Tworzywa sztuczne o wysokiej wydajności - High-performance plastics
Tworzywa sztuczne o wysokiej wydajności to tworzywa, które spełniają wyższe wymagania niż tworzywa standardowe lub konstrukcyjne . Są droższe i używane w mniejszych ilościach.
Definicja
Tworzywa wysokiej jakości różnią się od tworzyw standardowych i konstrukcyjnych przede wszystkim stabilnością temperaturową , ale także odpornością chemiczną i właściwościami mechanicznymi , wielkością produkcji oraz ceną .
Istnieje wiele synonimów określenia wysokowydajne tworzywa sztuczne, takie jak: tworzywa wysokotemperaturowe, wysokowydajne polimery, wysokowydajne tworzywa termoplastyczne lub zaawansowane technologicznie tworzywa sztuczne. Nazwa „tworzywa wysokotemperaturowe” jest używana ze względu na ich ciągłą temperaturę pracy (CST), która z definicji zawsze jest wyższa niż 150°C (chociaż nie jest to ich jedyna cecha, jak widać powyżej).
Termin „ polimery ” jest często używany zamiast „tworzywa sztuczne”, ponieważ oba terminy są używane jako synonimy w dziedzinie inżynierii . Jeśli używa się terminu „wysokosprawne tworzywa termoplastyczne”, to dlatego, że zarówno standardowe, jak i techniczne, a także wysokowydajne tworzywa sztuczne są zawsze termoplastycznymi. Materiały termoutwardzalne i elastomery nie mieszczą się w tej klasyfikacji i tworzą własne klasy .
Jednak różnice w porównaniu z słabszymi tworzywami sztucznymi zmieniały się z biegiem czasu; podczas gdy nylon i poli(tereftalan etylenu) były początkowo uważane za potężne tworzywa sztuczne, teraz są zwyczajne.
Historia
Poprawa właściwości mechanicznych i stabilności termicznej jest i zawsze była ważnym celem w badaniach nad nowymi tworzywami sztucznymi. Od wczesnych lat sześćdziesiątych rozwój wysokowydajnych tworzyw sztucznych był napędzany przez odpowiednie potrzeby w technologii lotniczej i jądrowej . Ścieżki syntetyczne, na przykład dla PPS , PES i PSU, zostały opracowane w latach 60. przez firmy Philips , ICI i Union Carbide . Wejście na rynek nastąpiło na początku lat 70-tych. Produkcja PEEK (ICI), PEK (ICI) i PEI (General Electric i GE) poprzez polikondensację została opracowana w latach 70-tych. PEK był oferowany od 1972 roku przez firmę Raychem , jednak wytwarzany na drodze syntezy elektrofilowej. Ponieważ synteza elektrofilowa ma ogólnie wadę niskiej selektywności w stosunku do polimerów liniowych i wykorzystuje agresywne reagenty, produkt może wytrzymać tylko przez krótki czas na rynku . Z tego powodu większość wysokowydajnych tworzyw sztucznych jest obecnie wytwarzana w procesach polikondensacji.
W procesach produkcyjnych metodą polikondensacji ważna jest wysoka czystość materiałów wyjściowych. Ponadto stereochemia ogólnie odgrywa rolę w osiąganiu pożądanych właściwości. Rozwój nowych wysokowydajnych tworzyw sztucznych jest zatem ściśle powiązany z rozwojem i ekonomiczną produkcją wchodzących w skład monomerów .
Charakterystyka
Wysokowydajne tworzywa sztuczne spełniają wyższe wymagania niż tworzywa standardowe i konstrukcyjne ze względu na ich lepsze właściwości mechaniczne, wyższą odporność chemiczną i/lub wyższą stabilność cieplną. Szczególnie ten ostatni utrudnia przetwarzanie, często wymagane są specjalne maszyny . Na przykład większość wysokowydajnych tworzyw sztucznych specjalizuje się w jednej właściwości (np. stabilności cieplnej). W ten sposób kontrastują one z konstrukcyjnymi tworzywami sztucznymi, obejmując szeroki zakres funkcji. Niektóre z ich różnorodnych zastosowań obejmują: rury przepływowe, izolatory przewodów elektrycznych, architekturę i światłowody.
Wysokowydajne tworzywa sztuczne są stosunkowo drogie: cena za kilogram może wynosić od 5 USD (PA 46) do 100 USD ( PEEK ). Średnia wartość wynosi nieco mniej niż 15 USD/kg. Tworzywa sztuczne o wysokiej wydajności są zatem około 3 do 20 razy droższe niż tworzywa konstrukcyjne. Również w przyszłości nie można spodziewać się znacznego spadku cen, ponieważ koszty inwestycji w urządzenia produkcyjne, czasochłonny rozwój i wysokie koszty dystrybucji pozostaną na stałym poziomie.
Ponieważ wielkość produkcji jest bardzo ograniczona i wynosi 20 000 ton rocznie, wysokowydajne tworzywa sztuczne mają udział w rynku wynoszący zaledwie około 1%.
Wśród wysokowydajnych polimerów fluoropolimery mają 45% udział w rynku (główni przedstawiciele: PTFE), polimery aromatyczne zawierające siarkę 20% udział w rynku (głównie PPS), aromatyczny poliaryloeter i Poliketony 10% udział w rynku (głównie PEEK) oraz polimery ciekłokrystaliczne (LCP) 6%. Dwoma największymi konsumentami wysokowydajnych tworzyw sztucznych są przemysł elektryczny i elektroniczny (41%) oraz przemysł motoryzacyjny (24%). Wszystkie pozostałe branże (w tym przemysł chemiczny ) mają udział 23%.
Stabilność termiczna
Stabilność termiczna to kluczowa cecha wysokowydajnych tworzyw sztucznych. Również właściwości mechaniczne są ściśle związane ze stabilnością termiczną.
W oparciu o właściwości standardowych tworzyw sztucznych pewne ulepszenia właściwości mechanicznych i termicznych można już osiągnąć przez dodanie stabilizatorów lub materiałów wzmacniających ( na przykład włókna szklane i węglowe ) lub przez zwiększenie stopnia polimeryzacji . Dalsze ulepszenia można osiągnąć poprzez zastąpienie jednostek alifatycznych jednostkami aromatycznymi. W ten sposób osiągane są temperatury robocze do 130 °C. Materiały termoutwardzalne (które nie należą do wysokowydajnych tworzyw sztucznych, patrz wyżej) mają podobną stabilność temperaturową do 150 °C. Jeszcze wyższą temperaturę pracy można osiągnąć łącząc związki aromatyczne (np. fenyl ) z tlenem (jako grupa eteru difenylowego np. PEEK), siarką (jako grupy difenylosulfonowe w PES lub grupą difenylową np. w PPS) lub azotem ( grupa imidowa w PEI lub PAI ). Wynikowe temperatury robocze mogą wynosić od 200 °C w przypadku PES do 260 °C w przypadku PEI lub PAI.
Wzrost stabilności temperaturowej przez wprowadzenie jednostek aromatycznych wynika z faktu, że stabilność temperaturową polimeru determinuje jego odporność na degradację termiczną oraz odporność na utlenianie . Degradacja termiczna następuje głównie poprzez statystyczne rozcięcie łańcucha ; depolimeryzacja i usuwanie związków o niskiej masie cząsteczkowej odgrywają jedynie niewielką rolę.
Rozkład termiczno-oksydacyjny polimeru rozpoczyna się w niższych temperaturach niż tylko rozkład termiczny. Oba rodzaje degradacji przebiegają poprzez radykalny mechanizm. Aromaty zapewniają dobrą ochronę przed obydwoma rodzajami degradacji, ponieważ wolne rodniki mogą być delokalizowane przez układ π związków aromatycznych i stabilizowane. W ten sposób stabilność termiczna silnie wzrasta. Przykładem może być poli(p-fenylen) , który składa się wyłącznie z aromatów i zapewnia wyjątkową stabilność, nawet w temperaturach powyżej 500°C. Z drugiej strony sztywność łańcuchów sprawia, że są one mniej lub bardziej nieprzetwarzalne. Aby znaleźć równowagę między przetwarzalnością a stabilnością, do łańcucha można włączyć elastyczne jednostki (np. O , S , C(CH 3 ) . Aromaty można również zastąpić innymi, raczej sztywnymi jednostkami (np. SO 2 , CO ). te różne elementy tworzą różnorodność wysokowydajnych tworzyw sztucznych o różnych właściwościach.
W praktyce maksymalną odporność na temperaturę (około 260°C) można uzyskać stosując fluoropolimery (polimery, w których atomy wodoru węglowodorów zostały zastąpione atomami fluoru). Wśród nich PTFE ma największy udział w rynku wynoszący 65-70%. Polimery zawierające fluor nie są jednak odpowiednie do służenia jako materiał konstrukcyjny ze względu na słabe właściwości mechaniczne (mała wytrzymałość i sztywność , silne pełzanie pod obciążeniem).
Krystaliczność
Tworzywa sztuczne o wysokiej wydajności można podzielić na polimery amorficzne i półkrystaliczne, tak jak wszystkie polimery. Na przykład polisulfon (PSU), poli(eterosulfon) (PES) i polieteroimid (PEI) są bezpostaciowe ; poli(siarczek fenylenu) (PPS), polieteroeteroketon (PEEK) i polieteroketony (PEK) są jednak półkrystaliczne .
Polimery krystaliczne (zwłaszcza wzmocnione wypełniaczami) mogą być stosowane nawet powyżej ich temperatury zeszklenia. To dlatego, że półkrystaliczne polimery, oprócz temperatury zeszklenia T g , A krystalicznych temperatura topnienia , T m , co jest zazwyczaj dużo wyższy. Na przykład PEEK ma Tg 143 °C, ale nadaje się do użytku do 250 °C ( temperatura pracy ciągłej = 250 °C). Kolejną zaletą polimerów semikrystalicznych jest ich wysoka odporność na substancje chemiczne: PEEK posiada wysoką odporność na wodne kwasy, zasady i rozpuszczalniki organiczne.