Понимание PAEK: типы, свойства и применения

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Типы, свойства и взаимосвязь структуры и характеристик полиарилэфиркетона (PAEK)

Обзор

Полиарилэфиркетоны (PAEK) — это класс высокоэффективных инженерных пластиков, известных своей отличной термостойкостью, устойчивостью к коррозии, износостойкостью и биосовместимостью. Они широко используются в оборонной, аэрокосмической, электронной, автомобильной, механической, нефтяной, ядерной и медицинской промышленности.

PAEK-полимеры обычно синтезируются через реакции нуклеофильного замещения A2+B2 с использованием бисфенола и дифторидных мономеров. Молекулярная структура значительно влияет на свойства. Полукристаллические структуры обычно состоят из регулярных цепей эфир-кетон-бензол, в то время как аморфные варианты возникают из-за нерегулярных боковых групп, нарушающих кристалличность.

Типы и молекулярная структура PAEK

PAEK — это линейный термопластичный полимер, состоящий из ароматических колец, соединенных эфирными и кетонными группами. Его жесткая молекулярная цепь и сильные межмолекулярные силы обеспечивают отличную термостойкость и механическую прочность. Эфирные группы придают прочность — больше эфиров означает большую гибкость.

Основные типы включают:

• PEEK (полиэфирэфиркетон)

• PEK (полиэфиркетон)

• PEKK (полиэфиркетонкетон)

• PEEKK (полиэфирэфиркетонкетон)

• PEKEKK (полиэфиркетонэфиркетонкетон)

1. Полиэфирэфиркетон (PEEK)

Коммерциализированный в 1980-х годах компанией ICI, PEEK является полукристаллическим полимером с температурой стеклования (Tg) = 143°C, температурой плавления (Tm) = 343°C и до 48% кристалличности. Его структура обеспечивает отличную термостойкость, механическую прочность, радиационную стойкость (до 10⁹ рад), химическую стойкость (за исключением концентрированной серной кислоты), стабильность размеров, усталостную и износостойкость, а также электрические свойства. Он широко применяется в аэрокосмической, ядерной, электронной и автомобильной отраслях.

2. Полиэфиркетон (PEK)

Представленный в 2002 году компанией Victrex (ранее ICI), PEK (PEEK-HT) имеет более высокую Tg = 157°C и Tm = 374°C. Он предлагает лучшую прочность при высоких температурах и износостойкость по сравнению с PEEK, с немного более высокой стоимостью (~10%).

3. Полиэфиркетонкетон (PEKK)

Разработанный компанией DuPont в 1980-х годах, PEKK имеет Tg = 165°C и Tm = 381°C. Он обеспечивает исключительную термическую стабильность и химическую стойкость и используется в высокотемпературных конструкционных и изоляционных материалах.

4. Полиэфирэфиркетонкетон (PEEKK)

Разработанный Университетом Цзилинь, PEEKK основывается на свойствах PEEK, с Tg = 162°C и Tm = 367°C. Некоторые варианты достигают Tg до 192°C, Tm до 428°C и температуры термического разложения до 540°C, что делает его одним из самых термостойких PAEK.

5. Полиэфиркетонэфиркетонкетон (PEKEKK)

Созданный компанией Victrex с использованием нуклеофильного синтеза, PEKEKK (Tg = 162°C, Tm ≈ 384–387°C) является третьим поколением материалов PAEK. Усиленные композиты показывают устойчивость к тепловой деформации до 386°C и кратковременное использование до 400°C.

Характеристики PAEK

Уникальная молекулярная структура PAEK — ароматические и гетероциклические кольца, сильная энергия связи, жесткие сегменты — приводит к:

• Высоким Tg и температурам разложения

• Низкой воспламеняемости

• Отличным механическим свойствам и модулю

• Устойчивости к растворителям и химическим веществам

• Электрической изоляции и радиационной стойкости

Ключевые преимущества PEEK (типичного PAEK):

1. Термостойкость: Tg = 143°C, Tm = 343°C. С 30% стекловолокна или углеродного волокна выдерживает 260°C непрерывно и 300°C кратковременно.

2. Механические свойства: Прочность на разрыв до 212 МПа (30% CF), прочность на изгиб до 335 МПа.

3. Ударопрочность: Отличная, с ударной прочностью с надрезом >200 кг·см/см.

4. Самосмазывание и износостойкость: Превосходно при различных давлениях, скоростях и шероховатости поверхности. Варианты, усиленные углеродным волокном, сопоставимы с полиимидом.

5. Химическая стойкость: Нерастворим в большинстве растворителей; коррозионная стойкость аналогична никелевой стали.

6. Огнестойкость: UL V-0 (образец 1,45 мм без антипирена).

7. Устойчивость к гидролизу: Сохраняет характеристики в горячей воде и паре (до 250°C в течение тысяч часов).

8. Электрическая изоляция: Диэлектрические потери при 10 Гц = 0,0033; пробивное напряжение = 17 кВ/мм.

9. Радиационная стойкость: Выдерживает >1100 Мрад без потери изоляции.

10. Адгезия и усталостная стойкость: Сильная адгезия к металлам и отличная усталостная долговечность.

11. Обрабатываемость: Подходит для литья под давлением, экструзии, прессования, выдувного формования, плавильного прядения, ротационного формования и порошкового покрытия.

Взаимосвязь структуры и характеристик PAEK

1. Соотношение эфир/кетон и термостойкость

Tg и Tm тесно связаны с соотношением эфир/кетон. Больше кетонных групп = большая жесткость и термостойкость. Однако слишком много снижает обрабатываемость. Оптимальный баланс имеет решающее значение.

2. Связь цепей

Включение бифенильных единиц изменяет стиль соединения цепей. Например, сравнение PEDEK и PEDEKK (одно и то же соотношение эфир/кетон), структурные различия влияют на Tg и Tm. Бифенильные структуры рядом с кетонами значительно увеличивают жесткость и термические характеристики.

3. Механическая прочность

PAEK-смолы, такие как PEEKK, могут иметь увеличенную прочность на разрыв и модуль при более высоком содержании кетона. Для приложений с высокой прочностью рекомендуется армирование волокном.

4. Сшитые структуры

Сшиваемые варианты PAEK (с фенилэтинилными группами) позволяют настраивать термические характеристики после сшивания, увеличивая Tg с увеличением содержания алкина.