Ι.Ορισμός Ειδικότητας Μηχανικών Πλαστικών
Τα πλαστικά ειδικής μηχανικής, ως σημαντικός κλάδος της βιομηχανίας πλαστικών, είναι μια κατηγορία πλαστικών υλικών μηχανικής με υψηλή συνολική απόδοση και θερμοκρασία μακροχρόνιας λειτουργίας 150°C ή υψηλότερη. Παραδείγματα περιλαμβάνουν σουλφίδιο πολυφαινυλενίου (PPS), πολυιμίδιο (PI), πολυαιθεραιθερκετόνη (PEEK), πολυμερή υγρών κρυστάλλων (LCP) και πολυσουλφόνη (PSU). Αυτά τα πλαστικά διαθέτουν άκαμπτη ραχοκοκαλιά, υψηλά σημεία τήξης και εύρυθμες διατάξεις μοριακής αλυσίδας, επιδεικνύοντας εξαιρετική σταθερότητα σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Τα εξειδικευμένα πλαστικά μηχανικής μπορούν να ικανοποιήσουν συγκεκριμένες απαιτήσεις απόδοσης, όπως αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, αντοχή στη διάβρωση και αντοχή στη φθορά, και χρησιμοποιούνται στην κατασκευή ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, μονωτικών υλικών, εξοπλισμού χημικής επεξεργασίας και εξαρτημάτων κινητήρων αυτοκινήτων. Καθώς συνεχίζουν να ανακαλύπτονται νέες εφαρμογές κατάντη, τα εξειδικευμένα πλαστικά μηχανικής γίνονται το επίκεντρο της προσοχής σε διάφορες βιομηχανίες.
II.Ταξινόμηση Πλαστικών Ειδικότητας Μηχανικών
Τα κύρια κριτήρια ταξινόμησης για την εξειδικευμένη βιομηχανία πλαστικών μηχανικής περιλαμβάνουν τον τύπο υλικού, τα χαρακτηριστικά απόδοσης και τους τομείς εφαρμογής:
1. Θειούχο πολυφαινυλένιο (PPS): Διαθέτει εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα, χημική αντίσταση και ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης και χρησιμοποιείται ευρέως σε εξαρτήματα αυτοκινήτων, ηλεκτρονικά, ηλεκτρικές συσκευές και εξοπλισμό χημικής επεξεργασίας.
2. Πολυιμίδιο (PI): Με εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, χημική αντοχή και μηχανική αντοχή, χρησιμοποιείται ευρέως σε εξαρτήματα υψηλής θερμοκρασίας για την αεροδιαστημική, την ηλεκτρονική και την αυτοκινητοβιομηχανία.
3. Πολυαιθεραιθερκετόνη (PEEK): Με εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, χημική αντοχή και μηχανικές ιδιότητες, χρησιμοποιείται ευρέως στους τομείς της αεροδιαστημικής, των ιατρικών συσκευών και των πετροχημικών.
4. Πολυμερές υγρών κρυστάλλων (LCP): Με εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων, χαμηλή τριβή και χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας, χρησιμοποιείται συνήθως στην κατασκευή ηλεκτρονικών υλικών συσκευασίας και μικροεξαρτημάτων.
5. Πολυσουλφόνη (PSU): Με εξαιρετική αντοχή στη θερμοκρασία, αντοχή στη διάβρωση και ηλεκτρική μόνωση, χρησιμοποιείται ευρέως σε χημικό εξοπλισμό, ηλεκτρονικά εξαρτήματα και ιατρικές συσκευές.
ΙΙΙ. Ιστορικό Έρευνας και Ανάπτυξης Ειδικών Μηχανικών Πλαστικών
Η ανάπτυξη εξειδικευμένων πλαστικών μηχανικής καθοδηγήθηκε κυρίως από τη ζήτηση για υλικά υψηλής απόδοσης, που υποκινήθηκε από τον διεθνή αγώνα εξοπλισμών εκείνη την εποχή, ιδιαίτερα την ανάγκη για εφαρμογές σε τομείς υψηλής τεχνολογίας. Εκείνη την εποχή, μεγάλες εταιρείες στην Ευρώπη και τις Ηνωμένες Πολιτείες επένδυσαν σημαντικούς οικονομικούς και ανθρώπινους πόρους σε έναν αγώνα δρόμου για την ανάπτυξη αυτών των υλικών. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1960 έως τη δεκαετία του 1980, αυτά τα υλικά ήταν σε μεγάλο βαθμό τυποποιημένα. Τα ακόλουθα είναι διάφοροι τύποι πλαστικών ειδικών μηχανικών:
01
Πολυιμίδιο (PI)
Το Polyimide (PI) αναπτύχθηκε και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά από την DuPont στις Ηνωμένες Πολιτείες με την επωνυμία Kapton. Είναι ένα άμορφο πολυμερές με θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) πάνω από 400°C. Το PI είναι ένα αρωματικό ετεροκυκλικό πολυμερές που περιέχει δακτυλίους ιμιδίου (-CO-NH-CO-) στην κύρια αλυσίδα του. Διαθέτει εξαιρετικές ιδιότητες όπως ηλεκτρική μόνωση, μηχανική αντοχή, χημική σταθερότητα, αντοχή στη γήρανση, αντοχή στην ακτινοβολία και χαμηλή διηλεκτρική απώλεια. Επιπλέον, αυτές οι ιδιότητες παραμένουν σε μεγάλο βαθμό αμετάβλητες σε ένα εύρος θερμοκρασιών από -269 έως 400°C. Είναι επί του παρόντος το πιο ανθεκτικό στη θερμότητα πολυμερές υλικό στη βιομηχανική παραγωγή και ως εκ τούτου αναφέρεται ως «ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα πλαστικά μηχανικής του 21ου αιώνα». Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας PI είναι:
02
Πολυαμιδεϊμίδη (PAI)
Το πολυαμιδεϊμίδιο (PAI), που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από την Toray Industries, Inc. της Ιαπωνίας με την επωνυμία Torlon, είναι ένα άμορφο, μη θερμοπλαστικό πολυμερές με θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) 285°C. Το PAI είναι μια κατηγορία πολυμερών στα οποία οι δακτύλιοι ιμιδίου και οι αμιδικοί δεσμοί είναι διατεταγμένοι σε κανονικό εναλλασσόμενο σχέδιο. Η δύναμή του είναι απαράμιλλη από κανένα μη ενισχυμένο βιομηχανικό πλαστικό στον κόσμο σήμερα. Επιδεικνύει ανώτερες μηχανικές ιδιότητες στους 250°C, με θερμοκρασία εκτροπής θερμότητας 269°C. Η αντοχή στη φθορά, η χημική αντίσταση και η αντίσταση στην ακτινοβολία υψηλής ενέργειας του PAI κάνουν την απόδοσή του ακόμα πιο εξαιρετική, καθιστώντας το εξαιρετικά κατάλληλο για χρήση σε σκληρά περιβάλλοντα λειτουργίας. Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας PAI είναι:
03
Πολυθεραιμίδιο (PEI)
Το πολυαιθεριμίδιο (PEI) ερευνήθηκε και αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από την GE στις Ηνωμένες Πολιτείες τη δεκαετία του 1970. Μετά από 10 χρόνια πιλοτικής παραγωγής και δοκιμών, διατέθηκε στο εμπόριο τη δεκαετία του 1980 με την επωνυμία ULTEM. Είναι ένα άμορφο πολυμερές με Tg 217°C. Σε αντίθεση με τα δύο πρώτα υλικά, είναι ένα θερμοπλαστικό πολυιμίδιο που μπορεί να υποστεί επεξεργασία χρησιμοποιώντας θερμοπλαστικές τεχνικές όπως χύτευση με εξώθηση και χύτευση με έγχυση. Το PEI είναι συνήθως διαφανές με κεχριμπαρένια απόχρωση. Παρουσιάζει εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, μηχανικές ιδιότητες, χημική σταθερότητα και ηλεκτρικές ιδιότητες. Τα βασικά χαρακτηριστικά του περιλαμβάνουν υψηλή αναλογία αντοχής προς βάρος, διατήρηση αντοχής έως 200°C (390°F), μακροχρόνια αντοχή στη θερμική οξείδωση, καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και εγγενή χημική αντοχή και επιβράδυνση φλόγας. Το PEI διατηρεί τις ιδιότητές του ακόμη και μετά από παρατεταμένη έκθεση σε ατμό και ζεστό νερό, γεγονός που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για τον εξοπλισμό επεξεργασίας τροφίμων και τις ιατρικές εφαρμογές που απαιτούν έντονο καθαρισμό ή αποστείρωση. Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας στο PEI είναι:
04
Πολυσουλφόνη (PSU)
Το Polysulfone (PSU) αναπτύχθηκε με επιτυχία και διατέθηκε στο εμπόριο από την United Carbides Corporation (UCC) στα τέλη της δεκαετίας του 1960 με την επωνυμία UDEL. Είναι ένα άμορφο πολυμερές με θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) 192°C. Το 1986, η UCC μεταβίβασε τα δικαιώματα παραγωγής και πώλησης της πολυσουλφόνης στην Amoco. Η κύρια αλυσίδα του PSU περιέχει δακτυλίους βενζολίου και το άτομο θείου στην ομάδα -SO2- βρίσκεται στην υψηλότερη κατάσταση οξείδωσης. Κατά συνέπεια, παρουσιάζει καλή αντοχή στην οξείδωση, μηχανικές ιδιότητες και θερμική σταθερότητα, ενώ η παρουσία αιθερικών δεσμών παρέχει έναν ορισμένο βαθμό σκληρότητας. Το PSU έχει εξαιρετικές ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης και χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρική βιομηχανία. Στον ιατρικό τομέα, το PSU χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή ιατρικών συσκευών, όπως αιμοδιήθητες, λόγω της καλής βιοσυμβατότητάς του και της αντοχής του στην αποστείρωση. Στον τομέα της επεξεργασίας τροφίμων, το PSU μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ορισμένου εξοπλισμού ανθεκτικού σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, το PSU έχει ορισμένες εφαρμογές στην αεροδιαστημική και τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις εμπορικά διαθέσιμοι και σχετικά ώριμοι τύποι ρητινών πολυσουλφόνης: πολυσουλφόνη τύπου δισφαινόλης Α (PSU), πολυφαινυλοσουλφόνη (PPSU) και πολυαιθεροσουλφόνη (PES). Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας του PSU είναι:
05
Πολυαιθεροσουλφόνη (PES)
Η πολυαιθεροσουλφόνη (PES) αναπτύχθηκε με επιτυχία και διατέθηκε στο εμπόριο από τη βρετανική εταιρεία ICI τη δεκαετία του 1970. Πωλείται με την εμπορική ονομασία PES, είναι ένα άμορφο πολυμερές με θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) 225°C. Η μοριακή δομή του PES δεν περιέχει ούτε μονάδες αλειφατικού υδρογονάνθρακα - οι οποίες έχουν κακή θερμική σταθερότητα - ούτε άκαμπτες μονάδες διφαινυλίου. αποτελείται κυρίως από σουλφονικές ομάδες, αιθερικές ομάδες και φαινυλ ομάδες. Οι ομάδες σουλφόνης προσδίδουν αντοχή στη θερμότητα, ενώ οι αιθερικές ομάδες δίνουν στις πολυμερείς αλυσίδες καλή ρευστότητα στην τετηγμένη κατάσταση, διευκολύνοντας τη χύτευση και την επεξεργασία. Το PES έχει εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα, φυσικές και μηχανικές ιδιότητες και ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί συνεχώς σε υψηλές θερμοκρασίες και διατηρεί σταθερή απόδοση σε περιβάλλοντα που υπόκεινται σε γρήγορες αλλαγές θερμοκρασίας. Είναι ανθεκτικό στη διάβρωση από τα περισσότερα χημικά μέσα. Η πολυαιθεροσουλφόνη δεν υφίσταται υδρόλυση στο νερό, αλλά η ίχνη απορρόφησης υγρασίας μπορεί να προκαλέσει ελαφρά πλαστικοποίηση, με αποτέλεσμα μικρές αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες. Επιπλέον, η πολυαιθεροσουλφόνη είναι αυτοσβενόμενη και παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στη φλόγα χωρίς την προσθήκη επιβραδυντικών φλόγας. Το PES χρησιμοποιείται ευρέως στους τομείς ηλεκτρονικών, ηλεκτρικών, μηχανικών, αυτοκινήτων, ιατρικών συσκευών και ζεστού νερού. Αναγνωρίζεται ως πλαστικό μηχανικής που συνδυάζει υψηλή θερμοκρασία εκτροπής θερμότητας, υψηλή αντοχή σε κρούση και εξαιρετική δυνατότητα επεξεργασίας. Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας του PES είναι:
06
Πολυαρυλικό (PAR)
Το πολυαρυλικό (PAR) είναι ένας γενικός όρος για μια οικογένεια προϊόντων αρωματικού πολυεστέρα. Το πρώτο τέτοιο προϊόν που αναπτύχθηκε και εμπορευματοποιήθηκε με επιτυχία δημιουργήθηκε από την ιαπωνική εταιρεία UNITIKA στις αρχές της δεκαετίας του 1970 με την εμπορική ονομασία U-polymer. Είναι ένα άμορφο πολυμερές. Συγκεκριμένα, το U-100 έχει Tg 193°C. Το PAR είναι ένα εξειδικευμένο πλαστικό μηχανικής με δακτυλίους βενζολίου και εστερικές ομάδες στην κύρια αλυσίδα του. Η υψηλή πυκνότητα των αρωματικών δακτυλίων στην κύρια αλυσίδα ενισχύει την αντίσταση στη θερμότητα, με θερμοκρασία θερμικής εκτροπής 175°C. Η παρουσία μονάδων δακτυλίου παρα- και μετα-βενζολίου στην κύρια αλυσίδα αναστέλλει την κρυστάλλωση του πολυμερούς, με αποτέλεσμα ένα άμορφο, διαφανές πολυμερές. Η διαφάνειά του είναι εφάμιλλη με αυτή των PC και PMMA, με διαπερατότητα φωτός σχεδόν 90%. Επιδεικνύει καλή ελαστικότητα στην κάμψη και εξαιρετική αντοχή σε ερπυσμό σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Έχει εξαιρετική αντοχή στις καιρικές συνθήκες, εμποδίζει την υπεριώδη ακτινοβολία κάτω από 350 nm και διατηρεί ουσιαστικά αμετάβλητες μηχανικές ιδιότητες σε μακροχρόνιες συνθήκες εξωτερικού χώρου. Είναι αυτοσβενόμενο, παράγει ελάχιστο καπνό κατά την καύση και είναι μη τοξικό. Το PAR είναι ένα πολυμερές υλικό με εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα. Ο δομικός τύπος και οι μέθοδοι σύνθεσης ποικίλλουν ανάλογα με τις απαιτήσεις εφαρμογής. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρονικές συσκευές ανθεκτικές σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και σε εξαρτήματα και ανταλλακτικά για την αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία, ενώ χρησιμοποιείται επίσης συνήθως σε ιατρικές συσκευές. Οι εφαρμογές του σε πολλούς βιομηχανικούς τομείς καταδεικνύουν τη σημαντική αξία του ως πλαστικό εξειδικευμένης μηχανικής. Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας του PAR είναι:
07
Πολυφαινυλενοσουλφίδιο (PPS)
Το θειούχο πολυφαινυλένιο (PPS) αναπτύχθηκε για πρώτη φορά και διατέθηκε στο εμπόριο τη δεκαετία του 1970 από τη Philips στις Ηνωμένες Πολιτείες με την επωνυμία Ryton. Είναι ένα κρυσταλλικό πολυμερές με θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) 88°C και σημείο τήξης (Tm) 277°C. Το PPS αποτελείται από μια εναλλασσόμενη διάταξη δακτυλίων βενζολίου και ατόμων θείου, δίνοντάς του μια κανονική δομή και υψηλή κρυσταλλικότητα —έως και 75%— με σημείο τήξης έως και 285°C. Οι δακτύλιοι βενζολίου παρέχουν στο PPS καλή ακαμψία και αντοχή στη θερμότητα, ενώ οι σουλφιδικοί δεσμοί προσδίδουν έναν ορισμένο βαθμό ευελιξίας. Το PPS παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα, επιβράδυνση φλόγας, ηλεκτρική μόνωση και αντοχή στη διάβρωση. Οι ολοκληρωμένες ιδιότητές του—συμπεριλαμβανομένης της θερμικής σταθερότητας, της μηχανικής αντοχής και της ηλεκτρικής απόδοσης—του επιτρέπουν να αντέχει τη μακροχρόνια έκθεση σε θερμοκρασίες έως και 220°C. Ως αποτέλεσμα, το PPS χαιρετίζεται ως το «έκτο μεγαλύτερο πλαστικό μηχανικής στον κόσμο», μετά το πολυανθρακικό (PC), τον πολυεστέρα (PET), το πολυοξυμεθυλένιο (POM), το νάιλον (PA) και το πολυφαινυλενοξείδιο (PPO). Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας στο PPS είναι:
08
Πολυαιθεραιθερκετόνη (PEEK)
Η πολυαιθεραιθερκετόνη (PEEK) αναπτύχθηκε και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά με επιτυχία στη δεκαετία του 1970 από τη βρετανική εταιρεία ICI. Η ICI συνέθεσε με επιτυχία το PEEK και άρχισε να το εμπορεύεται το 1978. Από τότε πωλείται με την επωνυμία Victrex. Η εμπορική ονομασία είναι PEEK. Είναι ένα κρυσταλλικό πολυμερές με θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) 143°C και Tm = 334°C. Το PEEK είναι ένα κρυσταλλικό θερμοπλαστικό πολυμερές εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας που αποτελείται από επαναλαμβανόμενες μονάδες που περιέχουν έναν δεσμό κετόνης και δύο δεσμούς αιθέρα στην κύρια δομή της αλυσίδας του. Η μοριακή δομή της πολυαιθεραιθερκετόνης περιέχει άκαμπτους δακτυλίους βενζολίου, δίνοντάς της εξαιρετική απόδοση σε υψηλή θερμοκρασία, μηχανικές ιδιότητες, ηλεκτρική μόνωση, επιβράδυνση φλόγας, αντίσταση ακτινοβολίας και χημική αντίσταση. Το PEEK έχει σημείο τήξης (Tm) τόσο υψηλό όσο 340°C. Αυτό το υψηλό σημείο τήξης δίνει στο PEEK εξαιρετική αντίσταση σε υψηλή θερμοκρασία. Η θερμοκρασία εκτροπής θερμότητας του ενισχυμένου με ίνες PEEK μπορεί να φτάσει έως και τους 315°C, ενώ η θερμοκρασία μακροχρόνιας συνεχούς λειτουργίας (UL946B) μπορεί να φτάσει τους 260°C και η βραχυπρόθεσμη αντίστασή του στη θερμότητα εκτείνεται έως τους 300°C. Ακόμη και μετά από 5.000 ώρες χρήσης στους 260°C, η αντοχή του παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητη από την αρχική του κατάσταση και παρουσιάζει εξαιρετική θερμική σταθερότητα. Κατά συνέπεια, το PEEK έχει μεγάλη διάρκεια ζωής σε σκληρά περιβάλλοντα. Ο δομικός τύπος της επαναλαμβανόμενης μονάδας στο PEEK είναι:
