Come massimizzare le prestazioni del PDMS nei settori tessile e delle costruzioni?

La sequenza di costruzione del polidimetilsilossano (PDMS) conferisce al materiale proprietà speciali, garantendo un grado straordinario di resistenza sia all'acqua che agli oli. L'incorporazione di polimeri costituiti da silossano e PDMS miscelati nella struttura del tessuto ne consente un'integrazione perfetta nel materiale: la componente in silossano crea un'adesione alle fibre del tessuto, mentre la componente in PDMS agisce sulla superficie del tessuto. Queste componenti polimerizzate in PDMS creano una superficie idrofobica senza precedenti mediante espressione molecolare e respingono inoltre gli oli comuni, conferendo contemporaneamente caratteristiche idrofobiche e oleofobiche che durano per tutta la vita del tessuto. Il processo consente di ottenere angoli di contatto superficiali superiori a 150° con l'acqua e di circa 130° con gli oli. L'attributo più peculiare del PDMS è che, a differenza dei rivestimenti fluorurati resistenti all'abrasione che si incrinano con la flessione e la piegatura, il rivestimento in PDMS mantiene le sue proprietà oleofobiche e idrofobiche anche dopo un prolungato periodo di resistenza all'abrasione.

Benchmark delle prestazioni: PDMS rispetto ai rivestimenti fluorurati secondo le norme AATCC 118 e ISO 14419

Sebbene i sistemi fluorurati offrano una resistenza agli oli leggermente superiore, i PDMS soddisfano comunque i criteri funzionali per la maggior parte dei capi d’abbigliamento, degli indumenti da lavoro e dei tessuti tecnici, anche quelli conformi allo standard OEKO-TEX® 100 e ai requisiti bluesign®. Essendo privi di legami carbonio-fluoro, i PDMS evitano il rischio di bioaccumulo, nonché i danni ambientali persistenti e i rischi normativi associati alle sostanze PFAS.

L’adozione dei PDMS e le potenziali nuove opportunità di marketing sono dovute alle nuove restrizioni dell’UE sulle sostanze PFAS e ad altre recenti normative emanate dall’EPA.

La legislazione che richiede la ricerca di alternative ai PFAS si sta evolvendo rapidamente. Tra gli esempi figurano i recenti aggiornamenti del 2023 al regolamento REACH dell’UE e il piano strategico dell’EPA statunitense per il periodo 2021–2024. Tale evoluzione è stata notata dai produttori di tessuti, molti dei quali stanno passando a idrorepellenti a base di silicone. Dal 2022, l’adozione di questi materiali è aumentata di circa il 60%, secondo quanto riportato da fonti del settore. I produttori sottolineano lo status GRAS del PDMS e la sua facile integrazione nei processi produttivi esistenti. Sebbene altre potenziali alternative (ad esempio soluzioni bio-based e chimiche ibride) siano ancora in fase di valutazione, il PDMS rappresenta l’opzione preferita grazie alla sua comprovata affidabilità, alla piena conformità alle normative vigenti e alla semplicità con cui può essere integrato nei processi produttivi già esistenti. Ciò lo rende il candidato principale per soddisfare la necessità di soluzioni prive di PFAS, garantendo al contempo idrorepellenza e oleorepellenza ai tessuti.

La funzionalità del PDMS può essere modificata variando il suo peso molecolare e il grado di reticolazione. Il PDMS a catena corta, come il F-3600, forma uno strato superficiale più denso, determinando angoli di contatto con l’acqua superiori a 140°, ma ottenendo un livello molto basso (e indesiderabile) di traspirazione (< 15 g/m²/24 h). Queste varianti di PDMS possono essere utilizzate per capi medici e sportivi, per i quali il comfort rappresenta un fattore critico. Al contrario, il PDMS a catena lunga, come il F-12000, forma intrecci molecolari più estesi, con conseguenti legami interstrato più forti e una maggiore resistenza ai lavaggi (> 20 cicli, conformemente alla norma ISO 6330; la reticolazione riduce la permeabilità all’aria). Il grado di reticolazione determina gran parte dell’equilibrio descritto tra le diverse caratteristiche prestazionali.

Per gli indumenti protettivi destinati agli operatori industriali, in cui la resistenza all'abrasione è di massima importanza, un impiego ben bilanciato di materiali di tipo F-12000 garantisce la migliore combinazione complessiva di durata e resistenza all'abrasione secondo gli standard ISO 12947-2. Nel frattempo, i prodotti a base di F-3600 tendono a concentrarsi su applicazioni che richiedono livelli più elevati di comfort. Ciò che risulta particolarmente notevole dai test condotti nel settore è la capacità di determinate lunghezze intermedie della catena (con un opportuno reticolato) di mantenere angoli di contatto superiori a 130 gradi dopo 50 cicli del test di abrasione Martindale. Ciò corrisponde a circa il 35% in più rispetto alle formulazioni convenzionali a base di silossano, in termini di equilibrio tra durata e comfort. Questi risultati sono stati pubblicati nel 2023 sulla rivista «Textile Chemistry», una rivista internazionale sottoposta a revisione paritaria.

Valutazione della durata a lungo termine del rivestimento in PDMS su tessuti reali

Per quanto riguarda la durabilità dei rivestimenti in PDMS, questi offrono un’eccellente resistenza al lavaggio industriale e mantengono intatta la capacità idrorepellente anche dopo oltre 20 cicli di lavaggio industriale
(dati ISO 6330/12945-2). I rivestimenti in PDMS perdono soltanto il 15% della loro capacità idrorepellente, mentre le alternative a base di cera e acrilici perdono oltre il 50% della loro impermeabilità già dopo soli 10 cicli di lavaggio. Perché i rivestimenti in PDMS offrono le prestazioni migliori? Durante la fase di reticolazione (curing), i forti legami chimici formatisi tra i rivestimenti in PDMS e le fibre del tessuto resistono ai detergenti e agli agenti chimici per la pulizia più aggressivi e sopportano l’abrasione del tessuto causata da ripetuti cicli di lavaggio. Alcune di queste formulazioni speciali e brevettate mantengono ancora un angolo di contatto rigido superiore a 140 gradi anche dopo 50 lavaggi. Ciò significa che sono ideali per applicazioni tecniche critiche nel settore della sicurezza, ad esempio per le uniformi dei vigili del fuoco e per l’abbigliamento outdoor, dove i rivestimenti idrorepellenti devono resistere a cicli di lavaggio industriale.

Applicazioni ad alta attrito: resistenza all'abrasione e prestazioni meccaniche contro l'usura

Forse una delle applicazioni più sorprendenti e straordinarie del PDMS è la sua eccezionale resistenza all'usura in ambienti estremi, come gli interni automobilistici, i tessuti di grado militare e gli indumenti da lavoro industriali. I tessuti rivestiti con PDMS sono stati sottoposti a test secondo la norma ISO 12947-2 e hanno dimostrato una perdita di peso inferiore al 5% e nessuna compromissione dell'integrità del rivestimento dopo 50.000 (cinquantamila) cicli. Al contrario, i tessuti non rivestiti e privi di reticolazione presentano una perdita di peso pari al 20% e un grave cedimento del rivestimento dopo lo stesso numero equivalente di cicli. La reticolazione del PDMS risulta estremamente vantaggiosa, poiché la sua natura elastomerica distribuisce uniformemente le sollecitazioni su tutta la superficie del rivestimento. Ciò è ideale per impedire la formazione o la propagazione di microfessurazioni quando il rivestimento viene ripetutamente flesso e compresso. Tuttavia, il fattore più importante è che tutta questa protezione viene offerta senza sacrificare la traspirabilità. I tessuti protettivi con rivestimento in PDMS garantiscono all’indossatore una protezione completa da tutti i rischi, senza comprometterne il comfort. Questa caratteristica è fondamentale per turni di lunga durata.

Miglioramento della funzionalità strutturale del PDMS all'interno dei materiali da costruzione

Tecniche di rinforzo: silice, nano-cristalli di cellulosa e caricanti POSS per resistenza a trazione ed elasticità (ASTM D412)

Il materiale base in PDMS è semplicemente troppo morbido per applicazioni edilizie, quindi sono necessarie le modifiche più robuste. Le nanoparticelle di silice creano fitte reti di reticolazione nel PDMS, garantendo una migliore distribuzione del carico. Ciò è dimostrato dai test di resistenza a trazione su PDMS/silice, i quali possono fornire una resistenza tripla rispetto a quella del PDMS non caricato, secondo lo standard ASTM D412 (3). Un altro componente è costituito dai nanocristalli di cellulosa (CNC), che possono potenziare la funzionalità delle nanoparticelle di silice. Questo avviene perché i CNC sono allungati e presentano numerosi gruppi ossidrilici, il che conferisce loro un’ottima adesione alla matrice di PDMS. Tale adesione contribuisce a mantenere la flessibilità del PDMS, rendendolo al contempo impermeabile. Un’altra opzione consiste nell’utilizzo di cariche a base di poliedrici oligomerici di silsesquiossano (POSS). Le strutture a gabbia di tali cariche si integrano efficacemente con la rete di silossano a livello nanometrico. Quando aggiunte in concentrazione compresa tra il 10% e il 15%, le cariche POSS possono aumentare la resistenza alla lacerazione di circa il 40%, conservando al contempo l’elasticità del materiale anche dopo numerosi cicli di allungamento. L’impiego combinato di tutti e tre i componenti consente di ottenere la resistenza ottimale a trazione, generalmente superiore a 5 MPa, e un allungamento permanente inferiore al 15% dopo numerosi cicli di allungamento e recupero.

Questo rende il composito ideale per la sigillatura dei giunti in calcestruzzo, i rivestimenti impermeabilizzanti e gli ammortizzatori sismici che devono resistere all'azione degli agenti atmosferici e ai cambiamenti fisici, inclusi quelli termici, le radiazioni ultraviolette e la flessione.

Domande Frequenti

Che cos'è il PDMS e perché viene utilizzato nei tessuti?

Il PDMS, o polidimetilsilossano, è un materiale a base di silicone idrorepellente e oleorepellente. Poiché il PDMS aderisce efficacemente alle fibre del tessuto, forma un rivestimento protettivo permanente senza ricorrere a trattamenti chimici.

Come si confronta il PDMS con i rivestimenti fluorurati?

Il PDMS garantisce lo stesso livello di repellenza dei rivestimenti fluorurati, ma è privo dei rischi per la salute e per l'ambiente associati ai PFAS. I rivestimenti a base di PDMS mantengono nel tempo sia la proprietà repellente sia la flessibilità, mentre i rivestimenti fluorurati perdono progressivamente la loro azione repellente e diventano fragili.

Il PDMS è sicuro e rispettoso dell'ambiente?

Il PDMS è sicuro e rispettoso dell'ambiente. Il PDMS è certificato OEKO-TEX® Standard 100 e bluesign®. Poiché il PDMS non è prodotto con legami carbonio-fluoro nocivi, i rischi per la salute e per l'ambiente sono significativamente inferiori.

I rivestimenti in PDMS resistono al lavaggio industriale?

I rivestimenti in PDMS sono più efficaci dei rivestimenti a cera e acrilici e hanno dimostrato di mantenere l’85% della loro idrorepellenza dopo 20 cicli di lavaggio industriale.