Perché alcune plastiche durano a lungo, mentre altre invecchiano e si crepano rapidamente, pur essendo tutte materiali plastici?(1)
Perché alcune plastiche durano a lungo, mentre altre si deteriorano e si crepano rapidamente, pur essendo tutte realizzate in plastica?
La plastica è senza dubbio uno dei materiali con cui entriamo in contatto ogni giorno. Bottiglie di acqua minerale, contenitori per cibo da asporto, custodie per cellulari, prese elettriche, guaine per cavi, interni di automobili, involucri di elettrodomestici, guarnizioni, tubi e pellicole per imballaggio: la plastica si trova praticamente ovunque. Eppure, molte persone non hanno un'opinione molto favorevole della plastica.
Quando si parla di plastica, le opinioni comuni sono queste: economica, fragile, tendente a diventare fragile nel tempo e soggetta all'invecchiamento causato dalla luce solare. Alcuni tipi addirittura ingialliscono, diventano appiccicosi ed emanano odori strani.
Questi fenomeni esistono. Tuttavia, sarebbe una semplificazione eccessiva concludere che "tutte le plastiche non siano resistenti". La plastica non è un singolo materiale, ma un'ampia famiglia di materiali. Le differenze tra le varie plastiche sono molto maggiori di quanto molti credano. Sebbene vengano tutte definite plastiche, alcune sono destinate agli imballaggi monouso, altre ai componenti automobilistici, altre ancora a ingranaggi e cuscinetti, altre ai dispositivi medici, e altre possono persino funzionare a lungo termine in ambienti caratterizzati da alte temperature, forte corrosione e requisiti di isolamento elettrico.
Pertanto, la vera questione non è se la plastica sia durevole, ma piuttosto:
Che tipo di plastica viene utilizzata?
È stato modificato con additivi?
Il processo di produzione è adeguato?
Le condizioni operative superano i limiti prestazionali del materiale?
In questo articolo partiremo da questa domanda: perché alcune plastiche sono molto resistenti, mentre altre si deteriorano e si crepano rapidamente?
I. La plastica non è un singolo materiale, ma un'intera famiglia di materiali.
Nella vita di tutti i giorni, tendiamo a riferirci a molti oggetti semplicemente come "plastic". Nella scienza dei materiali, tuttavia, le plastiche comprendono una vasta gamma di tipologie distinte.
PE (Polietilene): comunemente utilizzato per pellicole, tappi di bottiglia, tubi e materiali di imballaggio.
PP (polipropilene): ampiamente utilizzato in contenitori per alimenti, componenti per elettrodomestici, parti automobilistiche e articoli di uso quotidiano.
PVC (cloruro di polivinile): tipicamente utilizzato per tubi, guaine per cavi, pavimenti e profili.
ABS: utilizzato per involucri di elettrodomestici, giocattoli e componenti interni per autoveicoli.
PC (policarbonato): caratterizzato da un'eccellente trasparenza e un'elevata resistenza agli urti, è adatto per componenti trasparenti e parti protettive.
PA (poliammide, nota anche come nylon): vanta una buona resistenza e resistenza all'usura, ed è spesso utilizzata per ingranaggi, cuscinetti e componenti meccanici.
POM (poliossimetilene): offre elevata rigidità e resistenza all'usura, ideale per componenti di trasmissione di precisione.
TPU (elastomero poliuretanico termoplastico): flessibile e resistente all'abrasione, ampiamente utilizzato per custodie per telefoni, materiali per calzature, cavi e tubi flessibili.
Tutti questi materiali sono comunemente chiamati "plastic" dal grande pubblico, eppure le loro proprietà variano drasticamente. Alcuni sono morbidi mentre altri sono rigidi. Alcuni resistono alle basse temperature, altri tollerano le alte temperature. Alcuni sono trasparenti, altri opachi. Alcuni sono resistenti all'olio, mentre altri sono vulnerabili ai solventi. Alcuni sono adatti all'uso interno, mentre altri possono essere utilizzati all'esterno per lunghi periodi.
Pertanto, quando si valuta l'affidabilità di un componente in plastica, il primo passo non è verificare se è fatto di plastica, ma identificare esattamente di che tipo di plastica si tratta e lo scenario applicativo in cui verrà utilizzato.
II. Perché la plastica invecchia?
L'invecchiamento delle materie plastiche si riferisce essenzialmente ai cambiamenti che si verificano nella struttura del materiale durante l'utilizzo. Questi cambiamenti possono essere innescati da luce, calore, ossigeno, umidità, agenti chimici, sollecitazioni meccaniche e possono anche derivare dalle condizioni di lavorazione e dalla formulazione. Dopo l'invecchiamento, le materie plastiche possono presentare i seguenti fenomeni: fragilità e fessurazione, ingiallimento, sfarinamento, appiccicosità, indurimento, rammollimento, perdita di resistenza, opacizzazione superficiale e deformazione dimensionale. Le cause alla base di questi sintomi non sono identiche.
1. La luce solare e le radiazioni UV causano l'infragilimento delle materie plastiche
Molti componenti in plastica per esterni sono vulnerabili all'esposizione prolungata alla luce solare. Le radiazioni ultraviolette presenti nella luce solare accelerano le reazioni di foto-ossidazione in alcuni materiali polimerici, innescando la scissione delle catene molecolari e cambiamenti strutturali. Le manifestazioni visibili includono scolorimento, ingiallimento, sfarinamento superficiale e riduzione della resistenza, che alla fine portano a fragilità e fessurazioni.
Questo spiega perché secchi di plastica, sedie di plastica e guaine esterne dei cavi per esterni possono funzionare bene in ambienti interni per anni, ma diventano visibilmente fragili dopo un periodo di esposizione all'esterno.
Per le applicazioni esterne, è generalmente necessario considerare fattori quali il grado di resistenza agli agenti atmosferici, il sistema anti-UV, il nerofumo, gli stabilizzatori alla luce, gli antiossidanti o i rivestimenti superficiali. Non tutte le materie plastiche sono intrinsecamente adatte a un utilizzo esterno a lungo termine.
2. Le alte temperature accelerano l'ossidazione e il degrado delle prestazioni.
Le materie plastiche sono sensibili alla temperatura. Alcune plastiche mostrano prestazioni eccellenti a temperatura ambiente, ma l'invecchiamento termo-ossidativo si verifica in condizioni di alta temperatura prolungate. Ad esempio, le aree vicine ai motori, alle bocchette di riscaldamento, alle parti che generano calore negli elettrodomestici e agli interni delle auto esposti alla luce solare diretta possono raggiungere temperature di gran lunga superiori a quelle tipiche degli ambienti interni.
Con l'aumento della temperatura, il tasso di invecchiamento dei materiali accelera e la stabilità dimensionale, la resistenza e la tenacità possono deteriorarsi. Di conseguenza, la validità di un componente in plastica dipende non solo dalla sua capacità di resistere a tali temperature per brevi periodi, ma anche dalla sua capacità di mantenere le proprie proprietà a queste temperature nel lungo termine. Questo dettaglio viene spesso trascurato da chi si avvicina al settore per la prima volta.
3. La concentrazione di stress innesca crepe premature
La formazione di crepe in alcune parti in plastica non è dovuta esclusivamente a un materiale di base di qualità inferiore, ma a rischi nascosti derivanti dalla progettazione strutturale e dal processo di lavorazione. Alcuni esempi includono:
angoli eccessivamente acuti,
transizioni brusche dello spessore della parete,
supporti per viti progettati in modo inadeguato,
chiusure sotto carico prolungato,
elevata tensione interna residua dello stampaggio a iniezione,
compressione forzata durante l'assemblaggio,
flessione o vibrazione prolungate.
In questi punti si formano concentrazioni di stress. Subito dopo la produzione potrebbero non essere visibili difetti, ma dopo un periodo di utilizzo si formeranno e si propagheranno delle crepe a partire da queste zone di debolezza.
Pertanto, la fessurazione dei componenti in plastica non può essere sempre attribuita semplicemente alla scarsa qualità del materiale. Può essere il risultato combinato della selezione del materiale, della struttura, della progettazione dello stampo, dello stampaggio a iniezione e dei processi di assemblaggio.
4. L'esposizione a sostanze chimiche può anche causare screpolature
Molte persone credono che la plastica sia resistente all'acqua e alla corrosione. Questo è solo parzialmente vero. La resistenza chimica dei diversi tipi di plastica varia notevolmente. Alcuni materiali sono sensibili all'alcol, altri agli oli, altri ancora ai detergenti, altri ai solventi e altri agli acidi e alle basi. Alcune plastiche sono vulnerabili se esposte contemporaneamente a stress e agenti chimici.
Ad esempio, un componente in plastica trasparente può apparire robusto in condizioni normali. Tuttavia, il contatto prolungato con alcol, detergenti, grasso o determinati solventi, combinato con tensioni interne, può innescare minuscole crepe. Questo fenomeno è comunemente noto come fessurazione da stress ambientale. È caratterizzato dallo sviluppo graduale di crepe in condizioni di utilizzo senza impatti esterni significativi.
Pertanto, nella valutazione della durabilità delle materie plastiche, non possiamo considerare solo la resistenza meccanica; dobbiamo anche tenere conto dei fluidi con cui entrano in contatto.
5. Anche l'acqua e il calore umido possono influire su alcune materie plastiche
Alcune materie plastiche sono sensibili all'acqua e al calore umido. Ad esempio, il nylon assorbe facilmente l'umidità, il che può causare alterazioni nelle sue dimensioni, resistenza, rigidità e proprietà elettriche. Materiali come il poliestere e il policarbonato sono inoltre a rischio di idrolisi in presenza di temperature e umidità elevate o in condizioni di lavorazione inadeguate.
Ciò non significa che questi materiali siano di scarsa qualità; piuttosto, hanno i propri limiti di utilizzo. Durante la selezione del materiale, è fondamentale chiarire se il componente verrà a contatto con l'acqua, se verrà utilizzato a lungo termine in ambienti ad alta umidità, se è richiesta stabilità dimensionale e se sono coinvolte prestazioni di isolamento elettrico. Per lo stesso tipo di materiale, il risultato può essere completamente diverso se utilizzato in ambienti interni asciutti rispetto a condizioni esterne calde e umide.
