خواص و کاربردهای PEEK - بخش اول

خواص و کاربردهای PEEK - بخش اول

پلی ‌اتر اترکتون (PEEK) یک ترموپلاستیک با کارایی بالا از خانواده پلی‌ آریل ‌اتر‌کتون (PAEK) است. این ماده به ‌طور خاص برای کاربردهای دشوار، زمانی که سایر مواد ناکافی بودند، طراحی شده است. PEEK به دلیل استحکام ذاتی، سبکی و مقاومت شیمیایی عملکرد فوق ‌العاده‌ای در شرایط سخت از خود نشان می‌دهد. همچنین دارای پایداری حرارتی و ابعادی بالا و مقاومت در برابر هیدرولیز است. این ویژگی‌ها به PEEK اجازه می‌دهد تا برای قطعات حیاتی در زمینه‌های مختلف مانند هوافضا و کاربردهای زیست ‌پزشکی مورد استفاده قرار گیرد. بیایید نگاهی دقیق‌تر به خواص PEEK و کاربردهای آن بیندازیم.

PEEK چیست؟

PEEK یک ترموپلاستیک است که خواص مکانیکی عالی فلزات و وزن سبک پلاستیک‌ها را با پایداری شیمیایی و حرارتی بالا ترکیب می‌کند. PEEK زمانی معرفی شد که مواد سنتی نمی‌توانستند با پیشرفت‌های سریع در کاربردهای مهندسی و زیست‌ پزشکی همگام شوند. به عنوان مثال، برخی از کاربردهای زیست‌ پزشکی مانند ایمپلنت‌های ارتوپدی نیاز به زیست ‌سازگاری، استحکام مکانیکی بالا، مقاومت سایشی عالی، مقاومت در برابر خوردگی و رادیواپاسیته دارند. فلزات می‌توانند برخی از این الزامات را برآورده کنند، اما نه همه آنها را، و این امر طول عمر ایمپلنت فلزی را کاهش می‌دهد.

PEEK در سطح مولکولی به منظور جایگزینی فلزات در کاربردهای زیست‌ پزشکی و مهندسی طراحی شده است. این پلاستیک دارای یک ستون فقرات از حلقه‌های آروماتیک است که به آن مقاومت حرارتی و استحکام مکانیکی می‌بخشد. ‌پیوندهای اتری انعطاف‌ پذیری ساختار را افزایش داده و گروه‌های کتون نیز پایداری شیمیایی را به حداکثر می‌رسانند.

ساختار مواد PEEK

PEEK یک پلیمر جامد نیمه بلوری شامل نواحی بلوری با زنجیره‌های مولکولی منظم و فشرده و نواحی آمورف با زنجیره‌های مولکولی نامنظم و سست است. ساختار منظم، فشردگی مولکولی محکمی را در نواحی کریستالی ایجاد می‌کند که استحکام و سختی پلیمر را افزایش می‌دهد. این ساختار متراکم همچنین نسبت به مواد شیمیایی نفوذپذیری کمتری دارد زیرا مولکول‌ها وقتی به هم فشرده باشند، نفوذپذیری آنها به حداقل می‌رسد. زنجیره‌های منظم PEEK همچنین در برابر حرکت در برابر گرما مقاومت بوده و پایداری ابعادی را تضمین می‌کنند. نواحی آمورف به PEEK خاصیت ترموپلاستیکی می‌دهند. علاوه براین، زنجیره‌های نامنظم در نواحی آمورف امکان حرکت و اتلاف تنش را فراهم می‌کنند که باعث افزایش شکل‌ پذیری، چقرمگی و جلوگیری از شکستگی می‌شود. این انعطاف ‌پذیری زنجیره همچنین امکان جذب انرژی ضربه را فراهم نموده و مقاومت در برابر ضربه را افزایش می‌دهد.

خواص مواد PEEK

موارد استفاده و کاربردهای PEEK همگی به طور مستقیم از خواص این ماده ناشی می‌شوند. بنابراین درک کامل خواص آن مهندسان را قادر می‌سازد تا موادی را انتخاب کنند که استفاده از PEEK را نسبت به سایر مواد توجیه و الزامی می‌کند. به طور کلی، خواص PEEK به خواص مکانیکی و فیزیکی، حرارتی، شیمیایی، الکتریکی و در نهایت چند کیفیت مختلف که با هم ترکیب شده اند گروه بندی می‌شود.

خواص فیزیکی و مکانیکی PEEK

PEEK دارای خواص مکانیکی استثنایی است. در مقایسه با فلزات با حجم یکسان، وزن بسیار سبک‌تری دارد. به عنوان مثال، دو برابر سبک‌تر از آلومینیوم است.

1. استحکام و سختی: اگرچه استحکام کششی و مقاومت ضربه‌ای PEEK کمتر از فلزات است (استحکام کششی PEEK، 100-85 مگاپاسکال است؛ در مقایسه با فولاد ضد زنگ که 304: 517 مگاپاسکال است) اما نسبت استحکام به وزن آن، مزیت بزرگی در کاربردهای حساس به وزن به آن می‌دهد. PEEK همچنین دارای استحکام خمشی است که با برخی از فلزات مانند آلومینیوم قابل مقایسه است.

2. سفتی و چقرمگی: PEEK مقادیر معقولی از مدول یانگ و مدول خمشی دارد. سختی آن کمتر از فلزات است اما این می‌تواند در کاربردهایی که نیاز به تعادل بین سختی و انعطاف‌ پذیری دارند مانند ایمپلنت‌های دندانی و ارتوپدی مفید باشد.

3. سختی و تغییر شکل: سختی PEEK، 100-8 است که بالاتر از اکثر پلیمرهای مهندسی مانند نایلون (60-75) و قابل مقایسه با استال است. مقاومت خزش آن، آن را نیز متمایز می‌کند. در دمای 100 درجه سانتیگراد تحت بار پایدار، نایلون و POM به طور قابل توجهی در عرض چند ساعت تغییر شکل می‌دهند اما PEEK پایداری ابعادی خود را حفظ می‌کند. این ویژگی آن را برای ساخت قطعاتی مانند آب‌ بندهای درون چاهی یا گیره‌های براکت تحت تنش ثابت در دماهای بالا مناسب می‌سازد. افزایش طول در نقطه شکست ۲۵ تا ۴۰ درصد به این معنی است که PEEK شکننده نیست. برخلاف PPS (افزایش طول ۱ تا ۳ درصد) که تمایل به ترک خوردن ناگهانی دارد، قبل از شکستن تغییر شکل می‌دهد.

4. عملکرد بارگذاری چرخه‌ای: استحکام خستگی PEEK بین 30 تا 100 مگاپاسکال در 106 سیکل (بسته به گرید و پرکننده) آن را به انتخابی کاربردی برای قطعات تحت تنش مکرر مانند قفس‌های جوش نخاعی یا پروانه‌های پمپ در تاسیسات شیمیایی تبدیل می‌کند؛ جایی که استحکام خستگی پایین‌تر به معنای ترک خوردن زودرس است.

5. مقاومت سایشی: ضریب اصطکاک PEEK بین 0.35 تا 0.45 در مقایسه با PTFE (0.05 تا 0.10) متوسط ​​است، اما مقاومت سایشی بالای PEEK آن را متمایز می‌کند. این تعادل بین اصطکاک معقول و مقاومت سایشی قوی، دلیل عملکرد خوب PEEK در بوش‌ها، رینگ‌های پیستون و واشرهای رانش است. علاوه براین، PEEK پر شده با فیبر کربن، نرخ سایش را تقریبا به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد، به همین دلیل است که در قطعات کمپرسور خشک و تجهیزات جابجایی نیمه‌ هادی که روان‌ کننده‌ها گزینه مناسبی نیستند، ظاهر می‌شود.

خواص حرارتی PEEK

دمای انتقال شیشه‌ای PEEK برابر با ۱۴۳ درجه سانتیگراد و نقطه ذوب ۳۴۳ درجه سانتیگراد به آن اجازه می‌دهد تا به طور مداوم تا دمای ۲۶۰ درجه سانتیگراد کار کند که بسیار بالاتر از اکثر پلیمرهای مهندسی است. نایلون در حدود ۸۰ تا ۱۲۰ درجه سانتیگراد و POM در حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد به حداکثر دمای خود می‌رسد. پایین‌ترین محدوده عملکرد PEEK تا 54- درجه سانتیگراد بدون شکنندگی قابل توجه ادامه دارد. رسانش حرارتی پایین PEEK را به عایق خوبی تبدیل می‌کند. به همین دلیل است که از آن برای ساخت محفظه‌های حسگر و پوشش‌های محافظ در محیط‌های صنعتی با دمای بالا که در آنها قطعات الکترونیکی حساس به گرما نیاز به محافظ دارند، استفاده می‌شود.

خواص شیمیایی PEEK

مقاومت شیمیایی و هیدرولیز و اشتعال پذیری کم از جمله مزایای PEEK است.

1.مقاومت در برابر هیدرولیز: PEEK رطوبت بسیار کمی (حدود 0.2 درصد) دارد؛ به این معنا که خواص مکانیکی و ابعاد آن در شرایط مرطوب یا نمناک پایدار می‌ماند. این امر PEEK را به انتخابی مطمئن برای قطعاتی که در معرض بخار، آب داغ یا محیط‌های با رطوبت بالا مانند تجهیزات فرآوری مواد غذایی یا ابزارهای پزشکی استریل شده با اتوکلاو قرار دارند، تبدیل می‌کند.

2. مقاومت شیمیایی: PEEK تقریبا در برابر همه حلال‌ها، اسیدها و هیدروکربن‌های رایج بی ‌اثر است. اسید سولفوریک غلیظ یکی از معدود مواد شیمیایی است که به آن حمله می‌کند. در عمل، این بدان معناست که آب ‌بندها و واشرهای PEEK در خطوط فرآوری مواد شیمیایی و کاربردهای نفت و گاز که قطعات در تماس مداوم با مایعات خورنده‌ای هستند که اکثر پلیمرهای دیگر را تخریب می‌کنند، مقاومت می‌کنند.

3. اشتعال پذیری: PEEK با دور شدن منبع شعله، خود به خود خاموش می‌شود و هنگام سوختن دود یا گاز سمی بسیار کمی تولید می‌کند. شاخص اکسیژن محدود کننده آن ۳۵ درصد است که بسیار بالاتر از غلظت اکسیژن ۲۱ درصد در هوای معمولی است؛ به این معنا که در شرایط استاندارد جوّی، احتراق را حفظ نمی‌کند. این دلیل اصلی استفاده از آن در ساخت اجزای کابین هواپیما و محفظه‌های الکتریکی است که در آنها الزامات ایمنی در برابر آتش ‌سوزی سختگیرانه است.