Il confronto tra silicone e poliuretano non ha un vincitore assoluto. La scelta dipende dal carico, dalla temperatura, dall'ambiente, dalla durata e dal processo produttivo. Scegli il silicone per temperature estreme, esposizione ai raggi UV e sigillatura a lungo termine. Scegli il poliuretano per abrasione, capacità portanti, resistenza agli urti e ampia gamma di durezze disponibili.
Questa semplice regola previene molti errori iniziali. Non è sufficiente per una specifica finale del materiale. Una ruota, una guarnizione statica, una valvola medicale, un composto di incapsulamento e un sigillante per l'edilizia possono tutti utilizzare uno di questi polimeri, ma non richiedono al materiale di svolgere la stessa funzione.
Sintesi
- Il silicone è generalmente la scelta più sicura quando la durata di servizio è determinata da fattori quali calore, freddo, raggi UV, ozono o recupero dalla compressione a lungo termine.
- Il poliuretano è generalmente più resistente all'abrasione, agli urti, ai contatti ripetuti e ai carichi meccanici elevati.
- Non approvare nessuna delle due famiglie di materiali basandoti su una tabella comparativa generica. Confronta i gradi effettivi utilizzando lo stesso metodo di prova, la stessa temperatura, la stessa geometria del campione e le stesse condizioni di condizionamento.
Silicone contro poliuretano: un confronto a colpo d'occhio.
| fattore decisionale | Elastomero siliconico | Elastomero poliuretanico |
|---|---|---|
| Struttura polimerica | Struttura inorganica silicio-ossigeno con gruppi laterali organici | Polimero organico formato da polioli e isocianati |
| Forza tipica | Stabilità della temperatura, agenti atmosferici, isolamento elettrico, recupero della compressione | Resistenza all'abrasione, resistenza allo strappo, resistenza alla trazione, assorbimento degli urti |
| Debolezza tipica | Minore resistenza all'abrasione e costi più elevati delle materie prime. | Più sensibile al calore, ai raggi UV, all'idrolisi e alla chimica della formulazione. |
| Intervallo di durezza | Sono disponibili gradi di gomma stampata comuni, da molto morbida a rigida. | Gamma molto ampia, dalle schiume flessibili e dagli elastomeri morbidi ai sistemi rigidi. |
| Esposizione all'aperto | Solitamente resistente ai raggi UV e all'ozono. | Dipende fortemente dalla composizione chimica aromatica o alifatica e dal pacchetto di stabilizzanti. |
| Servizio di irrigazione | Basso assorbimento d'acqua, ma la progettazione del legame rimane comunque importante | I gradi di polieteri in genere resistono meglio all'idrolisi rispetto ai gradi di poliestere |
| in lavorazione | Stampaggio a compressione/trasferimento HCR, stampaggio a iniezione LSR, estrusione, rivestimento | Elastomero colato, RIM, schiuma, rivestimento, adesivo, stampaggio a iniezione o estrusione di TPU |
| Direzione dei costi | Solitamente costi dei materiali più elevati | Spesso inferiori, ma utensili, scarti, operazioni secondarie e durata di servizio possono ribaltare il confronto |
Si tratta di tendenze relative alla famiglia di materiali. Non sono valori garantiti. Una gomma siliconica ad alta consistenza caricata e un poliuretano poliestere colato non dovrebbero essere confrontati come se ciascuno rappresentasse l'intera famiglia di polimeri a cui appartiene.
Quando è consigliabile scegliere il silicone?
Scegli il silicone quando l'applicazione è condizionata da cicli termici, agenti atmosferici esterni, flessibilità a basse temperature o forza di tenuta a lungo termine.
Temperature estreme e cicli termici
Molti elastomeri siliconici per uso generale sono specificati per un utilizzo prolungato a temperature comprese tra -45 °C e 200 °C, mentre i singoli tipi possono avere limiti più ristretti o più ampi. Dow indica un intervallo di temperatura compreso tra -45 °C e 200 °C per un elastomero siliconico SYLGARD e avverte che è comunque necessaria una validazione a livello di componente in prossimità di tali limiti. Rogers indica un intervallo di temperatura compreso tra -55 °C e 200 °C per la sua gamma di siliconi cellulari BISCO.
La questione importante non è la temperatura massima indicata in una brochure. Ciò che conta è quello che accade dopo centinaia di cicli termici mentre il componente rimane compresso, allungato o esposto a fluidi. Durezza, allungamento, deformazione permanente da compressione, adesione e proprietà elettriche potrebbero non invecchiare alla stessa velocità.
Il poliuretano può sopportare il calore, ma il suo intervallo di utilizzo varia notevolmente a seconda della composizione chimica. L'American Chemistry Council (ACC) segnala che la degradazione termica non infiammabile di alcuni prodotti in poliuretano può iniziare intorno ai 150-180 °C. Si tratta di un avvertimento sulla degradazione, non di un intervallo di temperatura di esercizio raccomandato. I limiti di utilizzo continuo per una specifica tipologia di poliuretano sono in genere molto inferiori e devono essere ricavati dalla relativa scheda tecnica.
raggi UV, ozono e agenti atmosferici esterni
Il silicone è generalmente l'opzione a minor rischio per guarnizioni esposte, componenti di illuminazione, involucri esterni e giunti di vetratura. La sua struttura a base di silicio e ossigeno gli conferisce un'elevata resistenza ai raggi UV e all'ozono. Dow descrive il sigillante siliconico strutturale come resistente alle radiazioni UV, al calore, all'umidità, all'ozono e alle temperature estreme.
Per quanto riguarda il poliuretano, è necessaria una domanda più specifica: il sistema è aromatico o alifatico e quali stabilizzanti o rivestimenti lo proteggono? Il poliuretano aromatico può scolorirsi sotto l'azione dei raggi UV. Lo scolorimento non sempre implica un cedimento meccanico immediato, ma è rilevante per i componenti visibili e può indicare un invecchiamento della superficie. I sistemi alifatici migliorano la stabilità del colore, generalmente a un costo di formulazione più elevato.
Spesso i team sottovalutano l'usura dovuta agli agenti atmosferici perché i dati iniziali sulla resistenza alla trazione sembrano accettabili. La vera differenza si manifesta dopo mesi di esposizione alla luce solare, all'umidità e alle dilatazioni termiche. Un rullo industriale nero e una vernice protettiva bianca per esterni non hanno gli stessi criteri di accettazione.
Recupero a lungo termine della tenuta e della compressione
Per le guarnizioni statiche esposte al calore, il silicone spesso mantiene la forza di tenuta meglio del poliuretano per uso generale. Una bassa deformazione permanente da compressione è importante perché una guarnizione può apparire intatta pur perdendo la pressione di contatto.
I valori di deformazione permanente a compressione possono essere facilmente interpretati in modo errato. Le norme ASTM D395 per la gomma piena e ASTM D3574 per i materiali cellulari utilizzano campioni e procedure differenti. Temperatura, percentuale di compressione, tempo di recupero e spessore del campione influenzano il risultato. Confrontare i valori solo se le condizioni di prova corrispondono.
Per le guarnizioni dei mobili o gli involucri delle batterie, verifichiamo più della semplice forza di compressione iniziale. Controlliamo anche la tolleranza dello spazio, la compressione target, il rilassamento della forza, il carico di chiusura e il recupero dopo l'invecchiamento. Una compressione eccessiva di una guarnizione morbida può ridurne la durata, anche se il materiale stesso è idoneo.
Pulizia, biocompatibilità e applicazioni a contatto con gli alimenti
Il silicone è ampiamente utilizzato per prodotti per bambini, utensili da cucina, componenti medicali, tubi e valvole perché i gradi adatti possono combinare resistenza al calore, flessibilità e stampaggio pulito. Ciò non significa che ogni grado di silicone adatto al contatto con gli alimenti o di grado medico.
La conformità dipende dall'esatta composizione del composto e dall'ambito dei test sul prodotto finito. Le normative FDA 21 CFR 177.2600, le raccomandazioni LFGB, la USP Classe VI e la ISO 10993 rispondono a quesiti diversi. Pigmenti, condizioni di post-polimerizzazione, agenti distaccanti, adesivi e stampa possono modificare il prodotto finito. Richiedere la dichiarazione della composizione e il relativo rapporto di prova prima di approvare il materiale.
Quando è consigliabile scegliere il poliuretano?
Scegli il poliuretano quando il componente è soggetto a usura da scorrimento, contatto di rotolamento, impatto, carico elevato o un livello di durezza che il silicone non è in grado di fornire in modo efficiente.
Resistenza all'abrasione, al taglio e allo strappo.
Il poliuretano è generalmente la scelta migliore per ruote, rulli, raschiatori, componenti di trasmissione, cuscinetti protettivi, componenti per l'industria mineraria e componenti per la movimentazione dei materiali. L'American Chemistry Council elenca tra le proprietà degli elastomeri poliuretanici la resistenza all'abrasione, agli urti, ai tagli, agli strappi, agli oli e ai solventi. Anche BASF propone il poliuretano per le ruote industriali, dove la capacità di carico e la resistenza all'abrasione sono fattori determinanti per le prestazioni.
Questo vantaggio non è teorico. In seguito a contatti ripetuti, una superficie in silicone può lucidarsi, intaccarsi o lacerarsi in corrispondenza di un bordo, mentre la parte in poliuretano continua a sopportare il carico. La rottura spesso inizia in corrispondenza di un punto di iniezione, di un angolo acuto, di un'interfaccia di incollaggio o di una concentrazione locale di stress, piuttosto che al centro di un provino di trazione standard.
Specificare la resistenza all'abrasione con un metodo di prova come DIN 53516 o ASTM D5963. Un'affermazione generica come "eccellente resistenza all'usura" non è sufficiente per confrontare i fornitori.
Comportamento in termini di carico e impatto
Il poliuretano può essere formulato con elevata resistenza alla trazione, resistenza allo strappo e capacità di carico, pur mantenendo l'elasticità. Ciò lo rende utile per paraurti, ammortizzatori, ruote, giunti e componenti di protezione.
La sola durezza non basta a descrivere questo comportamento. Due materiali con una durezza Shore A di 80 possono avere modulo elastico, rimbalzo, isteresi, resistenza allo strappo e accumulo di calore differenti. Per una ruota dinamica, sono necessari parametri quali carico, velocità, ciclo di lavoro, design del mozzo, temperatura di esercizio e un comportamento accettabile in termini di appiattimento del cerchio. Una mescola più dura può aumentare la capacità di carico, ma trasmette anche più vibrazioni e genera un calore interno diverso.
Ampia gamma di opzioni di durezza e lavorazione
Il poliuretano comprende elastomeri colabili, schiume flessibili e rigide, rivestimenti, adesivi, sigillanti e poliuretani termoplastici. Questa vasta gamma consente agli ingegneri di regolare durezza, densità, rimbalzo, smorzamento e processo di lavorazione in modo più completo rispetto a un programma standard di gomma siliconica.
Il compromesso risiede nella sensibilità alla formulazione. Il "poliuretano" non è un materiale unico. I segmenti morbidi di poliestere, polieteri e policarbonato si comportano in modo diverso. Anche la chimica degli isocianati influisce sulla stabilità ai raggi UV, sul comportamento meccanico e sulla lavorazione. La sostituzione di un fornitore, mantenendo costante solo la durezza Shore, può comunque modificare la durata di vita utile.
Verniciabilità e adesione
Per giunti e assemblaggi di costruzione che richiedono verniciatura, il sigillante poliuretanico è spesso più facile da integrare. Molte superfici in silicone sono difficili da verniciare e difficile da legare senza trattamento al plasma, primer o adesivo specifico per silicone.
Non bisogna generalizzare affermando che "il poliuretano aderisce meglio". L'adesione dipende dal substrato, dall'energia superficiale, dalla contaminazione, dal primer, dal movimento del giunto, dalle condizioni di polimerizzazione e dalla composizione chimica dell'adesivo. Vetro, alluminio anodizzato, metallo verniciato, ABS, nylon e polipropilene non trattato richiedono validazioni diverse.
In che modo il calore, l'acqua e le sostanze chimiche influenzano la decisione?
La risposta corretta dipende dal tempo di esposizione, dalla concentrazione, dalla temperatura e dallo stress meccanico. Un breve test di pulizia a temperatura ambiente non è predittivo per l'immersione continua a 80 °C.
Acqua e idrolisi
Il silicone ha un basso assorbimento d'acqua e solitamente offre buone prestazioni in ambienti umidi o bagnati. Le prestazioni del poliuretano dipendono fortemente dalla composizione chimica del segmento flessibile. Il poliuretano polieterico ha generalmente una migliore resistenza all'idrolisi rispetto al poliuretano poliestere. I tipi di poliuretano poliestere possono offrire elevate proprietà meccaniche e di resistenza agli oli, ma possono perdere resistenza in caso di esposizione prolungata ad acqua calda o ad elevata umidità.
Questo aspetto viene spesso trascurato perché entrambi i tipi di poliuretano possono superare un breve test di immersione a temperatura ambiente. L'idrolisi accelera con il calore. Per i componenti in poliuretano destinati ad ambienti umidi, richiedere informazioni sulla ritenzione della trazione, sulla ritenzione dell'allungamento, sulla variazione di durezza e sulla variazione dimensionale dopo una condizione di invecchiamento concordata.
Oli, combustibili, solventi, acidi e alcali
Nessuna delle due famiglie di polimeri vince sempre esposizione a sostanze chimiche. Il silicone può gonfiarsi in alcuni carburanti, oli e solventi non polari. Il poliuretano può resistere bene agli oli e all'abrasione, ma acidi concentrati o soluzioni alcaline possono attaccare alcune tipologie. BASF osserva che la resistenza chimica del poliuretano varia in base al tempo di esposizione, alla temperatura, alla concentrazione e al tipo di sostanza chimica, e che la degradazione può seguire il rigonfiamento e la scissione delle catene molecolari.
Utilizzare un test di immersione basato sulla norma ASTM D471 o su uno standard applicativo pertinente. Registrare la variazione di volume, la variazione di massa, la durezza, la resistenza alla trazione e le condizioni visive. Testare il composto colorato effettivo, non solo il polimero di base.
Quale materiale è migliore per i pezzi stampati?
La geometria e il volume del componente possono determinare il percorso di produzione prima ancora che lo faccia la tabella delle proprietà.
Percorsi di stampaggio del silicone
Gomma siliconica ad alta consistenza A seconda della mescola e della geometria, i materiali possono essere stampati per compressione, per trasferimento, per estrusione o per iniezione. La gomma siliconica liquida utilizza un sistema di dosaggio bicomponente, un canale freddo e uno stampo riscaldato. La gomma siliconica liquida è adatta per la produzione di grandi volumi di pezzi, sezioni sottili, sformatura automatizzata e sovrastampaggio, a condizione che lo stampo e il substrato siano progettati per tale scopo.
Utensili in silicone È necessario controllare le sbavature sulla linea di separazione e sugli sfiati. L'LSR a bassa viscosità può penetrare in fessure molto piccole. Pertanto, l'accoppiamento dello stampo, il vuoto, la pressione di iniezione e la stabilità del morsetto influenzano le sbavature più di quanto suggerisca un confronto generico tra materiali.
Percorsi di stampaggio del poliuretano
Il poliuretano colato è utile per volumi medio-bassi, sezioni spesse, rulli, ruote e grandi componenti elastomerici. Lo stampaggio a iniezione reattiva è adatto per pezzi più grandi e forme complesse. Il TPU può essere stampato a iniezione o estruso con attrezzature per termoplastici.
Il controllo dell'umidità è fondamentale per molti sistemi poliuretanici. Polioli, prepolimeri, cariche, stampi e aria ambiente possono introdurre acqua. L'acqua reagisce con l'isocianato e può generare anidride carbonica, bolle, vuoti o proprietà non uniformi. Pertanto, l'essiccazione, il rapporto di miscelazione, il degassamento, la temperatura dello stampo e la post-polimerizzazione devono essere inclusi nelle specifiche di processo.
Il silicone è più costoso del poliuretano?
Il silicone ha generalmente un prezzo del materiale più elevato, ma il prezzo unitario non può essere previsto basandosi unicamente sulla famiglia di polimeri.
| Fattore di costo | Impatto del silicone | Impatto del poliuretano |
|---|---|---|
| Materia prima | Solitamente più alto | Spesso inferiori, con ampie variazioni a seconda della composizione chimica. |
| Utensili | Potrebbe essere necessario utilizzare strumenti di precisione per controllare il flash LSR. | Gli stampi per fusione possono essere economici a bassi volumi; gli stampi per iniezione di TPU possono essere paragonabili a quelli per materie plastiche. |
| Ciclo e cura | LSR può supportare cicli automatizzati rapidi; HCR potrebbe richiedere una post-polimerizzazione secondaria | I sistemi di fusione possono richiedere una polimerizzazione e una post-polimerizzazione controllate; il TPU può eseguire cicli termoplastici |
| Scartare e rielaborare | Il silicone termoindurente non può essere rifuso. | Il poliuretano termoindurente non può essere rifuso; i canali di colata in TPU possono essere riciclabili nel rispetto dei limiti di qualità. |
| Operazioni secondarie | Potrebbe essere necessario il plasma, un primer o un adesivo speciale. | Potrebbe comunque essere necessario un trattamento superficiale o un primer; la verniciabilità può ridurre la complessità secondaria |
| Durata di servizio | Può compensare il prezzo in applicazioni di tenuta a caldo, all'aperto o di lunga durata. | Può compensare il prezzo in applicazioni abrasive, ad alto impatto o con carichi elevati. |
Il confronto corretto si basa sul costo totale del componente per la durata di servizio richiesta. Una guarnizione più economica che perde presto la sua forza di tenuta non è più conveniente. Allo stesso modo, un rullo in silicone di alta qualità che si usura rapidamente a causa dell'abrasione non è un buon acquisto.
Un metodo pratico per scegliere tra silicone e poliuretano
Utilizzare il limite dell'applicazione che causerebbe il primo errore inaccettabile.
- Definire la temperatura continua e la temperatura di picco, inclusi il numero di cicli e il tempo di permanenza.
- Registrare il carico statico, il carico dinamico, la compressione, la velocità di scorrimento e la frequenza di impatto.
- Elencare i fluidi indicandone la concentrazione, la temperatura e la durata dell'esposizione.
- Definire l'esposizione agli agenti atmosferici, i raggi UV, l'ozono, l'umidità e l'aspetto richiesto.
- Definire limiti di accettazione misurabili per la deformazione permanente da compressione, la perdita per abrasione, la ritenzione della resistenza alla trazione, la variazione di durezza, il rigonfiamento e il cambiamento di colore.
- Scegliere la famiglia e il grado del materiale solo dopo aver abbinato il metodo di prova alla modalità di rottura.
- Convalidare i pezzi stampati secondo il processo previsto. Le targhette e le schede tecniche dei fornitori non riportano i punti di iniezione, le aree di saldatura, le linee di giunzione, gli inserti incollati o le variazioni di produzione.
Quali informazioni sono necessarie prima di richiedere un preventivo?
Per una raccomandazione utile sul materiale, inviare il disegno, il volume annuo, la durezza target, l'intervallo di temperatura, le condizioni di carico, l'esposizione chimica, la durata richiesta, il colore, l'ambito di conformità e la modalità di guasto attuale. Se si sta sostituendo un componente esistente, includere il suo grado di materiale e i rapporti di prova.
Il silicone è la scelta predefinita più resistente al calore, agli agenti atmosferici e alla tenuta a lungo termine. Il poliuretano è la scelta predefinita più resistente all'usura, agli urti e al carico. La decisione finale spetta al tipo, alla geometria, al processo e alle condizioni di validazione, non al nome del polimero.
Riferimenti tecnici
- Xometria: Silicone contro poliuretano
- Panoramica del materiale siliconico Rogers BISCO
- Dati tecnici dell'elastomero siliconico Dow SYLGARD 186
- Consiglio americano di chimica: applicazioni CASE del poliuretano
- Consiglio americano di chimica: Linee guida sulla degradazione termica del poliuretano
- BASF: Proprietà chimiche dell'elastollano
