آشنایی کامل با پلی اتر اتر کتون PEEK - بخش اول

 پلی اتر اترکتون: چگونه گرید مناسب را انتخاب کنیم؟ - بخش اول

پلی اتر اتر کتون اغلب به اختصار PEEK نامیده می‌شود. این پلیمر مقاوم در برابر حرارت بالا به دلیل خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی استثنایی خود شناخته شده است. به همین دلیل است که آن را در صنایع هوافضا، خودرو، پزشکی و الکترونیک خواهید یافت. اما سوال اصلی این است که چه چیزی PEEK را از سایر پلاستیک‌های مقاوم در برابر حرارت بالا متمایز می‌کند؟ چرا مهندسان به طور خاص PEEK را به سایر جایگزین‌ها ترجیح می‌دهند؟ در اینجا، شما را با نحوه ساخت PEEK و اتفاقاتی که در سطح مولکولی رخ می‌دهد، آشنا خواهیم کرد. سپس، براساس نیازها و کاربردهای خاص به شما در انتخاب گرید ایده ‌آل PEEK کمک خواهیم کرد.

پلاستیک پلی اتر اترکتون (PEEK) چیست؟

پلی ‌اتراترکتون (PEEK) به خانواده پلیمرهای پلی ‌کتون (PEK، PEEK، PEEKK، PEKK، PEKEKK) تعلق دارد که ازمیان آنها، PEEK بیشترین کاربرد را دارد و در مقیاس بزرگ تولید می‌شود. PEEK مخففی است که حقایق نهفته در ساختار شیمیایی آن را بیان می‌کند؛ پلی: واحدهای تکرارشونده زیاد (پلیمر است)، اتر: پیوندهای اکسیژن در زنجیره، اتر: مجموعه دیگری از پیوندهای اکسیژنی و کتون: اتصالات گروه کربونیل (C=O). این ترتیب خاص پیوندهای شیمیایی همان چیزی است که به PEEK خواص استثنایی می‌دهد. این ماده از اوایل دهه ۱۹۸۰ توسط صنایع شیمیایی امپریال (ICI) که بعدها به Victrex PLC تغییر نام داد، به صورت تجاری در دسترس قرر گرفت. PEEK یک پلاستیک کاملا قابل بازیافت است.

ساختار شیمیایی PEEK

1. ترکیب مولکولی: در سطح مولکولی، PEEK از حلقه‌های آروماتیک (ساختارهای بنزن مانند) تشکیل شده است که توسط پیوندهای اتری و گروه‌های کتون به هم متصل شده‌اند. واحد تکرار شامل سه حلقه آروماتیک (ایجاد استحکام و پایداری حرارتی) و دو پیوند اتری (-O-) که انعطاف‌ پذیری و چقرمگی را تضمین می‌کنند و یک گروه کتون (C=O) که مقاومت شیمیایی و استحکام را افزایش می‌دهد. حلقه‌های آروماتیک یک اسکلت سفت و مقاوم در برابر حرارت ایجاد می‌کنند. پیوندهای اتری، انعطاف‌ پذیری کافی را برای جلوگیری از شکنندگی فراهم می‌کنند. گروه‌های کتون نیز به مقاومت شیمیایی و عملکرد در دمای بالا کمک می‌کنند. این ترکیب دقیق، همان چیزی است که PEEK را از سایر پلیمرها متمایز می‌کند.

2. ماهیت نیمه بلوری:PEEK  یک پلیمر نیمه بلوری است. ساختار داخلی آن دارای دو ناحیه است: بلوری و آمورف. بخش بلوری دارای زنجیره‌های مولکولی منظم و فشرده است که دارای استحکام و سختی، مقاومت در برابر حرارت (به راحتی ذوب نمی‌شود) است و از نفوذ مواد شیمیایی جلوگیری می‌کند. بخش آمورف دارای زنجیره‌های تصادفی و شل بسته ‌بندی ‌شده است که دارای استحکام، مقاومت در برابر ضربه، جذب انرژی ضربه و مقاومت در برابر تغییر شکل هستند.

سنتز PEEK

پلیمرهای PEEK با پلیمریزاسیون مرحله‌ای ازطریق دی ‌آلکیلاسیون نمک‌های بیسفنولات به دست می‌آیند.

1. آماده ‌سازی مونومر: دو مونومر اصلی درگیر در سنتز PEEK عبارتند از: 4،۴'-دی‌ فلوروبنزوفنون یا ۱،۴-بیس(۴-فلوروبنزوئیل) بنزن و هیدروکینون. این واکنش در حضور کربنات‌های قلیایی رخ می‌دهد. هیدروکینون با یک باز قوی (مانند کربنات سدیم) واکنش داده می‌شود تا نمک سدیم آن تشکیل شود.

2. پلیمریزاسیون: نمک سدیم هیدروکینون با ۴،۴'-دی ‌فلوروبنزوفنون در یک حلال قطبی غیرپروتونی (مانند دی‌ فنیل سولفون) در دماهای بالا (حدود ۳۰۰ درجه سانتیگراد) واکنش نشان می‌دهد. این واکنش یک جانشینی آروماتیک نوکلئوفیلی است که در آن فنوکسید سدیم به اتم‌های فلوئور در دی ‌فلوروبنزوفنون حمله کرده و منجر به تشکیل پیوندهای اتری می‌شود. فرآیند پلیمریزاسیون ادامه می‌یابد و زنجیره‌های پلیمری بلندتر و بلندتری تشکیل می‌شوند.

3. جداسازی و خالص ‌سازی: محلول پلیمری حاصل سرد شده و در یک ماده غیر حلال (مانند آب) رسوب داده می‌شود تا پلیمر PEEK جدا شود. سپس پلیمر شسته و خشک می‌شود تا ناخالصی‌ها از آن جدا شوند.

واکنش‌های دخیل در سنتز PEEK

PEEK بالاترین انتقال حرارتی را در بین سایر پلیمرهای تجاری از خود نشان می‌دهد. این به دلیل ساختار پلیمری آروماتیک سفت آن است. از این رو، می‌توان از آنها در دماهای بالا تا 240 درجه سانتیگراد استفاده کرد.

خواص PEEK درمقایسه با سایر پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت بالا

PEEK دارای ترکیبی منحصر به فرد از خواص مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی و حرارتی است. دانستن ویژگی‌های متمایز PEEK برای کمک به شما در انتخاب گرید مناسب بسیار مهم است. بیایید نگاهی به ویژگی‌های منحصر به فرد آن بیندازیم.

1. خواص فیزیکی:PEEK یک ترموپلاستیک مهندسی نیمه بلوری و با کارایی بالا است. بلورینگی آن مقاومت بسیار خوبی در برابر طیف وسیعی از مایعات ایجاد می‌کند. همچنین از عملکرد خستگی فوق‌ العاده‌ای نیز برخوردار است. PEEK همچنین در تمام حلال‌های رایج نامحلول است و هیدرولیز نمی‌شود. به مدت ۱۰۰۰ ساعت در بخار یا آب پرفشار بدون تخریب قابل توجه خواص مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این رو، در دمای بالا مقاومت استریلیزاسیون بسیار خوبی دارد. PEEK پایداری ابعادی، خلوص ذاتی و زیست ‌سازگاری خوبی دارد.

2. خواص مکانیکی:PEEK  دارای خواص مکانیکی عالی، خواص کششی استثنایی، استحکام بالا و چقرمگی بالایی است. این پلیمر همچنین مقاومت خزشی بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد. هنگامی که با ویژگی‌های خمشی و کششی ترکیب می‌شود، تعادل بسیار خوبی از خواص را داراست. به عنوان مثال، در مواردی که لازم است ماده در برابر بارهای زیاد برای مدت طولانی در دماهای بالا بدون تغییر شکل دائمی مقاومت کند. PEEK در دماهای بسیار بالا مدول خمشی خوبی دارد. با این حال، قطعات تولیدی ساخته شده از PEEK سبک وزن هستند و می‌توانند در محیط‌های سخت مدت بیشتری دوام بیاورند.

3. خواص حرارتی: PEEK و کامپوزیت‌های آن برای کاربردهای دما بالا مناسب هستند ازجمله هوافضا، خودروسازی، سازه، برق و زیست‌ پزشکی. خواص حرارتی که PEEK از خود نشان می‌دهد عبارتند از نقطه ذوب بالا (Tm) تا ۳۴۳ درجه سانتیگراد، دمای انتقال شیشه بالا (Tg) تا ۱۴۳ درجه سانتیگراد و دمای کارکرد مداوم بالا تا ۲۶۰ درجه سانتیگراد. درمجموع، PEEK مقاومت حجمی و مقاومت سطحی بالایی دارد. علاوه براین، خواص عایقی خوبی دارد و در برابر تغییرات محیطی در طیف وسیعی از دما مقاوم است.

4. اشتعال پذیری: PEEK تا قطر ۱.۴۵ میلیمتر، درجه اشتعال ‌پذیری دارد. به طور کلی، PEEK دارای شاخص اکسیژن (LOI) محدود 35 درصدی است. ازطرفی، میزان انتشار دود و تولید گازهای سمی آن بسیار کم است.

5. تقویت ‌کننده‌ها: افزودن تقویت‌ کننده به PEEK نه تنها مقاومت خزش و خستگی را بهبود می‌بخشد بلکه می‌تواند رسانش حرارتی و دمای اعوجاج حرارتی را نیز افزایش دهد. به عنوان مثال، مدول خمشی پلیمر را می‌توان با افزودن الیاف شیشه و الیاف کربن بهبود بخشید یا استحکام کششی 29000 psi با تقویت الیاف کربن که خواص را در دمای 299 درجه سانتیگراد حفظ می‌کند، قابل دستیابی است.

PEEK خواص منحصر به فرد قابل توجهی نسبت به سایر پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت بالا دارد. درمقایسه با فلوروپلیمرها، PEEK دارای استحکام کششی، HDT، دمای عملیاتی، پیوند، فرآیندپذیری و انتشار گازهای سمی بالاتری است. با این حال، ازنظر مقاومت شیمیایی، هزینه، چقرمگی و مقاومت در برابر آب و هوا در سطح پایین‌تری قرار دارد. اما درمقایسه با PPS، مقاومت حرارتی، چقرمگی و درخشندگی بسیار بهتری دارد. همچنین درمقایسه با PES، عملکرد دمایی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت شیمیایی و عملکرد خستگی بسیار بالاتری دارد.

PEEK معمولا با پلیمرهای دیگر مخلوط نمی‌شود. با این حال، با طیف وسیعی از پلی‌ کتون‌های دیگر و PEI مخلوط‌های امتزاج‌ پذیر تشکیل می‌دهد. مخلوط‌های PEEK/PEI دارای Tg بالاتری هستند و مخلوط‌های آن با PES و PPS نیز بسیار سازگار هستند.