Термопластичные углеродные материалы (PEEK)

Как известно, научные исследования и открытия в области материаловедения привели к появлению композитных материалов. Необходимость их была продиктована стремлением создать материалы, которые снижали бы вес изделия, но при этом сохраняли хотя бы те же параметры прочности, что и популярные металлы: сталь и прочные алюминиевые сплавы.

С открытием полимерных композитов на основе термореактивных смол, а также углеволокна в развитии авиационной, космической и машиностроительной областях народного хозяйства был совершен настоящие прорыв. Ну а далее эти материалы шаг за шагом покорили и остальные отрасли.

Требование времени

До недавних пор основная технология производства этих термореактивных полимерных композитных материалов требовала применения органических растворителей. Их применяют и сегодня. Но при этом существуют некие проблемы, главная из которых заключается в сложности утилизации. Это несет высокую нагрузку на окружающую среду, что в значительной степени связано с финансовыми затратами и имиджевыми потерями, особенно когда речь идет о выходе на мировые рынки, где в последнее десятилетие существует запрос на экологически безопасные материалы.

Еще одним неудобством для производств является срок хранения препрегов — «полуфабрикатов» для композитов. Это связано со сроками хранения использованного связующего вещества.

Термопластичные термостойкие матрицы

Использование именно этих материалов дало возможность обойти существующие недостатки термореактивных матриц. Так на рынке появились полиэфиримид, полисульфон или полиэфирэфиркетон.

Говоря про эти термопластичные углеродные материалы можно сразу обозначить ряд преимуществ:

• срок хранения препрегов практически неограничен;

• технологии изготовления не нуждаются в растворителях;

• материалы имеют очень высокую устойчивость к ударным нагрузкам;

• условия формования имеют самое минимальное значение для структуры матрицы;

• гораздо проще осуществить ремонт конечного изделия, а также вторичную переработку. Это объясняется тем, что матрица может менять свое состояние, переходя в вязкотекучее и обратно.

Углепластики на основе полиэфирэфиркетонов (ПЭЭК)

Данные вещества имеют следующую структуру: многослойный тканый наполнитель, пропитанный расплавленным термопластичным полимером с последующим прессованием. Сегодня этот материал получают технологией автоматической выкладки жгута, пропитанного термопластом, либо технологией 3D-печати с термопластичным филаментом.

Кстати, известны данные материалы стали далеко не вчера. Их изобретение и первое применение относится еще к 80-м годам прошлого столетия, когда решались задачи создания материалов для летательных аппаратов и нужд космоса. Сегодня же эти материалы используются в производстве продукции разного назначения, но преимущественно там, где требуется повышенная прочность в условиях высоких нагрузок и повышенных температур.

Основные характеристики полиэфирэфиркетонов (PEEK)

В Европе PEEK производят несколько компаний, и несмотря на разные названия эти продукты имеют практически одинаковый химический состав.

Они представляют собой полимеры с полукристаллический структурой. Обладают целым списком характеристик, основной из которых является их устойчивость к высоким температурам, верхняя граница которых достигает +340 °C при кратковременном воздействии и +260 °C при длительном. При этом они сохраняют отличную механическую стойкость и выдерживают ударную нагрузку. В условиях повышенной температуры они также сохраняют свои высокие химические и электротехнические свойства. Каковы же основные из них?

• Химическая стойкость позволяет полиэфирэфиркетону быть нейтральным к воздействию большинства кислот.

• Он является самым устойчивым полимером к воздействию водяного пара и горячей воды.

• Материал не ползучий и обладает низким коэффициентом трения.

• ПЭЭК не страшны органические растворители и смазки.

• Он не разрушается под воздействием гамма- и рентгеновских лучей.

• Под интенсивным воздействием ультрафиолетового излучения PEEK также не разрушается. В отдельных случаях может наблюдаться небольшое изменение цвета до слабой желтизны.

• Он не впитывает влагу.

• Под действием открытого пламени полиэфирэфиркетон почти не выделяет токсичные газы (минимальное количество), а при возгорании не образует сажи.

• Склонен к самозатуханию при устранении источника открытого пламени.

• При помещении его в вакуум материал демонстрирует низкую дегазацию.

• При нагревании сохраняет стабильные размеры.

Несложно догадаться, что эти высочайшие эксплуатационные характеристики целиком оправдывают цену ПЭЭК.

Сферы применения ПЭЭК

Традиционно этот материал используется в аэрокосмической и химической областях, а также в области ядерных исследований и производств. Но его использование всё больше становится универсальным в изготовлении высокотехнологичного оборудования и механизмов для решения задач разных областей промышленности.

Так, практически любая сфера использования, требующая устойчивость оборудования к высоким температурам воздуха, воды или водяного пара, уже использует этот термопластичный материал. Какие же это области?

• Он незаменим там, где работа механизмов и частей конструкций происходит в непосредственном контакте с щелочами, растворителями, жирами и почти всеми видами топлива. Например, эти свойства повысили популярность PEEK в фармацевтический и биотехнологической промышленности.

Однако его не рекомендуют применять там, где задействована азотная и серная кислоты, а также галогены.

• Углепластик на основе ПЭЭК используется там, где им целесообразно заменить металл. Это — детали компрессоров и насосов, подшипники и ролики, шестерни и высокотемпературные изоляторы, а также целый ряд деталей для автопроизводства. Тут наиболее всего ценятся такие его характеристики, как низкий коэффициент трения, малый вес, высокая прочность, устойчивость к динамическим и вибрационным нагрузкам и накоплению радиации.

• Высокая температурная устойчивость позволила использовать материал при изготовлении оборудования для ВПК и оборудования специального назначения. Например, для детонаторов, активаторов и многих пиротехнических и взрывчатых составов.

• Газовая отрасль также активно используется данный материал.

• Благодаря тому, что полиэфирэфиркетон в своем обычном состоянии не выделяет токсичных веществ, его используют в пищевой промышленности. Он не выделяет токсичные вещества при замерзании и незначительном нагревании, а также химически нейтрален к продуктам питания. Иными словами, не меняет их вкус, запах и свежесть.

И это — далеко не полный список областей народного хозяйства, где в последние годы безальтернативно используется этот материал, поскольку технологии позволяют получать разные его модификации. Что же это за новые разновидности?

Модификации PEEK

PEEK Mod — модификация полиэфирэфиркетона с добавлением углеродного волокна. Отличается лучшим скольжением, что дает более устойчивую эксплуатацию изделий в условиях сухого трения. Благодаря этим характеристикам используется материал в производстве деталей машин, которые работают со скольжением.

PEEK CF30 — еще одна модификация, содержащая углеродное волокно. Имеет низкое поверхностное и сквозное сопротивление. Используется там, где применение обычных термопластов невозможно. А именно, для производства элементов конструкций и оборудования, которые подвергаются очень высоким механическим и термическим нагрузкам при обязательном дополнительном требовании: противодействие нагромождения электростатических зарядов.

PEEK GF30 — модификация ПЭЭК, в которой содержится до 30 % стекловолокна. Материал используют там, где требуется изготовить детали, способные переносить длительные статические нагрузки в условиях высокой температуры.

PEEK MG — наиболее чистая модификация PEEK, которая стала незаменимой при производстве деталей медицинской аппаратуры, где требуется устойчивость к высокому энергетическому излучению и температурам.

Это тоже далеко не полный перечень модификаций полиэфирэфиркетона, поскольку сегодня у предприятий есть возможность изготовить его под заказ.

Заключение

Термопластичные углеродные материалы на основе полиэфирэфиркетона (PEEK, ПЭЭК) являются наиболее оптимальной заменой ряду дорогостоящих материалов (вроде PAI или PEI, PES или PI, PPSU или PSU и других). Он не уступает им по эксплуатационным характеристикам, а по некоторым даже превосходит их.