1. Giới thiệu
1.1 Định nghĩa về vật liệu PEEK
Polyetheretherketone (Vật liệu nhìn trộm) là một loại polymer nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể thuộc về polyaryletherketone (Paek) gia đình.
Peek mang lại sự ổn định nhiệt đặc biệt, sức mạnh cơ học, và kháng hóa chất, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng kỹ thuật đòi hỏi.
Khả năng duy trì hiệu suất của nó trong điều kiện khắc nghiệt nâng nó lên lớp polyme hiệu suất cao.
1.2 Lịch sử và sự phát triển của Peek
Peek lần đầu tiên được tổng hợp trong 1978 bởi ICI (Công nghiệp hóa học Hoàng gia), Bây giờ là một phần của Victrex plc.
Ban đầu được phát triển cho các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và ô tô, Peek đã mở rộng thành y tế, thiết bị điện tử, và các lĩnh vực năng lượng do hồ sơ tài sản chưa từng có của nó.
Trong bốn thập kỷ qua, Sự đổi mới liên tục trong các kỹ thuật tổng hợp và xử lý đã khiến Peek trở thành một vật liệu nền tảng trong sản xuất tiên tiến.
1.3 Tình trạng của Peek trong Nhựa kỹ thuật hiệu suất cao
Trong số các polyme hiệu suất cao, Peek nổi bật về sự cân bằng về khả năng xử lý và hiệu suất của nó.
Nó cạnh tranh với các vật liệu như polyimides, Polysulfones, và fluoropolyme nhưng thường vượt trội so với chúng trong nhiệt, hóa chất, và các miền cơ học.
Tình trạng cao cấp của nó được phản ánh trong chi phí của nó, Nhưng giá trị mà nó cung cấp trong các ứng dụng quan trọng về nhiệm vụ biện minh cho khoản đầu tư.
2. Cấu trúc hóa học và tổng hợp PEEK
2.1 Cấu trúc hóa học
Cấu trúc đại phân tử Peek từ bao gồm các đơn vị lặp lại của các liên kết ether và ketone giữa các vòng thơm:
–O–Ph–O–Ph–CO–Ph–
- PH = Nhóm phenylene (vòng thơm)
- O = Cây cầu ether
- Đồng = Nhóm ketone
Những họa tiết cấu trúc này góp phần vào:
- Độ cứng (Nhẫn thơm)
- Tính linh hoạt (liên kết ether)
- Điện trở nhiệt (nhóm ketone)
Bản chất bán tinh thể của PEEK kết quả từ sự đối xứng xương sống của nó, cho phép đóng gói chặt chẽ ở các vùng tinh thể trong khi duy trì các vùng vô định hình cho sự dẻo dai.
2.2 Phương pháp tổng hợp
Vật liệu Peek được tổng hợp thông qua phản ứng polycondensation tăng trưởng bước, thường liên quan đến:
- Monome: 4,4-Difluorobenzophenone (DFBP) và hydroquinone (HQ)
- Dung môi: Diphenyl Sulfone
- Chất xúc tác: Muối kiềm như natri cacbonat
Tổng quan phản ứng:
DFBP + HQ → PEEK + HF (byproduct)
Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao (300400400 ° C.) trong điều kiện được kiểm soát để đạt được các polyme trọng lượng phân tử cao.
3. Đặc điểm hiệu suất cốt lõi của Peek
3.1 Tính chất vật lý
| Tài sản | Giá trị điển hình | Đơn vị |
|---|---|---|
| Tỉ trọng | 1.30 | g/cm³ |
| Màu sắc | Màu be/tự nhiên | - |
| độ cứng | Rockwell R126 | - |
| điểm nóng chảy | 343 | °C |
| TG (Chuyển đổi kính) | 143 | °C |
| Mở rộng nhiệt | 47 X10⁻⁶ | /K |
Tỉ trọng
Với mật độ của 1.30 g/cm³, Vật liệu Peek dày hơn hầu hết các loại nhựa thông thường nhưng nhẹ hơn kim loại, Cung cấp tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tốt.
Màu sắc và ngoại hình
Peek tự nhiên là màu be, với một mượt mà, Xuất hiện bán bóng. Nó có thể được sắc tố, Mặc dù chất tạo màu có thể ảnh hưởng đến độ kết tinh và tính chất.
độ cứng
- Độ cứng của Rockwell: R126, R130
- Vickers độ cứng: ~ 250 HV
Vật liệu PEEK cho thấy độ cứng bề mặt tuyệt vời phù hợp với khả năng chống mài mòn và mài mòn.
Tính chất nhiệt
- điểm nóng chảy: 343°C
- Chuyển đổi kính (TG): 143°C
- Biến dạng nhiệt: Tối thiểu lên đến 260 ° C
Sự ổn định kích thước
Peek thể hiện sự hấp thụ độ ẩm rất thấp (<0.1%), dẫn đến ổn định chiều nổi bật, Ngay cả trong môi trường ẩm hoặc nhiệt độ cao.
3.2 Tính chất hóa học
Kháng hóa chất
Peek chống lại một loạt các hóa chất, bao gồm:
- Axit (lưu huỳnh, nitric)
- Cơ sở (Natri hydroxit, ammoniac)
- Hydrocarbon
- Rượu
Nó không bị tấn công bởi hầu hết các dung môi, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các thiết bị chế biến hóa học.
Kháng dung môi
Peek vẫn ổn định trong:
- Acetone
- Toluene
- Ethanol
- Methylen clorua (Sưng hạn chế có thể xảy ra)
Chống ăn mòn
Xương sống trơ Peek, cung cấp khả năng chống ăn mòn tự nhiên, làm cho nó phù hợp cho môi trường hung hăng.
Khả năng chống cháy
- UL 94 xếp hạng: V.-0 (Tự khai thác)
- Khói thấp và khí thải độc hại
- Đáp ứng các tiêu chuẩn hàng không vũ trụ và công nghiệp đường sắt
Cách điện
Peek là một chất cách điện tốt, Giữ lại các đặc tính ở nhiệt độ và tần số cao.
Tương thích sinh học
Peek cấp y tế tuân thủ:
- ISO 10993
- USP Class VI
- Thích hợp cho cấy ghép dài hạn và các công cụ phẫu thuật
3.3 Tính chất cơ học
| Tài sản | Giá trị điển hình | Đơn vị |
|---|---|---|
| Độ bền kéo | 90Mạnh100 | MPa |
| Sức mạnh uốn | 150Mạnh170 | MPa |
| Cường độ nén | 110Mạnh120 | MPa |
| Sức mạnh tác động (Được ghi nhận izod) | 55Mạnh65 | J/m |
| Kháng mệt mỏi | Xuất sắc | - |
Độ bền kéo
Vật liệu PEEK thể hiện độ bền kéo cao (~ 100 MPa), Duy trì độ cứng dưới tải.
Sức mạnh uốn và nén
Mô đun uốn của nó (~ 4 GPA) và cường độ nén củng cố sự phù hợp của nó đối với các bộ phận chịu tải.
Tác động và sức đề kháng mệt mỏi
Peek chống lại các tác động lặp đi lặp lại và tải theo chu kỳ mà không bị nứt, Quan trọng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và y tế.
3.4 Tính chất nhiệt
Hiệu suất nhiệt độ cao
Peek giữ lại các thuộc tính cơ học tại:
- Nhiệt độ sử dụng liên tục: lên đến 260 ° C.
- Các đỉnh ngắn hạn lên đến 300 ° C
Khả năng chống creep
Peek cho thấy leo rất thấp, Ngay cả dưới tải cao ở nhiệt độ cao.
Độ dẫn nhiệt
- Khoảng 0.25 W/m·K
Trong khi không phải là một nhạc trưởng tốt, Sự ổn định nhiệt làm cho nó phù hợp với các thành phần tiếp xúc với nhiệt.
3.5 Mặc thuộc tính
| Tài sản | Giá trị điển hình |
|---|---|
| Tỷ lệ mặc (không được lấp đầy) | Vừa phải |
| Hệ số ma sát | 0.3Tiết0.4 |
| Vật liệu tổng hợp bôi trơn | 0.1Tiết0.2 |
Peek cung cấp khả năng chống mài mòn tuyệt vời, Đặc biệt là khi chứa đầy sợi carbon, than chì, hoặc ptfe.
3.6 Cách điện
| Tài sản điện | Giá trị | Đơn vị |
|---|---|---|
| Hằng số điện môi | 3.2Cấm3.6 | - |
| Sức mạnh điện môi | 17–22 | KV/mm |
| Điện trở suất thể tích | >10⁵ | Oh · cm |
Tính chất cách nhiệt Peek, ổn định trên phạm vi nhiệt độ và tần số rộng.
3.7 Che chắn điện từ
Trong khi vật liệu peek chưa được lấp đầy không cung cấp bảo vệ EMI, lớp chứa đầy carbon (ví dụ., CF-PEEK) Cung cấp hiệu quả che chắn vừa phải, làm cho chúng phù hợp với vỏ điện tử.
4. Phương pháp xử lý PEEK
4.1 ép phun
Peek có thể được xử lý bằng cách sử dụng đúc phun, là phương pháp phổ biến để tạo ra các hình dạng và thành phần phức tạp.
Quá trình này bao gồm các viên peek tan chảy và tiêm vật liệu nóng chảy vào khuôn dưới áp suất cao.
Đưa phun cho phép sản xuất các bộ phận chính xác cao với kích thước và tính chất phù hợp.
4.2 Đau đúc
Đúc đùn được sử dụng để tạo ra cái nhìn dưới dạng que, ống, và tờ.
Quá trình này liên quan đến việc tan chảy và buộc nó qua một cái chết để tạo thành hình dạng mong muốn. Đùn đặc biệt hữu ích cho việc sản xuất các cấu hình và các thành phần liên tục có mặt cắt đồng đều.
4.3 Gia công CNC và in 3D
Peek có thể được gia công bằng CNC (Điều khiển số máy tính) các kỹ thuật để tạo ra các bộ phận chính xác và phức tạp.
Độ cứng cao và khả năng chống mài mòn của nó làm cho nó phù hợp với Gia công CNC các hoạt động như biến, xay xát, và khoan.
Ngoài ra, Peek có thể được xử lý bằng FDM (Mô hình lắng đọng hợp nhất) 3D in, cho phép sản xuất các bộ phận tùy chỉnh với các thiết kế phức tạp.
4.4 Điều trị nhiệt và ủ
Peek có thể được xử lý nhiệt hoặc được ủ để cải thiện tính chất cơ học của nó và giảm căng thẳng bên trong.
Xử lý nhiệt đặc biệt hữu ích cho các thành phần yêu cầu ổn định kích thước cao và khả năng chống creep.
5. Sửa đổi và vật liệu tổng hợp của PEEK
5.1 Thêm sợi thủy tinh (Gf-peek)
Kính lọc sợi thủy tinh (Gf-peek) là một vật liệu tổng hợp giúp tăng cường sức mạnh cơ học và độ cứng của PEEK.
Việc bổ sung các sợi thủy tinh cải thiện độ bền kéo, sức mạnh uốn, và sức cản tác động của vật liệu.
GF-Peek cung cấp độ ổn định sức mạnh và chiều cao, Làm cho nó trở nên lý tưởng cho các thành phần hàng không vũ trụ và máy móc công nghiệp.
5.2 Thêm sợi carbon (CF-PEEK)
Sợi carbon được gia cố PEEK (CF-PEEK) là một vật liệu tổng hợp khác giúp tăng cường đáng kể các tính chất cơ học của PEEK.
CF-Peek cung cấp sức mạnh vượt trội, Độ cứng, và sức đề kháng của mặc so với cái nhìn không được lấp đầy.
Vật liệu PEEK này thống trị các ứng dụng đòi hỏi cả sự nhẹ nhàng và sức mạnh, đặc biệt trong các thành phần hàng không vũ trụ và ô tô.
5.3 Thêm chất bôi trơn (chẳng hạn như than chì, PTFE)
Vật liệu Peek chấp nhận sửa đổi chất bôi trơn như than chì hoặc PTFE để tăng cường khả năng chống mài mòn và giảm thiểu ma sát.
Những sửa đổi này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng liên quan đến các bộ phận trượt hoặc xoay, chẳng hạn như vòng bi và hải cẩu.
5.4 Bảng so sánh hiệu suất
Bảng sau so sánh các thuộc tính của cái nhìn chưa được lấp đầy, Gf-peek, và cf-peek:
| Tài sản | Cái nhìn không đầy đủ | Gf-peek | CF-PEEK |
|---|---|---|---|
| Độ bền kéo (MPa) | 90 | 120 | 150 |
| Sức mạnh uốn (MPa) | 120 | 150 | 180 |
| Sức mạnh tác động (kj /) | 20 | 25 | 30 |
| Tỉ trọng (g/cm³) | 1.32 | 1.50 | 1.60 |
| Hệ số ma sát | 0.15–0,25 | 0.10Cấm0.15 | 0.10Cấm0.15 |
6. Các khu vực ứng dụng của vật liệu PEEK
6.1 Hàng không vũ trụ
- Linh kiện động cơ: Peek được sử dụng trong các thành phần động cơ phản lực do tính năng chịu nhiệt độ cao và tính chất nhẹ.
- Bộ phận kết cấu: Vật liệu PEEK được sử dụng trong các thành phần cấu trúc như dấu ngoặc, buộc chặt, và đầu nối.
- Các thành phần điện tử: Peek được sử dụng trong điện tử hàng không vũ trụ do cách nhiệt điện và độ trễ ngọn lửa của nó.
6.2 Ngành y tế
- Cấy ghép: Peek phục vụ như một vật liệu lý tưởng cho cấy ghép y tế như lồng cột sống và thay thế khớp, Cung cấp tính tương thích sinh học đặc biệt và sức mạnh cơ học.
- Dụng cụ phẫu thuật: Peek được sử dụng trong các dụng cụ phẫu thuật do khả năng chống triệt sản và khả năng chống mài mòn của nó.
- Thiết bị y tế: Peek được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy bơm và van do khả năng kháng hóa chất và khả năng tương thích sinh học của nó.
6.3 Lĩnh vực công nghiệp
- Nồi nhiệt độ cao: Peek thực hiện một cách đáng tin cậy trong các con dấu nhiệt độ cao cho các tuabin hơi nước và thiết bị chế biến hóa học.
- Vòng bi: Peek được sử dụng trong vòng bi do ma sát và khả năng chống mòn thấp.
- Linh kiện bơm và van: Vật liệu PEEK vượt trội trong các thành phần bơm và van vì điện trở hóa học và độ ổn định kích thước của nó.
6.4 Điện tử và điện
- Vật liệu cách điện: Peek phục vụ như một vật liệu cách điện tuyệt vời cho các thành phần điện, Cảm ơn sức mạnh điện môi xuất sắc của nó.
- Đầu nối: Peek được sử dụng trong các đầu nối do cách nhiệt điện và độ trễ ngọn lửa của nó.
- Bảng mạch hỗ trợ: Peek vượt trội như một vật liệu hỗ trợ bảng mạch vì độ ổn định chiều cao và điện trở nhiệt.
6.5 Các ứng dụng khác
- Chế biến thực phẩm: Peek được sử dụng trong thiết bị chế biến thực phẩm do khả năng kháng hóa chất và khả năng tương thích sinh học của nó.
- Công nghiệp ô tô: Peek phục vụ trong các cảm biến và đầu nối ô tô, Tận dụng bản chất nhẹ và sức đề kháng nhiệt độ cao của nó.
- Công nghiệp hạt nhân: Peek thực hiện một cách đáng tin cậy trong các ứng dụng hạt nhân vì khả năng chống bức xạ đặc biệt và độ ổn định hóa học của nó.
7. Ưu điểm và hạn chế của vật liệu PEEK
7.1 Thuận lợi
- Hiệu suất nhiệt độ cao: Peek có thể duy trì tính chất của nó ở nhiệt độ lên đến 250 ° C, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao.
- Kháng hóa chất: Peek có khả năng chống lại một loạt các hóa chất, bao gồm axit, cơ sở, và dung môi.
- Sức mạnh cơ học: Peek triển lãm kéo dài, uốn cong, và cường độ nén, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu.
- Tương thích sinh học: Chất liệu Peek tương thích sinh học và không độc hại, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng y tế.
7.2 Hạn chế
- Chi phí cao: Peek là một trong những loại nhựa kỹ thuật đắt nhất, Điều nào giới hạn việc sử dụng nó trong các ứng dụng nhạy cảm với chi phí.
- Khó khăn xử lý: Peek đòi hỏi nhiệt độ và áp lực xử lý cao, có thể là thách thức đối với một số quy trình sản xuất.
- Mật độ cao: Peek có mật độ tương đối cao so với các loại nhựa kỹ thuật khác, có thể là một bất lợi trong các ứng dụng yêu cầu vật liệu nhẹ.
8. Vật liệu thay thế cho Peek
8.1 Các chất thay thế nhựa nhiệt độ cao
- Pei (Poly utimide): PEI là một loại nhựa nhiệt độ cao với tính chất cơ học và nhiệt tuyệt vời. Nó thường được sử dụng như một giải pháp thay thế để xem qua các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống nhiệt độ cao.
- PPS (Polyphenylen sulfide): PPS là một loại nhựa nhiệt độ cao khác với điện trở hóa học tuyệt vời và độ ổn định kích thước.
- Pai (Polyimide): PAI là một polymer hiệu suất cao với tính chất nhiệt và cơ học đặc biệt, thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi.
8.2 Thay thế kim loại
- thép không gỉ: Thép không gỉ là một chất thay thế kim loại phổ biến cho cái nhìn trong các ứng dụng đòi hỏi sức mạnh cao và khả năng chống ăn mòn.
- Hợp kim Titan: Hợp kim Titan Thay thế Peek trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và y tế, Cung cấp những lợi thế nhẹ và sức mạnh cao.
- Hợp kim nhôm: Hợp kim nhôm được sử dụng làm chất thay thế cho cái nhìn trong các ứng dụng yêu cầu vật liệu nhẹ.
9. Tính bền vững và bảo vệ môi trường của Peek
9.1 Bảo vệ môi trường của quy trình sản xuất
Việc sản xuất PEEK liên quan đến các quy trình được kiểm soát để giảm thiểu tác động môi trường.
Các nhà sản xuất sử dụng các hệ thống vòng kín để phục hồi và tái sử dụng dung môi và các vật liệu khác, Giảm chất thải và khí thải.
9.2 Tái chế và tái sử dụng
Peek có thể tái chế, Mặc dù quá trình tái chế của nó phức tạp hơn so với các loại nhựa khác.
Tái chế Peek hoạt động tốt cho các ứng dụng mà không cần các yêu cầu cơ học hoặc nhiệt quan trọng.
9.3 Quy định và tiêu chuẩn môi trường
Peek đáp ứng các quy định và tiêu chuẩn môi trường khác nhau, bao gồm cả Rohs (Hạn chế các chất nguy hiểm) và tiếp cận (Sự đăng ký, Sự đánh giá, Ủy quyền, và hạn chế hóa chất).
Khả năng tương thích sinh học và không độc hại của nó làm cho nó tuân thủ các quy định về thiết bị y tế.
10. Bản tóm tắt
Peek là một loại nhựa kỹ thuật hiệu suất cao với các đặc tính đặc biệt làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Sự kết hợp của sự ổn định nhiệt của nó, kháng hóa chất, sức mạnh cơ học, và tính tương thích sinh học khiến nó khác biệt với các vật liệu khác.
Trong khi Peek đắt tiền và đầy thách thức để xử lý, Các thuộc tính độc đáo của nó biện minh cho việc sử dụng nó trong các ứng dụng quan trọng như hàng không vũ trụ, thiết bị y tế, và máy móc công nghiệp.
Khi công nghệ tiến bộ, Peek có khả năng tìm thấy nhiều ứng dụng hơn nữa, tiếp tục củng cố vị trí của nó như là một vật liệu hàng đầu trong nhựa kỹ thuật hiệu suất cao.