I.Definizione di tecnopolimeri speciali
I tecnopolimeri speciali, in quanto ramo importante dell'industria delle materie plastiche, sono una classe di materiali plastici tecnici con elevate prestazioni complessive e una temperatura di servizio a lungo termine di 150°C o superiore. Gli esempi includono polifenilene solfuro (PPS), poliimmide (PI), polietereterchetone (PEEK), polimeri a cristalli liquidi (LCP) e polisulfone (PSU). Queste plastiche presentano una struttura rigida, punti di fusione elevati e disposizioni ordinate delle catene molecolari, mostrando un'eccellente stabilità in ambienti ad alta temperatura. I tecnopolimeri speciali possono soddisfare requisiti prestazionali specifici come resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e resistenza all'usura e vengono utilizzati nella produzione di componenti elettronici, materiali isolanti, apparecchiature per il trattamento chimico e parti di motori automobilistici. Con la continua scoperta di nuove applicazioni a valle, i tecnopolimeri speciali stanno diventando un punto focale di attenzione in vari settori.
II.Classificazione dei tecnopolimeri speciali
I principali criteri di classificazione per il settore dei tecnopolimeri speciali comprendono il tipo di materiale, le caratteristiche prestazionali e le aree di applicazione:
1. Polifenilene solfuro (PPS): possiede eccellenti proprietà di resistenza al calore, resistenza chimica e isolamento elettrico ed è ampiamente utilizzato in componenti automobilistici, elettronica, elettrodomestici e apparecchiature per il trattamento chimico.
2. Poliimmide (PI): con eccezionale stabilità alle alte temperature, resistenza chimica e forza meccanica, è ampiamente utilizzato nei componenti ad alta temperatura per l'industria aerospaziale, elettronica e automobilistica.
3. Polietereterchetone (PEEK): con eccellente stabilità alle alte temperature, resistenza chimica e proprietà meccaniche, è ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, dei dispositivi medici e petrolchimico.
4. Polimero a cristalli liquidi (LCP): con eccellente stabilità dimensionale, basso attrito e caratteristiche di alta frequenza, è comunemente utilizzato nella produzione di materiali per l'imballaggio elettronico e microcomponenti.
5. Polisulfone (PSU): con eccellenti proprietà di resistenza alla temperatura, resistenza alla corrosione e isolamento elettrico, è ampiamente utilizzato in apparecchiature chimiche, componenti elettronici e dispositivi medici.
III.Contesto della ricerca e dello sviluppo di tecnopolimeri speciali
Lo sviluppo dei tecnopolimeri speciali fu guidato principalmente dalla domanda di materiali ad alte prestazioni, stimolata dalla corsa agli armamenti internazionale dell’epoca, in particolare dalla necessità di applicazioni in campi ad alta tecnologia. A quel tempo, le principali aziende in Europa e negli Stati Uniti investirono ingenti risorse finanziarie e umane nella corsa per sviluppare questi materiali. Dall’inizio degli anni ’60 fino agli anni ’80, questi materiali furono in gran parte standardizzati. Di seguito sono riportati diversi tipi di tecnopolimeri speciali:
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Poliimmide (PI)
La poliimmide (PI) è stata sviluppata e commercializzata per la prima volta da DuPont negli Stati Uniti con il marchio Kapton. È un polimero amorfo con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) superiore a 400°C. Il PI è un polimero eterociclico aromatico contenente anelli immidici (-CO-NH-CO-) nella sua catena principale. Possiede eccellenti proprietà come isolamento elettrico, resistenza meccanica, stabilità chimica, resistenza all'invecchiamento, resistenza alle radiazioni e bassa perdita dielettrica; inoltre queste proprietà rimangono sostanzialmente invariate in un intervallo di temperature compreso tra -269 e 400°C. Attualmente è il materiale polimerico più resistente al calore nella produzione industriale ed è quindi elencato come “uno dei tecnopolimeri più promettenti del 21° secolo”. La formula strutturale dell'unità ripetitiva PI è:
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Poliammideimmide (PAI)
La poliammideimmide (PAI), sviluppata inizialmente da Toray Industries, Inc. del Giappone con il marchio Torlon, è un polimero amorfo, non termoplastico con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) di 285°C. Il PAI è una classe di polimeri in cui gli anelli immidici e i legami ammidici sono disposti secondo uno schema alternato regolare. La sua forza non ha eguali in nessun'altra plastica industriale non rinforzata esistente oggi al mondo; presenta proprietà meccaniche superiori a 250°C, con una temperatura di inflessione termica di 269°C. La resistenza all'usura, la resistenza chimica e la resistenza alle radiazioni ad alta energia del PAI rendono le sue prestazioni ancora più eccezionali, rendendolo particolarmente adatto all'uso in ambienti operativi difficili. La formula strutturale dell'unità ripetitiva PAI è:
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Polieterimmide (PEI)
La polieterimmide (PEI) è stata studiata e sviluppata per la prima volta da GE negli Stati Uniti negli anni '70. Dopo 10 anni di produzione e test pilota, è stato commercializzato negli anni '80 con il marchio ULTEM. È un polimero amorfo con una Tg di 217°C. A differenza dei primi due materiali, si tratta di una poliimmide termoplastica che può essere lavorata utilizzando tecniche termoplastiche come lo stampaggio per estrusione e lo stampaggio ad iniezione. Il PEI è tipicamente trasparente con una tonalità ambrata. Presenta eccellente stabilità alle alte temperature, proprietà meccaniche, stabilità chimica e proprietà elettriche. Le sue caratteristiche principali includono un elevato rapporto resistenza/peso, mantenimento della resistenza fino a 200°C (390°F), resistenza a lungo termine all'ossidazione termica, buone proprietà elettriche, resistenza chimica intrinseca e ritardante di fiamma. Il PEI mantiene le sue proprietà anche dopo un'esposizione prolungata al vapore e all'acqua calda, il che rappresenta un grande vantaggio per le apparecchiature di lavorazione alimentare e le applicazioni mediche che richiedono una pulizia o sterilizzazione vigorosa. La formula strutturale dell'unità ripetitiva in PEI è:
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Polisulfone (PSU)
Il polisulfone (PSU) è stato sviluppato e commercializzato con successo dalla United Carbides Corporation (UCC) alla fine degli anni '60 con il marchio UDEL. È un polimero amorfo con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) di 192°C. Nel 1986, l'UCC trasferì i diritti di produzione e vendita del polisulfone ad Amoco. La catena principale del PSU contiene anelli di benzene e l'atomo di zolfo nel gruppo -SO₂- è nel suo stato di ossidazione più elevato; di conseguenza presenta buona resistenza all'ossidazione, proprietà meccaniche e stabilità termica, mentre la presenza di legami eterei fornisce un certo grado di tenacità. L'alimentatore ha eccellenti proprietà di isolamento elettrico ed è ampiamente utilizzato nell'industria elettrica. In campo medico, l'alimentatore PSU è comunemente utilizzato per produrre dispositivi medici, come gli emodializzatori, grazie alla sua buona biocompatibilità e resistenza alla sterilizzazione. Nel settore della lavorazione alimentare, l'alimentatore può essere utilizzato per produrre determinate apparecchiature resistenti alle alte temperature. Inoltre, l'alimentatore ha alcune applicazioni nei settori aerospaziale ed elettronico. Attualmente, sono disponibili in commercio tre tipi relativamente maturi di resine polisulfoniche: polisulfone di tipo bisfenolo A (PSU), polifenilsulfone (PPSU) e polietersulfone (PES). La formula strutturale dell'unità ripetitiva di PSU è:
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Polietersulfone (PES)
Il polietersulfone (PES) è stato sviluppato e commercializzato con successo dalla società britannica ICI negli anni '70. Venduto con il nome commerciale PES, è un polimero amorfo con temperatura di transizione vetrosa (Tg) di 225°C. La struttura molecolare del PES non contiene né unità di idrocarburi alifatici – che hanno scarsa stabilità termica – né unità bifeniliche rigide; è costituito principalmente da gruppi solfone, gruppi etere e gruppi fenile. I gruppi solfonici conferiscono resistenza al calore, mentre i gruppi eterei conferiscono alle catene polimeriche una buona fluidità allo stato fuso, facilitando lo stampaggio e la lavorazione. Il PES possiede un'eccellente resistenza al calore, proprietà fisiche e meccaniche e proprietà di isolamento elettrico. Può essere utilizzato continuamente ad alte temperature e mantiene prestazioni stabili in ambienti soggetti a rapidi cambiamenti di temperatura. È resistente alla corrosione da parte della maggior parte dei mezzi chimici; il polietersulfone non subisce idrolisi in acqua, ma l'assorbimento di tracce di umidità può causare una leggera plastificazione, con conseguenti lievi modifiche nelle proprietà meccaniche. Inoltre, il polietersulfone è autoestinguente e presenta un'eccellente resistenza alla fiamma senza l'aggiunta di ritardanti di fiamma. Il PES è ampiamente utilizzato nei settori elettronico, elettrico, meccanico, automobilistico, dei dispositivi medici e dell'acqua calda. È riconosciuto come un tecnopolimero che combina un'elevata temperatura di deflessione termica, un'elevata resistenza agli urti e un'eccellente lavorabilità. La formula strutturale dell'unità ripetitiva di PES è:
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Poliarilato (PAR)
Poliarilato (PAR) è un termine generale per una famiglia di prodotti in poliestere aromatico. Il primo prodotto di questo tipo ad essere sviluppato e commercializzato con successo è stato creato dalla società giapponese UNITIKA all'inizio degli anni '70 con il nome commerciale U-polymer. È un polimero amorfo; nello specifico, l'U-100 ha una Tg di 193°C. PAR è una plastica tecnica speciale con anelli benzenici e gruppi estere sulla catena principale. L'elevata densità di anelli aromatici nella catena principale ne migliora la resistenza al calore, con una temperatura di deflessione termica di 175°C. La presenza di unità anulari para e metabenzeniche nella catena principale inibisce la cristallizzazione del polimero, risultando in un polimero amorfo e trasparente. La sua trasparenza è pari a quella del PC e del PMMA, con una trasmissione luminosa vicina al 90%; presenta una buona resilienza alla flessione ed un'eccellente resistenza al creep in un ampio intervallo di temperature; ha un'eccezionale resistenza agli agenti atmosferici, blocca le radiazioni UV inferiori a 350 nm e mantiene le proprietà meccaniche sostanzialmente inalterate in condizioni esterne a lungo termine; è autoestinguente, produce una minima quantità di fumo durante la combustione ed è atossico. PAR è un materiale polimerico con ottima resistenza al calore; la sua formula strutturale e i metodi di sintesi variano a seconda delle esigenze applicative. Può essere utilizzato in dispositivi elettronici resistenti alle alte temperature, nonché in componenti e parti per l'industria aerospaziale e automobilistica, ed è comunemente utilizzato anche nei dispositivi medici. Le sue applicazioni in molteplici settori industriali dimostrano il suo valore significativo come plastica tecnica speciale. La formula strutturale dell'unità ripetitiva di PAR è:
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Polifenilene solfuro (PPS)
Il polifenilene solfuro (PPS) è stato sviluppato e commercializzato per la prima volta negli anni '70 da Philips negli Stati Uniti con il marchio Ryton. È un polimero cristallino con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) di 88°C e un punto di fusione (Tm) di 277°C. Il PPS è costituito da una disposizione alternata di anelli di benzene e atomi di zolfo, che gli conferiscono una struttura regolare e un'elevata cristallinità, fino al 75%, con un punto di fusione fino a 285°C. Gli anelli benzenici conferiscono al PPS una buona rigidità e resistenza al calore, mentre i legami solforati conferiscono un certo grado di flessibilità. Il PPS presenta un'eccellente resistenza al calore, ritardante di fiamma, isolamento elettrico e resistenza alla corrosione. Le sue proprietà complete, tra cui stabilità termica, resistenza meccanica e prestazioni elettriche, gli consentono di resistere all'esposizione a lungo termine a temperature fino a 220°C. Di conseguenza, il PPS è considerato il “sesto materiale plastico tecnico più grande del mondo”, dopo il policarbonato (PC), il poliestere (PET), il poliossimetilene (POM), il nylon (PA) e l'ossido di polifenilene (PPO). La formula strutturale dell'unità ripetitiva in PPS è:
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Polietereterchetone (PEEK)
Il polietereterchetone (PEEK) è stato sviluppato e commercializzato con successo per la prima volta negli anni '70 dalla società britannica ICI. ICI sintetizzò con successo il PEEK e iniziò a commercializzarlo nel 1978; da allora è stato venduto con il marchio Victrex. Il nome commerciale è PEEK. È un polimero cristallino con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) di 143°C e Tm = 334°C. Il PEEK è un polimero termoplastico cristallino a temperatura ultraelevata composto da unità ripetitive contenenti un legame chetonico e due legami eterei nella sua struttura a catena principale. La struttura molecolare del polietereterchetone contiene anelli benzenici rigidi, che gli conferiscono eccellenti prestazioni alle alte temperature, proprietà meccaniche, isolamento elettrico, ritardo di fiamma, resistenza alle radiazioni e resistenza chimica. Il PEEK ha un punto di fusione (Tm) fino a 340°C; questo elevato punto di fusione conferisce al PEEK un'eccezionale resistenza alle alte temperature. La temperatura di deflessione termica del PEEK rinforzato con fibre può raggiungere i 315°C, mentre la sua temperatura di servizio continuo a lungo termine (UL946B) può raggiungere i 260°C e la sua resistenza al calore a breve termine si estende fino a 300°C. Anche dopo 5.000 ore di utilizzo a 260°C, la sua resistenza rimane praticamente invariata rispetto allo stato iniziale e mostra un'eccellente stabilità termica. Di conseguenza, il PEEK ha una lunga durata in ambienti difficili. La formula strutturale dell'unità ripetitiva in PEEK è:
