone. Per questo motivo, presenta delle difficoltà a scorrere attraverso gli stampi durante il processo di stampaggio. Queste difficoltà sono il motivo per cui il TPU è molto più difficile da lavorare rispetto alla gomma.
Qualità del materiale
La qualità del materiale è di fondamentale importanza per te. Ciò significa che consideri sempre la qualità del materiale quando prendi la maggior parte delle decisioni.
Silicone e TPU hanno qualità di materiali diverse se confrontati fianco a fianco. Gomma e plastica non sono gli stessi materiali. Tuttavia, se li confronti nelle loro categorie più ampie, scoprirai che non c'è molta differenza.
Durata
La durata di vita è il periodo impiegato da un materiale dalla sua data di fabbricazione al momento in cui perde tutte le sue proprietà. Questa è una definizione utilizzata quando ci si riferisce a questi composti.
Il silicone ha una durata maggiore del TPU. La protezione dalle intemperie UV del silicone lo rende più duraturo nella maggior parte degli ambienti. Lo stesso non si può dire del TPU che tende a disintegrarsi più velocemente del silicone.
Applicazioni
La scelta del materiale in molte applicazioni si basa su diversi fattori. Silicone e TPU potrebbero spuntare molte caselle, ma la scelta finale del composto potrebbe dipendere da molti fattori esterni. Per prima cosa, il silicone è un elastomero, mentre il TPU è un termoindurente.
Le applicazioni del silicone sono piuttosto di nicchia e particolari. Si tratta di applicazioni che sono state scelte con cura dopo aver raccolto molte informazioni sui casi d'uso. Alcune di esse includono;
- Dispositivi medici: Il silicone viene utilizzato per realizzare impianti medici, lenti, cateteri e altri inserti biocompatibili.
- Prodotti per la casa: Nelle nostre case, ci sono molti prodotti realizzati in silicone. Tra cui: utensili da cucina, sigillanti per elettrodomestici e giocattoli per bambini e adultiLa maggior parte di questi giocattoli sfrutta la natura atossica del silicone.
- Applicazioni automobilistiche: L'industria automobilistica crollerebbe se non ci fossero gomme resistenti come il silicone. Viene utilizzato per produrre guarnizioni, tubi flessibili, sigilli, e così via.
Applicazione correlata aggiuntiva
- custodia per telefono
- cinturino dell'orologio
- copertura della tastiera
- bottiglia d'acqua
- tagliere
- cornice della targa
D'altro canto, il TPU ha casi d'uso designati basati su molti fattori. Ad esempio, la durevolezza del materiale lo rende ideale per calzature, attrezzature sportive e, in una certa misura, parti di automobili.
TPU o silicone: quale considerare?
Quando ci si trova di fronte al dilemma di scegliere tra silicone e TPU, è necessario avere una mappa guida per trovare il materiale perfetto. Dopo aver letto questo articolo, ora hai una migliore comprensione dei due materiali. Tuttavia, il dilemma può ancora sussistere.
Uno dei punti chiave da considerare sono le specifiche del caso d'uso previsto. Che tipo di proprietà stanno cercando? Con la consapevolezza che alcune di queste proprietà si sovrappongono, è necessario essere piuttosto cauti in questo caso. Pertanto, lasciati guidare dai requisiti di nicchia come la resistenza a una sostanza chimica specifica.
Non ci sarebbe una risposta diretta a quale prendere in considerazione. Tuttavia, con le giuste considerazioni, sarai in grado di navigare nel dilemma e fare la scelta giusta. Questo è importante perché c'è la garanzia che troverai il materiale giusto per il lavoro.
Conclusione
Il poliuretano termoplastico e il silicone hanno dimostrato di essere polimeri sintetici piuttosto affidabili. Man mano che la domanda di più polimeri aumenta, questi materiali continueranno a essere prodotti per soddisfare la domanda. A tuo vantaggio, ora ne hai una migliore comprensione se stavi pianificando di usarli per il tuo prossimo progetto.
Ulteriori risorse:
Silicone contro policarbonato – Fonte: LEGENDAY
Il silicone è tossico? – Fonte: LEGENDAY
EPDM contro silicone – Fonte: LEGENDAY
Rivestimento del tetto in silicone contro acrilico – Fonte: LEGENDAY
Il silicone è una gomma, un elastomero o un polimero? – Fonte: LEGENDAY