Полное руководство по материалу из пластика PEEK

По сравнению с другими инженерными пластиками, пластик PEEK предлагает множество значительных преимуществ, включая высокотемпературную стойкость, отличные механические свойства, хорошие самосмазывающие свойства, химическую стойкость, огнеупорность, сопротивление отслаиванию, стабильную электрическую изоляцию и гидролитическую стабильность. Он широко используется в аэрокосмической, автомобильной, электронной, медицинской и пищевой промышленности.

PEEK пластиковый материал Определение​

PEEK (полиэфирэфиркетон) считается “золотом пластика”. Это высокопроизводительный специализированный инженерный пластик и тип синтетической смолы. Он был впервые успешно разработан британской компанией ICI в 1978 году. Его молекулярная цепь содержит бензольные кольца, кетоновые связи и эфирные связи, что приводит к полукристаллической структуре, сочетающей жесткость и прочность.
Полиэфирэфиркетон принадлежит к семейству материалов полиарилэфиркетон. Связанные и похожие материалы включают полиэфиркетон (PEK), полиэфирэфиркетонкетон (PEKK), полиэфирэфиркетонкетонкетон (PEEKK) и полиэфирэфиркетонкетонэфир (PEKEKK).

Процесс производства пластика PEEK:

Основной производственный процесс для полиэфирэфиркетона (PEEK) основан на нуклеофильной замещающей конденсации. Основные компоненты формулы материала PEEK включают фторкетон (самый важный компонент), гидрохинон, дибензолсульфон и карбонат натрия (карбоновое волокно, стекловолокно, графит и PTFE). Исходные материалы — фторкетон, гидрохинон и карбонат натрия — проходят реакцию конденсации в растворителе дибензолсульфон. Температура реакции должна контролироваться в диапазоне 280°C–340°C для полимеризации, которая длится 8–12 часов. После этапов очистки и сушки получается высокочистая сырьевая пудра PEEK, которая затем обрабатывается в различные формы PEEK.

Свойства пластика PEEK

Основная цепочка структуры PEEK содержит повторяющиеся единицы кислород-п-фенилен-кислород-карбонил-п-фенилен. Он обладает широким распределением молекулярной массы, а его боковые группы проявляют высокую реактивность и эффекты конъюгации.

Следующий список содержит только свойства стандартного материала PEEK; для других модифицированных или армированных материалов PEEK, пожалуйста, проконсультируйтесь с нами или обратитесь к соответствующей документации:

Стандартный материал PEEK плотность: примерно 1,3 г/см³. Как видно, плотность PEEK примерно вдвое меньше, чем у алюминия 6061, что делает его значительно легче.

Устойчивость к высоким температурам: Температура плавления PEEK составляет 330–343°C. Он может нормально работать при температурах до 260°C и выдерживать кратковременное воздействие температур до 340°C без плавления или деформации.

Превосходно механические свойства: PEEK обладает прочностью на растяжение в три раза выше, чем у алюминиевого сплава, и в два раза выше, чем у стали, а его модуль упругости в изгибе в четыре раза превышает алюминиевый сплав.

Химическая стойкость: Он проявляет чрезвычайно высокую стойкость к сильным кислотам (за исключением концентрированной серной кислоты), сильным щелочам и органическим растворителям, уровень коррозионной стойкости приближается к никелевой стали.

Биосовместимость: Его жесткость аналогична жесткости человеческой кости, и он не создает артефактов при послеоперационной визуализации, что делает его подходящим для производства медицинских устройств, таких как имплантаты для пластической хирургии лица, черепные протезы и спинальные имплантаты.

Самосмазка и износостойкость: Смола PEEK по своей природе обладает отличной самосмазкой и износостойкостью; однако для работы при высоких температурах до 250°C требуется наполнение материалами, такими как углеродное волокно, графит или PTFE, для повышения износостойкости и смазочных свойств. Модифицированный PEEK может достигать коэффициента трения всего 0,15 при очень низких скоростях износа.

Электрическая изоляция и размерная стабильность: PEEK сохраняет стабильные свойства электрической изоляции даже в условиях высокой температуры и влажности (объемное сопротивление > 10¹⁶ Ом·см). Кроме того, он обладает низким коэффициентом линейного расширения, что делает его устойчивым к деформациям из-за изменений температуры после формовки, и поэтому подходит для производства высокоточных электронных компонентов.

Огнестойкость: PEEK самозатухающий и может соответствовать стандарту UL 94 V-0 даже без добавления огнезащитных веществ, удовлетворяя строгим требованиям пожарной безопасности в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность.

Следует кратко изложить параметры PEEK:

Общий Классы материалов PEEK

Мы классифицируем обрабатываемые и производимые нами материалы PEEK по следующим классам в зависимости от типа армирования:

Натуральный материал PEEK: Такие как PEEK 450G, 450P, 150G и 380G. Эти материалы не армированы волокнами или наполнителями и обладают хорошей прочностью и технологичностью. Они подходят для применений, не требующих высокой прочности, но требующих хорошей химической стойкости и размерной стабильности.

Углеродный материал PEEK: Углеродное волокно используется в качестве армирующего агента в имплантационных материалах PEEK. Распространённые классы включают PEEK 450CA30 и 450CA40, содержащие углеродное волокно 30%–40%. Эти материалы значительно повышают прочность, жёсткость и сопротивление высоким температурам, делая их подходящими для аэрокосмической, автомобильной и механической промышленности.

Стекловолоконный PEEK: Материалы, такие как PEEK 450GL30 и PEEK GF30, содержат стекловолокно 30%. По сравнению со стандартным PEEK, они обладают более высокой термостойкостью и модулем упругости, что делает их подходящими для высокотемпературных, высокнагрузочных и устойчивых к деформациям применений в машиностроении и химической промышленности.

Износостойкий модифицированный PEEK: Примеры включают PEEK WG101 и WG102, содержащие твердые смазки (такие как PTFE и графит). Эти материалы характеризуются низкими коэффициентами трения и отличной износостойкостью, что делает их подходящими для компонентов, подверженных трению, таких как подшипники, направляющие и уплотнения.

UV-устойчивый PEEK: Модифицирован с использованием нанотехнологий для внедрения УФ-абсорбентов, защита от УФ превышает 90%. UV-устойчивый PEEK сохраняет чрезвычайно высокую стабильность цвета и обеспечивает высокие механические свойства в условиях сильного излучения, высокой высоты и значительных температурных колебаний.

Плюсы и Cons материалов PEEK

Преимущества:

Материалы PEEK сочетают высокую жесткость с хорошей ударопрочностью. Их усталостная стойкость сопоставима с сплавами, что позволяет выдерживать большие нагрузки и высокочастотные колебания;

стабильные механические и физические свойства при высоких температурах; устойчивы к коррозии большинства кислот, щелочей и органических растворителей (за исключением концентрированной серной кислоты), с коррозионной стойкостью, сравнимой с никелевой сталью;

они соответствуют стандарту UL94 V-0 без добавления огнезащитных веществ и при этом выделяют мало дыма и токсичных газов при горении;

они также обладают чрезвычайно низким уровнем водопоглощения и отличной гидролитической стабильностью, что позволяет использовать их длительное время в горячей воде и паре под высоким давлением при 200°C с хорошей размерной стабильностью.

Также они предлагают несколько уникальных преимуществ для высококлассных применений, включая биосовместимость, сертифицированную по стандартам FDA и ISO 10993; они нетоксичны и не вызывают аллергию, с модулем упругости, аналогичным человеческой кости, и прозрачностью для рентгеновских лучей, что делает их идеальным материалом для медицинских имплантатов, не мешающих медицинским обследованиям, таким как КТ и МРТ;

Обеспечивают отличные электрические изоляционные свойства в широком диапазоне частот и при сверхнизких температурах, что делает их подходящими для изоляции компонентов в электронике и электротехнике;

Материал легкий, что позволяет значительно снизить вес при сохранении требований к прочности, идеально соответствуя потребностям легкого дизайна в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная промышленность.

Ограничения

PEEK дорогой и сложный в обработке, стоимость стандартного материала составляет примерно $100 до $400 за кг. Его синтез сложен, а затраты на сырье и энергию высоки. Кроме того, его высокая температура плавления, высокая вязкость и поликристаллическая структура накладывают строгие требования на оборудование и его обслуживание.

Дополнительно, он проявляет недостаточную износостойкость в условиях высокой скорости и износа, а также имеет плохую устойчивость к ультрафиолету. Прямое поверхностное соединение и покрытие затруднены, требуют плазменных, растворных, механических или радиационных обработок для повышения адгезии и трения поверхности PEEK.

Более того, высокая химическая стабильность PEEK усложняет его переработку, и он может испытывать снижение изоляционных характеристик или проблемы с статическим электричеством в условиях высокого электрического поля или высокой влажности. Однако эти недостатки можно устранить с помощью технических мер, таких как модификация материала и оптимизация процессов.

Области применения и компоненты PEEK

1. Аэрокосмическая промышленность: В аэрокосмическом секторе PEEK в основном используется для снижения веса и повышения износостойкости, что позволяет производить компоненты двигателей при высоких температурах, детали трансмиссии и рулевые элементы.

2. Медицинская сфера: Медицинский сектор — одна из областей, где PEEK демонстрирует наибольшую ценность, поскольку его эластичность похожа на кость, а также он обладает отличной биосовместимостью. Материалы PEEK используются в искусственных суставах, лицевых косметических имплантатах, хирургических инструментах, ортодонтических аппаратах, коронках и зубных реставрациях.

3. Автомобили: Благодаря своим самосмазывающимся свойствам и высокой температурной стабильности, PEEK в основном используется в автомобильной промышленности для изготовления клапанных корпусов двигателей, штоков клапанов, подшипников, втулок и шестерен в трансмиссии и рулевом управлении, а также корпусов аккумуляторов и теплоотводных пластин для новых энергетических автомобилей.

4. Электроника и электротехника: Благодаря отличной электрической изоляции, размерной стабильности, стабильности при высоких частотах и чрезвычайно низкому водопоглощению, PEEK широко применяется в гибких подложках для высокочастотной связи, носителях и фиксаторах для полупроводниковых пластин, основах для печатных плат, электронных схем 5G, корпусах датчиков и упаковке электронных компонентов.

Формы исходных материалов PEEK

Исходные материалы PEEK (полиэфирэфиркетон) обычно доступны в следующих формах:

Гранулы

Это наиболее распространенная форма, обычно состоящая из цилиндрических или неправильных гранул диаметром обычно от 1 до 5 миллиметров. Гранулированный PEEK легко хранить, транспортировать и обрабатывать, он подходит для традиционных процессов формовки, таких как литье под давлением и экструзия.

Порошок

Состоящий из мелких частиц PEEK, с размером частиц обычно от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. Порошковый PEEK подходит для процессов таких как прессовка, порошковое покрытие и 3D-печать (например, селективное лазерное спекание), и может соответствовать требованиям формовки для сложных форм или тонкостенных изделий.

Прутки

Прутки с цилиндрическим или квадратным сечением, диаметры или стороны обычно варьируются от нескольких сантиметров до более десяти сантиметров; длина может быть настроена по необходимости. Прутки из PEEK используются в основном для обработки в индивидуальные детали, такие как подшипники, шестерни и уплотнения.

Листы

Толщина обычно варьируется от нескольких миллиметров до десятков миллиметров, ширина и длина могут быть настроены в соответствии с производственными требованиями. Листы из PEEK могут обрабатываться резкой, фрезеровкой и другими методами для производства компонентов, таких как плоские пластины, корпуса и монтажные скобы.

Трубки

Доступны в виде трубчатых форм с различными внутренними и внешними диаметрами, толщина стенки рассчитана в соответствии с требованиями применения. Трубки из PEEK широко используются для транспортировки жидкостей, изоляционных втулок и подобных применений.

Пленка

Благодаря высокой стойкости к теплу и холоду, отличным изоляционным свойствам и сочетанию прочности и гибкости, пленка из PEEK может использоваться в таких приложениях, как диафрагмы микрошаговых динамиков, изоляционные слои батарей, электронная упаковка и сенсорные подложки. Ее толщина обычно варьируется от 3 микрометров до 500 микрометров.

Сырье из PEEK в различных формах может быть выбрано в зависимости от конкретных требований применения и преобразовано в конечные изделия с помощью соответствующих технологий обработки.

Общие методы обработки PEEK

Литье под давлением: После сушки сырье из PEEK расплавляется при высокой температуре и впрыскивается в формы под высоким давлением для получения окончательной формы. После термообработки процесс позволяет эффективно массово производить сложные, точные детали. Требуется строгий контроль температуры и давления, чтобы избежать дефектов формовки.

Экструзионное формование: поставщики сырья из PEEK обычно сушат сырье, расплавляют его при высокой температуре, экструзируют, охлаждают и нарезают по форме. Это обеспечивает качество PEEK и в основном используется для непрерывного производства длинных профилей, таких как листы и трубки из PEEK.

Прессовка: высушенное сырье из PEEK помещается в форму и формуется при высокой температуре и высоком давлении с последующим медленным охлаждением. Полученные изделия обладают отличной плотностью и подходят для производства средних по размеру структурных компонентов в средних партиях; однако производительность относительно низкая.

3D-печать: Этот метод включает технологии 3D-печати FDM и SLS, позволяющие быстро производить различные сложные компоненты из PEEK с высокой гибкостью дизайна. Основная сложность заключается в контроле межслойной прочности и кристалличности.

Порошковое покрытие: после предварительной обработки поверхности наносится покрытие из PEEK при высокой температуре и подвергается термообработке по необходимости. Этот процесс повышает защитные свойства поверхности и широко используется для модификации коррозионной и износостойкости различных компонентов.

Индивидуальная обработка: с помощью многоосевой ЧПУ-обработки, шлифовки, нарезания резьбы и других процессов PEEK может заменять металл в нестандартных структурных компонентах, обеспечивая долгосрочную и стабильную работу в условиях агрессивных кислотных, щелочных и высокотемпературных сред. Однако для этого требуется тщательная настройка параметров обработки и выбор подходящих режущих инструментов.

Общая обработка поверхности пластиковых деталей из PEEK

1. Плазменная обработка: Высокоэнергетичные плазменные частицы разрывают химические связи на поверхности PEEK и вводят полярные функциональные группы, химически усиливая активность поверхности, гидрофильность и адгезию, тем самым удовлетворяя потребности в модификации медицинских имплантатов и электронных компонентов.
2. Химическая травление: Используются высокореактивные химические реагенты для травления поверхности PEEK, увеличивая шероховатость поверхности и химическую реактивность, что обеспечивает высокопрочное и стабильное соединение между PEEK и разнородными материалами, такими как металлы.
3. Пескоструйная обработка: Высокоскоростной абразивный удар создает на поверхности PEEK грубую, неровную структуру, увеличивая площадь контакта и снимая внутренние напряжения. Это основной процесс предварительной обработки поверхности перед нанесением покрытий и склеиванием.
4. Лазерная обработка: Используя двойные эффекты лазерных фототермических и фотохимических процессов, морфология и химический состав поверхности PEEK точно контролируются для формирования микро/нано функциональных структур, достигая локальной направленной модификации.
5. Обработка покрытием: На поверхность PEEK наносятся различные функциональные композитные покрытия для устранения недостатков износостойкости, коррозионной стойкости, электропроводности и биосовместимости, что делает их широко применимыми в сложных условиях работы в различных отраслях.
6. Механическая полировка: Физическая шлифовка и тонкая полировка удаляют заусенцы и неровности с поверхности PEEK, улучшая гладкость поверхности и точность размеров для соответствия требованиям внешнего вида и прецизионных характеристик высокоточных компонентов.

Будущее развитие пластмассового материала PEEK

С точки зрения рыночных перспектив, прогнозы отрасли указывают, что мировой рынок PEEK достигнет 1 трлн 4 трлн 2,14 миллиарда к 2030 году, при этом

Китай занимает более 40% рынка и сохраняет ежегодный рост более 15%. Особенно в таких областях, как робототехника, новые энергетические транспортные средства, аэрокосмическая промышленность и медицинские приложения, использование материалов PEEK будет стремительно расти.

Технологические тенденции проявляются в трех основных направлениях:

Высокая производительность: Разработка материалов PEEK с более высокой температурной стойкостью, таких как нить PEEK, способная выдерживать сверхвысокие температуры до 350°C, чтобы соответствовать требованиям топливных баков космических кораблей.

Повышенная чистота: Улучшение чистоты продукции; например, пленка PEEK с температурной стойкостью 260°C достигает чистоты 99,991%, при этом цена за тонну достигает 800 000 юаней, а валовая прибыльность составляет 50%.

Индивидуализация: Разработка специальных марок для различных сценариев применения, таких как антимикробные покрытия PEEK для хирургических инструментов и фоточувствительные чернила PEEK для 3D-печати.

Основные проблемы включают:

Обеспечение сырья: Нестабильность поставок основных сырьевых материалов PEEK — DFBP (4,4′-дифторбензофенон) и гидрохинона, колебания цен которых могут влиять на валовую прибыльность.

Высокотехнологичные барьеры: для полупроводниковых и медицинских применений некоторые компании должны достигнуть прорывов в синтезе высокочистых смол и процессах точного формования.

Риски расширения производственных мощностей: если темпы роста спроса на PEEK не оправдают ожиданий, это может привести к временной избыточной мощности.

Об обработке Weldo

Weldo Machining имеет более 14 лет опыта в области Обработка на станках с ЧПУ и изготовлении индивидуальных деталей из PEEK. Мы знакомы более чем с 50 методами обработки поверхности и обладаем многолетним опытом в области литья под давлением, литья, листового металла и экструзии. Мы сертифицированы по ISO 9001:2015 и накопили многолетний опыт в цепочках поставок сырья, включая полный набор КИМ процессов. Мы можем удовлетворить ваши потребности в высококачественной индивидуализации. Пожалуйста связаться с нами для получения дополнительной информации и обработки цитировать.

FAQ по пластиковому материалу PEEK