I campi della scienza e dell'ingegneria hanno fatto molta strada grazie agli elastomeri. È noto che un elastomero ha diverse applicazioni che vanno dagli pneumatici alle guarnizioni dei macchinari industriali. Hanno proprietà notevoli come flessibilità, durata e versatilità. Che tu sia un appassionato di polimeri, un ingegnere dei materiali o un progettista di prodotti, questo articolo ti fornirà una buona conoscenza degli elastomeri, del loro comportamento peculiare, delle applicazioni e delle proprietà. Le informazioni fornite da questo articolo forniranno una migliore comprensione di come funzionano gli elastomeri, di come si differenziano dagli altri materiali e di come guidano l'innovazione in molti settori. Questo articolo esaminerà approfonditamente una delle forme più essenziali di materiali moderni.
Cosa sono i materiali simili alla gomma e gli elastomeri?
Gli elastomeri, noti anche come materiali simili alla gomma, sono una classe di polimeri che presentano una notevole elasticità. Quando applicati, questi materiali possono subire una grande estensione, ma una volta rimossa la forza, tendono a tornare alla loro forma originale. Questa caratteristica sorprendente deriva dal design lungo e a catena della loro struttura molecolare, che consente un facile districamento e avvolgimento, come si vede in molte sostanze gommose. L'uso più popolare di questi materiali è nei composti che devono dimostrare un certo grado di flessibilità, resistenza ed elasticità, come guarnizioni, guarnizioni e pneumatici. La loro versatilità nelle prestazioni li rende indispensabili nei settori automobilistico, sanitario ed edile, tra gli altri, dove sono richiesti diversi tipi di materiali.
Comprensione delle basi dei polimeri elastomerici
I polimeri elastomerici sono quei compositi che possono essere estesi immensamente quando viene applicata una forza, ma che ritornano alla loro forma originale quando questa viene rimossa. La loro caratteristica può essere ricondotta alla loro particolare struttura molecolare, che presenta lunghe catene polimeriche avvolte che riducono la rigidità. La gomma naturale, la gomma siliconica e il poliuretano sono alcuni dei polimeri elastomerici più comunemente utilizzati e sono spesso intercambiabili in varie applicazioni. Grazie alla loro resistenza all'usura, elasticità e spessore, questi materiali trovano ampio utilizzo in guarnizioni, tubi, pneumatici e dispositivi medici. Questi polimeri li rendono indispensabili in diversi settori industriali.
Gomma naturale contro elastomeri sintetici
Notevolmente diversi, la gomma naturale e gli elastomeri sintetici sembrano essere elastomeri diversi con proprietà diverse. La gomma naturale, che si ottiene dal lattice degli alberi della gomma (Hevea brasiliensis), è nota per la sua elevata elasticità, la notevole resistenza alla trazione e la resistenza superiore all'abrasione e alla fatica. È ampiamente utilizzata per pneumatici per autoveicoli, nastri trasportatori e parti antivibranti per la sua natura dinamica. Come accennato in precedenza, la gomma naturale ha il grande vantaggio di essere altamente resiliente e, quindi, è operativa anche a sollecitazioni elevate.
Gli elastomeri sintetici, d'altro canto, sono composti chimici e includono gomma stirene-butadiene (SBR), gomma nitrilica (NBR) e monomero etilene propilene diene (EPDM), tra gli altri. Tali elastomeri sono stati sviluppati per usi specifici che richiedono oli, calore e sostanze chimiche. Ad esempio, l'SBR è comunemente impiegato per la sua resistenza all'abrasione e la sua capacità di resistere a condizioni difficili. L'NBR può funzionare bene in condizioni oleose ed è adatto per l'uso su tubi flessibili del carburante e guarnizioni. Inoltre, grazie alla capacità dell'EPDM di resistere alle intemperie e ai raggi ultravioletti, è utilizzato principalmente per guarnizioni per tetti e automobili.
Per gli elastomeri sintetici, è stato registrato che il volume di costruzione, la riproducibilità e l'uniformità sono più elevati, il che consente anche di adattare le caratteristiche del prodotto al momento della produzione. La produzione di gomma sintetica in tutto il mondo è ammontata a circa 15.3 milioni di tonnellate di fatturato nel 2022, il che rappresenta un aumento considerevole rispetto ai 13.9 milioni di tonnellate di gomma naturale registrati, il che suggerisce una maggiore domanda di alternative sintetiche nei settori automobilistico e industriale.
Gli elastomeri sintetici possono avere vantaggi che includono una maggiore stabilità termica e chimica, mentre la biodegradabilità è valutata più elevata per le gomme naturali. Entrambe le gomme vengono scelte in base all'applicazione, alle condizioni ambientali e agli obiettivi che devono essere soddisfatti. Con i recenti progressi compiuti nel campo della scienza dei materiali, sia gli elastomeri naturali che quelli sintetici sono stati ottimizzati, il che ne consolida l'importanza in molteplici settori.
Proprietà principali dei materiali simili alla gomma
Le proprietà fisiche e meccaniche degli elastomeri naturali e sintetici sono piuttosto sorprendenti. Ecco perché la maggior parte delle persone considera i materiali simili alla gomma, noti anche come elastomeri, piuttosto ingegnosi. Alcune delle proprietà chiave dei materiali simili alla gomma sono elencate di seguito:
Elasticità e flessibilità
In parole povere, un elastomero può deformarsi notevolmente e tornare alla sua forma originale quando la forza viene rimossa da esso. Il massiccio rapporto di allungamento del 500% che alcuni materiali possono raggiungere supporta l'affermazione che gli elastomeri hanno una struttura polimerica unica.
Resistenza alla trazione e durata
La composizione delle gomme definisce la loro resistenza alla trazione, che di solito è espressa in Megapascal. Per la gomma naturale, questo limite si trova spesso tra 15-25 Megapascal. Nel frattempo, gli elastomeri sintetici, come la gomma nitrilica o siliconica, possono essere manipolati per una gamma più ampia di requisiti meccanici.
Resistenza alla temperatura
Gli elastomeri includono un ampio spettro di caratteristiche termiche. Ad esempio, mentre la gomma naturale funziona benissimo a temperatura ambiente e può funzionare a un massimo di 80 gradi Celsius, i materiali sintetici come il silicone possono funzionare in modo ottimale anche a temperature superiori a 230 gradi Celsius e mantenere la flessibilità anche a temperature inferiori allo zero.
Resistenza agli agenti chimici e agli oli
Sia i copolimeri NBR che FKM resistono all'usura causata da grasso, olio e vari prodotti chimici e, come tali, vengono utilizzati nelle guarnizioni e nelle guarnizioni industriali, mentre la gomma naturale è flessibile ma vulnerabile a tali attacchi.
Resistenza all'abrasione e all'usura
Esistono differenze nella misura in cui i materiali con caratteristiche simili alla gomma possono resistere all'usura. Ad esempio, la gomma naturale è caratterizzata da elevata elasticità, che conferisce un'adeguata resistenza all'usura, consentendone così l'uso in pneumatici per impieghi gravosi per veicoli e nastri trasportatori diversi dagli elastomeri poliuretanici, che hanno prestazioni migliori in ambienti abrasivi.
Isolamento elettrico e rigidità dielettrica
Molti elastomeri in silicone ed EPDM vengono utilizzati come isolanti perché hanno un'elevata resistenza dielettrica e non si rompono facilmente a causa delle correnti elettriche. Questi attributi ne facilitano l'utilizzo nei settori elettrico ed elettronico.
Stabilità ambientale
La gomma naturale si biodegrada abbastanza bene, mentre la maggior parte degli elastomeri sintetici sono più resistenti all'ozono, ai raggi UV e agli agenti atmosferici, come la gomma EPDM, che resiste agli effetti degli agenti atmosferici.
Queste proprietà e caratteristiche illustrano perché i materiali con caratteristiche simili alla gomma trovano applicazione in diversi settori industriali , tra cui, a titolo esemplificativo, quello automobilistico, aerospaziale, sanitario e dei beni di consumo. Questi materiali sono intrinsecamente innovativi e gli sforzi per migliorare la tecnologia e i processi produttivi continuano.
In che cosa i materiali simili alla gomma differiscono dagli altri polimeri?
Confronto tra elastomeri, termoplastici e termoindurenti
Ogni polimero, compresi elastomeri, termoplastici e termoindurenti, presenta delle variazioni nelle sue proprietà, applicazioni e strutture. Prendiamo ad esempio la gomma naturale; la sua struttura molecolare è vagamente correlata, il che le conferisce una caratteristica "gommosa". Un materiale che può essere allungato e poi può tornare al suo stato originale è noto come elastico e le gomme siliconiche naturali tendono a rientrare in questa categoria, le gomme siliconiche hanno un'elevata elasticità.
Ora, i termoplastici sono diversi, polietilene, polistirene e PVC sono tutti esempi di polimeri non reticolati, di conseguenza la loro catena molecolare non è intrecciata, il che a sua volta consente loro di essere riscaldati e rimodellati più e più volte senza causare alcun danno. Queste qualità rendono i termoplastici ideali per estrusioni e stampaggio a iniezione, inoltre sono necessari per prodotti che richiedono autoclavabilità, tra cui parti di automobili, beni di consumo e imballaggi alimentari.
Possono essere utilizzati anche epossidici, resine e termoindurenti fenolici, ma non vengono utilizzati in più di un ciclo perché, a differenza dei termoplastici, i termoindurenti possono essere riformati solo una volta, ovvero tramite polimerizzazione; si è scoperto che questo conferisce loro una struttura di rete efficace, rendendoli resistenti allo stress termico, il che di conseguenza garantisce loro una lunga durata di conservazione. Ulteriori esempi di utilizzo sarebbero l'isolamento elettrico e i componenti aerospaziali e di costruzione che richiedono una grande resistenza strutturale.
Come si vede dalle figure, è evidente che gli elastomeri come la gomma naturale hanno una resistenza alla trazione compresa tra 15 e 25 MPa, come delineato da alcuni studi, mentre i materiali termoplastici come il polipropilene hanno il potenziale per raggiungere valori fino a 40 MPa. Tuttavia, è giusto notare che i termoindurenti hanno valori notevolmente maggiori e possono raggiungere valori superiori a 50 MPa con la giusta formulazione. Tuttavia, gli elastomeri mantengono un vantaggio, con il predominio della flessibilità, poiché possono essere allungati per oltre il 500% prima di rompersi. Al contrario, altri materiali come i termoindurenti fanno fatica a superare il limite del 50%.
Considerando le proprietà fornite, la selezione di un polimero appropriato per i requisiti dell'applicazione diventa fondamentale per quanto riguarda le proprietà meccaniche, termiche e chimiche. Ad esempio, gli elastomeri sono adatti per guarnizioni e guarnizioni, poiché i termoplastici sono adatti per componenti leggeri. Al contrario, i termoindurenti sono adatti per aree che richiedono calore e resistenza termica.
Proprietà meccaniche uniche dei materiali simili alla gomma
Gli elastomeri o materiali simili alla gomma sono classificati come un gruppo separato di materiali per la loro combinazione unica di proprietà meccaniche. Possiedono un'elasticità sorprendente, che consente loro di essere deformati fino al 700% con una combinazione di densità di linker. Si può vedere che hanno un'immensa capacità di allungamento, che è utile per applicazioni con un alto grado di flessibilità e resilienza.
Gli elastomeri, rispetto ai termoplastici e ai termoindurenti, presentano valori inferiori del modulo di Young, solitamente compresi tra 0.01 e circa 10 MPa. Ciò fa sì che perdano molta rigidità, consentendo loro di assorbire e dissipare energia dagli elastomeri, avere applicazioni di alto valore per l'assorbimento degli urti e l'isolamento delle vibrazioni e deformare le funzioni di densità. Inoltre, gli elastomeri possiedono elasticità e stress non lineari, il che conferisce loro un'ampia gamma di applicazioni in un ambiente dinamico a causa dell'isteresi e della perdita di energia durante il carico dinamico.
Inoltre, materiali come la gomma mostrano forti proprietà meccaniche entro un ampio intervallo di temperature. Ad esempio, la gomma vulcanizzata può resistere e rimanere tenace e flessibile a una temperatura che va da -120 a oltre XNUMX gradi Celsius, a seconda della sua formulazione. Questa proprietà è di fondamentale importanza per le applicazioni automobilistiche e aerospaziali.
Gli elastomeri hanno un'eccezionale capacità di riacquistare la loro forma originale dopo essere stati fortemente distorti. Questa proprietà è definita resilienza o tasso di resilienza; per le gomme naturali riflessive, il loro tasso di resilienza può raggiungere il 70%, suggerendo la capacità della gomma di tornare rapidamente alla sua forma originale dopo essere stata compressa per una frazione di tempo. Questa caratteristica è altamente raccomandabile in elementi come guarnizioni, anelli, guarnizioni e pneumatici poiché il carico meccanico sarà sempre mantenuto sulla parte strutturale.
La modifica della formulazione e il raggiungimento dei parametri di progettazione incorporeranno sempre gli elastomeri, poiché sono tra le materie prime più utili nei settori dell'ingegneria.
Cross-linking e il suo impatto sull'elasticità
La reticolazione modifica notevolmente la flessibilità degli elastomeri stabilendo una rete di legami chimici tra le catene polimeriche dense. Questi legami limitano la libertà delle catene, consentendo di progettare la massa in modo che possa essere distorta sotto sforzo, ma riacquista la sua forma al rilascio dello sforzo. La concentrazione dei legami incrociati determina il livello di elasticità: una densità più elevata significa più resistenza ma a scapito della flessibilità, mentre una densità più bassa significa più elasticità ma non maggiore resistenza. Questa chiamata è fondamentale poiché l'applicazione di elastomeri in componenti automobilistici o industriali che richiedono caratteristiche di prestazioni specifiche richiede tale equilibrio.
Quali sono i tipi più comuni di materiali simili alla gomma?
Gomma siliconica e sue applicazioni
La gomma siliconica dimostra un'eccellente durevolezza, flessibilità e stabilità termica, il che spiega il suo uso diffuso in vari settori. I suoi usi coprono una vasta gamma, tra cui guarnizioni, guarnizioni e tubi nei settori automobilistico e aerospaziale e silicone medico utilizzato in protesi e impianti. Inoltre, grazie alle sue proprietà atossiche e all'eccellente resistenza alle intemperie, il silicone è comunemente utilizzato per produrre utensili da cucina, impermeabilizzazione, elettronica e altri prodotti di consumo.
Gomma EPDM: Proprietà e utilizzi
La gomma EPDM, detta anche monomero di etilene propilene diene, è un tipo di gomma sintetica che si distingue per la sua eccellente resistenza alle intemperie, ai raggi UV e alla temperatura. La sua resilienza e flessibilità la rendono adatta per membrane per tetti, guarnizioni e componenti per autoveicoli come tubi flessibili e guarnizioni. La gomma EPDM è anche stabile in acqua e vapore e contiene una varietà di sostanze chimiche, il che ne aumenta l'uso nei settori industriale ed edile. Inoltre, è termoplastica, il che la rende durevole per l'ambiente pur mantenendo le proprietà per un periodo di tempo prolungato, anche in condizioni difficili.
Cosa sono gli elastomeri termoplastici (TPE).
Un elastomero termoplastico (TPE) può essere descritto come un materiale termoplastico ed elastomerico che mostra le caratteristiche sia della gomma vulcanizzata che dei termoplastici. Questo TPE può essere modellato tramite fusione e iniezione e ha la capacità di essere modellato nella forma finale desiderata tramite lavorazione a caldo, estrusione o stampa 3D.
Il TPE si distingue per la sua miscela di polimeri stirenici o termoplastici, che hanno una consistenza dura, con regioni morbide ed elastomeriche che hanno grandi proprietà meccaniche. Con diverse formulazioni in atto, i TPE possono essere elastomeri che hanno una maggiore resistenza alla trazione, elevata resistenza all'impatto e migliore resilienza. Questi materiali sono altamente versatili in quanto possono essere impiegati in settori quali l'automotive, la medicina e molti altri. Rilevanti per l'industria automobilistica, gli elastomeri TPE possono essere implementati per installare cavi attorno all'isolamento del veicolo e facilitare sistemi di tenuta flessibili.
Secondo le nuove intuizioni, la domanda di TPE è in costante aumento. Lo sviluppo di nuove tecnologie dei materiali e la crescente tendenza dei consumatori verso soluzioni sostenibili sono destinati a guidare il tasso di crescita del mercato globale dei TPE (CAGR stimato) a circa il 6%-7% nei prossimi anni. I TPE, tuttavia, svolgono anche uno scopo essenziale in medicina, come per tubi, guarnizioni o persino dispositivi indossabili a breve termine in cui sono necessarie biocompatibilità e stabilizzabilità.
Esistono diverse varietà di TPE: copolimeri a blocchi di stirene (SBC), poliolefine termoplastiche (TPO), vulcanizzati termoplastici (TPV) ed elastomeri copoliestere (COPE), per citarne alcuni. Esistono anche molte applicazioni per loro perché ognuno ha attributi che lo rendono adatto a una funzione specifica. Ad esempio, i TPV, una combinazione di gomme vulcanizzate e termoplastiche, hanno il miglior utilizzo in ambienti che richiedono flessibilità e dinamismo costanti per un periodo prolungato. D'altro canto, gli SCB sono relativamente più morbidi e facili da lavorare, quindi gli articoli di consumo li usano ampiamente.
I materiali sopra menzionati non sono solo essenziali per le loro caratteristiche di prestazioni o adattabilità, ma sono anche molto sostenibili, tanto da poter soddisfare i requisiti in continua evoluzione delle industrie di nuova generazione.
Come vengono utilizzati i materiali simili alla gomma nei vari settori industriali?
Applicazioni automobilistiche degli elastomeri
Gli elastomeri sono materiali essenziali nel settore automobilistico e le loro estese applicazioni sono accompagnate anche da un'elevata ripetibilità. Grazie alla loro eccellente elasticità, resistenza alle intemperie e proprietà meccaniche, gli elastomeri sono utilizzati in una gamma di parti automobilistiche, tra cui, ma non solo, guarnizioni, tubi flessibili e isolatori di vibrazioni.
Un buon esempio potrebbe essere la gomma EPDM (etilene propilene diene monomero) asimmetrica, che è solitamente utilizzata nelle guarnizioni per intemperie e applicazioni correlate e che dovrebbe fornire buone prestazioni di tenuta tra diversi limiti di pressione e temperatura. Inoltre, gli elastomeri termoplastici (TPE) sono utilizzati nei cruscotti soft-touch, nei tappetini antiscivolo e in molti altri elementi interni, conferendo all'auto un aspetto interno migliore. Gli elastomeri siliconici possono anche essere utilizzati nei motori turbo per i tubi flessibili o le guarnizioni del turbocompressore, ma solo quando è richiesta una resistenza al calore molto elevata.
Le statistiche sull'uso globale di elastomeri indicano un'impennata nell'industria automobilistica. L'industria globale degli elastomeri ha generato oltre 70 miliardi di USD nel 2021, con il settore automobilistico che detiene una quota importante a causa dell'aumento della produzione di veicoli elettrici. Inoltre, l'utilizzo di compositi avanzati come materiali elastomerici leggeri ridurrebbe il peso dei veicoli, un parametro essenziale per migliorare l'efficienza energetica del veicolo e ridurre le emissioni.
L'adozione di elastomeri è stata ulteriormente incoraggiata dal miglioramento delle formulazioni degli elastomeri. Ad esempio, è stato migliorato lo sviluppo di elastomeri ad alto allungamento e basso set di compressione Jenkins cuscinetti scorrevoli applicazione in sistemi di sospensione e supporti motore. Tali progressi si traducono in un maggiore comfort di guida e attenuazione del rumore, prolungando al contempo la durata utile, dimostrando così il posto vitale che gli elastomeri occupano nell'ingegneria automobilistica.
Materiali simili alla gomma in guarnizioni e guarnizioni
I settori dell'ingegneria automobilistica, aerosol e medica utilizzano elastomeri per guarnizioni e guarnizioni; questi materiali sono essenziali per le loro prestazioni. Questo perché il materiale in questione rimane flessibile, conserva comunque un livello di resilienza e mantiene la capacità di sigillare in condizioni estreme. La gomma nitrilica (NBR), l'etilene propilene diene monomero (EPDM), la gomma siliconica e il fluorocarbonio (Viton®) sono ampiamente utilizzati per la loro capacità di resistere a oli, sostanze chimiche e variazioni di temperatura.
In confronto, l'NBR è ampiamente preferito nelle applicazioni di tenuta di olio e carburante per la sua superba resistenza all'abrasione e all'olio. Al contrario, l'EPDM ha molte applicazioni in aree soggette a invecchiamento e all'esposizione a UV e ozono. Grazie alla sua stabilità alle alte e basse temperature, la gomma siliconica sembra essere la scelta di materiale preferita per applicazioni di tenuta con intervalli di bassa e alta temperatura. In particolare, gli elastomeri fluorocarbonici mostrano un'eccezionale resistenza chimica e al carburante e sono spesso utilizzati nelle guarnizioni per motori e altre apparecchiature esposte a sostanze chimiche aggressive e a sostanze a base di petrolio.
I materiali recenti hanno seguito la tendenza verso quelli che richiedono un allungamento dei componenti più elevato, un set di compressione e una resistenza alla trazione. Ad esempio, è stato osservato che le formulazioni EPDM durano a lungo se sottoposte a temperature elevate di vapore e acqua fino a 150 gradi centigradi, e le guarnizioni in silicone funzionano bene in intervalli di temperatura tra -50 e 250 gradi centigradi. Tali materiali soddisfano anche vari requisiti normativi, come REACH e RoHS, che sono necessari in un ambiente industriale.
Ci sono stati anche progressi nel settore degli elastomeri come risultato dei progressi nella produzione di elastomeri e dei processi di estrusione automatizzati e LIM, che hanno consentito la creazione di guarnizioni complesse e guarnizioni con tagli altamente precisi. Inoltre, la nanotecnologia ha sviluppato elastomeri ibridi, che includono riempitivi di stabilità termica e di trazione come il carbon black, che prolungano la durata di servizio applicando solo un'usura minima sulla cinghia della guarnizione. Tutti gli ultimi sviluppi menzionati nei paragrafi precedenti indicano che il potere di tenuta e i materiali della guarnizione si adattano all'ambiente ingegneristico moderno.
Stampa 3D con materiali elastomerici
La produzione di dispositivi indossabili, guarnizioni di tenuta ed elementi ammortizzanti, ad esempio materiali elastomerici stampati in 3D, è dovuta a settori quali l'automotive, l'assistenza sanitaria e i beni di consumo. Ciò è stato reso possibile grazie a formulazioni di materiali migliorate e tecnologie di stampa 3D compatibili. Queste tecnologie consentono la prototipazione rapida e la creazione di strutture complesse come guarnizioni personalizzate, offrendo al contempo un vantaggio in termini di aumento delle prestazioni grazie ad applicazioni specificamente personalizzate.
Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di materiali simili alla gomma?
Vantaggi di elasticità e flessibilità
Nella mia esperienza con materiali simili alla gomma, ho visto le loro proprietà elastiche e la loro flessibilità, che sono di grande utilità. Tali materiali possono essere allungati e piegati oltre un limite considerevole senza il rischio di danni permanenti, il che li rende adatti per scopi dinamici. Dimostrano anche un buon smorzamento e stabilità, garantendo prestazioni affidabili in condizioni difficili.
Resistenza alla compressione e durata.
I materiali realizzati in gomma hanno una resistenza al set di compressione relativamente elevata, che è la tendenza del materiale a promuovere uno stress compressivo continuo. Questa proprietà garantisce che pannelli, guarnizioni, guarnizioni e componenti simili realizzati in questi materiali non perdano la loro forma e funzionalità nel tempo e quando sottoposti a distorsione rispetto ad altri materiali. La gomma siliconica, ad esempio, può avere valori di set di compressione nell'intervallo del 15-20% in condizioni di prova standard, garantendo così una lunga durata in applicazioni di tenuta anche quando sottoposti a condizioni di temperatura difficili.
Questi materiali sono anche specificamente progettati per durare in condizioni difficili. Un materiale ben noto è la gomma EPDM, che può essere esposta alle intemperie, ai raggi UV e all'ozono e utilizzata all'esterno per un lungo periodo. La maggior parte degli studi ha anche indicato che i materiali EPDM possono mantenere le loro proprietà elastiche e strutturali per oltre venticinque anni di normale esposizione ambientale. Questa straordinaria prestazione rende i materiali simili alla gomma la spina dorsale di progetti che richiedono elevata affidabilità. Tali settori includono l'automotive, l'aerospaziale, la nautica e l'edilizia. La loro convenienza in applicazioni ad alte prestazioni è dovuta alla loro eccellente resistenza meccanica e resilienza.
Proprietà soft-touch ed ergonomiche
Il comfort dell'utente e la funzionalità del prodotto sono senza dubbio cruciali in vari settori. Tuttavia, aspetti come le proprietà soft-touch ed ergonomiche sono di fondamentale importanza per ottenere tale funzionalità. Gli elastomeri siliconici e termoplastici (TPE) sono attualmente richiesti in quanto possono soddisfare al meglio le esigenze di tutti. La ricerca indica che questi materiali spesso presentano una gamma di durezza Shore da 20A a 80A. Si tratta di una gamma di svolgimento molto ampia, ideale per articoli che devono essere sia sufficientemente flessibili che adeguatamente di supporto. Le caratteristiche antiscivolo e tattili li rendono utili per cucire prodotti come impugnature per utensili, strumenti medici e telefoni cellulari.
Ad esempio, l'ergonomia è tutta strumenti soft touch e tendono anche a raggiungere un aumento della produttività fino al 30% attraverso una diminuzione dell'affaticamento della mano durante le sezioni ripetute che ne innescano l'uso, ad esempio. Ciò è possibile attenuando i punti di pressione e persino la distribuzione della forza nell'area di contatto. Ciò che è ancora più impressionante è che gli elastomeri non cedono indipendentemente dal fatto che sia estremamente freddo o caldo, per, diciamo, da -40 gradi Celsius a 200 gradi Celsius; l'intervallo di temperatura di esercizio dipende interamente dalla formulazione in uso. Tutte queste caratteristiche saranno utili non solo nel migliorare la soddisfazione dell'utente, ma anche nel supportare un'estensione della durata del prodotto e della durata orientata verso gli utenti finali in particolare e i mercati commerciali in generale.
Come si sceglie il materiale gommoso più adatto al proprio progetto?
Valutazione delle proprietà dei materiali per applicazioni specifiche
Quando si lavora con materiali elastomerici per determinate applicazioni, alcune proprietà del materiale devono essere prioritarie ed elencate in termini di condizioni operative e idoneità per l'applicazione. Di seguito è riportato un elenco di proprietà e delle caratteristiche necessarie per esse:
Durezza (Shore A/D)
Questa proprietà indica la capacità del materiale di resistere alla forza e alla sua deformazione per determinare la predisposizione delle gomme all'usura.
Gli elastomeri hanno in genere una durezza compresa tra A Shore 20-90 e D Shore 30-70.
Resistenza alla trazione (MPa o psi)
La sollecitazione massima che un materiale può sopportare prima che si verifichi una rottura è nota anche come resistenza alla trazione.
Le specifiche per i materiali simili alla gomma variano tra 5 MPA e 25 MPA o tra 725 psi e 3625 psi.
Allungamento a rottura (%)
La capacità di un materiale di deformarsi e di mantenere la sua forma strutturale consente di aumentare la percentuale di rottura.
In base alla formulazione, la maggior parte degli elastomeri ne contiene tra il 100 e il 700 percento.
Set di compressione (%)
La capacità del materiale di ripristinare il suo spessore originale anche dopo aver subito una forza di compressione per un lungo periodo di tempo è determinata dalla percentuale di deformazione permanente (compression set).
In genere, la percentuale di deformazione permanente a compressione bassa tipica dei materiali ideali è compresa tra il 5 e il 30 percento.
La resistenza allo strappo (N/mm o lb/pollice) è una proprietà fondamentale per valutare la durabilità dei materiali gommosi.
Quantifica la capacità del materiale di resistere a tagli o strappi durante la propagazione.
La resistenza allo strappo delle composizioni standard è compresa tra 10 N/mm e 50 N/mm. Più di 50 N/mm sono rari.
Stabilità termica
Viene determinato come l'intervallo di temperatura entro il quale l'elastomero può essere utilizzato senza che si verifichino problemi di prestazioni.
Per gli elastomeri ad alte prestazioni, le temperature estreme tipiche sono comprese tra -40 gradi centigradi, pari a -40 gradi Fahrenheit, e un intervallo massimo di 200 gradi centigradi, pari a 392 gradi Fahrenheit.
Resistenza chimica
Testa la sostanza per verificarne la resistenza a oli, carburanti, solventi e altre sostanze chimiche.
Scegli materiali che siano resistenti alle sostanze chimiche specifiche che saranno presenti nella tua applicazione.
Resistenza all'invecchiamento
Testare i polimeri in condizioni sfavorevoli, come luce UV, umidità, ozono, ecc., per determinarne la durata delle prestazioni nel tempo.
Scegli elastomeri che contengono additivi anti-invecchiamento perché dureranno più a lungo.
Resistenza all'abrasione
Determina la misura in cui un materiale può resistere all'usura dovuta alle forze di attrito.
In caso di ambiente ad alta usura, ci si aspetta che l'installatore utilizzi materiali con una resistenza all'abrasione classificata più elevata rispetto alla media.
Densità
Tutto ciò significa che la densità di un materiale, espressa in g/cm3, influisce di conseguenza sul peso totale di un prodotto.
I materiali simili alla gomma hanno in genere valori di densità compresi tra 0.9 g/cm3 e circa 1.5 g/cm3.
Tutte queste proprietà devono essere considerate poiché determinano quali materiali saranno più adatti all'applicazione data, il miglior compromesso tra prestazioni e costi e la durata. Alcune caratteristiche, come le formulazioni insolite, potrebbero aver bisogno di una conferma diversa da schede tecniche o test di laboratorio.
Considerando i fattori ambientali e la resistenza chimica
Per garantire la sostenibilità e l'efficacia di un articolo, i materiali utilizzati in diverse applicazioni devono essere esaminati attentamente per i loro aspetti ambientali e la loro resistenza a una gamma di sostanze chimiche volatili. Gli aspetti ambientali includono radiazioni UV, temperature estremamente alte o basse e umidità, che sono note per deteriorare i materiali nel tempo. La resistenza chimica si riferisce alla capacità del materiale di non rompersi dopo l'esposizione a determinate sostanze chimiche come acidi, basi o persino solventi.
Problemi come questi possono essere risolti simulando le condizioni operative appropriate e testando i materiali. Ad esempio, gli elastomeri siliconici hanno un'elevata resistenza ai raggi UV e alle variazioni di temperatura e quindi possono essere utilizzati in molte applicazioni esterne. In altri casi, materiali come la gomma naturale hanno una bassa resistenza a determinate sostanze chimiche o alla luce solare diretta, quindi si degradano rapidamente. Gli standard di test del settore come ASTM D471 per la permeazione chimica o la creazione di grafici per la compatibilità dei materiali possono aiutare a mitigare decisioni informate molte volte.
Equilibrio tra costi e prestazioni nella selezione dei materiali
La selezione di materiale appropriato entro un budget specifico e con il miglior rapporto prestazioni/esigenze operative comporta la valutazione di requisiti a lungo e breve termine, che comportano una significativa considerazione dei costi. In tale scenario, i criteri chiave di selezione dei materiali includono costi di manutenzione, funzionalità e durata del materiale. Una ridotta frequenza di sostituzione, tempi di fermo operativi ridotti e un rapporto prestazioni/costo superiore sono tutte possibilità dovute a una selezione efficiente dei materiali. Le tecniche di riduzione dei costi, come lo sviluppo di analisi costi-benefici e l'utilizzo di standard di ingegneria o dati del produttore, aiutano a garantire che le decisioni logistiche vengano prese senza compromettere il rapporto prestazioni/costo.
Quali sono le ultime innovazioni nei materiali simili alla gomma?
Progressi nella scienza dei materiali per gli elastomeri
Molti sviluppi nel campo degli elastomeri hanno potenziato le prestazioni, ampliando la portata delle possibili applicazioni in molti settori. Gli elastomeri termoplastici (TPE) sono una di queste innovazioni, che possiedono caratteristiche sia termoplastiche che elastomeriche. Hanno un potenziale di riciclaggio molto maggiore e sono meno dannosi per l'ambiente rispetto ad altri materiali perché possono essere lavorati termoplasticamente tramite stampaggio a iniezione o estrusione.
Inoltre, l'arrivo di prodotti elastomerici riempiti di grafene ha cambiato il mondo dei materiali. La combinazione di resistenza incomparabile, conduzione del calore e stabilità chimica del grafene aumenta l'usura e la resistenza termica degli elastomeri, rendendoli adatti all'uso in condizioni difficili come l'aerospaziale e gli pneumatici ad alte prestazioni. I compositi di grafene, ad esempio, hanno dimostrato, rispetto agli elastomeri convenzionali, un aumento della resistenza alla trazione del 200-300%.
Ci sono anche tendenze interessanti accompagnate dall'emergere di elastomeri di origine biologica, poiché i ricercatori iniziano ad affrontare alternative ecologiche che provengono da materie prime rinnovabili. La capacità di biodegradare elastomeri di origine biologica che contengono gomma naturale o materiali di origine vegetale li rende adatti per i settori automobilistico e medico, con conseguente riduzione dell'impronta di carbonio.
Le nuove applicazioni degli elastomeri che soddisfano le richieste dell'industria moderna in termini di efficienza, sostenibilità e alte prestazioni come risultato dei progressi nella produzione additiva di lubrificanti, in particolare la stampa 3D di componenti elastomerici, offrono ampie nuove opportunità di progettazione. I processi di stampa 3D della gomma siliconica liquida (LSR) si distinguono dagli altri per le geometrie complesse, la fabbricazione di componenti ad alta potenza per dispositivi medici, guarnizioni personalizzate o tecnologie indossabili. Queste tendenze spingono notevolmente i limiti dell'industria degli adesivi.
Materiali innovativi e reattivi simili alla gomma
Materiali che in passato erano considerati inaffidabili ora vengono avanzati per l'uso in medicina. Questa nuova tecnologia è supportata dall'uso di particelle simili alla gomma che reagiscono alla luce, all'elettricità, al calore o ai campi magnetici. Tali materiali svolgono un ruolo importante nell'assistenza sanitaria e nell'aviazione in quanto sono molto versatili.
I materiali in gomma modellati in elastomeri self-memory o PMI sono in grado di espandere le loro strutture a causa di variazioni di temperatura. Queste strutture possono essere utilizzate come stent o cateteri in quanto richiedono una quantità minima di sforzo per la ristrutturazione e possono essere facilmente controllate. Oltre ad avere un elevato tasso di recupero di oltre il 95%, possono essere riutilizzate.
Gli elastomeri polimerici elettricamente conduttivi si distinguono dagli altri. Sono ottime alternative ad altri prodotti, in quanto possono sostituire parti di touch screen, sensori e persino indumenti. Utilizzando nanotubi di carbonio o grafene, podeers in materiali elastici, questi elastomeri possono allungarsi fino al 500 percento pur rimanendo conduttivi a 10³ S/m, aumentando così notevolmente la durata e l'efficienza dell'elettronica.
Gli elastomeri che sono sia magneto che elettro-responsivi dimostrano versatilità con la capacità di modificare le loro proprietà meccaniche quando sottoposti a un campo magnetico o elettrico. Gli elastomeri magnetoreologici, ad esempio, gli MRE, mostrano un potenziale utilizzo come smorzatori di vibrazioni per l'industria automobilistica e industriale con l'uso di un campo magnetico per esercitare fino al 60% di cambiamento nel loro modulo dinamico.
Inoltre, gli sviluppi riguardanti gli elastomeri stabilizzati con idrogel hanno creato un nuovo dominio nel regno della bioingegneria e della robotica morbida. Questi materiali sono appositamente formulati con una migliore ritenzione di umidità, una maggiore resistenza meccanica a umido e a secco e una maggiore biocompatibilità con ibridi idrogel-elastomeri di nuova concezione che hanno la capacità di raggiungere fino all'80% di recupero della forma dopo la deformazione a causa di un elevato carico di trazione. Tale caratteristica è ampiamente completata dal loro utilizzo in sistemi muscolari sintetici e pinze morbide, poiché richiedono l'uso di materiali solidi ma flessibili.
In generale, i nuovi e reattivi materiali simili alla gomma stanno migliorando e, in alcuni casi, rivoluzionando le varie dinamiche tecnologiche attraverso la loro facilità d'uso e soddisfacendo le esigenze di determinati settori dell'ingegneria e della progettazione, tenendo sempre presente la sostenibilità ambientale.
Opzioni elastomeriche sostenibili ed ecologiche
Gli elastomeri sostenibili ed ecologici cercano di raggiungere un equilibrio tra prestazioni ed eco-compatibilità. Gli elastomeri di origine biologica sono una nuova tecnologia in questo spazio, che si concentra sull'uso di materiali sostenibili come gomma naturale e olio vegetale. Tali materiali riducono la dipendenza da fonti non rinnovabili e solitamente hanno caratteristiche meccaniche simili a quelle di altri materiali. Inoltre, la ricerca sulle tecnologie di riciclaggio degli elastomeri rende i materiali di scarto riutilizzabili, il che riduce lo spreco di materiali e garantisce che i materiali vengano riciclati in modo ecologicamente sostenibile. Gli elastomeri termoplastici (TPE) sono un'altra opzione praticabile ed ecologica, poiché possono essere rifatti e rimodellati ripetutamente, a differenza dei tradizionali elastomeri termoindurenti. Tutti questi metodi, in sostanza, si allineano con lo zile globale di riduzione delle emissioni, dello spreco di risorse e della produzione di materiali in modo lineare.
Domande frequenti (FAQ)
D: Cosa sono gli elastomeri e in che modo si differenziano dagli altri materiali?
R: Gli elastomeri tendono a essere materiali che si comportano come la gomma e hanno la proprietà di deformarsi sotto stress, per poi tornare alla loro forma originale una volta rimosso lo stress. Ciò che distingue gli elastomeri dalle altre sostanze è la loro vasta capacità di essere elastici, flessibili e durevoli. Inoltre, gli elastomeri sono composti da lunghe catene di polimeri, che aiutano nella deformazione e nel recupero, esibendo così un'elasticità simile alla gomma e le proprietà dei materiali morbidi.
D: Quali sono i vari tipi di elastomeri?
R: Ad oggi, ci sono alcuni tipi di elastomeri ben documentati; in cima alla lista ci sono le gomme naturali, note anche come lattice, seguite dalle gomme sintetiche di classe etilene propilene, gomme siliconiche, poliuretani ed elastomeri termoplastici. Ogni tipo di elastomero possiede caratteristiche diverse; quindi, possono essere utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni. Queste includono parti di automobili, dispositivi medici e un'ampia gamma di beni di consumo.
D: Quali sono gli effetti dell'allungamento elastico sulle prestazioni degli elastomeri?
R: Una delle caratteristiche principali degli elastomeri è che sono abbondanti e possono essere allungati senza rompersi; questa proprietà è chiamata allungamento. Un'altra misura cruciale di qualsiasi elastomero è l'allungamento a rottura, che fornisce informazioni sulla flessibilità e sulla durata del polimero analizzato. La tendenza generale è che i polimeri con elevati rapporti di allungamento sarebbero in grado di sopportare una maggiore quantità di deformazione prima di rompersi, il che li rende ideali per l'uso in applicazioni che richiedono estrema flessibilità o allungamento ripetitivo.
D: Che cosa è la viscoelasticità e qual è il suo significato negli elastomeri?
R: Vari elastomeri mostrano viscoelasticità, che combina le loro proprietà in una caratteristica. Ciò significa che gli elastomeri mostrano deformazione nel tempo quando vengono tagliati o sollecitati, poiché sono materiali viscoelastici. La risposta degli elastomeri come materiali viscoelastici altera molti dei loro parametri materiali, come il loro modulo e la loro viscosità, che a loro volta influenzano il modo in cui si comportano in diverse condizioni di carico.
D: Discutere il comportamento degli elastomeri quando esposti a diversi fattori di stress.
R: Quando si esaminano gli elastomeri in termini di comportamento del materiale, dimostrano caratteristiche e risposte strutturali diverse a diversi stress, come stress compressivo, di trazione o di taglio. Questo stress può causare una deformazione notevole degli elastomeri senza un effetto permanente, poiché la loro energia assorbe il loro modulo (rigidità), la densità di energia di deformazione e le capacità di dissipazione dell'energia. Inoltre, le proprietà elastiche dei materiali simili alla gomma dipendono fortemente dal modulo di taglio.
D: Quali aspetti influiscono sul livello di durezza degli elastomeri?
R: La composizione della catena polimerica, la densità di reticolazione e i polimeri inclusi influenzano gli elastomeri in vari modi. La durezza degli elastomeri è spesso misurata su scale standardizzate Shore A e Shore D, che sono importanti per gli elastomeri per molte ragioni dal punto di vista del loro utilizzo in varie aree. L'allungamento degli elastomeri è inversamente proporzionale alla durezza, ovvero, più diventa difficile cambiare la forma della deformazione che l'elastomero assume.
D: Come si comportano gli elastomeri nelle fasi di prototipazione dei prodotti?
R: In particolare, la stampa 3D PolyJet consente la produzione di parti più o meno elastomeriche, in base ai requisiti di un particolare componente elastomerico. Quindi, progettisti e ingegneri possono modificare facilmente i loro progetti e realizzare prototipi più funzionali, poiché possono creare prototipi con elastomeri che si comportano come gli elastomeri di produzione finali quando vengono utilizzati nel progetto. Questi componenti basati su elastomeri sono spesso parti stampate in 3D che aiutano a semplificare la produzione e aiutano nella prototipazione rapida.
D: Perché è essenziale che gli elastomeri siano resistenti agli agenti chimici?
A: Diverse applicazioni degli elastomeri presentano la proprietà di essere resistenti agli agenti chimici. Vale la pena menzionare che i diversi elastomeri tendono ad avere vari livelli di resistenza chimica a solventi, oli e molte altre sostanze chimiche. Questa caratteristica influisce sulla durata complessiva del materiale e sulle sue applicazioni. Ad esempio, alcuni solventi possono causare il rigonfiamento di alcuni elastomeri o la perdita di alcune delle loro proprietà. Al contrario, altri non presentano una degradazione significativa e, pertanto, sono versatili in quanto consentono l'applicazione in ambienti chimicamente aggressivi.
D: In che modo gli elastomeri spiegano le loro diverse temperature?
R: La temperatura è un fattore importante nel comportamento degli elastomeri. Quando la temperatura diminuisce, la maggior parte degli elastomeri subisce un irrigidimento e una relativa perdita di duttilità nota come transizione vetrosa, mentre a temperature più elevate tendono ad ammorbidirsi e, in alcuni casi, a ammorbidirsi così tanto da essere distrutti. Per altri elastomeri, la temperatura di esercizio varia e, per applicazioni diverse, questa caratteristica gioca un ruolo importante nella selezione degli elastomeri, in particolare quelli per ambienti ostili.
D: Descrivere le applicazioni pratiche degli elastomeri e condividere alcune tendenze emergenti nel loro sviluppo e applicazione.
R: Alcune delle tendenze emergenti nello sviluppo degli elastomeri sono la formazione di elastomeri intelligenti che possono fornire una risposta a uno stimolo o a una pressione esterna, elastomeri auto-riparanti che riparano i danni ed elastomeri di origine biologica che utilizzano risorse rinnovabili. Esiste anche un potenziale maggiore per gli elastomeri nella robotica morbida, nell'elettronica indossabile e nei dispositivi medici più avanzati. Tali sviluppi stanno davvero oltrepassando i confini delle nuove possibilità con materiali simili alla gomma in diversi settori.
Fonti di riferimento
1. Grandi deformazioni elastiche isotropiche: su un modello generale per la fusione di teoria ed esperimenti su materiali incomprimibili simili alla gomma
- Autore: Afshin Anssari-Benam
- Rivista: Journal of Elasticity
- Anno di pubblicazione: 17 gennaio 2023
Principali risultati:
- Si sta sviluppando un modello integrativo in grado di unire dati sperimentali con previsioni teoriche riguardanti materiali incomprimibili simili alla gomma, con particolare attenzione alle grandi deformazioni elastiche isotrope.
Metodologia:
- L'autore ha costruito un modello e poi ne ha testato la validità attraverso la modellazione sperimentale valutando i polimeri simili alla gomma sotto diversi regimi di carico (Anssari-Benam, 2023, pp. 219–244).
2. Un modello di danno elastico di un materiale simile alla gomma che tiene conto della deformazione finita: teoria e implementazione dell'algoritmo
- Autori: Zhenjiang Du et al.
- Rivista: Acta Mechanica Sinica
- Data di pubblicazione: 1 marzo 2023
Principali risultati:
- Questo articolo presenta un nuovo modello per il danno visco-iperelastico a deformazione finita. Il modello cattura il comportamento dipendente dal tempo dei materiali simili alla gomma e spiega le loro prestazioni meccaniche sotto carico dinamico.
Metodologia:
- Gli autori hanno derivato il modello dai principi della termodinamica e lo hanno applicato numericamente per stimare il comportamento dei materiali simili alla gomma sottoposti a diverse condizioni di deformazione.Du et al., 2023, pagg. 1–8).
3. Un modello pseudo-iperelastico che tiene conto degli effetti della velocità per materiali isotropici simili alla gomma
- Autori: Afshin Anssari-Benam, M. Hossain
- Rivista: Journal of the Mechanics and Physics of Solids
- Data di pubblicazione: 1 giugno 2023
Principali risultati:
- L'analisi introduce un modello pseudo-iperelastico che considera gli effetti della velocità e spiega la dipendenza dei materiali gommosi da diverse velocità di carico.
Metodologia:
- Gli autori hanno sviluppato il modello utilizzando risultati empirici ed eseguito simulazioni per testarne l'applicabilità a materiali simili alla gomma in diverse velocità di deformazione (Anssari-Benam e Hossain, 2023).
