Materiał z tworzywa sztucznego o wysokiej temperaturze

Badania i rozwój w dziedzinie chemii polimerów i nauki o materiałach były znaczące w połowie dwudziestego wieku. Tworzywa sztuczne i polimery powstały w wyniku tych badań i rozwoju. Materiały te miały zdolność wytrzymywania wyższych temperatur. Początkowo stworzono polifenylensulfid i politetrafluoroetylen, które okazały się odporne na wyższe temperatury w porównaniu z tradycyjnymi tworzywami sztucznymi. Przemysł lotniczy i kosmiczny zwiększył znaczne zapotrzebowanie i wymagania dotyczące polimerów lub tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze w latach 70. Wysiłki podejmowane ze względu na wymagania dotyczące lekkich materiałów o wyjątkowych właściwościach mechanicznych i termicznych doprowadziły do powstania polimerów, takich jak liczne rodzaje poliamidów i polieteroeteroketonu.

Ostatecznie metalowe części silników lotniczych i ich elementy konstrukcyjne zostały zastąpione tymi lekkimi i odpornymi na wysoką temperaturę tworzywami sztucznymi. Konwencjonalne tworzywa sztuczne mają tendencję do mięknięcia w wysokich temperaturach, a następnie zaczynają się degradować w tych podwyższonych temperaturach. Z drugiej strony tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe zachowują swoje właściwości w podwyższonych temperaturach i są uważane za odpowiednie do stosowania w branżach, w których występują ekstremalne warunki pracy. Właściwości te obejmują odporność chemiczną, stabilność wymiarową i właściwości mechaniczne, które są kluczowe dla wydajności tworzyw sztucznych wysokotemperaturowych. Te tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe, które są projektowane tak, aby stawiać czoła i wytrzymywać wysokie temperatury w ekstremalnych środowiskach, są również nazywane termoplastycznymi tworzywami inżynieryjnymi lub termoplastycznymi tworzywami sztucznymi o wysokiej wydajności.

 

Definicja materiału z tworzywa sztucznego o wysokiej temperaturze

Materiał z tworzywa sztucznego o wysokiej temperaturze jest materiałem specjalnie zaprojektowanym do pracy w wysokich temperaturach i wytrzymującym te podwyższone temperatury. Podstawową cechą, która ma znaczenie, jest to, że tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe zachowują swoją integralność strukturalną i właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach. Te wysokowydajne tworzywa konstrukcyjne zachowują swój oryginalny kształt i nie odkształcają się podczas pracy w podwyższonych temperaturach.

W zależności od kategorii tworzyw sztucznych zachowują one swoje właściwości w zakresie temperatur od 150°C do ponad 300°C. Te tworzywa sztuczne o wysokiej temperaturze znajdują zastosowanie w zastosowaniach wymagających wysokiej temperatury, w których normalne tworzywa sztuczne uległyby degradacji i odkształceniu i nie mogłyby wytrzymać tak wysokiej temperatury. Należy wspomnieć, że metale mają dużą wagę, a metale są również podatne na korozję. Mając to na uwadze, tworzywa sztuczne o wysokiej temperaturze zastępują posiłki w takich zastosowaniach, ponieważ są lekkie i odporne na korozję.

Polimery wysokotemperaturowe i tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe (różnicowanie)

Zróżnicowanie składu i struktury różnicuje tworzywa sztuczne i polimery. Polimery wysokotemperaturowe stanowią szeroką kategorię, podczas gdy tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe stanowią podzbiór tej szerszej kategorii. Polimery wysokotemperaturowe składają się zarówno z tworzyw termoutwardzalnych, jak i termoplastycznych. Do syntezy tych polimerów stosuje się zaawansowane metody polimeryzacji. W większości przypadków w celu zwiększenia ich wydajności w wysokich temperaturach stosuje się określone wzmocnienia lub dodatki.

Jednakże tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe składają się wyłącznie z tworzyw termoplastycznych. Tworzywa te są zaprojektowane tak, aby stawiać czoła i wytrzymywać wysokie temperatury bez odkształcania się. Tworzywa te oferują bardzo małą lub żadną degradację w wysokich temperaturach. Tworzywa te są specjalnie zaprojektowane, aby zachować swoją odporność chemiczną, właściwości mechaniczne i stabilność wymiarową w środowisku o wysokiej temperaturze.

Jakie są materiały tworzyw sztucznych odpornych na wysoką temperaturę (charakterystyka i zastosowanie)?

Poniżej wymieniono materiały zaliczane do kategorii tworzyw sztucznych odpornych na wysoką temperaturę.

1. Politetrafluoroetylen (PTFE)

Ten materiał, który jest również określany jako PTFE, jest doskonałym izolatorem elektrycznym i jest szeroko stosowany w zastosowaniach, w których wymagana jest izolacja elektryczna. Materiał ten jest również stosowany do powłok nieprzywierających, szczególnie w naczyniach kuchennych oraz w uszczelnieniach i łożyskach. To wykorzystanie opiera się na niektórych wybitnych właściwościach tego materiału, jak następuje.

• Wysoka stabilność temperaturowa
• Niski współczynnik tarcia
• Dobra odporność chemiczna

2. Polisiarczek fenylenu (PPS)

Materiał PPS jest tworzywem termoplastycznym o strukturze półkrystalicznej i następujących ważnych cechach.

• Ognioodporność (wrodzona)
• Wysoka odporność na temperaturę
• Odporność chemiczna
• Stabilność wymiarowa

Te cechy sprawiają, że materiał ten nadaje się do wykorzystania w zastosowaniach przemysłowych. Materiał ten jest również wykorzystywany w sektorze elektrycznym i elektronicznym do produkcji obudów i złączy. Ponadto w przemyśle motoryzacyjnym materiał ten jest używany do produkcji podzespołów pod maską. Przejdź do Formowanie wtryskowe PPS aby dowiedzieć się więcej o tym materiale.

3. Polimer ciekłokrystaliczny (LCP)

Materiał ten, nazywany również LCP, znajduje zastosowanie w następujących obszarach.

• Sektor telekomunikacyjny
• Przemysł elektroniczny (produkcja przełączników i złączy)
• Przemysł motoryzacyjny (produkcja elementów pod maską)

Materiał ten posiada następujące istotne właściwości, które umożliwiają jego wykorzystanie w wyżej wymienionych zastosowaniach.

• Doskonała odporność chemiczna
• Wysoka wytrzymałość mechaniczna
• Dobra stabilność wymiarowa
• Doskonała sztywność

4. Polieteroeteroketon (PEEK)

Materiał ten jest również termoplastyczny i ma strukturę półkrystaliczną, a także jest określany jako PEEK. Materiał ten wykazuje następujące cechy.

• Wysoki stosunek wytrzymałości do masy
• Dobre właściwości mechaniczne
• Doskonała odporność chemiczna
• Stabilność w podwyższonych temperaturach do 250°C

Biorąc pod uwagę powyższe właściwości PEEK, jest on szeroko wykorzystywany w następujących zastosowaniach do produkcji elementów wymagających odporności na ekstremalne warunki środowiskowe i dobrej wytrzymałości mechanicznej. Przejdź do zobacz formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych aby dowiedzieć się więcej.

• Przemysł półprzewodnikowy
• Sektor motoryzacyjny
• Przemysł lotniczy i kosmiczny
• Sektor medyczny

5. Polieteroimid (PEI)

Materiał ten, nazywany również PEI, charakteryzuje się następującymi ważnymi właściwościami.

• Odporność na ogień
• Dobra wytrzymałość mechaniczna
• Wysoka odporność termiczna
• Doskonała stabilność wymiarowa
• Dobre właściwości elektryczne

Główne zastosowania tego materiału obejmują następujące sektory.

• Sektor medyczny (produkcja sterylizowalnych narzędzi chirurgicznych)
• Przemysł motoryzacyjny
• Przemysł elektroniczny
• Sektor lotniczo-kosmiczny

6. Poliimidy (PI)

Materiał poliimidowy, nazywany również PI, charakteryzuje się następującymi właściwościami.

• Dobre właściwości mechaniczne
• Doskonała stabilność termiczna do 400°C
• Dobra odporność chemiczna
• Niska rozszerzalność cieplna

Materiał ten jest szeroko wykorzystywany w przemyśle elektronicznym, lotniczym i motoryzacyjnym w następujących zastosowaniach.

• Izolacja elektryczna
• Osłony termiczne
• Części silnika i części zamienne
• Płytki drukowane

7.  Fluoropolymery (FPE)

Do tej szerszej kategorii zaliczają się następujące tworzywa sztuczne odporne na wysoką temperaturę.

• fluorowany etylen propylen
• Politetrafluoroetylen
• Perfluoroalkoksy

Polimery te wykazują pewne właściwości opisane poniżej.

• Podwyższona stabilność temperatury
• Doskonała odporność chemiczna (na kwasy, zasady i wiele rozpuszczalników)
• Niski współczynnik tarcia

Materiały te znajdują zastosowanie głównie w następujących aplikacjach.

• Powłoki druciane
• Przetwarzanie półprzewodników
• Rury
• Foki
• Podszewki
• Sprzęt do przetwarzania chemicznego

  8.Polifenylosulfon (PPSU)

PPSU to termoplastyczny, wysokotemperaturowy element konstrukcyjny z tworzywa sztucznego, który został odkryty w latach 60. XX wieku. Jego gęstość wynosi 1,24 g/cm2, absorpcja wody wynosi 0,22%, współczynnik skurczu wynosi 1,007 (0,7%), temperatura topnienia wynosi 190 °C, temperatura odkształcenia cieplnego wynosi 1,82 MPa przy 174 °C, a temperatura długotrwałego użytkowania waha się od -100 °C do +150 °C. Jest to jeden z najwyższej jakości materiałów plastikowych wśród nich.

Prosty proces formowania tworzywa sztucznego PPSU

Suszenie wstępne: PPSU musi zostać wstępnie wysuszony przed przetworzeniem, aby usunąć wilgoć z materiału i zapobiec reakcjom hydrolizy w wysokich temperaturach. Temperatura suszenia wynosi 90℃–110℃, co najmniej 3–4 godziny czasu suszenia.

Podgrzewanie wstępne: PPSU musi zostać podgrzany przed formowaniem wtryskowym, aby poprawić płynność materiału. Temperatura podgrzewania wstępnego wynosi zwykle od 80 do 120 °C.

Wtrysk: wtryskiwanie PPSU do formy. Ciśnienie wtrysku i prędkość należy określić w zależności od rodzaju i grubości ścianki formowania wtryskowego.

Chłodzenie: Proces ten przebiega w zasadzie tak samo, jak w przypadku innych elementów formowanych wtryskowo, jednak PPSU wymaga wyższej temperatury formy niż ABS lub PC, więc zazwyczaj czas chłodzenia będzie nieco dłuższy, ale zależy to od grubości ścianki formowanego elementu.

Wyrzucanie: Po Formowanie wtryskowe PPSU po całkowitym ostygnięciu elementów w gnieździe formy, forma otwiera się, a system wyrzutnika wyrzuca uformowany element z formy.

Obróbka końcowa: niektóre części mogą wymagać dalszej obróbki, takiej jak obróbka skrawaniem, toczenie CNC, czyszczenie itp., w zależności od wymagań klienta.

Zastosowanie elementów formowanych PPUS,

Materiał PPUS jest bardzo drogi i zazwyczaj stosuje się go w urządzeniach elektrycznych, elektronice, medycynie, butelkach dla niemowląt, instrumentach oraz w przemyśle lotniczym do produkcji części odpornych na ciepło, korozję, o dużej wytrzymałości i części izolacyjnych, folii przemysłowych itp.

W poniższej tabeli zamieszczono niektóre materiały wysokotemperaturowe, które mogą być dla Państwa źródłem informacji. Jeśli potrzebują Państwo części z tworzyw sztucznych do formowania w wysokiej temperaturze, zapraszamy do kontaktu z nami.

Charakterystyczny	Testowanie ASTM	PTFE	PFA	FEP	ETFE	PCTF	PVDF	ZERKAĆ	PPSU	PPS
Temperatura topnienia	(Przybliżona temperatura: C)	327	308	270	260	211	175	343	250	278
Maksymalna temperatura ciągłego użytkowania	(20000 godzin, wartość teoretyczna:℃	260	260	200	150	120	150	260	180	240
Przewodność cieplna	C177(( W/cm·k).℃/cm)	0.25	0.25	0.25	0.24	0.21	0.13	0.66	0.45	0.5
Twardość (Shore)	Twardościomierz Shore D	D50-D65	D60	D55	D70-D75	D80	D75-D85	D85	D85-95	D87-95
Wytrzymałość na rozciąganie (Mpa)	D638	25-40	28-35	20-25	40-50	32-40	40-58	98 – 100	94-100	>150
Wytrzymałość na ściskanie (Mpa)	D695/1% Zniekształcenie, 25°C	5-6	5-6	5-6	11	9-12	13-14	25-35	95	27-134
Wydłużenie (%)	D638	250-450	300-400	270-330	400-450	90-250	300-450	40-50	60-120	200
Wytrzymałość na uderzenia (J/m)	D256	160-170	bez łamania	bez łamania	bez łamania	135-145	1105	40-50	690	800
Proporcja	D792	2.13-2.22	2.12-2.27	2.12-2.27	1.70-1.86	2.10-2.14	1.76-1.78	1.26 – 1.32	1.32-1.5	1.32-1.5
Współczynnik skurczu	(Wartość teoretyczna)	2%-5%	4%	3%-6%	3%-4%	1.5%-2%	1.40%	0.50%	0.50%	0.50%
Stała dielektryczna	D150/106 Hz	2.1	2.1	2.1	2.6	2.4	6.43	3.2	3.94	3.5
Wytrzymałość na przebicie elektryczne (MV/V)	D149/czas strzału, 3,2 mm	19	20	20-24	16	20-24	10	25	6.3	17
Odporność na warunki atmosferyczne		doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały
Odporność na chemikalia		doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały	doskonały
Ognioodporność, ognioodporność (%)	Ograniczenie stężenia wskaźnika tlenu	>95	>95	>95	>31	>95	>43	>95	>95	>95

Jakie są metody przetwarzania tworzyw sztucznych wysokotemperaturowych?

Do przetwarzania tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze stosuje się specjalne techniki. Ponadto podczas przetwarzania należy upewnić się, że właściwości tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze, w tym wytrzymałość mechaniczna i odporność na ciepło, pozostaną nienaruszone podczas całej operacji produkcyjnej.

Poniżej przedstawiono najpopularniejsze i najszerzej stosowane metody przetwarzania tworzyw sztucznych odpornych na wysokie temperatury.

1. Formowanie kompresyjne

W tym procesie przygotowywana jest otwarta wnęka formy. Ta wnęka formy jest następnie podgrzewana, a do środka umieszczana jest obliczona ilość plastiku. Następnie ta forma jest zamykana i na materiał wywierane jest odpowiednie ciśnienie. Zastosowanie tego ciśnienia ściska materiał, a materiał jest przekształcany w wymagany kształt. Części o dużych rozmiarach i złożonej geometrii są formowane tą metodą. Te części są trudne do formowania innymi procesami formowania. Materiały przetwarzane metodą formowania kompresyjnego obejmują polieteroeteroketon, poliimidy i tworzywa termoutwardzalne wysokotemperaturowe. Następujące parametry muszą być kontrolowane w celu uzyskania jednolitego i wolnego od wad produktu końcowego.

• Temperatura
• Ciśnienie
• Czas formowania

2. Formowanie wtryskowe

W tej metodzie przetwarzania najpierw przygotowuje się wnękę formy o pożądanym kształcie. Następnie do tej wnęki formy wtryskuje się tworzywo sztuczne w formie stopionej. Wtrysk ten odbywa się w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Tworzywa sztuczne o wysokiej temperaturze są najczęściej przetwarzane poprzez formowanie wtryskowe. Ta metoda przetwarzania jest wykonalna w przypadku przedmiotów o dużej objętości i skomplikowanych kształtach. Materiały przetwarzane poprzez formowanie wtryskowe składają się z fluoropolymerów, polifenylenosiarczku, polieteroeteroketon i polieteroimidu. Parametry, które muszą być kontrolowane, aby uniknąć odkształceń i osiągnąć stabilność wymiarową, są następujące:

• Szybkość chłodzenia
• Temperatura
• Odporność materiału formy na środowisko korozyjne
• Odporność materiału formy na wysoką temperaturę

3. Wyrzucenie

Ta metoda wykorzystuje proces wytłaczania w celu wytworzenia pożądanego produktu lub przedmiotu. W tej technice przetwarzania wykorzystywana jest stała matryca o pożądanym kształcie. Materiał z tworzywa sztucznego w formie stopionej jest wtłaczany do matrycy za pomocą siły ściskającej. W rezultacie powstaje produkt o jednolitym przekroju poprzecznym o ciągłym profilu. Aby uniknąć degradacji termicznej, kontrola temperatury wytłaczania jest krytyczna.

W procesie wytłaczania tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze jakość wytłaczanego produktu i płynny przepływ materiału różnią się w zależności od materiału. Dlatego geometria matrycy i konstrukcja ślimaków są dostosowywane w celu uzyskania pożądanej jakości. Do najpopularniejszych tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze, które są powszechnie przetwarzane metodą wytłaczania, należą kompozyty termoplastyczne, fluoropolimery, polifenylenosiarczek i polieteroeteroketon. Następujące produkty są powszechnie wytwarzane tą metodą przetwarzania.

• Rury
• Arkusze
• Pręty
• Profile tworzyw sztucznych wysokotemperaturowych

4.  Obróbka skrawaniem

Ta technika przetwarzania obejmuje wykorzystanie różnych maszyn i narzędzi do kształtowania tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze. W tej metodzie najczęściej używanymi maszynami są maszyny CNC, frezarki i tokarki. Ten rodzaj przetwarzania jest stosowany do produktów lub przedmiotów o skomplikowanej geometrii i małej objętości. Ta metoda wymaga specjalnego oprzyrządowania i specjalistycznych technik ze względu na odporność i wytrzymałość materiału. Sprawdź Obróbka CNC PEEK aby dowiedzieć się więcej.

Jednakże wszystkie rodzaje tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze można obrabiać przy użyciu tej techniki. Podczas procesu obróbki tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze wytwarzana jest znaczna ilość ciepła. Ciepło to jest kluczowe dla destabilizacji dokładności wymiarowej przedmiotu, a także rozprzestrzeniania degradacji materiału. Aby wyeliminować negatywne skutki tego ciepła, smarowanie jest przeprowadzane podczas procesu obróbki.

5. Produkcja addytywna

Ta metoda przetwarzania jest bardzo wyjątkowa w porównaniu do innych metod przetwarzania. W tej technice tworzywa sztuczne o wysokiej temperaturze są wykorzystywane w formie włókien lub proszków. Proszek ten jest używany do produkcji części warstwa po warstwie. Odbywa się to poprzez przyjęcie technik wytwarzania addytywnego. Istnieją głównie dwie techniki wytwarzania addytywnego, które są następujące.

• Modelowanie osadzania stopionego materiału
• Selektywne spiekanie laserowe

Proces ten jest wykonalny w przypadku produkcji prototypów. Jednak produkowane są również części o złożonej geometrii. Ta metoda przetwarzania zapewnia minimalne marnotrawstwo materiału. Istnieje wiele tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze, które są kompatybilne z metodą wytwarzania addytywnego. Materiały te obejmują polieteroeteroketon i polieteroimid. Ta metoda wymaga bardzo dokładnej kontroli parametrów procesu w celu uzyskania wymaganej dokładności wymiarowej i właściwości mechanicznych. Ponadto do tej metody przetwarzania wymagany jest specjalistyczny sprzęt, który może obsługiwać materiały z tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze.

Wniosek

Materiałoznawstwo dotyka nowych horyzontów i wykazuje postęp dzięki tworzywom sztucznym o wysokiej temperaturze. Materiały te zapewniają wyjątkowe i specjalne właściwości, w tym wytrzymałość mechaniczną, podwyższoną stabilność temperaturową i odporność na chemikalia, takie jak kwasy, zasady i rozpuszczalniki. Materiały z tworzyw sztucznych o wysokiej temperaturze umożliwiły produkcję najwyższej jakości części zamiennych i produktów, które są mocne, lżejsze i trwałe. Następnie wszystkie znaczące sektory i gałęzie przemysłu doświadczyły rewolucji, w tym elektronika, motoryzacja, medycyna i lotnictwo.

Konwencjonalne materiały plastikowe nie wytrzymują wysokich temperatur i ulegają degradacji. Jednak tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe są bardzo odpowiednie do tych zastosowań, ponieważ mają wybitną właściwość, aby wytrzymać wysokie temperatury. Ponadto tworzywa sztuczne wysokotemperaturowe wykazują odporność na korozję i naprężenia mechaniczne. Materiały te zapewniają dłuższą żywotność produktów i części zamiennych ze względu na ich unikalne cechy, takie jak odporność na zmęczenie, utrzymanie stabilności wymiarowej i izolacji elektrycznej w ekstremalnych warunkach pracy.

Wysoka temperatura tworzywa sztuczne stają się coraz ważniejsze z dnia na dzień, ponieważ sektor przemysłowy wymaga wysokiej wydajności komponentów i części zamiennych. Postępowe badania i rozwój w dziedzinie nauki o materiałach i metod przetwarzania pokazują, że materiały te mogą być wykorzystywane do wyższych wymagań. Spowoduje to zwiększoną wydajność, zrównoważony rozwój wraz z bezpieczeństwem w wielu sektorach.Początek formularza