La guaina termorestringente e la chimica dietro la sua magia

C'è molto da dire a favore del coinvolgimento dei ragazzi nell'hacking il più presto possibile, ma c'è una cosa nel lavorare nell'elettronica che credo sia meglio lasciare come un mistero almeno fino all'adolescenza: nascondere il tubo termoretraibile. Insegna loro la breadboard, fagli imparare i codici colore dei resistori e la legge di Ohm e insegna loro anche a saldare. Ma non osate lasciarli avvicinare alla guaina termorestringente. Rivela stupidamente quella roba magica ai bambini, e se c'è una fonte di calore da qualche parte nelle vicinanze, ti garantisco che faranno esplodere tutta la tua scorta di roba costosa nel momento in cui volterai le spalle. Chiedimi come lo so.

Scherzo, ma solo in parte. C'è davvero qualcosa di divertente nell'applicare la guaina termorestringente, e non si può negare quanto possa essere soddisfacente una terminazione quando è sigillata ermeticamente all'interno di quel piccolo pezzo di tubo inspiegabilmente costoso. Ma in primo luogo, come funzionano le cose?

Come molte cose nel campo dell'elettronica di oggi, la guaina termorestringente era un prodotto dell'era della Guerra Fredda. A metà degli anni '50, Paul Cook, un ingegnere chimico con esperienza nel trattamento con radiazioni dei polimeri, fondò un'azienda per sviluppare applicazioni commerciali per la radiochimica, chiamata Raychem Corporation.

Una delle innovazioni chiave di Cook riguardava il campo dei polimeri reticolanti. Ricordiamo che i polimeri non sono altro che lunghe catene di piccole subunità. Nel caso della plastica, la maggior parte delle subunità sono piccoli monomeri organici; il vinile viene polimerizzato in cloruro di polivinile oppure l'uretano diventa poliuretano. Queste catene possono essere lunghe centinaia o migliaia di monomeri e il numero e l'orientamento delle catene determinano in gran parte le proprietà del materiale. Ma le catene polimeriche possono anche legarsi lungo la loro lunghezza, o reticolarsi, formando reti di catene e determinando proprietà diverse per il materiale.

La reticolazione può essere ottenuta con molti mezzi: calore, aggiunta di composti chimici reticolanti o variazione di pressione o pH. Le radiazioni possono essere utilizzate anche per formare legami incrociati, ed è qui che entra in gioco l'esperienza di Cook. Sapeva che la reticolazione di alcune plastiche con le radiazioni poteva modificarne le proprietà termiche e indurre una memoria nella plastica. La plastica reticolata potrebbe quindi essere riscaldata oltre il punto di fusione precedente, allungata e raffreddata. I cristalli si formerebbero per bloccare la forma espansa, ma una volta riscaldati, i cristalli si scioglierebbero, rilasciando l'energia immagazzinata nei collegamenti incrociati e riportando la plastica alle sue dimensioni pre-allungate.

Ovviamente i processi variano a seconda del produttore, ma la maggior parte delle moderne guaine termorestringenti viene creata sostanzialmente nello stesso modo. I pellet di plastica vengono riscaldati ed estrusi in un tubo con il diametro e lo spessore della parete corrispondenti alle dimensioni restringenti finali desiderate. La reticolazione per irraggiamento avviene dopo l'estrusione, mentre la reticolazione chimica avviene durante la fase di formulazione della plastica e di estrusione. Il tipo di radiazione utilizzata dipende dalla plastica e generalmente è un segreto commerciale. PVC, polietilene, poliammidi e altri possono tutti essere reticolati mediante lavorazione con fascio di elettroni, mentre altri polimeri necessitano di una sorgente alfa o gamma, o anche di luce UV o radiazione RF.

Il tubo reticolato viene quindi allungato, solitamente mediante pressione dell'aria, alla dimensione prerestringibile desiderata. Molti tubi vengono espansi fino a raddoppiare il loro diametro originale, nel qual caso vengono definiti tubi "2:1". Il tubo espanso viene raffreddato, bloccandosi nella struttura cristallina fino al successivo riscaldamento al momento dell'applicazione.

A parte le proprietà della plastica stessa e le sue caratteristiche di restringimento, nel corso degli anni i produttori hanno aggiunto una serie di trattamenti specializzati alle guaine termorestringenti. I coloranti vengono spesso aggiunti per consentire agli utenti finali di codificare a colori le connessioni, sebbene i tubi trasparenti abbiano applicazioni in cui è importante l'ispezione di ciò che si trova all'interno della connessione finita. I composti bloccanti i raggi UV vengono aggiunti ai tubi destinati alle applicazioni esterne. A volte un rivestimento adesivo viene coestruso con il tubo principale, spesso attivato dal calore. Quando il tubo viene riscaldato, il rivestimento adesivo si scioglie mentre il tubo si restringe, formando una tenuta stagna. Lo stesso approccio può essere utilizzato per creare un rivestimento conduttivo, sia con polimeri conduttivi che con saldatura vera e propria. I produttori ora stampano anche tubi termorestringenti personalizzati in modo che gli utenti possano identificare le connessioni.