Θερμοσκληραινόμενα πολυμερή

Ένα θερμοσκληραινόμενο πλαστικό (thermosetting plastic ή thermoset), είναι ένα πετροχημικό υλικό που σκληραίνει μη αντιστρεπτά. Η σκλήρυνση μπορεί να επέλθει με θέρμανση, γενικά πάνω από 200 °C (392 °F), μέσω χημικής αντίδρασης, ή κατάλληλης ακτινοβόλησης.

Τα θερμοσκληραινόμενα υλικά είναι συνήθως υγρά ή ελάσιμα πριν τη σκλήρυνση και είναι σχεδιασμένα να χυτεύονται στην τελική τους μορφή, ή να χρησιμοποιούνται ως κόλλες. Άλλα θερμοσκληραινόμενα υλικά είναι στερεά όπως αυτά των ενώσεων χύτευσης που χρησιμοποιούνται στους ημιαγωγούς και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC). Άμα μια θερμοσκληραινόμενη ρητίνη σκληρυνθεί δεν μπορεί να επαναθερμανθεί και να λιώσει σε διαφορετικό σχήμα.

Οι θερμοσκληραινόμενες ρητίνες μπορούν να αντιπαρατεθούν με τα θερμοπλαστικά πολυμερή που παράγονται συνήθως σε σβώλους και μορφοποιούνται στο τελικό τους προϊόν με τήξη και πίεση ή με χύτευση με έγχυση (injection molding).

Ορισμός

Η IUPAC ορίζει μια θερμοσκληραινόμενη ρητίνη ως ένα πετροχημικό σε μαλακή στερεή ή ιξώδη κατάσταση που αλλάζει μη αντιστρεπτά σε ένα άτηκτο, αδιάλυτο πολυμερές δίκτυο με σκλήρυνση. Η σκλήρυνση μπορεί να προκληθεί από θέρμανση ή κατάλληλη ακτινοβολία, ή και τα δύο.^[1]

Διεργασία

Η διεργασία σκλήρυνσης μετασχηματίζει τη ρητίνη σε πλαστικό ή ελαστικό με μια διεργασία διασταύρωσης. Προστίθεται ενέργεια και/ή καταλύτες που προκαλούν την αντίδραση των μοριακών αλυσίδων σε χημικά ενεργές θέσεις (π.χ., ακόρεστες ή εποξειδικές θέσεις), συνδέοντας τες σε μια συμπαγή, τρισδιάστατη δομή. Η διεργασία της διασταύρωσης (cross-linking) σχηματίζει ένα μόριο με μεγαλύτερη μοριακή μάζα, που καταλήγει σε ένα υλικό με πιο υψηλό σημείο τήξης. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, η μοριακή μάζα αυξάνεται σε τέτοιο σημείο που το σημείο τήξης είναι πιο υψηλό από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και το υλικό σχηματίζει ένα στερεό υλικό.

Μη ελεγχόμενη επαναθέρμανση του υλικού καταλήγει στην επίτευξη θερμοκρασίας διάσπασης πριν τη λήψη του σημείου τήξης. Συνεπώς, ένα θερμοσκληραινόμενο υλικό δεν μπορεί να τακεί και να επαναμορφοποιηθεί μετά τη σκλήρυνσή του. Αυτό δηλώνει ότι τα θερμοσκληραινόμενα υλικά δεν μπορούν να ανακυκλωθούν, εκτός από τη χρήση τους ως υλικά πλήρωσης.^[2]

Ιδιότητες

Τα θερμοσκληραινόμενα υλικά είναι γενικά πιο ισχυρά από τα θερμοπλαστικά υλικά λόγω του τρισδιάστατου δικτύου των δεσμών (διασταύρωσης) και ταιριάζουν επίσης καλύτερα σε εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών μέχρι τη θερμοκρασία διάσπασης. Όμως, είναι πιο εύθρυπτα. Επειδή το σχήμα τους είναι μόνιμο, τείνουν να μην είναι ανακυκλώσιμα ως πηγή για νεοπαραγόμενα πλαστικά.

Παραδείγματα

Τα συστήματα πολυεστέρων με υαλοβάμβακα
Οι πολυουρεθάνες: μονωτικοί αφροί, στρώματα, επιστρώσεις, κόλλες, τμήματα αυτοκινήτων, κυλίνδρους εκτύπωσης, σόλες υποδημάτων, υλικά δαπέδων, συνθετικές ίνες, κλπ. Τα πολυμερή πολυουρεθάνης σχηματίζονται με συνδυασμό δύο ή περισσότερων μονομερών/ολιγομερών.
Το Βουλκανισμένο καουτσούκ
Ο βακελίτης, μια ρητίνη από φαινόλη-φορμαλδεΰδη που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικούς μονωτές και πλαστικά υλικά
Το ντουροπλάστ (Duroplast), ελαφρύ αλλά ισχυρό υλικό, παρόμοιο με τον βακελίτη που χρησιμοποιείται στην κατασκευή τμημάτων οχημάτων
Ο αφρός ουρίας-φορμαλδεΰδης που χρησιμοποιείται σε κοντραπλακέ (plywood), μοριοσανίδα (particleboard) και μέσης πυκνότητας ινοσανίδα (fiberboard)
Η ρητίνη μελαμίνης που χρησιμοποιείται σε επιφάνειες πάγκων^[3]
Το φθαλικό διαλλύλιο (Diallyl-phthalate ή DAP) που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικές συνδέσεις και άλλα υλικά υψηλής θερμοκρασίας στρατιωτικών προδιαγραφών. Συνήθως γεμίζεται με γυαλί.
Οι εποξικές ρητίνες χρησιμοποιούνται ως συστατικά της μήτρας σε πολλά πλαστικά ενισχυμένα με ίνες (fiber reinforced plastics) όπως τα ενισχυμένα με γυαλί πλαστικά και τα ενισχυμένα με γραφίτη πλαστικά (graphite-reinforced plastics)
Τα πολυιμίδια (Polyimides) που χρησιμοποιούνται σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (printed circuit boards) και σε τμήματα του σώματος των σύγχρονων αεροσκαφών
Οι κυανικοί εστέρες ή πολυκυανουρικά (polycyanurates) για ηλεκτρονικές εφαρμογές με απαίτηση διηλεκτρικών ιδιοτήτων και σε σύνθετα υλικά με απαιτήσεις υψηλής υαλώδους θερμοκρασίας
Οι μήτρες ή δρομείς μητρών (το μαύρο πλαστικό τμήμα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα ή ημιαγωγούς)
Ρητίνες πολυεστέρων

Μερικές μέθοδοι χύτευσης θερμοσκληραινόμενων υλικών είναι:

Χύτευση με έγχυση (injection molding) (που χρησιμοποιείται για αντικείμενα όπως κιβώτια φιαλών γάλακτος)
Χύτευση με εξώθηση (Extrusion molding) (που χρησιμοποιείται στην κατασκευή σωλήνων, κλωστών υφασμάτων και μόνωση ηλεκτρικών καλωδίων)
Χύτευση με συμπίεση (Compression molding) (που χρησιμοποιείται στη μορφοποίηση των περισσότερων θερμοσκληραινόμενων πλαστικών)
Χύτευση εκ περιστροφής (Spin casting) (που χρησιμοποιείται στην παραγωγή τεχνητών δολωμάτων (fishing lures), μικροσκοπικών εικόνων, αγαλματιδίων, εμβλημάτων καθώς και για την παραγωγή και αντικατάσταση τμημάτων)

Παραπομπές

↑ «Αρχειοθετημένο αντίγραφο» (PDF). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 22 Νοεμβρίου 2010. Ανακτήθηκε στις 25 Νοεμβρίου 2015.
↑ The Open University (UK), 2000. T838 Design and Manufacture with Polymers: Introduction to Polymers, page 9. Milton Keynes: The Open University
↑ Roberto C. Dante, Diego A. Santamaría and Jesús Martín Gil (2009). «Crosslinking and thermal stability of thermosets based on novolak and melamine». Journal of Applied Polymer Science 114 (6): 4059–4065. doi:10.1002/app.31114.

[1] «Αρχειοθετημένο αντίγραφο» (PDF). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 22 Νοεμβρίου 2010. Ανακτήθηκε στις 25 Νοεμβρίου 2015.

[2] The Open University (UK), 2000. T838 Design and Manufacture with Polymers: Introduction to Polymers, page 9. Milton Keynes: The Open University

[3] Roberto C. Dante, Diego A. Santamaría and Jesús Martín Gil (2009). «Crosslinking and thermal stability of thermosets based on novolak and melamine». Journal of Applied Polymer Science 114 (6): 4059–4065. doi:10.1002/app.31114.

[1]

[2]

[3]