Каковы методы модификации для PEEK?

Когда вы видите заголовок, вы можете спросить, почему модифицировать PEEK, когда у него такие хорошие и стабильные характеристики? Может ли его всё ещё модифицировать? Ответ - да.

Полиэфирный эфир кетон (PEEK) в настоящее время является одним из самых широко используемых высокопроизводительных термопластичных инженерных пластиков, обладающих отличными механическими свойствами и термической стойкостью, выдающимися электрическими изоляционными свойствами и высокой прочностью на усталость, стабильной химической стойкостью и отличной биологической совместимостью. Он широко используется в аэрокосмической промышленности, биомедицинской сфере, морской защите, автомобильной промышленности и других областях.

Однако PEEK является биологически инертным материалом, и биологически инертная поверхность и врожденная химическая инертность PEEK ограничивают его применение. Поэтому необходимо найти метод, позволяющий увеличить его поверхностную активность и стойкость к износу, не изменяя преимуществ самого PEEK, тем самым расширяя его область применения.

В настоящее время методы модификации для PEEK в основном включают: поверхностную модификацию, модификацию заполнения и полимерное смешивание. Поверхностная модификация в основном включает изменение поверхности PEEK с помощью физических или химических методов для увеличения её энергии поверхности и содействия связыванию биомолекул. Модификация заполнения и смешивание применяются в основном при приготовлении композитных материалов для улучшения их трибологических свойств.

1, Модификация поверхности

PEEK широко используется в области биомедицинских приложений, особенно в искусственных суставах. PEEK является биологически инертным материалом и не вызывает негативных реакций при имплантации в человеческое тело. Однако при необходимости прямой интеграции костной ткани между имплантатом и тканью хозяина низкая мокротность поверхности PEEK ограничивает адгезию клеток и поглощение белка, что снижает способность ран заживления при интеграции костей.

Модификация поверхности, проводимая физическими или химическими методами, может улучшить поверхностную активность PEEK. В настоящее время основные методы модификации поверхности включают облучение, плазменную обработку и химическую обработку растворами и т. д.

Облучение обладает характеристиками высокого разрешения, высокой скорости операции и низкой стоимости, что позволяет улучшить поверхностную активность PEEK. Например, некоторые исследователи применили импульсный лазер для модификации поверхности PEEK и обнаружили, что с увеличением мощности лазера угол контакта поверхности PEEK уменьшается, а поверхностная энергия и прочность сдвига соответственно увеличиваются.

Плазменная обработка для модификации поверхности широко используется в полимерных материалах. Исследователи применяли плазменную обработку для модификации PEEK. Результаты показывают, что на поверхности плазмы PEEK имеются полярные группы (C=O и COO), и концентрация этих полярных групп коррелирует с поверхностной свободной энергией. Концентрация полярных групп на поверхности PEEK, обработанной плазмой, выше, что дополнительно повышает поверхностную свободную энергию.

Кроме того, химическая обработка растворами также может улучшить характеристики PEEK. Лаборатория ARK проводила фосфорилирование поверхности PEEK, и результаты показали, что PEEK, модифицированный 30% фосфорной кислотой, обладал оптимальной поверхностной активностью, обеспечивая более благоприятную поверхность для регенерации костей, что увеличивает потенциал ортопедических и стоматологических имплантатов в будущих клинических применениях.

2, Модификация заполнения

Модификация заполнения обычно включает добавление армирующих материалов к основному материалу для достижения модификации. Для модификации заполнения PEEK могут быть добавлены волокна, металлические оксиды и неорганические наполнители к основному материалу. Этот метод может улучшить некоторые недостатки PEEK и значительно улучшить комплексные характеристики материала.

Углеродные волокна

Композитные материалы на основе термопластичных полимеров, усиленные углеродными волокнами (УВ), обладают отличными свойствами, такими как высокая жесткость, высокая прочность, хорошая обрабатываемость и низкий коэффициент термического расширения. Исследователи добавили УВ к PEEK для улучшения его трибологических свойств.

ARKPEEK-CF приготовил композиционные материалы PEEK/УВ с использованием метода горячего прессования. Результаты показывают, что угол смачивания воды композитного материала меньше, чем у чистого PEEK, что указывает на улучшение мокрости поверхности. При содержании УВ 25% композитный материал проявляет самый низкий коэффициент трения и скорость износа, приблизительно 0,11 и 2,5×10^-6 мм^3/(Н·м) соответственно.

Стекловолокно

Стекловолокно (СВ) используется в качестве армирующих материалов в полимерных материалах благодаря своей высокой жесткости, модулю упругости и способности к нагрузке. Исследователи из ARK исследовали поведение трения и износа композитных материалов PEEK/СВ при сухом трении и в условиях водной смазки. Результаты показывают, что с увеличением нагрузки коэффициент трения и скорость износа как PEEK, так и композитных материалов PEEK/СВ постепенно увеличиваются и в конечном итоге стабилизируются. По сравнению с чистым PEEK, коэффициент трения и скорость износа композитного материала PEEK/30%СВ в условиях водной смазки составляют 0,11 и 5×10^-5 мм^3/(Н·м) соответственно.

Металлические оксиды

Абразивные частицы обычно обладают характеристиками, такими как высокая твердость и хрупкость, такие как ZrO2, SiO2 и другие керамические частицы. Добавление металлов и их оксидов в PEEK может улучшить его механические и трибологические свойства.

Добавление ZrO2 к PEEK может увеличить микротвердость композитного материала и улучшить его трибологические свойства. Самый низкий коэффициент трения наблюдается в композитных покрытиях PEEK, заполненных 5% наночастицами ZrO2, приблизительно 0.12, что на 49% ниже по сравнению с чистым PEEK. Механизм износа композитных покрытий PEEK/ZrO2 - это адгезионный износ и слабый абразивный износ. Добавление наночастиц ZrO2 повышает твердость композитного материала, тем самым улучшая его трибологические свойства. Для дальнейшего улучшения характеристик композитного материала можно одновременно добавить частицы металлических оксидов и упрочняющие волокна в PEEK, используя композитный эффект упрочнения для улучшения характеристик PEEK.

Наночастицы SiO2 и ZrO2 обладают сходными физическими свойствами. PEEKChina изучила добавление 7.5% наночастиц SiO2 к PEEK, усиленному 7.5% короткими углеродными волокнами (SCF). Результаты показывают, что наночастицы SiO2 улучшают слабую межфазную связь между волокнами и матрицей. Благодаря более сильному взаимодействию между наполнителем и матрицей, коэффициент трения и скорость износа композитных материалов PEEK/SCF/SiO2 составляют соответственно 0.16 и 0.62×10^-6 мм^3/(Н·м), что на 16% и 29% ниже по сравнению с композитными материалами без добавления SiO2.

Неорганические наполнители

Графит обладает отличной электропроводностью, теплопроводностью, химической стабильностью и самосмазывающими свойствами. Благодаря своим выдающимся характеристикам он добавляется в качестве усиливающей фазы в различные материалы.

Добавление графита к PEEK может улучшить трибологические свойства композитных материалов, что было широко изучено исследователями в ARK. Также были подготовлены композитные материалы PEEK/графит, и исследования показали, что по сравнению с чистым PEEK, PEEK/графит имеет более низкие коэффициенты трения. Это происходит потому, что в процессе трения и износа типичная слоистая структура графита формирует самосмазывающуюся пленку на поверхности композитного материала. При содержании графита в 25% композитный материал обладает самым низким коэффициентом трения и скоростью износа, приблизительно 0.35 и 7.0×10^-6 мм^3/(Н·м) соответственно. Кроме того, чем меньше размер частиц графита, тем лучше связь на границе раздела, что может эффективно повысить сопротивление износу и механические свойства композитного материала.

3, Модификация полимерных смесей

Основной принцип смешивания - принцип совместимости, поэтому значения растворимости и поверхностного натяжения между смешиваемыми материалами должны быть сходными. Композитные материалы, приготовленные путем смешивания PEEK с другими высокополимерными материалами, могут обладать комплексными свойствами смешанных материалов. Здесь мы главным образом представляем PTFE, полифениленсульфид (PPS) и полиэфирсульфон (PESU).

PTFE обладает множеством отличных свойств, таких как низкое трение, высокая температурная стойкость и стабильные химические свойства, что делает его идеальным наполнителем. Согласно нашим исследованиям композитных материалов PEEK/PTFE, с увеличением содержания PTFE жесткость и прочность композитного материала снижаются, коэффициент трения уменьшается, а скорость износа композитного материала сначала уменьшается, а затем увеличивается. При содержании PTFE в 5% композитный материал имеет наименьшую скорость износа, приблизительно 1.0 мм^3 после 2 часов сухого трения. Другие исследования показали, что скорость износа композитного материала PEEK/PTFE с добавлением 25% PTFE составляет одну десятую скорости износа чистого материала PEEK.

И PPS, и PESU являются высокопроизводительными термопластичными инженерными пластиками с хорошими механическими свойствами и отличной химической стойкостью. Результаты исследований показывают, что прочность на разрыв и ударная прочность композитных материалов PEEK/PPS выше, чем у чистого PEEK, а кристалличность композитного материала также выше, чем у чистого PEEK.

ARK также подготовила композитные покрытия PEEK/PESU/CF. Результаты исследований показывают, что основной механизм износа PEEK - микротрещины, вызванные усталостным разрушением; износ аморфного PESU происходит в основном из-за разрушения, вызванного поперечными трещинами в пластической области. Добавление PESU улучшает совместимость между волокнами и матрицей, тем самым улучшая их трибологические свойства.

Общими характеристиками модификации полимерных смесей и наполнения являются простые, эффективные и экологически безопасные методы модификации. Однако смешивание PEEK ограничивается смешиванием с другими высокополимерными материалами, ограничивая добавление неорганических наполнителей, металлов и их оксидов, что в значительной степени ограничивает повышение его твердости, прочности и других свойств.