Cos'è il materiale TPU? Proprietà, tipi e quando scegliere nylon vs PA

Cos'è il materiale TPU? Una risposta diretta

Il TPU, abbreviazione di poliuretano termoplastico, è un elastomero termoplastico che si comporta come la gomma nel prodotto finale e come una plastica convenzionale sulla linea di produzione. Quando riscaldato, si ammorbidisce e scorre; una volta raffreddato si indurisce nuovamente. Questa reversibilità è la differenza decisiva tra il TPU e la gomma termoindurente: il TPU può essere stampato a iniezione, estruso e stampato in 3D e gli scarti di produzione possono essere rimacinati e riutilizzati.

In termini pratici, il TPU è il materiale all'interno di custodie flessibili per telefoni, tubi industriali, ruote piroettanti, nastri trasportatori, guaine per cavi, soffietti per sospensioni pneumatiche e sovrastampi morbidi al tatto. Si piega, si allunga, assorbe gli impatti e resiste all'usura da scorrimento, ma funziona comunque con apparecchiature standard per la lavorazione della plastica.

I valori tipici ricavati dalle schede tecniche pubblicate sulle materie prime TPU forniscono un utile quadro di partenza: la durezza varia da 60 Shore A a 75 Shore D, l'allungamento a rottura è compreso tra il 300% e il 700% e la temperatura di servizio continuo varia da circa -35 a 90-120 gradi Celsius a seconda del grado. I numeri esatti variano in base al tipo di poliolo e al contenuto del segmento duro, pertanto la qualità finale deve essere sempre verificata rispetto alla documentazione del produttore.

Come è realizzato il TPU: segmenti duri e morbidi

Il TPU è sintetizzato mediante una reazione di poliaddizione di tre elementi costitutivi: un diisocianato, solitamente MDI; un poliolo a catena lunga, poliestere o polietere; e un diolo a catena corta chiamato estensore di catena. Il diisocianato reagisce con l'estensore di catena per formare segmenti duri e rigidi, mentre il poliolo forma segmenti morbidi e flessibili. Poiché questi due tipi di segmenti sono chimicamente incompatibili, si separano in microdomini. I domini rigidi agiscono come legami incrociati fisici reversibili che conferiscono al TPU robustezza e resistenza al calore, mentre i domini morbidi forniscono elasticità e flessibilità alle basse temperature.

Il rapporto duro-morbido determina la sensazione del TPU

Se un formulatore aumenta il contenuto del segmento duro, il TPU diventa più rigido, più forte e più resistente al calore. Se il contenuto del segmento morbido aumenta, il TPU diventa più morbido, più elastico e più flessibile alle basse temperature. Questo è il motivo per cui il TPU è una famiglia di materiali e non una singola ricetta, e perché due gradi di TPU con la stessa durezza Shore possono comunque differire in termini di resistenza all'abrasione, deformazione fissata alla compressione e stabilità chimica.

TPU a base di poliestere contro TPU a base di polietere

Le due famiglie principali provengono dai polioli. Il TPU a base di poliestere offre generalmente una maggiore resistenza alla trazione e allo strappo, una migliore resistenza all'abrasione e una maggiore resistenza a oli e carburanti. Il TPU a base di polietere offre prestazioni migliori contro l'idrolisi, gli attacchi microbici e le flessioni ripetute in ambienti umidi. Questa scelta conta più del numero di durezza per una lunga durata.

Proprietà chiave del TPU: durezza, forza e resistenza

Gli intervalli di proprietà riportati di seguito compaiono ripetutamente nella documentazione tecnica del fornitore e sono quelli di cui gli ingegneri chiedono per primi durante la selezione del materiale.

Comportamento della durezza

La durezza Shore è il modo più veloce per comunicare un requisito TPU. I gradi comuni delle parti flessibili sono compresi tra 80A e 95A, mentre i gradi semirigidi vanno da 55D a 75D. La durezza da sola non è sufficiente: la deformazione permanente alla compressione e la resistenza allo strappo prevedono meglio la tenuta a lungo termine e il comportamento alla flessione ripetuta, soprattutto nelle guarnizioni e nei soffietti.

Resistenza meccanica ed elasticità

La resistenza alla trazione nell'intervallo 25-70 MPa è modesta rispetto ai metalli o al nylon caricato a vetro, ma il TPU abbina tale resistenza a un allungamento del 300-700%. La combinazione determina l'assorbimento di energia: il materiale invece di fessurarsi si deforma, poi ritorna alla forma originaria. Ecco perché i paraurti e le custodie in TPU resistono a cadute che potrebbero fratturare gli alloggiamenti rigidi.

Limiti termici

I gradi di TPU standard sono classificati per un servizio continuo intorno ai 90-120 gradi Celsius. I picchi a breve termine possono essere più elevati, ma l’esposizione prolungata distrugge la rete elastomerica e riduce le proprietà meccaniche. Se l'applicazione si trova vicino a un motore caldo, all'interno di un gruppo di illuminazione chiuso o ovunque venga applicato il calore della saldatura, il nylon o il PPA sono la direzione più sicura.

Resistenza chimica e ambientale

Il TPU a base di poliestere resiste bene a oli, carburanti e solventi. Il TPU a base di polietere resiste all'acqua, all'idrolisi e alla crescita microbica. L'esposizione alla luce solare scolorisce e infragilisce il TPU non modificato, pertanto le parti esterne utilizzano nerofumo o gradi stabilizzati ai raggi UV. Il grado corretto dipende sempre dalle sostanze chimiche specifiche con cui la parte verrà a contatto.

TPU vs nylon (PA6, PA66, PPA): quale si adatta alla tua parte?

TPU e nylon sono entrambi polimeri ad alte prestazioni con risposte ingegneristiche diverse. Il nylon, chiamato anche poliammide, è un materiale termoplastico tecnico semicristallino rigido la cui chimica e i cui gradi sono spiegati nel nostro articolo su cos'è il nylon? . Il TPU è un elastomero. La scelta di solito si riduce a una domanda: la parte si piega e rimbalza oppure sopporta il carico e mantiene la forma?

Scegli il TPU quando la parte deve flettersi

• Guarnizioni, soffietti, anelli di tenuta e parapolvere che si piegano a ogni ciclo
• Custodie protettive e alloggiamenti antigoccia per elettronica e utensili
• Ruote girevoli, rotelle e rulli trasportatori esposti a costante usura
• Tubi e tubazioni che richiedono resistenza all'olio e un raggio di curvatura stretto
• Sovrastampaggi soft-touch su impugnature, maniglie e pomelli

Scegli il nylon quando la parte deve sopportare un carico e mantenere la forma

• Ingranaggi, pulegge e cuscinetti che necessitano di rigidità e resistenza all'usura
• Staffe strutturali e alloggiamenti in cui la flessione causerebbe un disallineamento
• Le parti funzionano continuamente a temperature superiori a 120 gradi Celsius
• Componenti che devono mantenere le dimensioni nel caldo umido, il che favorisce il PPA a bassa umidità

Per le parti che finiscono nella colonna di nylon, il passo successivo è far corrispondere la chimica del nylon ai requisiti. Il Serie di chip PA6 è il punto di partenza standard per una maggiore rigidità e un costo equilibrato. Se la forza e la deflessione del calore sono entrambe importanti, il Serie di chip PA66 aggiorna il soffitto meccanico. Per l'elettronica e le parti esposte al calore, il Serie in plastica PPA mantiene basso l'assorbimento di acqua ed elevata la stabilità dimensionale.

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Applicazioni TPU comuni per settore

La flessibilità di lavorazione del TPU si manifesta in prodotti molto diversi. Gli usi tipici riportati di seguito sono organizzati per settore in modo da poter individuare l'analogo più vicino alla propria parte.

• Elettronica di consumo: custodie flessibili per telefoni, cinturini per smartwatch, paraurti protettivi, alloggiamenti per auricolari e pressacavi per cavi.
• Settore automobilistico: soffietti per sospensioni pneumatiche, stivali protettivi, anelli di tenuta, guaine per cavi e superfici interne morbide al tatto.
• Industriale: nastri trasportatori, cinghie di trasmissione, ruote piroettanti, tubi ad alta pressione, guarnizioni, diaframmi ed elementi di smorzamento.
• Calzature e articoli sportivi: suole di scarpe, tacchette, imbottiture protettive e strutture gonfiabili.
• Tessili e tessuti spalmati: membrane impermeabili, gommoni e strati di indumenti protettivi.
• Produzione additiva: prototipi flessibili, guarnizioni personalizzate e parti morbide a basso volume stampate in filamento o polvere di TPU.

Lavorazione del TPU: stampaggio a iniezione, estrusione e stampa 3D

Il TPU viene processato su attrezzature convenzionali per materie plastiche, ma segue regole diverse rispetto ai materiali termoplastici rigidi. I due punti che causano maggiori problemi di qualità sono l’umidità e il taglio.

L'asciugatura non è facoltativa

I pellet in TPU assorbono rapidamente l'umidità. La maggior parte dei fornitori consiglia l'essiccazione a 80-100 gradi Celsius per due o quattro ore prima della lavorazione. Il materiale non essiccato produce segni di allargamento sulle parti stampate e un calo misurabile delle proprietà meccaniche perché l'umidità degrada il polimero durante la fusione.

Linee guida per lo stampaggio ad iniezione

Le temperature tipiche di fusione rimangono nell'intervallo 170-220 gradi Celsius a seconda del grado. Gli stampi vengono spesso mantenuti tra i 20 e i 50 gradi Celsius. Poiché la viscosità del TPU è sensibile alla velocità di taglio, i guasti più comuni sono segni di bruciatura derivanti da un'elevata velocità di iniezione e colpi brevi dovuti a una scarsa ventilazione. L'aumento delle sezioni trasversali del cancello e del canale risolve la maggior parte dei problemi di riempimento prima che sia necessaria qualsiasi modifica della formulazione.

Estrusione e stampa 3D

L'estrusione di film, fogli e tubi segue la stessa regola di essiccazione e utilizza temperature di fusione leggermente inferiori rispetto allo stampaggio. Per la stampa 3D FDM, un tipico filamento TPU da 95A stampa a temperature degli ugelli intorno a 220-250 gradi Celsius e a velocità di avanzamento più lente rispetto al PLA o al nylon per evitare che il filamento morbido si deformi. Le parti stampate in TPU sacrificano una certa resistenza rispetto alle parti stampate a causa dell'adesione degli strati, ma funzionano bene per prototipi, guarnizioni e componenti morbidi personalizzati.

Come scegliere il grado giusto: TPU o nylon

Utilizza la sequenza seguente per filtrare rapidamente la decisione.

1. Decidi se la parte deve flettersi o rimanere rigida. Recupero elastico nella tenuta e nell'impatto tramite TPU; capacità di carico e precisione dimensionale significano nylon.
2. Imposta l'obiettivo di durezza. I cinturini e le impugnature si aggirano intorno agli 80-95 A; le parti strutturali ma leggermente flessibili iniziano da 55D e oltre.
3. Scegli la famiglia dei polioli. Gli ambienti oleosi e carburanti favoriscono il TPU a base di poliestere; gli ambienti umidi o esterni preferiscono il TPU a base di polietere.
4. Controllare il soffitto termico. Il calore continuo superiore a 120 gradi Celsius squalifica la maggior parte dei gradi TPU standard e punta a PA66 o PPA.
5. Verificare l'umidità e la stabilità dimensionale. Le parti esposte al calore umido mantengono le tolleranze migliori nel PPA rispetto al PA6 standard.

Anche le considerazioni sull’offerta giocano un ruolo. Il stato attuale dell’industria dei chip in nylon 6 influisce sui prezzi e sui tempi di consegna dei materiali a base PA6, che vale la pena verificare prima di impegnarsi in una grande serie di produzione. Se la riciclabilità è una priorità, granuli di poliammide riciclata sono uno dei percorsi disponibili per chiudere il ciclo sui rifiuti di nylon.

Domande frequenti sul materiale TPU

Il TPU è uguale alla gomma o al silicone?

No. Il TPU è un elastomero termoplastico, quindi si scioglie e può essere rimodellato. La gomma termoindurente polimerizza e non può essere rifusa. Il silicone è un elastomero diverso con una maggiore tolleranza al calore ma un comportamento più morbido allo strappo e all'abrasione. Il TPU vince dove l'abrasione e la tenacità sono la priorità; il silicone vince dove dominano il calore estremo e il basso compression set.

Cosa significano valori di durezza come Shore 95A e Shore 55D?

La durezza Shore misura la resistenza alla rientranza con un durometro. I numeri della scala A inferiori a 80 descrivono materiali morbidi e gommosi; i numeri superiori a 90A descrivono materiali flessibili e solidi. I numeri della scala D superiori a 50 descrivono materiali semirigidi che hanno ancora una certa flessibilità. Le regioni 95A e 55D sembrano simili al tatto, ma le due scale utilizzano rientratori diversi, quindi confronta solo all'interno della stessa scala o utilizza un grafico di conversione.

A quale temperatura può resistere il TPU?

I limiti di servizio continuo per i gradi TPU standard si aggirano intorno agli 80-120 gradi Celsius a seconda della formulazione, mentre i tipi di polietere rimangono flessibili fino a circa -35 gradi Celsius o meno. Per un calore prolungato superiore a 120 gradi Celsius, il materiale più appropriato è il PA66 con stabilizzatori di calore o PPA.

Il TPU può essere riciclato?

Poiché il TPU è termoplastico, gli scarti di produzione e i canali di colata possono essere macinati e rilavorati e sono disponibili in commercio gradi di TPU riciclato. La stessa risolubilità è presente in tutta la famiglia dei nylon, dove i granuli di poliammide riciclata vengono utilizzati per ridurre il contenuto di materiale vergine nei prodotti stampati.

Cosa resiste meglio all'olio: TPU o nylon?

Il TPU a base di poliestere offre un'eccellente resistenza a olio e carburante, generalmente migliore del nylon non rinforzato nelle applicazioni di tenuta flessibile. Il nylon resiste anche agli oli, ma assorbe l'acqua e l'umidità influisce sulle dimensioni nel tempo. Per una parte flessibile in costante contatto con l'olio, il TPU è solitamente la prima scelta.

Il TPU è difficile da stampare a iniezione?

Il TPU non è intrinsecamente difficile, ma richiede un controllo del processo più rigoroso rispetto alla maggior parte dei tipi di nylon. Mantenere i pellet asciutti, utilizzare una temperatura di fusione inferiore rispetto a molti tecnopolimeri e progettare cancelli e prese d'aria generosi; il materiale si riempie bene. Nella progettazione degli utensili, il TPU tollera temperature dello stampo più basse e cicli più brevi rispetto ai nylon stabilizzati al calore.