Tworzywa wysokosprawne - to znaczy jakie?
Mogą być zastępnikiem metali...
Wysokosprawne tworzywa sztuczne to materiały, które spełniają wyższe wymagania niż tworzywa standardowe lub konstrukcyjne. Na ogół są one używane w mniejszych ilościach do krytycznych zastosowań, takich jak lotnictwo, obrona, medycyna lub zastosowania przemysłowe. Stanowią one około 1% tworzyw sztucznych produkowanych na całym świecie i różnią się od standardowych tworzyw sztucznych przede wszystkim wyższą stabilnością termiczną, wyjątkową odpornością chemiczną i doskonałą jakością produktu.
Istnieje wiele nazw na określenie tworzyw sztucznych o wysokich parametrach, takich jak: tworzywa wysokotemperaturowe, wysokosprawne, polimery o wysokiej wydajności, tworzywa termoplastyczne o wysokich parametrach lub tworzywa high-tech.
Wysokowydajne tworzywa sztuczne zapewniają również wyjątkową odporność chemiczną. PPS, FEP/PFA i PAI są odporne na szeroki zakres chemikaliów, podczas gdy teflon (PTFE) jest prawie całkowicie obojętny chemicznie i wysoce nierozpuszczalny w większości rozpuszczalników lub chemikaliów. Wysokosprawne tworzywa sztuczne oferują najwyższą jakość produktu pod względem obrabialności, trwałości, możliwości ponownego użycia i recyklingu. Są używane w wielu aplikacjach wielokrotnego użytku i często zastępują inne materiały, takie jak metal, drewno i szkło. Prawie wszystkie wysokowydajne tworzywa sztuczne nadają się do recyklingu.
GŁÓWNE ZALETY WYSOKOWYDAJNYCH TWORZYW SZTUCZNYCH
Większość wysokowydajnych polimerów ma jedną lub dwie kluczowe zalety. Zwykle jest to odporność na wysokie temperatury, ale wysokowydajne tworzywa sztuczne mogą również charakteryzować się:
wytrzymałością i lekkością,
wysoką odpornością chemiczną,
niskim współczynnikiem tarcia,
wysokiej jakości opórem elektrycznym.
Co sprawia, że tworzywa o wysokiej wydajności są lepsze?
Tworzywa sztuczne o wysokiej wydajności są lepsze, ponieważ można je tworzyć tak, aby miały wyjątkową, korzystną jakość. Zwykle jest to odporność na wysokie temperatury, ale może to być również cecha, taka jak odporność elektryczna i chemiczna. Dzięki zastosowaniu stabilizatorów lub materiałów wzmacniających można je dostosować tak, aby uzyskać charakterystykę, której klient potrzebuje dla swojego projektu. Polimery o wysokiej wydajności są stale rozwijane i ulepszane. Ze względu na swoje doskonałe właściwości mechaniczne, wyższą stabilność chemiczną i/lub cieplną, zaawansowane technologicznie tworzywa sztuczne zastępują metal i podstawowe tworzywa sztuczne w wielu gałęziach przemysłu. Należą do nich przemysł medyczny, lotniczy i spożywczy. Przyjrzyjmy się typowym cechom tych zaawansowanych technologicznie tworzyw sztucznych.
Typowe cechy wysokowydajnych tworzyw sztucznych
Stabilność termiczna
Stabilność termiczna to kluczowa cecha wysokowydajnych tworzyw sztucznych. Dodając stabilizatory lub materiały wzmacniające (np. włókna szklane i węglowe) lub zwiększając stopień polimeryzacji, można poprawić właściwości mechaniczne i termiczne podstawowych tworzyw sztucznych. Zastąpienie jednostek aromatycznych alifatycznymi może również dodatkowo zwiększyć stabilność. Ta metoda pozwala osiągnąć temperatury robocze do 130°C. Aby osiągnąć wyższy poziom, powszechną praktyką jest łączenie związków aromatycznych (np. fenylu) z siarką, tlenem lub azotem. Może to prowadzić do temperatur roboczych od 200°C (PES) do 260°C (PAI lub PEI). Maksymalna odporność na temperaturę wynosi około 260°C dzięki zastosowaniu fluoropolimerów, polimerów, w których atom wodoru został zastąpiony atomami fluoru. Jednak ten wysokowydajny polimer nie jest przydatny w budownictwie, ponieważ ma niską wytrzymałość, jest sztywny i wykazuje silne pełzanie pod obciążeniem. Znany jest materiał PEEK, który może utrzymywać stałą temperaturę roboczą 260°C, podczas gdy inny, zwany Celazole PBI, ma zdolność ciągłej pracy do ok 400°C. Wysokowydajne tworzywa sztuczne nie odkształcają się ani nie degradują w zastosowaniach wysokotemperaturowych i zachowują swoje doskonałe właściwości mechaniczne.
Krystaliczność
Podobnie jak wszystkie polimery, wysokosprawne tworzywa sztuczne są albo półkrystaliczne, albo amorficzne. Polimery krystaliczne mają zarówno temperaturę topnienia krystalitów, jak i temperaturę zeszklenia. Temperatura topnienia krystalitów jest zwykle wyższa. Oznacza to, że większość polimerów krystalicznych może być stosowana powyżej ich temperatury zeszklenia, zwłaszcza jeśli zostały wzmocnione wypełniaczami. Polimery krystaliczne mają również często wysoką odporność na substancje chemiczne, takie jak rozpuszczalniki organiczne lub kwasy wodne.
TYPOWE ZASTOSOWANIA WYSOKOWYDAJNYCH TWORZYW SZTUCZNYCH
Polimery o wysokiej wydajności są stosowane w wielu różnych gałęziach przemysłu. Typowe zastosowania obejmują:
zastosowania o wysokiej odporności na wysoką temperaturę i wstrząsy w przemyśle lotniczym i szklarskim,
odporne na hydrolizę i sterylizację komponenty do wyrobów medycznych,
wysoce odporne, wysoce izolowane lub odporne na emisję materiały przewodzące dla przemysłu elektrotechnicznego,
przemysł lotniczy i kosmiczny, w których potrzebne są części odporne na ekstremalne temperatury,
sprzęt do wiercenia wgłębnego w przemyśle naftowym i gazowym,
zastosowania w technologii rentgenowskiej i energetyce jądrowej.
Obecnie wysokowydajne polimery odgrywają znaczącą rolę w różnych zastosowaniach, szczególnie w sektorze motoryzacyjnym. Wysoka wytrzymałość, mniejsza masa i oszczędność paliwa stały się priorytetami przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego. Wykorzystanie włókien syntetycznych jako wzmocnienia w tych materiałach nie tylko poprawia odmienne właściwości mechaniczne, ale także zmniejsza wagę komponentów. Doskonała jakość produktów z wysokosprawnych tworzyw sztucznych (w szczególności ich wysoka odporność na ciepło i wytrzymałość/sztywność) może utrudniać ich przetwarzanie, często wymagając specjalistycznych maszyn i talentu. To wszystko, w połączeniu z wyższymi kosztami materiałów, na ogół ogranicza ich użycie do specjalistycznych zastosowań. Jednak ich możliwości i wyjątkowa wydajność sprawiają, że wysokiej jakości części z tworzyw sztucznych są warte swojej ceny.
Rynek tworzyw wysokowydajnych
Raport opracowany przez agencję Market Data Forecast prognozuje, że światowy rynek tworzyw wysokosprawnych osiągnie w 2026 roku wartość 37,72 mld USD przy rocznej stopie 11,6% w tatach 2021-2026. Branża tych tworzyw napędzana jest rosnącym wykorzystanie fluoropolimerów w różnych gałęziach przemysłu, ze względu na ich doskonałą przewodność cieplną. Przemysł motoryzacyjny i towarów konsumpcyjnych to dwa główne rynki zastosowań tworzyw wysokosprawnych. Inne zastosowania to budownictwo, sprzęt medyczny, elektronika i materiały elektryczne.
Co nowego w „świecie” tworzyw wysokosprawnych?
Zgodnie z planem zrównoważonego rozwoju One Planet koncernu Solvay i wizją Mitsubishi Chemical Advanced Materials (MCAM) KAITEKI, mającą na celu ochronę zasobów i przyczynianie się do tworzenia bezpieczniejszych, czystszych i bardziej zrównoważonych produktów, obie firmy badają obecnie wdrożenie logistyki odzyskiwania, recyklingu i ponownego przetwarzania materiałów medycznych wykonany z wysokowydajnego termoplastu polisulfonowego (PSU) Udel. Dzięki temu projektowi firmy chcą pokazać, w praktyczny sposób, że możliwy jest recykling wartościowych materiałów wykonanych z Udel stosowanych w medycynie, co daje istotne oszczędności w emisji CO2 w całym łańcuchu produkcyjnym i dostawczym. Projekt obejmuje wykorzystanie połączenia wiedzy specjalistycznej opracowanej przez MCAM do mycia i mechanicznego oczyszczania materiału, wraz ze zdolnością Solvay do oceny składu chemicznego polimeru wycofanego z eksploatacji, w celu opracowania solidnej strategii recyklingu, która zapewni klientom materiały, które w pełni spełniają wszystkie specyfikacje. Obie firmy współpracowały już razem w zakresie odzyskiwania i recyklingu innych wysokowydajnych polimerów, w tym polieteroeteroketonu KetaSpirel (PEEK). Doświadczenie Solvay w dziedzinie chemii polimerów wraz z mistrzostwem MCAM w zakresie recyklingu mechanicznego pomoże przezwyciężyć szczególne wyzwania, przed jakimi stają klienci, aby poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać takie polimery w wymagających zastosowaniach wspierających gospodarkę o obiegu zamkniętym.
Firma DSM Engineering Materials ogłosiła, że wsparło firmę Samsung Electronics w dostarczaniu pierwszego smartfona, który zostanie wykonany z wykorzystaniem technologii Akulon RePurposed. Ten wysokowydajny polimer jest wytwarzany przez DSM w wyniku przekształcenia niepotrzebnych sieci rybackich zebranych na Oceanie Indyjskim. Nowe smartfony z serii Galaxy S22 i tablety z serii Tab S8 stanowią ważny kamień milowy w zakresie zrównoważonego rozwoju tego typu urządzeń i podkreślają zaangażowanie DSM w umożliwienie gospodarki o obiegu zamkniętym poprzez innowacje oparte na recyklingu. Wprowadzony na rynek w 2018 r. Akulon RePurposed powstał dzięki współpracy z lokalną społecznością wzdłuż wybrzeża Indii w celu zbierania i odzyskiwania porzuconych sieci rybackich. Są one następnie przetwarzane w wyjątkowy polimer, zawierający co najmniej 80% PA6 z recyklingu. Współpracując z Samsung Electronics, DSM dostosowało Akulon RePurposed, aby spełnić specyficzne wymagania dotyczące wysokiej wydajności nowej serii Galaxy S22 i Galaxy Tab S8. Obecnie tylko 20% sieci rybackiej z recyklingu jest wykorzystywane jako materiał do produkcji wspornika klawiszy serii Galaxy S22 i wewnętrznej pokrywy rysika S Pen oraz wewnętrznego wspornika Tab S8. Liczba ta wydawać się może niewielka, ale wraz z kolejnymi urządzeniami, które pojawią się w tym roku, Samsung spodziewa się, że do końca 2022 roku uda mu się ponownie wykorzystać ponad 50 ton wyrzuconych sieci rybackich. Firma Samsung twierdzi, że jej urządzenia Galaxy S22 są „najbardziej ekologicznymi” urządzeniami, jakie kiedykolwiek stworzyła. W urządzeniach tych zastosowano materiały pochodzące z recyklingu z innych części, a do ich pakowania użyto papieru pochodzącego w 100% z recyklingu oraz folii ochronnej wykonanej z tworzywa sztucznego pochodzącego z recykling.
Dzięki swoim unikalnym właściwościom, Akulon RePurposed został już zastosowany w różnych gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacja, towary konsumpcyjne i urządzenia elektroniczne. Firma przez lata opracowała szeroką gamę materiałów inżynierskich, aby pomóc swoim klientom we wspieraniu zrównoważonej, niskoemisyjnej gospodarki o obiegu zamkniętym i zobowiązała się do udostępnienia alternatyw opartych na bio- i/lub recyklingu dla całego swojego portfolio do 2030 roku.
Firma Evonik opracowała mieszankę do formowania PEEK (polieteroeteroketon) o bardzo dobrych właściwościach trybologicznych i wysokiej trwałości do stosowania w trudnych warunkach silnika spalinowego w celu zastąpienia metalowych kół zębatych. Komponent seryjny jest produkowany przez IMS Gear SE & Co KGaA i jest stosowany przez Mercedes-Benz AG w różnych modelach. Wyważarki masy zapewniają płynną pracę silnika spalinowego poprzez redukcję wibracji spowodowanych przez tłoki na otaczających konstrukcjach. Przekładnie wyważarki mają kontakt z olejami silnikowymi, w wyniku tego są narażone na temperatury do 130°C. Do tej pory używano wyłącznie metalowych kół zębatych. Dzięki VESTAKEEP PEEK 5000 G, koncern oferuje odpowiedni materiał o wysokiej wytrzymałości i wysokiej wydajności, który zastępuje metalowe koła zębate. Oprócz wymaganego tłumienia drgań przekładnie z tworzywa sztucznego oferują dodatkową zaletę w postaci wysokiej odporności na obciążenia mechaniczne i trybologiczne. W porównaniu do konwencjonalnych metalowych kół zębatych mają mniejsze straty tarcia i są znacznie cichsze. Niższy masowy moment bezwładności oszczędza energię. Koła zębate wykonane z VESTAKEEP PEEK są formowanie wtryskowe i eliminują rozległe przeróbki, które wcześniej były konieczne przy użyciu metalu. Dzięki swojej odporności na wysokie temperatury i odporności chemicznej oraz wysokiej plastyczności, wysokowydajne polimery marki VESTAKEEP mogą zastąpić elementy metalowe umożliwiając zaawansowane zastosowania lekkich konstrukcji.
Firma SABIC zaprezentował nowy związek LNP THERMOCOMP OFC08V, który nadaje się do anten dipolowych stacji bazowych 5G i innych zastosowań elektrycznych i elektronicznych. Ten nowy związek może pomóc firmom w opracowaniu lekkich, opłacalnych, całkowicie tworzywowych konstrukcji anten, które ułatwiają wdrażanie infrastruktury 5G. W erze rosnącej urbanizacji i inteligentnych miast pilnie potrzebna jest szeroka dostępność sieci 5G, aby zapewnić szybką i niezawodną łączność milionom mieszkańców. SABIC pomaga swoim klientom ułatwić produkcję anten RF. Nowy wysokowydajny materiał LNP THERMOCOMP nie tylko pomaga usprawnić produkcję poprzez unikanie przetwarzania końcowego, ale może również zapewnić wyjątkową wydajność w wielu krytycznych obszarach, gdyż LNP THERMOCOMP OFC08V to wzmocniony włóknem szklanym materiał na bazie pol(isiarczku fenylenu) (PPS). Charakteryzuje się on wysoką wydajnością powlekania dzięki bezpośredniej strukturze laserowej (LDS), silną przyczepnością warstw, dobrą kontrolą wypaczenia, wysoką odpornością na ciepło oraz stabilną wydajnością dielektryczną i częstotliwością radiową. To wyjątkowe połączenie właściwości może umożliwić stworzenie nowej, formowanej wtryskowo konstrukcji anteny dipolowej, oferującej przewagę nad tradycyjnym montażem płytek drukowanych (PCB) i selektywnym powlekaniem galwanicznym tworzywa sztucznego. Nowy produkt został opracowany do potencjalnego zastosowania w metalizacji przy użyciu LDS. Materiał oferuje szerokie możliwości obróbki laserowej i zarówno łatwość powlekania, jak i jednolitość szerokości linii powlekania, aby zapewnić stabilną i stałą wydajność anteny. Silne przyleganie między warstwami tworzywa sztucznego i metalu zapobiega rozwarstwianiu, nawet po starzeniu termicznym i bezołowiowym lutowaniu rozpływowym. Ulepszona stabilność wymiarowa w porównaniu z konkurencyjnymi gatunkami PPS wzmacnianymi włóknem szklanym pomaga osiągnąć płynne mocowanie poszycia metalowego podczas LDS, a także dokładny montaż. Dzięki tym zaletom LNP THERMOCOMP OFC08V został wymieniony przez LPKF Laser & Electronics, niemieckiego dostawcę rozwiązań do produkcji laserowej, jako zatwierdzony materiał dla LDS z systemami firmy. W porównaniu do obecnie stosowanego złożonego, selektywnego powlekania galwanicznego tworzywa sztucznego, które jest szeroko stosowanym procesem obejmującym wiele etapów, materiał LNP THERMOCOMP OFC08V z opcją LDS oferuje większą prostotę i wyższą wydajność. Po formowaniu wtryskowym części, LDS wymaga jedynie strukturyzacji laserowej i powlekania chemicznego. Ponadto nowe tworzywo sztuczne zapewnia wszystkie zalety PPS z wypełniaczem szklanym, w tym wysoką odporność na ciepło przy montażu płytek drukowanych przy użyciu technologii montażu powierzchniowego oraz naturalną ognioodporność (UL-94 V0 przy 0,8 mm). Niskie wartości dielektryczne (stała dielektryczna: 4,0; współczynnik rozproszenia: 0,0045) i stabilne parametry dielektryczne, wraz z dobrą wydajnością RF w trudnych warunkach, które pomagają zoptymalizować transmisję i wydłużyć żywotność.
Justyna Pawłowska
Literatura:
1. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/high-performancepolymer
2. https://www.victrex.com/en/blog/2017/high-performance-polymers
3. https://www.plasticstoday.com/medical/plastics-edge-over-metal-medicaldevice-fabrication
4. https://www.pressreleasefinder.com/DSM_Engineering_Materials/DSMPR532/ en/
5. https://www.solvay.com/en/brands/ixef-para/healthcare
6. www.dsm.com/akulonrepurposed
7. https://www.marketdataforecast.com/market-reports/high-performanceplastics-market
