Trong số các vật liệu nhựa, Polyetheretherketone (PEEK) là một loại nhựa rất đặc biệt. Điện trở nhiệt độ - của nó, khả năng chống ăn mòn, kháng mòn và kháng thủy phân làm cho nó rất được tìm kiếm trong hàng không vũ trụ, ô tô, y tế, năng lượng và năng lượng, cũng như máy móc. Dưới đây, chúng tôi giải thích chi tiết về nhựa Peek là gì.
Định nghĩa về vật liệu polyetheretherketone
Polyetheretherketone, hoặc Peek, là một loại polymer nhiệt dẻo chỉ là tinh thể một phần. Nó có vòng thơm, liên kết ether và nhóm ketone. Đây là thành viên thành công nhất về mặt thương mại trong gia đình Polyaryletherketone (PAEK). Các liên kết ether (- o -) và các nhóm ketone (- c (o) -) kết nối các chuỗi phân tử của nó tạo thành một cấu trúc tinh thể rất có tổ chức mang lại cho nó ổn định cơ học và nhiệt tuyệt vời. Victrex đã mua công ty liên quan từ ICI vào năm 1981, làm cho nó trở thành công ty kỹ thuật hiệu suất cao phổ biến nhất- trên thế giới. ICI lần đầu tiên làm nó ở Anh vào năm 1978.
Lợi ích của cấu trúc phân tử
Liên kết ether làm cho phân tử linh hoạt hơn, trong khi vòng benzen làm cho nó cứng hơn. Nhóm ketone làm cho các lực lượng liên phân tử mạnh mẽ hơn. Ba điều này hoạt động cùng nhau để giữ cho cấu trúc của Peek ổn định ở điểm nóng chảy 343 độ và nhiệt độ hoạt động dài hạn-} lên tới 260 độ. Cấu trúc khác thường này cho phép nó giữ hơn 90% sức mạnh ban đầu của nó, ngay cả ở những nơi rất nóng như Nacelles của động cơ máy bay.
Quy tắc đặt tên hóa chất
Tên đầy đủ "Polyetheretherketone" mô tả cấu trúc chuỗi phân tử: poly (polymer) + ether (trái phiếu ether) × 2 + ketone (nhóm ketone).
Sơ đồ đặt tên này cho thấy rõ trang điểm hóa học là gì, và đó là một cách phổ biến để đặt tên cho những thứ trong khoa học vật liệu.
Thông số hiệu suất cốt lõi của vật liệu polyetheretherketone
Tính chất vật lý và cơ học
| Tài sản | Phạm vi giá trị | Ý nghĩa kỹ thuật |
|---|---|---|
| Tỉ trọng | 1.3-1,35 g/cm³ | Chỉ một nửa mật độ của nhôm, giảm đáng kể trọng lượng thiết bị |
| Độ bền kéo | 90-100 MPa (nhựa không được lấp đầy) | Có thể so sánh với hợp kim nhôm (6061-T6 có độ bền kéo là 290 MPa) |
| Mô đun uốn | 3.6 GPA (nhựa không được lấp đầy) | Có thể đạt 20 GPa với cốt thép bằng sợi carbon, vượt trội so với hầu hết các loại nhựa kỹ thuật |
| Độ giãn dài khi nghỉ | 30%-150% | Kết hợp độ cứng và độ dẻo dai, có khả năng chịu được những căng thẳng phức tạp |
Hiệu suất nhiệt
Nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh (TG): 143 độ, cao hơn nhựa kỹ thuật thông thường (ví dụ: POM, là -60 độ).
Nhiệt độ độ lệch nhiệt (HDT): 157 độ (dưới tải trọng 1,8 MPa). Cải thiện độ kết tinh sau khi phun có thể đẩy HDT lên trên 200 độ.
Điện trở nhiệt độ: Chịu đựng ngắn - Nhiệt độ có kỳ hạn 300 độ và có thể hoạt động liên tục ở 250 độ trong 10.000 giờ mà không bị suy giảm đáng kể.
Hóa chất và môi trường
Khả năng chống ăn mòn: Hoàn toàn trơ đến 98% dung môi hữu cơ (ví dụ: acetone, toluene) và dung dịch axit và kiềm (pH 1-14), ngoại trừ axit sunfuric đậm đặc. Không có sưng sau khi ngâm trong dung dịch KOH 30% trong ba năm.
Khả năng kháng thủy phân: Đảm bảo 3.000 chu kỳ triệt sản ở 134 độ với hơi nước hấp, với giảm trọng lượng <0,1%, vượt xa tiêu chuẩn cho y tế - Thép không gỉ.
Tính chất chống cháy: Nó có thể đạt được xếp hạng UL 94 V-0 mà không cần thêm chất chống cháy và lượng khói được giải phóng khi đốt chỉ là 1/5 so với nhựa truyền thống.
Công nghệ sản xuất và chế biến vật liệu polyetheretherketone
Cơ chế phản ứng trùng hợp
Một phương pháp polycondensation thay thế nucleophilic được sử dụng, sử dụng 4,4 '- Difluorobenzophenone và natri bisphenol A làm nguyên liệu thô. Cao - trùng hợp nhiệt độ được thực hiện trong dung môi diphenyl sulfone dưới xúc tác của kali cacbonat khan. Lưu ý rằng phản ứng này đòi hỏi môi trường khan được kiểm soát nghiêm ngặt (độ ẩm <50 ppm). Lò vi sóng - Phản ứng trùng hợp được hỗ trợ có thể rút ngắn thời gian phản ứng từ 24 giờ trong phương pháp hồi lưu truyền thống xuống còn 3 giờ.
Thông số quy trình đúc chính
Đúc phun:
Nhiệt độ khuôn: 160-190 độ (để thúc đẩy sự kết tinh)
Nhiệt độ tan chảy: 370-420 độ (để tránh phân hủy nhiệt)
Áp lực tiêm: 70-140 MPa (để đảm bảo lấp đầy các cấu trúc phức tạp)
Lưu ý: độ co rút của các cấp độ chưa được lấp đầy là 1,2 - 2,4%, trong khi các lớp được gia cố bằng sợi carbon có thể giảm xuống còn 0,1-1,1%.
Công nghệ in 3D:
Khi sử dụng FDM, nhiệt độ vòi phun phải được kiểm soát trong khoảng 360-400 độ và giường được làm nóng duy trì ở 120 độ để giảm thiểu cong vênh.
Việc sử dụng vật liệu polyetheretherketone
Không gian vũ trụ
Hệ thống thoát nước giữ hàng hóa Airbus A350 sử dụng vật liệu composite Peek Victrex thay vì hợp kim nhôm, giảm trọng lượng 50%. Nó cũng chịu được biến động nhiệt độ cực cao từ - 50 độ đến 120 độ và đã vượt qua thử nghiệm mệt mỏi 100.000 chu kỳ. Khói thấp và độc tính thấp (SDR nhỏ hơn hoặc bằng 15) đáp ứng tiêu chuẩn phòng cháy chữa cháy 25.853, làm cho nó trở thành vật liệu ưa thích cho nội thất máy bay chở khách thế hệ tiếp theo.
Thuộc về y học
Chỉnh hình:
Mô-đun đàn hồi của sợi carbon - Lồng tổng hợp giữa các cơ quan PEEK được gia cố (8-12 GPa) khớp chặt chẽ với xương vỏ người (10-30 GPa), làm giảm hiệu quả việc che chắn căng thẳng. FDA Hoa Kỳ đã phê duyệt nó để sử dụng trong hơn 20 loại cấy ghép, bao gồm cả những người ở cột sống cổ tử cung và thắt lưng.
Dụng cụ phẫu thuật điện:
Bột Peek Ketaspire® của Solvay được phun lên bề mặt của các ống kim loại, đạt được độ dày lớp phủ chỉ 0,0645mm. Nó chịu được điện áp vượt quá 10kV và 1.000 chu kỳ khử trùng oxit ethylene. Nó đã được sử dụng trong các thành phần cốt lõi của robot phẫu thuật da Vinci.
Các thành phần máy móc chế biến thực phẩm
Polyetheretherketone (PEEK) là một vật liệu có khả năng chống làm sạch và khử trùng (không giải phóng các chất có hại), thể hiện sự di chuyển bề mặt thấp và khả năng chống mài mòn, và tuân thủ các tiêu chuẩn tiếp xúc thực phẩm. Các ứng dụng điển hình bao gồm lõi van trong dây chuyền sản xuất sữa, liên kết vành đai băng tải trong thiết bị bánh và bộ lọc hỗ trợ khung trong máy ép nước.
Ống lót, vòng bi, hải cẩu và vòng hỗ trợ
Polyetheretherketone (PEEK) đang thay thế kim loại và nhựa truyền thống trong các bộ phận chuyển động nhờ những ưu điểm kết hợp của ma sát thấp, khả năng tải cao và khả năng chống ăn mòn.
Ống lót và vòng bi: Sợi carbon - Peek củng cố tự hào có hệ số ma sát thấp tới 0,15 (điều kiện ma sát khô), thấp hơn 40% so với vòng bi bằng đồng. Với tải trọng 10 MPa và môi trường 150 độ, tốc độ hao mòn của nó chỉ là 0,001 mm³/(N · m), làm cho nó phù hợp với ống lót bơm hóa học và vòng bi truyền ô tô.
Các con dấu và vòng hỗ trợ: Trong môi trường axit của chiết xuất dầu thô (chứa các vòng H₂s và CO₂), Peek V - vòng cung cấp một tuổi thọ cao gấp 10 lần so với cao su nitrile. Một nhà sản xuất thiết bị thủy lực đã sử dụng các vòng hỗ trợ PEEK để khắc phục vấn đề thất bại của các vòng PTFE truyền thống ở áp suất 30 MPa, kéo dài tuổi thọ dịch vụ của họ từ 3.000 giờ đến 15.000 giờ.
So sánh giữa vật liệu polyetheretherketone và vật liệu tương tự
| Chỉ số hiệu suất | Nhìn trộm | PTFE | Pei | Pi |
|---|---|---|---|---|
| Dài - Nhiệt độ dịch vụ hạn | 260 độ | 250 độ | 210 độ | 300 độ |
| Độ bền kéo | 90-100 MPa | 25-35 MPa | 100-110 MPa | 80-100 MPa |
| Hệ số ma sát | 0.35-0.45 | 0.03-0.05 | 0.25-0.35 | 0.2-0.3 |
| Sức mạnh điện môi | 50 kV/mm | 50-150 kV/mm | 30-40 kV/mm | 20-30 kV/mm |
| Chi phí xử lý | Vô cùng cao | Vừa phải | Vừa phải | Vô cùng cao |
Lựa chọn được đề xuất:
Đối với nhiệt độ cao - và cao - Các ứng dụng áp suất: PEEK (Điện trở nhiệt và thủy phân) được ưa thích.
Đối với Ultra - Yêu cầu ma sát thấp: PTFE được ưu tiên, nhưng sức mạnh bị xâm phạm.
Đối với cách điện tần số cao -
Câu hỏi thường gặp
Q: Peek có thể được tái chế không?
Trả lời: Hiện tại, tỷ lệ tái chế nhỏ hơn 10%, chủ yếu là do mức tiêu thụ năng lượng cao của quá trình xử lý nhiệt độ-} cao và sự xuống cấp 30% trong các tính chất của vật liệu tái chế. Victrex đang phát triển công nghệ tái chế vòng lặp - sử dụng quá trình khử chất lỏng siêu tới hạn để tăng tỷ lệ tái chế lên 85%.
Q: Peek liên kết với kim loại như thế nào?
A: Các neo hóa học (như chất kết dính 3M DP460) hoặc chèn vật lý (chèn kim loại đúc) có thể được sử dụng. Một nhà sản xuất ô tô sử dụng một đơn vị piston Peek với sự can thiệp phù hợp với xi lanh hợp kim nhôm, đã hoạt động ở 200 độ trong 10.000 giờ mà không nới lỏng.
Q: Những hạn chế của Peek trong ngành công nghiệp bán dẫn là gì?
A: Although it can achieve 99.999% purity, particle release (>0,1μm) phải được kiểm soát để<100 particles/g. Currently, it is only used in non-critical processes such as wafer carriers. Toray Industries' newly developed ultra-clean grade PEEK, with a particle content of less than 10 particles/g, has entered testing on 14nm chip production lines.
Q: Peek có phù hợp với dài - sử dụng ngoài trời hạn không?
Trả lời: Peek tinh khiết có khả năng chống tia cực tím trung bình và có thể bị đối mặt ở bề mặt (suy thoái khoảng 10% trong 5 năm) sau khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời kéo dài. Tuy nhiên, việc bổ sung các chất hấp thụ màu đen carbon hoặc UV có thể cải thiện khả năng chống thời tiết 3 - 5 lần, làm cho nó phù hợp với các đầu nối nhiệt độ- cao trong các nhà máy điện quang điện và thiết bị chuyển mạch điện áp cao ngoài trời.
Q: Peek có thể được hàn không? Một số phương pháp hàn phổ biến là gì?
A: Vâng, nó có thể được hàn. Các phương pháp phổ biến bao gồm: ① Hàn đĩa nóng (phù hợp cho các thành phần phẳng, với cường độ hàn đạt 80% vật liệu gốc); Hàn laser (với độ chính xác lên tới 0,1mm, phù hợp cho các đường nối vô trùng trong các thiết bị y tế); và hàn siêu âm (hiệu quả cao, được sử dụng cho bao bì thành phần điện tử). Nhiệt độ hàn phải được kiểm soát trong khoảng 343-380 độ (trên điểm nóng chảy nhưng dưới nhiệt độ phân hủy).
Hỏi: Sự khác biệt giữa thực phẩm - Lớp PEEK và PEEK tiêu chuẩn là gì?
A: Thực phẩm - Lớp Peek phải vượt qua các bài kiểm tra di chuyển nghiêm ngặt (như Chỉ thị EU 10/2011, quy định giới hạn di chuyển đầy đủ <10mg/dm²). Các chất xúc tác kim loại nặng bị cấm trong quá trình sản xuất và độ tinh khiết cao hơn (hàm lượng tro <0,01%). Peek thông thường có thể không phù hợp cho các ứng dụng tiếp xúc thực phẩm do phụ gia còn lại.
Q: Hiệu suất của vật liệu Peek tái chế sẽ bị suy giảm?
A: Độ bền kéo của Peek tái chế sẽ giảm 15 - 20%và độ kết tinh của nó bằng 5 - 8%, chủ yếu là do sự phá vỡ chuỗi phân tử do xử lý nặng ở nhiệt độ cao. Hiện tại, vật liệu tái chế chỉ được sử dụng trong các bộ phận cấu trúc không quan trọng (như vỏ bảo vệ và giá đỡ). Các ứng dụng cao cấp (như y tế và hàng không) vẫn yêu cầu vật liệu trinh nữ.