Poliammidi

Sul filo della corrente

Le poliammidi sono particolarmente indicate per le applicazioni nel settore elettrico-elettronico, un successo al quale non sono estranei fattori come la processabilità e la possibilità di incorporare materiali rinforzanti che ne ampliano le possibilità di impiego

Di Giancarlo Nazari

Prima metà degli anni '30: gli Stati Uniti si stanno lentamente riprendendo da una gravissima crisi economica e industriale, ma già pensano al futuro. Nei laboratori di ricerca del colosso chimico DuPont de Nemours, ad esempio, si sta mettendo a punto una resina destinata a segnare una tappa decisiva nella storia della chimica macromolecolare. A guidare il team di ricercatori un brillante laureato di Harward, Wallace Hume Carothers.
Il passaggio dalla fase sperimentale alla produzione industriale delle poliammidi (questa la natura chimica dei nuovi polimeri) richiede, in seguito, il lavoro di 230 tecnici e investimenti pari a 26 milioni di dollari (dell'epoca!), ma il 18 ottobre 1938 la società può annunciare l'avvio dell'impianto di Seaford, Delaware. Un avvio tempestivo, dobbiamo aggiungere, perché il prodotto (che inizialmente avrebbe dovuto essere impiegato come alternativa alla seta naturale nella biancheria intima femminile) si rivelerà fondamentale per la macchina bellica USA. Il conflitto cino-giapponese, iniziato lo stesso anno della morte di Carothers, il 1937, ridurrà infatti le possibilità di approvvigionamento di questa fibra che viene utilizzata anche per la fabbricazione dei paracadute.
Per quanto strano possa sembrare, DuPont non dà al prodotto un marchio, tanto che il termine "nylon" (che venne improvvisato dagli scopritori utilizzando le iniziali dei nomi delle rispettive mogli: Nancy, Yvonne, Lonella, Olivia e Nina) può oggi essere usato da qualunque produttore.

Furono comunque gli americani a stabilire il criterio di denominazione dei nuovi materiali: una cifra, o un gruppo di cifre, in base al numero di atomi di carbonio dei costituenti fondamentali della catena molecolare. Il Nylon 6.6, per esempio, deve il suo nome al fatto di essere ottenuto dalla reazione dell'esametilendiammina con l'acido adipico (il primo "6" indica il numero di atomi di carbonio della diammina, il secondo quello degli atomi di carbonio dell'acido adipico), il Nylon 6.10 deve il primo "6" ancora all'esametilendiammina, il "10" all'acido sebacico.

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Principali caratteristiche delle poliammidi

Proprietà delle resine poliammidiche offerte dalla Bayer

La natura dei costituenti influisce sulle caratteristiche di base dei diversi tipi: ad esempio, la poliammide 6.6 presenta buone proprietà meccaniche e di resistenza all'usura e al calore, la poliammide 6 è ancora più elastica e resiliente, ma le sue prestazioni meccaniche sono meno soddisfacenti. Infine, la poliammide 6.10 ha caratteristiche meccaniche e termiche simili alla precedente pur essendo decisamente meno igroscopica. Tutte, in ogni modo, subiscono un più o meno accentuato decadimento delle caratteristiche meccaniche alle alte temperature.
L'igroscopicità, più o meno accentuata ma presente in tutti i tipi di poliammidi, può influire sulle proprietà dei manufatti perché l'acqua assorbita aumenta la flessibilità del materiale modificandone il modulo elastico, la resistenza all'urto, le proprietà elettriche.

Le proprietà del nylon

Sotto il profilo applicativo, le resine poliammidiche hanno un aspetto untuoso e ceroso che, comunque, non risulta sgradevole al tatto. Da esse si possono ricavare manufatti che resistono ai solventi, agli oli, ai grassi, alle soluzioni saline e agli acidi diluiti, oltre che resistenti all'usura e dotati di proprietà autolubrificanti. Apprezzate anche le caratteristiche di resistenza meccanica, la rigidità, la stabilità dimensionale, le caratteristiche estetiche e la lavorabilità anche quando è necessario ottenere parti stampate di ridotto spessore.
Le poliammidi possono essere trasformate utilizzando quasi tutte le tecniche in uso per i termoplastici: stampaggio a iniezione, compressione, soffiaggio, estrusione, sinterizzazione o lavorazione all'utensile, mentre i semilavorati possono essere torniti, fresati, tagliati, chiodati, cuciti, saldati a caldo o con ultrasuoni.
I polimeri base si prestano magnificamente ad ogni genere di "variazione sul tema": oltre a modificarne le caratteristiche di base con il sapiente impiego degli ingredienti durante la polimerizzazione, il chimico può ricorrere ad additivi dalla più diversa natura e struttura fisica. In questo caso è particolarmente importante la geometria delle particelle del modificante, espressa dal rapporto di forma, cioè dal rapporto tra la dimensione maggiore e quella minore del modificante incorporato che condiziona le prestazioni finali del compound finale.

Le poliammidi nel settore elettrico

Inizialmente legate all'industria tessile, le applicazioni delle resine poliammidiche si sono poi estese al settore dei componenti industriali e degli articoli tecnici che devono resistere agli urti, all'usura e all'attacco dei solventi. Le caratteristiche autolubrificanti si sono rivelate determinanti per la realizzazione di componenti di riduttori e di motori, di carrucole di guida, di catene di trasmissione, di pale per ventilatori, di guide di scorrimento, di eliche per motori entrobordo e fuoribordo, di carcasse per rubinetteria, di minuterie e di ingranaggi di precisione.
Ma, soprattutto, sono le buone proprietà elettriche e la resistenza alla fiamma che fanno dei nylon ottimi materiali per l'industria elettrica ed elettronica: bobine, parti di interruttori e relais, fili connettori, clips, strumenti di misura, batterie, rivestimenti di fili e altro.

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PA ed altri polimeri a confronto

Vale la pena, a questo punto, di passare in rassegna i requisiti fondamentali che un materiale deve possedere per poter essere utilizzato nel settore elettrico ed elettronico. Le principali sono:

• Temperatura di autoaccensione. Le poliammidi si collocano nella parte medio-alta della classifica, comportandosi meglio delle poliolefine e di fibre naturali come il cotone.
• Autoestinguenza (che dipende anche dalla forma e dallo spessore di parete). In Europa la misura viene eseguita con la prova del filo incandescente (Glow Wire Test, norma IEC 695-2-1), in cui la temperatura può variare da 650°C per le parti non sotto tensione a 960°C per le situazioni più critiche. In alternativa, viene accettato anche l'Indice Limite di Ossigeno, cioè la percentuale minima di ossigeno in una miscela ossigeno-azoto per mantenere la combustione con fiamma di un materiale nelle condizioni di prova fissate dalla norma ISO 4589 (un materiale è considerato idoneo quando tale valore è maggiore o uguale a 25). In genere, il risultato viene ottenuto con speciali additivi in quanto la PA66 è in grado di superare la prova senza l'aggiunta di modificanti, mentre la PA6 richiede formulazioni particolari.
• Resistenza alle correnti striscianti (Comparative Tracking Index), che misura la differenza di potenziale in corrispondenza della quale il materiale mantiene la resistenza nei confronti della formazione di correnti striscianti. Il minimo richiesto è pari a 175 V.
• Resistenza al calore misurata con prova di deformazione sotto carico HDT o DTUL, oppure mediante il Relative Thermal Index UL 746B, che indica la capacità del materiale di conservare le sue proprietà elettriche e meccaniche dopo esposizione a temperature elevate per lunghi periodi di tempo.
• Resistenza meccanica: le prove più indicative riguardano la resistenza all'urto, il modulo di elasticità, l'allungamento a trazione e la durezza.
• Resistenza agli agenti atmosferici.

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Indice di Ossigeno di alcuni materiali

Pure importante è l'indice di tossicità dei fumi, ma qui emergono le contraddizioni dei metodi standardizzati di laboratorio. Qualche tecnico burlone ha voluto misurare la tossicità dei fumi emessi dalla purea di patate con il metodo prescritto negli USA (NASA-USF), ed ha scoperto che essi sono due volte più tossici di quelli emessi dal PVC e dai poliuretani. Scherzi a parte, i dati di laboratorio che si riferiscono all'LD50 (la quantità di materiale necessaria per provocare la morte del 50% dei ratti esposti ai gas di combustione) indicano che il nylon è addirittura più pericoloso del PVC e dell'acrilonitrile. Che ne pensa Greenpeace?

Il giusto tipo

Ovviamente, l'importanza di ciascuna di queste voci varia in funzione del tipo di manufatto: ad esempio, esistono ampi margini di scelta per i particolari non sotto tensione, come canaline portacavi, guaine, sistemi di distribuzione, involucri e carcasse di utensili. Più oculata deve invece essere la scelta dei compound da utilizzare per la fabbricazione di commutatori, relais, interruttori automatici (che devono resistere all'arco e alle correnti striscianti), dei contatori (per i quali è richiesta l'autoestinguenza), delle morsettiere (che devono superare la prova filo incandescente oltre i 960°C e l'HDT i 135°C).
L'impiego delle poliammidi è condizionato anche dalla difficoltà di saldare vari componenti mediante trattamento con aria calda e dalla scarsa compatibilità con gli altri polimeri sintetici. In compenso, esse possono essere:

- trattate con i processi di induzione/saldatura elettromagnetica (il materiale diventa caldo quando sottoposto a campi di corrente alternata ad alta frequenza);

- sottoposte a processi di saldatura vibrazionale;

- unite mediante le tecniche a ultrasuoni: la società americana Syntek, ad esempio, ha assemblato i componenti in resina poliammidica utilizzati per la fabbricazione dei fari delle automobili.

Applicazioni recenti

La versatilità delle resine poliammidiche si manifesta in tutta la sua ampiezza nella fabbricazione di manufatti che non richiedono operazioni aggiuntive di finitura.
Cominciamo dalle applicazioni domestiche: nelle teste di aspirazione dei moderni aspirapolvere sono integrate numerose funzioni accessorie che tendono a renderle più pesanti. Nello stesso tempo la maggiore lunghezza dei tubi di prolunga, e il conseguente aumento del braccio di leva, sottopone questi elementi a severe sollecitazioni che sconsigliano l'impiego del tradizionale ABS.
Il problema è stato risolto dalla Tek K.K. (una controllata della Toshiba) con l'adozione di una resina poliammidica che ha superato i 10.000 cicli di prova (normalmente, i test si limitano a 1.000 cicli). Data l'elevata resistenza alla trazione e all'urto di questo tecnopolimero, il maggiore costo unitario del materiale è stato compensato riducendo lo spessore delle pareti dei tubi, con evidenti vantaggi per la leggerezza e la manovrabilità dell'aspirapolvere.
Le poliammidi vengono anche usate dalla Mercury Marine per le coperture dei sistemi di avviamento a strappo di alcuni dei suoi motori fuoribordo. Inutile ricordare che questi propulsori vengono utilizzati in ogni condizione di mare e di clima, dal freddo estremo al caldo umido dei tropici, spesso in condizioni che non lasciano eccessivo spazio alla delicatezza da parte degli utilizzatori. A questo si aggiunge il particolare posizionamento del componente, che una volta fissato sul motore si trova internamente a contatto con parti metalliche che possono raggiungere la temperatura di 130°C mentre, all'esterno, è sottoposto all'aggressione da parte dell'acqua, dei combustibili, dei lubrificanti e delle radiazioni UV.

Poliammidi in casa

Sono ancora i tecnopolimeri poliammidici a tenere campo negli impianti elettrici domestici: ad esempio, la società tedesca Schupa-Elektro GmbH & Co. KG li utilizza nelle prese di sicurezza contro eventuali dispersioni di corrente.
Vale la pena ricordare, a questo punto, che nelle prese inserite a filo in una parete, il calore viene dissipato lentamente, tanto che alcune parti possono raggiungere la temperatura di 100°C. Dopo una prolungata esposizione al calore, però, quasi tutti i tecnopolimeri termoplastici cominciano a manifestare fenomeni di scorrimento plastico, e le variazioni dimensionali provocate da questo fenomeno possono pregiudicare l'affidabilità dell'interruttore di protezione con conseguenze che potrebbero anche rivelarsi fatali.
Per eliminare questo rischio, Schupa utilizza una resina poliammidica antifiamma rinforzata con il 35% di fibra di vetro fornita dalla DuPont, che mantiene inalterate anche a caldo le forma e le caratteristiche iniziali permettendo a tutti i componenti di mantenere la loro capacità funzionale in ogni condizione operativa. Nell'interruttore della Schupa-Elektro alcune molle in tensione tengono perfettamente allineato l'attuatore nella posizione di stand-by, in modo tale da poter rispondere immediatamente al segnale di accensione. Il meccanismo è composto da un pezzo complesso realizzato stampando a iniezione la resina poliammidica nel quale sono alloggiate le molle dell'attuatore. Per questo speciale impiego DuPont ha messo a punto una poliammidica speciale che oltre a resistere alla deformazione fino alla temperatura di 260°C (con picchi fino a 300 °C) presenta un basso coefficiente di espansione termica e ridotta igroscopicità.
L'elevata stabilità dimensionale di questo materiale, la rigidità e le proprietà di scorrimento permettono di ottenere pezzi con spessori molto ridotti, consentendone l'impiego in altre difficili applicazioni nel settore elettrico ed elettronico, come per esempio componenti di trasformatori, alloggiamenti di spine, bobine, componenti SMT, incapsulazioni, portafusibili e portasensori.

Un'altra poliammidica autoestinguente di DuPont rinforzata con minerali e fibra di vetro, viene impiegata dalla società tedesca Feltern & Guilleaume Energietechnik AG per la parte inferiore di un interruttore per la messa a terra che interrompe il flusso di corrente quando qualcuno entra in contatto diretto con le parti sotto tensione.
Le poliammidi sono facilmente metallizzabili: ne ha approfittato un importante produttore di riflettori che le utilizza per molti dei suoi manufatti.

E l'elettronica?

Non meno importanti le applicazioni in campo elettronico. La Data-Disk Technology Inc. di Sterling (Virginia, USA) ha infatti studiato una piastrina di riconoscimento destinata alle forze armate americane che affida a una resina poliammidica rinforzata con fibra di vetro il compito di proteggere il microchip da 20 Mb di memoria e il circuito integrato. Il sistema, che potrebbe presto sostituire la tradizionale medaglietta in metallo, può memorizzare informazioni di vario tipo, ad esempio l'anamnesi completa del soggetto, il risultato degli esami radiografici, l'eventuale sensibilità allergica nei confronti di determinati farmaci, le condizioni della dentatura, eccetera. Il personale medico potrà leggere e aggiornare il Medi-Tag in ogni parte del mondo, sia sul campo che in ospedale, inserendolo in un normale lettore PCMCIA collegato a un personal computer.
Anche per questa applicazione è stata la DuPont a mettere a punto una particolare poliammide 6.12 in grado di riempire lo stampo lentamente e a bassa pressione, evitando così il rischio di danni ai delicati circuiti elettronici inclusi nella resina e garantendo la massima compatibilità con gli altri materiali presenti nella piastrina. L'involucro, ermeticamente sigillato ed impenetrabile alla polvere e ai liquidi, assicura la massima protezione agli urti, all'abrasione e (cortesia nei confronti delle soldatesse) all'eventuale attacco chimico dei componenti le creme di bellezza e degli oli per la pelle.

Infine, il settore della telefonia mobile, che vede un continuo aumento del numero degli abbonati. Un importante operatore del ramo, ad esempio, stima in 200 milioni di pezzi i telefoni mobili venduti in tutto il mondo nel solo 1999.
Le antenne, un componente fondamentale di questi apparecchi, diventano sempre più sofisticate, e la società svedese Allgon (che produce oltre il 40% delle antenne usate in tutto il mondo nei telefoni mobili) ha sviluppato un sistema consistente in un conduttore avvolto su un supporto montato direttamente sullo chassis dell'apparecchio.
Per migliorare la ricezione in radiofrequenza e l'affidabilità, molte antenne adottano anche un radiatore composto da un conduttore metallico ricoperto di plastica, con la parte terminale arrotondata per motivi di sicurezza. Qui Allgon usa una resina poliammidica, scelta per le ottime proprietà meccaniche, la buona lavorabilità in grandi volumi e la possibilità di stampaggio a bassa temperatura perché il calore eccessivo potrebbe fondere il conduttore o alterarne le caratteristiche elettriche.