1. 導入
1.1 ピーク素材の定義
ポリエーテルケトン (ピーク素材) は、多分類式ケトンに属する半結晶性熱可塑性ポリマーです (Paek) 家族.
Peekは、例外的な熱安定性を提供します, 機械的強度, および化学耐性, エンジニアリングアプリケーションを要求するのに理想的です.
極端な条件下でパフォーマンスを保持する能力は、高性能ポリマーのクラスにそれを高めます.
1.2 ピークの歴史と開発
Peekは最初に合成されました 1978 ICIによって (帝国化学産業), 現在、VicTrex Plcの一部.
当初、航空宇宙および自動車産業向けに開発されました, その後、Peekは医療に拡大しました, エレクトロニクス, その比類のないプロパティプロファイルによるエネルギーセクター.
過去40年間, 合成および処理技術における継続的な革新により、上級製造の礎石の材料を覗き見しました.
1.3 高性能エンジニアリングプラスチックのピークのステータス
高性能ポリマーの中で, Peekは、処理可能性とパフォーマンスのバランスで際立っています.
ポリイミドのような材料と競合しています, ポリスルホン, フルオロポリマーですが、しばしば熱でそれらを上回ります, 化学薬品, および機械的ドメイン.
そのプレミアムステータスは、そのコストに反映されています, しかし、それがミッションクリティカルなアプリケーションで提供する価値は、投資を正当化します.
2. 化学構造とピークの合成
2.1 化学構造
Peekの高分子構造は、芳香環の間のエーテルとケトンのつながりの繰り返し単位で構成されています:
–O–Ph–O–Ph–CO–Ph–
- ph =フェニレン基 (芳香環)
- o =エーテルブリッジ
- co =ケトングループ
これらの構造モチーフは貢献します:
- 剛性 (芳香環)
- 柔軟性 (エーテルリンケージ)
- 熱抵抗 (ケトングループ)
ピークの半結晶性の性質は、そのバックボーン対称性から生じます, タフネスのためにアモルファス領域を維持しながら、結晶領域で密着させることを許可する.
2.2 合成方法
ピーク材料は、段階的成長の多腸の反応によって合成されます, 通常、関与します:
- モノマー: 4,4' - ジフルオロベンゾフェノン (DFBP) およびハイドロキノン (本社)
- 溶媒: ジフェニルスルホン
- 触媒: 炭酸ナトリウムのようなアルカリ塩
反応の概要:
DFBP + HQ → PEEK + HF (byproduct)
反応は高温で発生します (300–400°C) 高分子量ポリマーを達成するための制御条件下で.
3. ピークのコアパフォーマンス特性
3.1 物理的特性
| 財産 | 代表値 | ユニット |
|---|---|---|
| 密度 | 1.30 | g/cm3 |
| 色 | ベージュ/ナチュラル | - |
| 硬度 | ロックウェルR126 | - |
| 融点 | 343 | ℃ |
| TG (ガラス遷移) | 143 | ℃ |
| 熱膨張 | 47 x10⁻⁶ | /k |
密度
の密度で 1.30 g/cm3, ピーク素材はほとんどの従来のプラスチックよりも密度が高いが、金属よりも軽い, 優れた強度と重量の比率を提供します.
色と外観
ピークは当然ベージュです, 滑らかで, セミグロスの外観. 色素沈着することができます, カラーレントは、結晶性と特性に影響を与える可能性があります.
硬度
- ロックウェルの硬度: R126 – R130
- ビッカーズの硬さ: 〜250 hv
ピーク材料は、摩耗や耐摩耗性に適した優れた表面硬度を示しています.
熱特性
- 融点: 343℃
- ガラス遷移 (TG): 143℃
- 熱変形: 最小260°C
寸法安定性
ピークは非常に低い水分吸収を示します (<0.1%), その結果、未解決の寸法安定性が生じます, 湿度の高いまたは高温環境でも.
3.2 化学的性質
耐薬品性
ピークは幅広い化学物質に抵抗します, 含む:
- 酸 (硫黄, 窒素)
- ベース (水酸化ナトリウム, アンモニア)
- 炭化水素
- アルコール
ほとんどの溶媒に攻撃されていません, 化学処理装置に最適です.
溶媒抵抗
ピークは安定したままです:
- アセトン
- トルエン
- エタノール
- 塩化メチレン (限られた腫れが発生する可能性があります)
耐食性
Peekの不活性骨格は、腐食に対する自然な耐性を提供します, 攻撃的な環境に適しています.
火炎遅延
- ul 94 評価: V-0 (自己環境)
- 低煙と有毒ガス排出
- 航空宇宙および鉄道産業の基準を満たしています
電気絶縁
Peekは優れた電気絶縁体です, 高温と周波数での維持特性.
生体適合性
医療グレードのピークは準拠しています:
- ISO 10993
- USPクラスVI
- 長期インプラントと外科用ツールに適しています
3.3 機械的特性
| 財産 | 代表値 | ユニット |
|---|---|---|
| 抗張力 | 90–100 | MPa |
| 曲げ強度 | 150–170 | MPa |
| 圧縮強度 | 110–120 | MPa |
| 衝撃強度 (Notched Izod) | 55–65 | j/m |
| 疲労抵抗 | 素晴らしい | - |
抗張力
ピーク材料は、高い引張強度を示します (〜100 MPa), 負荷の下で剛性を維持します.
曲げおよび圧縮強度
その曲げ弾性率 (〜4 gpa) 圧縮強度は、負荷をかける部品に対する適合性を強化します.
衝撃と疲労抵抗
Peekは、繰り返される衝撃と循環荷重を割ることなく抵抗します, 航空宇宙および医療アプリケーションで重要です.
3.4 熱特性
高温性能
Peekは機械的特性を保持します:
- 継続的な使用温度: 最大260°C
- 最大300°Cまでの短期ピーク
クリープ抵抗
ピークは非常に低いクリープを示しています, 高温での高負荷の下でも.
熱伝導率
- 約 0.25 W/m・K
良い指揮者ではありませんが, 熱安定性により、熱露出コンポーネントに適しています.
3.5 プロパティを着用します
| 財産 | 代表値 |
|---|---|
| 摩耗率 (埋められていない) | 適度 |
| 摩擦係数 | 0.3–0.4 |
| 潤滑された複合材料 | 0.1–0.2 |
Peekは優れた耐摩耗性を提供します, 特に炭素繊維で満たされている場合, 黒鉛, またはPTFE.
3.6 電気絶縁
| 電気物質 | 価値 | ユニット |
|---|---|---|
| 誘電率 | 3.2–3.6 | - |
| 誘電強度 | 17–22 | KV/mm |
| 体積抵抗率 | >10¹⁵ | OH・CM |
Peekの断熱特性は、広い温度と周波数範囲で安定しています.
3.7 電磁シールド
未熟練のピーク材料はEMIシールドを提供しません, 炭素充填グレード (例えば, CFピーク) 中程度のシールド効果を提供します, 電子エンクロージャーに適したものにします.
4. ピークの処理方法
4.1 射出成形
ピークは、射出成形を使用して処理できます, これは、複雑な形状とコンポーネントを生成するための一般的な方法です.
このプロセスでは、ピークペレットを溶かすことと、溶融物質を高圧下で型に注入することが含まれます.
射出成形により、一貫した寸法と特性を持つ高精度部品の生産が可能になります.
4.2 押出成形
押出成形は、ロッドの形で覗くために使用されます, チューブ, とシート.
このプロセスには、ピークを溶かし、それをダイを通して強制して望ましい形状を形成することが含まれます. 押し出しは、均一な断面を持つ連続プロファイルとコンポーネントを生成するのに特に役立ちます.
4.3 CNCの機械加工と3D印刷
PEEKはCNCを使用して機械加工できます (コンピュータ数値制御) 正確で複雑な部品を生成するための技術.
その高い硬度と耐摩耗性はそれを適しています CNC加工 ターニングなどの操作, ミリング, と掘削.
さらに, PEEKはFDMを使用して処理できます (融合モデリング) 3D印刷, 複雑なデザインでカスタムパーツの生産を可能にする.
4.4 熱処理とアニーリング
ピークは、その機械的特性を改善し、内部ストレスを減らすために熱処理またはアニールすることができます.
熱処理は、高次元の安定性とクリープに対する抵抗を必要とするコンポーネントに特に役立ちます.
5. ピークの変更と複合材料
5.1 ガラス繊維の追加 (GFピーク)
ガラス繊維強化の覗き見 (GFピーク) ピークの機械的強度と剛性を高める複合材料です.
ガラス繊維を添加すると、引張強度が向上します, 曲げ強度, 材料の耐衝撃性.
GF-Peekは、高強度と寸法の安定性を提供します, 航空宇宙のコンポーネントや産業機械に最適です.
5.2 炭素繊維の追加 (CFピーク)
炭素繊維強化の覗き見 (CFピーク) ピークの機械的特性を大幅に強化する別の複合材料です.
CF-Peekは優れた強さを提供します, 剛性, and wear resistance compared to unfilled PEEK.
This PEEK material dominates applications demanding both lightness and strength, particularly in aerospace and automotive components.
5.3 潤滑剤の追加 (グラファイトなど, PTFE)
PEEK material accepts lubricant modifications like graphite or PTFE to enhance wear resistance and minimize friction.
These modifications are particularly useful in applications involving sliding or rotating parts, such as bearings and seals.
5.4 パフォーマンス比較テーブル
The following table compares the properties of unfilled PEEK, GFピーク, and CF-PEEK:
| 財産 | Unfilled PEEK | GFピーク | CFピーク |
|---|---|---|---|
| 抗張力 (MPa) | 90 | 120 | 150 |
| 曲げ強度 (MPa) | 120 | 150 | 180 |
| 衝撃強度 (kJ/m²) | 20 | 25 | 30 |
| 密度 (g/cm3) | 1.32 | 1.50 | 1.60 |
| 摩擦係数 | 0.15–0.25 | 0.10–0.15 | 0.10–0.15 |
6. ピーク素材のアプリケーションエリア
6.1 航空宇宙
- エンジンコンポーネント: PEEK is used in jet engine components due to its high-temperature resistance and lightweight properties.
- 構造部品: PEEK Material is used in structural components such as brackets, ファスナー, とコネクタ.
- Electronic Components: PEEK is used in aerospace electronics due to its electrical insulation and flame retardancy.
6.2 医療産業
- インプラント: Peekは、脊椎ケージや関節置換術などの医療インプラントに理想的な材料として機能します, 例外的な生体適合性と機械的強度を提供します.
- 手術器具: ピークは、その滅菌抵抗と耐摩耗性のために手術器具で使用されます.
- 医療機器: Peekは、その耐薬品性と生体適合性のために、ポンプやバルブなどの医療機器で使用されています.
6.3 産業分野
- 高温シール: Peekは、蒸気タービンと化学処理装置の高温シールで確実に機能します.
- ベアリング: ピークは、摩擦が低く耐摩耗性のためにベアリングで使用されます.
- ポンプとバルブのコンポーネント: ピーク材料は、その耐薬品性と寸法の安定性のために、ポンプとバルブの成分に優れています.
6.4 電子機器と電気
- 絶縁材料: Peekは、電気部品のための優れた断熱材として機能します, その優れた誘電体のおかげで.
- コネクタ: Peekは、電気断熱と火炎遅延のためにコネクタで使用されます.
- 回路基板がサポートします: ピークは、その優れた寸法の安定性と熱抵抗のため、回路基板サポート材料として優れています.
6.5 その他のアプリケーション
- 食品加工: ピークは、その耐薬品性と生体適合性のために食品加工装置で使用されます.
- 自動車産業: Peekは、自動車センサーとコネクタで提供されます, その軽量性と高温抵抗を活用します.
- 原子力産業: Peekは、その例外的な放射線耐性と化学的安定性のために、核アプリケーションで確実に機能します.
7. ピーク材料の利点と制限
7.1 利点
- 高温の性能: ピークは、温度で最大250°Cでその特性を維持できます, 高温アプリケーションに適しています.
- 耐薬品性: ピークは、広範囲の化学物質に耐性があります, 酸を含む, ベース, および溶媒.
- 機械的強度: ピークは高張力を示します, 曲げ, 圧縮強度, アプリケーションを要求するのに適しています.
- 生体適合性: ピーク材料は生体適合性があり、無毒です, 医療用途に最適です.
7.2 制限事項
- 高コスト: Peekは、最も高価なエンジニアリングプラスチックの1つです, これにより、費用に敏感なアプリケーションでの使用が制限されます.
- 処理の難しさ: Peekには、高い処理温度と圧力が必要です, これは、一部の製造プロセスにとって挑戦的です.
- 高密度: ピークは、他のエンジニアリングプラスチックと比較して比較的高い密度を持っています, これは、軽量材料を必要とするアプリケーションでは不利な可能性があります.
8. ピーク用の代替資料
8.1 高温プラスチック代替品
- PEI (ポリutimide): PEIは、優れた機械的および熱特性を備えた高温プラスチックです. 高温抵抗を必要とするアプリケーションを覗く代替品としてよく使用されます.
- PPS (ポリフェニレン硫化物): PPSは、優れた耐薬品性と寸法安定性を備えたもう1つの高温プラスチックです.
- パイ (ポリイミド): Paiは、卓越した熱的および機械的特性を備えた高性能ポリマーです, 要求の厳しいアプリケーションでよく使用されます.
8.2 金属代替品
- ステンレス鋼: ステンレス鋼 高強度と耐食性を必要とするアプリケーションを覗くための一般的な金属代替品です.
- チタン合金: チタン合金 航空宇宙および医療アプリケーションのピークを交換してください, 軽量の利点と高強度を提供します.
- アルミニウム合金: アルミニウム合金 軽量材料を必要とするアプリケーションを覗くための代替品として使用されます.
9. ピークの持続可能性と環境保護
9.1 生産プロセスの環境保護
Peekの生産には、環境への影響を最小限に抑えるための制御プロセスが含まれます.
製造業者は閉ループシステムを使用して溶媒やその他の材料を回復および再利用します, 廃棄物と排出量の削減.
9.2 リサイクルと再利用
ピークはリサイクル可能です, そのリサイクルプロセスは他のプラスチックと比較してより複雑ですが.
リサイクルされたピークは、重要な機械的または熱的要件のないアプリケーションに適しています.
9.3 環境規制と基準
Peekは、さまざまな環境規制と基準を満たしています, ROHSを含む (有害物質の制限) そして到達します (登録, 評価, 許可, 化学物質の制限).
その生体適合性と非毒性により、医療機器の規制に準拠しています.
10. まとめ
Peekは、さまざまな業界でアプリケーションを要求するのに適した例外的な特性を備えた高性能エンジニアリングプラスチックです.
熱安定性の組み合わせ, 耐薬品性, 機械的強度, 生体適合性は、他の材料とは一線を画します.
ピークは高価で、処理するのが難しいですが, そのユニークなプロパティは、航空宇宙などの重要なアプリケーションでの使用を正当化します, 医療機器, および産業機械.
テクノロジーが進歩するにつれて, Peekはさらに多くのアプリケーションを見つける可能性があります, 高性能エンジニアリングプラスチックの主要な素材としての位置をさらに固める.