Le materie plastiche ingegneristiche possono essere utilizzate come materiali ingegneristici e come materie plastiche per sostituire i metalli nella fabbricazione di parti di macchine, ecc. Le materie plastiche ingegneristiche hanno eccellenti proprietà complete, tra cui elevata rigidità, basso creep, elevata resistenza meccanica, buona resistenza al calore e buon isolamento elettrico. Possono essere utilizzate per lungo tempo in ambienti chimici e fisici difficili e possono sostituire i metalli come materiali strutturali ingegneristici, ma sono più costose e hanno una produzione inferiore.
Classificazione
Le materie plastiche ingegneristiche possono essere suddivise in due categorie: materie plastiche ingegneristiche generali e materie plastiche speciali per l'ingegneria. Il primo comprende principalmente cinque materie plastiche ingegneristiche generali: poliammide, policarbonato, poliossimetilene, etere di polifenilene modificato e termoplastico poliestere; quest'ultimo si riferisce principalmente a materie plastiche tecniche con resistenza al calore superiore a 150°C e le principali varietà includono poliimmide, solfuro di polifenilene, polisolfone, poliammide aromatica, poliarilato, estere polifenilenico, poliarileterchetone, polimero a cristalli liquidi e fluororesina.
Prestazione principale
Le caratteristiche prestazionali delle materie plastiche tecniche sono principalmente:
- Rispetto alle materie plastiche di uso generale, presenta un'eccellente resistenza al calore e al freddo, eccellenti proprietà meccaniche in un ampio intervallo di temperature ed è adatto all'uso come materiale strutturale;
- Buona resistenza alla corrosione, minore impatto ambientale e buona durabilità;
- Rispetto ai materiali metallici, è facile da lavorare, ha un'elevata efficienza produttiva, semplifica le procedure e consente di risparmiare sui costi;
- Buona stabilità dimensionale e isolamento elettrico;
- Leggero, elevata resistenza specifica, eccezionale riduzione dell'attrito e resistenza all'usura.
Storia
Le materie plastiche ingegneristiche si svilupparono rapidamente negli anni '1950. Sebbene la resina di nylon 66 fosse stata sviluppata e messa in produzione con successo già nel 1939, all'epoca veniva utilizzata principalmente per produrre fibre sintetiche. Solo negli anni '1950 superò l'uso tradizionale delle fibre pure e fu utilizzata per la produzione di materie plastiche. Le materie plastiche ingegneristiche si svilupparono rapidamente dopo il successo dello sviluppo del poliossimetilene e del policarbonato alla fine degli anni '1950. La loro comparsa fu di grande importanza. Grazie all'elevata cristallinità del poliossimetilene, presenta eccellenti proprietà meccaniche, rendendo le materie plastiche un materiale in grado di sostituire i metalli e di entrare per la prima volta a far parte dei materiali strutturali. Successivamente, con il successo dello sviluppo del copolimero formaldeide e la diffusione delle macchine per stampaggio a iniezione a vite, l'importante posizione delle materie plastiche ingegneristiche nel campo dei materiali si consolidò ulteriormente. Il policarbonato è una plastica ingegneristica trasparente con eccellenti proprietà generali. È ampiamente utilizzato ed è una delle materie plastiche ingegneristiche in più rapida crescita. Nel campo delle materie plastiche tecniche, la sua produzione e il suo consumo sono secondi solo alla poliammide.
Nel 1961, DuPont sviluppò con successo la poliimmide, aprendo la strada allo sviluppo di plastiche ingegneristiche speciali. L'emergere della poliimmide promosse anche lo sviluppo di molte plastiche ingegneristiche resistenti al calore come il polisulfone, il polifenilensolfuro e il polibenzimidazolo, che ebbero un profondo impatto sullo sviluppo dell'industria delle materie plastiche.
Nel 1964, la General Motors degli Stati Uniti avviò la produzione industriale della resina di polifenilene etere da lei sviluppata.
Nel 1980, la società britannica ICI ha sviluppato con successo il polietereterchetone (PEEK), una speciale plastica ingegneristica con un punto di fusione fino a 336 °C. Il PEEK ha un'eccellente resistenza al calore, alle radiazioni e agli agenti chimici e può essere stampato a iniezione, il che ha attirato un'attenzione diffusa. Materiali compositi realizzati in PEEK come matrice e rinforzati con fibra di vetro o fibra di carbonio sono stati utilizzati nei settori dell'aviazione e dell'aerospaziale.
Lo sviluppo di successo dei polimeri a cristalli liquidi termotropici a metà degli anni '1980 è stato un altro evento importante nella storia dello sviluppo di plastiche ingegneristiche speciali. I polimeri a cristalli liquidi hanno un'eccellente resistenza al calore e possono essere utilizzati a temperature superiori a 200 °C. Hanno le caratteristiche di auto-rinforzo, elevata resistenza, elevato modulo e resistenza chimica. Hanno una bassa viscosità di fusione e sono facili da modellare. Hanno prospettive di applicazione molto ampie nell'industria elettronica.
Applicazioni
Rispetto alle materie plastiche di uso generale, le materie plastiche ingegneristiche possono soddisfare requisiti più elevati in termini di proprietà meccaniche, durata, resistenza alla corrosione
Le materie plastiche tecniche sono sempre più utilizzate nelle automobili, principalmente per paraurti, serbatoi di carburante, cruscotti, pannelli della carrozzeria, portiere, coperture dei fari, tubi del carburante, radiatori e parti del motore.
Nei macchinari, le materie plastiche tecniche possono essere utilizzate in parti meccaniche quali cuscinetti, ingranaggi, dadi, guarnizioni e parti strutturali meccaniche quali alloggiamenti, coperture, volantini, maniglie, elementi di fissaggio e giunti per tubi.
Negli apparecchi elettronici, le materie plastiche tecniche possono essere utilizzate per il rivestimento di fili e cavi, circuiti stampati, pellicole isolanti e altri materiali isolanti e parti strutturali di apparecchiature elettriche.
Negli elettrodomestici, le materie plastiche tecniche possono essere utilizzate in frigoriferi, lavatrici, condizionatori, televisori, ventilatori elettrici, aspirapolvere, ferri da stiro elettrici, forni a microonde, cuociriso, radio, impianti stereo e apparecchi di illuminazione.
Nell'industria chimica, le materie plastiche tecniche possono essere utilizzate in apparecchiature chimiche quali scambiatori di calore, rivestimenti di apparecchiature chimiche e in condotte chimiche quali tubi e raccordi, valvole e pompe.
Grazie al rapido sviluppo delle industrie cinesi di automobili, elettronica ed edilizia, la Cina è diventata il paese con la crescita più rapida della domanda di materie plastiche ingegneristiche al mondo. Secondo l'analisi, con il continuo sviluppo dell'economia cinese, la domanda di materie plastiche ingegneristiche aumenterà ulteriormente e le prospettive di sviluppo dell'industria cinese delle materie plastiche ingegneristiche sono molto ampie. Nel settore degli elettrodomestici, la domanda annuale di materie plastiche ingegneristiche per frigoriferi, congelatori, lavatrici, condizionatori d'aria e vari piccoli elettrodomestici raggiungerà circa 600,000 tonnellate. La quantità di materie plastiche ingegneristiche utilizzata nella costruzione di infrastrutture di comunicazione, ferrovie e autostrade è ancora più sorprendente e si prevede che la domanda totale raggiungerà oltre 4.5 milioni di tonnellate nei prossimi anni.
Nel 2010, il consumo cinese di materie plastiche ingegneristiche ha raggiunto 2.443 milioni di tonnellate, in aumento dell'11% anno su anno, rendendolo il paese con la crescita della domanda più rapida al mondo; nel 2011, il consumo cinese di materie plastiche ingegneristiche è stato di 2.72 milioni di tonnellate, in aumento dell'11.34% anno su anno. Si prevede che il consumo cinese di materie plastiche ingegneristiche raggiungerà 3.37 milioni di tonnellate nel 2013 e 4.17 milioni di tonnellate nel 2015.
Prospettive di sviluppo
Secondo un rapporto di ricerca di Markets and Markets, nel 53.58 il valore del mercato globale delle materie plastiche tecniche era di circa 2013 miliardi di dollari USA e si prevede che raggiungerà i 79.03 miliardi di dollari USA entro il 2018, con un tasso di crescita annuo composto dell'8%.
Le materie plastiche ingegneristiche hanno un'ampia gamma di applicazioni grazie alla loro eccellente stabilità, alla buona resistenza al calore e alle sostanze chimiche e all'elevata resistenza, e la loro domanda continua a crescere rapidamente. Uno degli usi principali delle materie plastiche ingegneristiche è quello di sostituire i metalli in vari settori terminali. In particolare, le normative ambientali sempre più severe richiedono alle automobili di ridurre le emissioni e migliorare il risparmio di carburante, e le materie plastiche ingegneristiche sono ampiamente utilizzate nei settori automobilistico e dei trasporti. Inoltre, le materie plastiche ingegneristiche sono ampiamente utilizzate anche negli elettrodomestici e nei prodotti per la casa, nei prodotti elettrici ed elettronici, nei macchinari industriali, negli imballaggi, nonché nei settori medico, edile e di altro tipo.
Nel 2014, la regione Asia-Pacifico occupava la maggior parte del mercato globale delle materie plastiche ingegneristiche. Secondo le statistiche, la regione Asia-Pacifico rappresentava il 47.9% della domanda globale del mercato delle materie plastiche ingegneristiche nel 2013. Si prevede che la regione Asia-Pacifico continuerà a mantenere la sua posizione di più grande mercato mondiale delle materie plastiche ingegneristiche nel 2018, seguita dal mercato dell'Europa occidentale. Nei prossimi cinque anni, si prevede che la domanda del mercato delle materie plastiche ingegneristiche crescerà a un tasso medio annuo del 7.8%.
Tipi principali
Le materie plastiche ingegneristiche includono principalmente policarbonato (PC), poliammide (PA), poliacetale (POM), ossido di polifenilene (PPO), poliestere (PET, PBT), polifenilensolfuro (PPS), poliarilato, ecc.
Poliammide
La poliammide (PA, comunemente nota come nylon) ha conquistato l'attenzione delle persone grazie al suo peso specifico basso, all'elevata resistenza alla trazione, alla resistenza all'usura, alla buona autolubrificazione, all'eccellente tenacità all'impatto e alle prestazioni sia rigide che flessibili. Inoltre, è facile da lavorare, altamente efficiente, leggera in peso specifico (solo 1/7 del metallo) e può essere lavorata in vari prodotti per sostituire il metallo. È ampiamente utilizzata nei settori automobilistico e dei trasporti. I prodotti tipici includono giranti per pompe, pale per ventilatori, sedi valvole, boccole, cuscinetti, vari cruscotti, strumenti elettrici per autoveicoli, valvole di controllo dell'aria calda e fredda e altre parti. Per auto vengono consumati circa 3.6-4 chilogrammi di prodotti in nylon. La quota di consumo di poliammide nel settore automobilistico è la più grande, seguita da elettronica ed elettricità.
In base ai diversi scopi della modifica della poliammide, la modifica della poliammide può essere divisa in tipi di rinforzo, tempra, ignifugo, riempimento e lega. Anche la ricerca sui nanocompositi di poliammide ha fatto grandi progressi.
Per ottenere materiali in poliammide con maggiore resistenza e temperatura di deformazione termica, vengono aggiunte fibre o riempitivi inorganici o organici alla matrice poliammidica e si ottengono materiali compositi in poliammide ad alta resistenza mediante mescolanza ed estrusione. Esistono molte varietà di PA rinforzata e quasi tutti i materiali in poliammide possono essere trasformati in varietà rinforzate.
Le principali varietà commerciali sono: PA6 rinforzato, PA66 rinforzato, PA46 rinforzato, PA1010 rinforzato, PA610 rinforzato, ecc. Tra questi, la produzione più grande è PA6 e PA66 rinforzati. I materiali di rinforzo in poliammide comunemente utilizzati sono fibra di vetro, fibra di carbonio, fibra aramidica e anche i whiskers inorganici vengono utilizzati per rinforzare la poliammide.
Polifenilensolfuro
Abbreviato come PPS.
Le proprietà eccezionali del PPS sono: ① buona resistenza al calore, può essere utilizzato nell'intervallo di temperatura di 180 ~ 220 ℃; ② resistenza alla corrosione vicina a politetrafluoroetilene; ③ eccellenti proprietà elettriche; ④ eccellenti proprietà meccaniche; ⑤ buone proprietà ignifughe.
Gli svantaggi del PPS sono: ① Il prezzo è troppo alto. È il più economico tra le plastiche resistenti alle alte temperature, ma molto più costoso delle plastiche ingegneristiche generali; ② Bassa tenacità e fragilità; ③ Viscosità instabile durante la lavorazione. Il PPS puro è raramente utilizzato da solo a causa della sua fragilità. Il PPS utilizzato è la sua varietà modificata in base alle prestazioni. Nello specifico: PPS rinforzato con fibra di vetro al 40% (R4), PPS riempito inorganico (R8), PPS rinforzato con fibra di carbonio (G6), ecc. Il PPS è utilizzato nelle automobili per il 45%, nell'elettronica e negli elettrodomestici per il 30% e in altri campi per il 25%. Il PPS si sta sviluppando rapidamente e si prevede che diventerà la sesta plastica ingegneristica più grande.
policarbonato
Il policarbonato (PC) ha una resistenza simile ai metalli non ferrosi e allo stesso tempo ha duttilità e tenacità. Ha una resistenza agli urti estremamente elevata e non può essere danneggiato dalla martellatura. Può resistere all'esplosione degli schermi TV. Il policarbonato ha un'eccellente trasparenza e può essere colorato in qualsiasi modo. Grazie alle eccellenti proprietà del policarbonato di cui sopra, è stato ampiamente utilizzato in vari paralumi di sicurezza, luci di segnalazione, piastre protettive trasparenti per palestre e stadi, vetri per illuminazione, vetri per edifici alti, riflettori per automobili, pannelli per parabrezza, vetri per cabine di pilotaggio di aeromobili e caschi per motociclisti. Il mercato più grande è quello dei computer, delle apparecchiature per ufficio, delle automobili e dei vetri e fogli sostitutivi. CD e DVD sono uno dei mercati più potenziali.
poliossimetilene
Il poliossimetilene (POM) è una plastica ingegneristica con eccellenti prestazioni, nota all'estero come "acciaio" e "super acciaio". Il POM ha durezza, resistenza e rigidità simili ai metalli e ha una buona autolubrificazione, una buona resistenza alla fatica ed elasticità in un'ampia gamma di temperature e umidità. Inoltre, ha una buona resistenza chimica. Con un costo inferiore rispetto a molte altre plastiche ingegneristiche, il POM sta sostituendo alcuni mercati tradizionalmente occupati dai metalli, come la sostituzione di zinco, ottone, alluminio e acciaio per realizzare molte parti. Dalla sua introduzione, il POM è stato ampiamente utilizzato in elettronica, macchinari, strumentazione, industria leggera quotidiana, automobili, materiali da costruzione, agricoltura e altri campi. In molti nuovi campi di applicazione, come la tecnologia medica e le attrezzature sportive, il POM mostra anche un buon trend di crescita.
PBT
Polibutilentereftalato (PBT) è un poliestere termoplastico. Rispetto ad altre plastiche ingegneristiche termoplastiche, il PBT non rinforzato ha migliori prestazioni di lavorazione e proprietà elettriche. Il PBT ha una bassa temperatura di transizione vetrosa, può cristallizzare rapidamente a una temperatura dello stampo di 50 °C e ha un breve ciclo di lavorazione. Il polibutilene tereftalato (PBT) è ampiamente utilizzato nei settori dell'elettronica, elettrico e automobilistico. Grazie al suo elevato isolamento e alla resistenza alla temperatura, il PBT può essere utilizzato come trasformatori flyback per televisori, distributori e bobine di accensione per autoveicoli, alloggiamenti e basi per apparecchiature per ufficio, varie parti esterne per autoveicoli, ventole per condizionatori d'aria, basi per stufe elettroniche e gusci per apparecchiature per ufficio.
Ossido di polifenilene
PPO in breve. Ha eccellenti proprietà complete. La sua caratteristica principale è che ha un'eccellente stabilità dimensionale e un isolamento elettrico eccezionale sotto carico a lungo termine. Ha un'ampia gamma di temperature di esercizio e può essere utilizzato per un lungo periodo nell'intervallo da -127 a 121 °C. Ha un'eccellente resistenza all'acqua e al vapore. I prodotti hanno un'elevata resistenza alla trazione e all'impatto e una buona resistenza allo scorrimento. Inoltre, ha una buona resistenza all'usura e proprietà elettriche. Viene utilizzato principalmente per sostituire l'acciaio inossidabile nella fabbricazione di apparecchiature mediche chirurgiche. Nell'industria elettromeccanica, può essere utilizzato per realizzare ingranaggi, pale di soffianti, tubi, valvole, viti e altri elementi di fissaggio e connettori, ecc. Viene anche utilizzato per realizzare parti nei settori dell'elettronica e dell'elettricità, come scheletri di bobine e circuiti stampati.
