De ce unele materiale plastice rezistă mult timp, în timp ce altele îmbătrânesc rapid și se crapă, în ciuda faptului că toate sunt materiale plastice? (1)
De ce unele materiale plastice rezistă mult timp, în timp ce altele îmbătrânesc rapid și se crapă, în ciuda faptului că toate sunt materiale plastice?
Plasticul este, fără îndoială, unul dintre materialele cu care intrăm în contact zilnic. Sticlele de apă minerală, recipientele pentru mâncare la pachet, husele de telefon, carcasele de prize, tecile de cabluri, interioarele auto, carcasele electrocasnicelor, garniturile de etanșare, țevile și foliile de ambalare - materialele plastice pot fi găsite aproape peste tot. Cu toate acestea, mulți oameni nu au o impresie prea favorabilă despre plastic.
Când vine vorba de materiale plastice, opiniile comune sunt următoarele: ieftine, fragile, predispuse la casare în timp și susceptibile la îmbătrânire sub lumina soarelui. Unele chiar se îngălbenesc, devin lipicioase și emană mirosuri ciudate.
Aceste fenomene există. Cu toate acestea, ar fi o simplificare excesivă să concluzionăm că „toate materialele plastice sunt lipsite de durabilitate”. Plasticul nu este un singur material, ci o familie largă de materiale. Diferențele dintre diferitele materiale plastice sunt mult mai mari decât își dau seama mulți oameni. Deși toate sunt denumite materiale plastice, unele sunt fabricate pentru ambalaje de unică folosință, altele pentru componente auto, altele pentru angrenaje și rulmenți, altele pentru dispozitive medicale, iar altele pot chiar funcționa pe termen lung în medii cu temperaturi ridicate, coroziune puternică și cerințe de izolație electrică.
Prin urmare, adevărata întrebare nu este dacă plasticul este durabil, ci mai degrabă:
Ce tip de plastic se folosește?
A fost modificat cu aditivi?
Este procesul de fabricație adecvat?
Depășește mediul de operare limitele de performanță ale materialului?
În acest articol, vom începe cu următoarea întrebare: De ce sunt unele materiale plastice foarte durabile, în timp ce altele îmbătrânesc și se crapă rapid?
I. Plasticul nu este un singur material, ci o întreagă familie de materiale.
În viața de zi cu zi, tindem să ne referim la multe obiecte pur și simplu ca "plastic". În știința materialelor, însă, materialele plastice acoperă o gamă largă de tipuri distincte.
PE (Polietilenă): utilizată în mod obișnuit pentru folii, capace de sticle, țevi și materiale de ambalare.
PP (Polipropilenă): utilizat pe scară largă în recipiente alimentare, componente pentru electrocasnice, piese auto și articole de strictă necesitate.
PVC (clorură de polivinil): utilizat de obicei pentru țevi, teci de cabluri, pardoseli și profile.
ABS: utilizat pentru carcase de electrocasnice, jucării și piese de interior auto.
PC (Policarbonat): prezintă o transparență excelentă și o rezistență ridicată la impact, fiind potrivit pentru componente transparente și piese de protecție.
PA (poliamidă, cunoscută și sub numele de nailon): se mândrește cu o bună rezistență la uzură, fiind frecvent utilizată pentru angrenaje, rulmenți și componente mecanice.
POM (Polioximetilen): oferă rigiditate și rezistență ridicate la uzură, ideal pentru piese de transmisie de precizie.
TPU (elastomer poliuretanic termoplastic): flexibil și rezistent la abraziune, utilizat pe scară largă pentru huse de telefon, materiale pentru încălțăminte, cabluri și furtunuri flexibile.
Toate aceste materiale sunt denumite în mod obișnuit de publicul larg drept "plastic", însă proprietățile lor variază drastic. Unele sunt moi, în timp ce altele sunt rigide. Unele rezistă la temperaturi scăzute, iar altele tolerează temperaturi ridicate. Unele sunt transparente, iar altele opace. Unele sunt rezistente la ulei, în timp ce altele sunt vulnerabile la solvenți. Unele sunt potrivite pentru utilizare în interior, iar altele pot fi utilizate în exterior pentru perioade lungi de timp.
Prin urmare, atunci când se evaluează fiabilitatea unei componente din plastic, primul pas nu este să se verifice dacă este fabricată din plastic, ci să se identifice exact ce tip de plastic este și scenariul de aplicare în care va fi utilizată.
II. De ce îmbătrânesc materialele plastice?
Îmbătrânirea plasticului se referă, în esență, la modificările care apar în structura materialului în timpul funcționării. Aceste modificări pot fi declanșate de lumină, căldură, oxigen, umiditate, substanțe chimice, stres mecanic și pot proveni, de asemenea, din condițiile de procesare și din designul formulei. După îmbătrânire, materialele plastice pot prezenta următoarele fenomene: fragilizare și crăpare, îngălbenire, decolorare, aderență, întărire, înmuiere, pierdere a rezistenței, matizare a suprafeței și deformare dimensională. Cauzele principale ale acestor simptome nu sunt identice.
1. Lumina soarelui și radiațiile UV provoacă fragilizarea materialelor plastice
Multe piese din plastic de exterior sunt vulnerabile la expunerea prelungită la lumina soarelui. Radiațiile ultraviolete din lumina soarelui accelerează reacțiile de fotooxidare în anumite materiale polimerice, declanșând scindarea lanțului molecular și modificări structurale. Manifestările vizibile includ decolorarea, îngălbenirea, deteriorarea suprafeței și rezistența redusă, ducând în cele din urmă la fragilizare și crăpare.
Aceasta explică de ce gălețile de plastic, scaunele de plastic și tecile exterioare ale cablurilor de exterior pot funcționa bine în interior ani de zile, dar devin vizibil fragile după o perioadă de expunere în exterior.
Pentru aplicațiile în exterior, trebuie, în general, luați în considerare factori precum gradul de rezistență la intemperii, sistemul anti-UV, negrul de fum, stabilizatorii de lumină, antioxidanții sau acoperirile de suprafață. Nu toate materialele plastice sunt inerent potrivite pentru utilizare în exterior pe termen lung.
2. Temperaturile ridicate accelerează oxidarea și degradarea performanței
Materialele plastice sunt sensibile la temperatură. Unele materiale plastice prezintă performanțe excelente la temperatura camerei, dar îmbătrânirea termo-oxidativă va avea loc în condiții prelungite de temperatură ridicată. De exemplu, zonele apropiate de motoare, gurile de ventilație, piesele generatoare de căldură ale aparatelor electrice și interiorul mașinilor expuse la lumina directă a soarelui pot atinge temperaturi mult mai mari decât mediile interioare tipice.
Pe măsură ce temperatura crește, rata de îmbătrânire a materialelor se accelerează, iar stabilitatea dimensională, rezistența și tenacitatea se pot deteriora. Prin urmare, viabilitatea unei componente din plastic depinde nu numai de capacitatea acesteia de a rezista la astfel de temperaturi pe termen scurt, ci și de capacitatea acesteia de a-și menține proprietățile la aceste temperaturi pe termen lung. Acest detaliu este adesea trecut cu vederea de mulți începători.
3. Concentrarea stresului declanșează fisurarea prematură
Fisurarea unor piese din plastic nu este cauzată în întregime de materialul de bază inferior, ci de riscuri ascunse care provin din proiectarea structurală și prelucrare. Exemplele includ:
colțuri excesiv de ascuțite,
tranziții bruște ale grosimii pereților,
bosaje de șurub proiectate necorespunzător,
zăvoare sub sarcină susținută,
tensiune internă reziduală ridicată la turnarea prin injecție,
compresie forțată în timpul asamblării,
îndoire sau vibrații pe termen lung.
Concentrarea de stres se formează în aceste locuri. Este posibil ca defectele să nu fie vizibile imediat după producție, însă fisurile se vor forma și se vor propaga din aceste zone slabe după o perioadă de utilizare.
Prin urmare, fisurarea componentelor din plastic nu poate fi întotdeauna atribuită pur și simplu calității slabe a materialului. Poate fi rezultatul combinat al selecției materialelor, structurii, proiectării matriței, turnării prin injecție și proceselor de asamblare.
4. Expunerea la substanțe chimice poate provoca, de asemenea, crăparea
Mulți oameni presupun că materialele plastice sunt rezistente la apă și coroziune. Acest lucru este adevărat doar parțial. Diferitele materiale plastice variază foarte mult în ceea ce privește rezistența lor chimică. Unele materiale sunt sensibile la alcool, altele la uleiuri, altele la agenți de curățare, altele la solvenți, iar altele la acizi și alcali. Anumite materiale plastice sunt vulnerabile atunci când sunt expuse simultan la stres și substanțe chimice.
De exemplu, o componentă transparentă din plastic poate părea robustă în condiții normale. Cu toate acestea, contactul prelungit cu alcool, produse de curățare, grăsimi sau anumiți solvenți, combinat cu stres intern, poate declanșa fisuri minuscule. Acest fenomen este cunoscut în mod obișnuit sub numele de fisurare sub stres ambiental. Se caracterizează prin fisuri care se dezvoltă treptat în condiții de funcționare, fără un impact extern semnificativ.
Prin urmare, atunci când evaluăm durabilitatea materialelor plastice, nu putem lua în considerare doar rezistența mecanică; trebuie să luăm în considerare și mediile de contact.
5. Apa și căldura umedă pot afecta, de asemenea, anumite materiale plastice
Unele materiale plastice sunt sensibile la apă și căldură umedă. De exemplu, nailonul absoarbe ușor umezeala, ceea ce poate provoca modificări ale dimensiunilor, rezistenței, rigidității și proprietăților sale electrice. Materiale precum poliesterul și policarbonatul sunt, de asemenea, expuse riscului de hidroliză la temperaturi ridicate și umiditate ridicată sau în condiții de procesare necorespunzătoare.
Aceasta nu înseamnă că aceste materiale sunt de calitate slabă; mai degrabă, ele au propriile limite de utilizare. În timpul selecției materialelor, este esențial să se clarifice dacă componenta va intra în contact cu apa, dacă va fi utilizată pe termen lung în medii cu umiditate ridicată, dacă este necesară stabilitatea dimensională și dacă este implicată performanța izolației electrice. Pentru același tip de material, rezultatul poate fi complet diferit atunci când este utilizat în medii interioare uscate față de condiții exterioare calde și umede.
