Elastomero termoplastico stabilizzato ai raggi UV per il mercato automobilistico: una guida pratica

Un parcheggio a luglio è uno dei parametri di durabilità più difficili nel settore automobilistico. Le temperature superficiali su un cruscotto scuro salgono molto al di sopra di quelle ambientali e la radiazione ultravioletta continua ad agire su ogni catena polimerica che riesce a raggiungere. Le parti che sembravano impeccabili all'inizio della produzione possono diventare gessose, appiccicose o visibilmente più chiare nel giro di poche estati. Questo è il motivo per cui un elastomero termoplastico stabilizzato ai raggi UV è passato da una semplice riga su una scheda tecnica a un requisito fisso nella maggior parte delle specifiche dei materiali automobilistici.

Gli elastomeri termoplastici guadagnano il loro posto nei veicoli perché combinano la sensazione simile alla gomma con la lavorazione termoplastica: nessuna fase di vulcanizzazione, tempi di ciclo brevi e scarti che spesso possono essere riaffilati. Ma non tutti i TPE invecchiano allo stesso modo all’aperto. La differenza di solito si riduce a due cose: la saturazione della struttura polimerica e la qualità del pacchetto di stabilizzazione costruito attorno ad essa. Comprenderli entrambi rende la selezione del grado molto più prevedibile.

Perché la stabilità ai raggi UV è ora un criterio di acquisto

Gli agenti atmosferici erano un problema di qualcun altro. Le finiture esterne erano di metallo o di plastica molto imbottita, gli interni erano ricoperti di pelle di PVC e nessuno si aspettava che un sigillo rimanesse bello per quindici anni. Oggi il TPE compare in luoghi in cui la luce solare, il calore e lo stress meccanico confluiscono:

• Profili di tenuta esterni, canali di scorrimento del vetro, rivestimento della linea di cintura e deflettori dell'acqua
• Estensioni del passaruota, protezioni del portapacchi, paraspruzzi e guarnizioni delle porte di ricarica sui veicoli elettrici
• Rivestimenti del quadro strumenti, coperture delle portiere, coperchi della console e impugnature morbide all'interno dell'abitacolo
• Coperture degli airbag con cuciture a strappo sagomate, dove l'invecchiamento modifica il comportamento allo strappo

Tre tendenze hanno spinto verso l’alto il requisito. Le sezioni delle pareti sono diventate più sottili per risparmiare peso, lasciando meno materiale per assorbire una determinata dose UV. I colori si sono spostati verso neri profondi e toni saturi che nascondono lo sporco ma diventano anche più caldi. E le aspettative di garanzia si sono allungate, quindi ora un componente viene giudicato in base a come appare nel decimo anno, non a come appare nel terzo mese.

Cosa comporta effettivamente la stabilizzazione UV

Un TPE resistente agli agenti atmosferici non è il prodotto di un additivo miracoloso. È un sistema con tre linee di difesa che funzionano contemporaneamente.

1. Chimica della spina dorsale. Un blocco intermedio saturo ha molti meno siti reattivi di uno insaturo, quindi la catena resiste all'ossidazione prima che venga preso in considerazione qualsiasi additivo.
2. Pacchetto stabilizzatore. Gli antiossidanti primari e secondari proteggono la fusione e la durata, gli stabilizzatori di luce amminici ostacolati interrompono il ciclo di fotoossidazione e gli assorbitori UV schermano le radiazioni ad alta energia prima che raggiungano i legami sensibili.
3. Superficie e pigmento. Il nerofumo e sistemi di pigmenti ben scelti proteggono la massa polimerica, mentre una superficie opaca o rivestita modifica il modo in cui la degradazione diventa visibile.

Poiché il TPE è un materiale composito e non una resina singola, lo stesso polimero di base può comportarsi in modo completamente diverso in due formulazioni. Questa è la ragione pratica per discutere l'esposizione all'uso finale con il fornitore del materiale piuttosto che confrontare solo le schede tecniche.

Prima la spina dorsale: perché i blocchi centrali idrogenati invecchiano più lentamente

I copolimeri a blocchi stirene-butadiene portano un blocco intermedio di polibutadiene con doppi legami residui. Queste posizioni alliliche sono esattamente i punti in cui l’ossigeno e l’energia UV preferiscono attaccare, producendo un mix di reticolazione e scissione della catena. Il risultato visibile è solitamente sfarinamento, deriva del colore e screpolature superficiali che compaiono nel momento in cui la parte viene flessa.

L’idrogenazione rimuove la maggior parte di questi doppi legami e converte il blocco centrale in un segmento di gomma saturo. Il copolimero a blocchi stirene-butadiene idrogenato (SEBS) e il copolimero stirene-isoprene idrogenato (SEPS) mantengono la struttura termoplastica bifase fornendo ai formulatori un polimero molto più silenzioso con cui lavorare. Il polimero di isoprene idrogenato (EP) va oltre in una direzione diversa, poiché non contiene blocchi di polistirene e si comporta come un modificatore saturo piuttosto che come un elastomero termoplastico autonomo. La chimica dietro queste differenze, e il modo in cui si traduce in resistenza all'ossidazione, è trattata in modo più approfondito nella nostra nota come i copolimeri a blocchi rispondono all'esposizione ai raggi UV e al degrado ambientale .

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Confronto tra le principali opzioni di livello automobilistico

La tabella seguente è un punto di partenza per la conversazione, non una specifica. La durezza, il contenuto di olio e il carico di stabilizzante spostano considerevolmente i confini.

I gradi insaturi sono ancora perfettamente sensati dove la luce solare non arriva mai. Un rivestimento del passaruota o un tappetino del vano di carico che si trova sotto un pannello di rivestimento non necessita del sistema stabilizzatore più costoso del catalogo. In tali applicazioni, un composto a base SBS può rappresentare una scelta economica a condizione che le specifiche non richiedano anche un lungo invecchiamento termico.

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Molti TPE automobilistici non sono affatto stampati come elastomeri puri. Sono blend in cui un copolimero a blocchi idrogenato viene disperso in polipropilene o in una matrice TPO, per questo motivo spesso i compoundatori collaborano con noi su modifica della plastica e indurimento agli urti piuttosto che solo sulle parti in elastomero.

Dettagli complessivi che decidono se una parte sopravvive a dieci estati

La selezione dello stabilizzatore non è un gioco di numeri

L'aggiunta di più stabilizzatore di luce con ammina ostacolata non è automaticamente migliore. I gradi HALS differiscono in termini di basicità e i tipi altamente basici possono interagire negativamente con residui acidi, ritardanti di fiamma alogenati o alcuni trattamenti di pigmenti. Gli assorbitori UV della famiglia dei benzotriazoli funzionano bene in sezioni sottili e colori chiari, mentre le parti nere riempite di nerofumo spesso fanno più affidamento su HALS più un antiossidante primario. I tiosinergizzanti migliorano l’invecchiamento termico a lungo termine ma possono agire contro la stabilità alla luce, quindi l’equilibrio deve essere regolato in base al profilo di esposizione effettivo.

Il colore cambia tutto

Un rivestimento del montante beige chiaro e una guarnizione nera della linea di cintura sono rivolti verso lo stesso sole ma degradano in modo diverso. Le parti chiare mostrano un ingiallimento quasi immediatamente, quindi gli assorbenti schermanti contano di più, mentre le parti nere e spesse dipendono dalla stabilità della superficie e dal mantenimento della brillantezza. I pigmenti metallici e ad effetto introducono occasionalmente residui catalitici che accelerano l'ossidazione, motivo per cui i gradi dei pigmenti dovrebbero essere comunicati al compoundatore.

Migrazione, appannamento e aria in cabina

Le specifiche degli interni automobilistici limitano sempre più le emissioni volatili e condensabili. Gli additivi sufficientemente mobili da fiorire sulla superficie possono favorire lo scivolamento o il rilascio a breve termine, ma possono compromettere i risultati dell'appannamento e lasciare una pellicola opaca sul vetro. Far corrispondere la permanenza additiva alla storia termica della parte è parte del lavoro di progettazione, non un ripensamento.

Applicazioni sotto cofano e di tenuta: un diverso profilo di sollecitazione

Non tutti i problemi legati agli agenti atmosferici automobilistici coinvolgono la luce solare. Sotto il cofano, i fattori di stress dominanti sono calore, ossigeno, olio, refrigerante e ozono, spesso in combinazione ciclica. L'UV diretto è limitato, ma l'ossidazione termica procede più velocemente ed è visibile come indurimento, deformazione per compressione o fessurazione su un bordo bloccato. I polimeri completamente saturi come l'EP sono attraenti in questo caso perché tollerano temperature elevate e prolungate senza l'insaturazione residua che altrimenti diventerebbe l'anello più debole.

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Come l'industria testa gli agenti atmosferici

L'invecchiamento accelerato ha senso solo quando il ciclo di prova assomiglia all'applicazione. I cicli esterni sono più caldi e più umidi di quelli interni, e i cicli interni spesso includono un filtro in vetro per imitare i vetri della cabina. I riferimenti comuni che vedrai in una specifica includono:

• Esposizione ad arco di xeno ISO 4892-2 e ASTM G155, con o senza spruzzi d'acqua
• ASTM G154 e ISO 4892-3 fluorescente UV con lampade UVA-340
• Cicli per esterni automobilistici SAE J2527 e J1960
• Cicli specifici del fornitore scritti dai singoli produttori di veicoli

I risultati vengono quindi giudicati in base a criteri misurabili: spostamento del colore espresso come Delta E, valutazione della scala di grigi, ritenzione della brillantezza e ritenzione della resistenza alla trazione e dell'allungamento. Un obiettivo tipico potrebbe richiedere un mantenimento dell'allungamento pari ad almeno l'80% con uno spostamento del colore inferiore a tre unità, ma i numeri variano ampiamente tra gli OEM e tra le zone interne ed esterne. Anche l'appiccicosità della superficie, le screpolature sotto flessione e la perdita di adesione nelle parti sovrastampate vengono controllate visivamente perché spesso compaiono prima che le proprietà della massa si spostino.

Abitudini di elaborazione che proteggono il pacchetto stabilizzatore

Un composto ben formulato può comunque fallire se il processo lo penalizza. Punti pratici che contano nella produzione:

1. Asciugare i riempitivi igroscopici e i masterbatch e conservare l'elastomero in imballaggi sigillati.
2. Utilizzare geometrie delle viti con taglio moderato ed evitare lunghi tempi di permanenza a temperature di fusione elevate.
3. Disperdere uniformemente i masterbatch stabilizzanti; gli agglomerati non fusi diventano punti deboli locali.
4. Osservare i rapporti di macinazione, poiché la ripetuta storia termica consuma la capacità antiossidante.
5. Controlla la zona di incollaggio nelle parti a due fasi o coestruse, dove può iniziare il degrado interfacciale.

Scegliere un partner a lungo termine

Le prestazioni legate agli agenti atmosferici sono una proprietà di un sistema, quindi vale la pena chiedersi come un fornitore controlla effettivamente le variabili. Da parte nostra, ciò significa capacità di idrogenazione per le famiglie SBS, SEBS, SEPS ed EP, controllo dell'impianto attraverso un sistema di controllo distribuito e otto fasi di ispezione dall'ingresso delle materie prime al prodotto finito. La nostra postazione di lavoro post-dottorato e il team di ricerca e sviluppo dedicano gran parte del loro tempo alla progettazione e alla funzionalizzazione della struttura a blocchi tramite estrusione reattiva, che è esattamente il kit di strumenti necessario quando un cliente richiede un grado più morbido con la stessa durabilità all'esterno.

La maggior parte dei progetti automobilistici necessita inoltre di un fornitore che comprenda che una specifica è una conversazione, non una lista di desideri. L'invio del ciclo di esposizione, dello spessore della parete, del colore e del metodo di giunzione di solito produce una risposta più utile rispetto all'invio del solo numero di durezza.

Takeaway pratici

• Inizia con una dorsale saturata, quindi progetta il pacchetto stabilizzatore attorno alla zona di esposizione effettiva.
• Trattare il pigmento, lo spessore della sezione e la finitura superficiale come parte della soluzione UV anziché come decorazione.
• Abbina il test accelerato all'ambiente reale; i cicli interni ed esterni non sono intercambiabili.
• Proteggi la formulazione durante la lavorazione, poiché la storia termica consuma silenziosamente la protezione per cui hai pagato.
• Mantieni i gradi insaturi per le parti protette e usali dove l'economia conta più della luce solare.

Niente di tutto questo è complicato, ma premia la pianificazione anticipata. Quando la chimica del polimero, il sistema di additivi e la finestra del processo vengono scelti insieme, un elastomero termoplastico stabilizzato ai raggi UV può rimanere flessibile e presentabile per tutta la vita del veicolo piuttosto che per la durata di una richiesta di garanzia.