I.Definicja specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych
Specjalistyczne tworzywa konstrukcyjne, jako ważna gałąź przemysłu tworzyw sztucznych, stanowią klasę konstrukcyjnych tworzyw sztucznych o wysokich parametrach ogólnych i długotrwałej temperaturze użytkowania wynoszącej 150°C lub wyższej. Przykłady obejmują siarczek polifenylenu (PPS), poliimid (PI), polieteroeteroketon (PEEK), polimery ciekłokrystaliczne (LCP) i polisulfon (PSU). Tworzywa te charakteryzują się sztywnym szkieletem, wysokimi temperaturami topnienia i uporządkowanym układem łańcuchów molekularnych, wykazując doskonałą stabilność w środowiskach o wysokiej temperaturze. Specjalistyczne tworzywa konstrukcyjne mogą spełniać określone wymagania eksploatacyjne, takie jak odporność na wysoką temperaturę, odporność na korozję i odporność na zużycie, i są wykorzystywane do produkcji podzespołów elektronicznych, materiałów izolacyjnych, sprzętu do przetwarzania chemicznego i części silników samochodowych. W miarę odkrywania nowych zastosowań w dalszej części procesu, specjalistyczne tworzywa konstrukcyjne stają się centralnym punktem zainteresowania różnych gałęzi przemysłu.
II.Klasyfikacja specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych
Główne kryteria klasyfikacji dla branży specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych obejmują rodzaj materiału, właściwości użytkowe i obszary zastosowań:
1. Siarczek polifenylenu (PPS): Posiada doskonałą odporność cieplną, odporność chemiczną i właściwości izolacji elektrycznej i jest szeroko stosowany w częściach samochodowych, elektronice, urządzeniach elektrycznych i sprzęcie do przetwarzania chemicznego.
2. Poliimid (PI): Dzięki wyjątkowej stabilności w wysokich temperaturach, odporności chemicznej i wytrzymałości mechanicznej jest szeroko stosowany w komponentach wysokotemperaturowych dla przemysłu lotniczego, elektronicznego i motoryzacyjnego.
3. Polieteroeteroketon (PEEK): Dzięki doskonałej stabilności w wysokich temperaturach, odporności chemicznej i właściwościom mechanicznym jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, urządzeniach medycznych i petrochemicznym.
4. Polimer ciekłokrystaliczny (LCP): Dzięki doskonałej stabilności wymiarowej, niskiemu tarciu i charakterystyce wysokiej częstotliwości jest powszechnie stosowany w produkcji elektronicznych materiałów opakowaniowych i mikroelementów.
5. Polisulfon (PSU): Dzięki doskonałej odporności na temperaturę, korozję i właściwości izolacji elektrycznej jest szeroko stosowany w sprzęcie chemicznym, komponentach elektronicznych i urządzeniach medycznych.
III.Podstawy badań i rozwoju specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych
Rozwój specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych był napędzany przede wszystkim popytem na materiały o wysokiej wydajności, pobudzonym wówczas międzynarodowym wyścigiem zbrojeń, w szczególności potrzebą zastosowań w dziedzinach zaawansowanych technologii. W tamtym czasie największe firmy w Europie i Stanach Zjednoczonych zainwestowały znaczne zasoby finansowe i ludzkie w wyścig o opracowanie tych materiałów. Od wczesnych lat sześćdziesiątych do osiemdziesiątych XX wieku materiały te były w dużej mierze znormalizowane. Poniżej przedstawiono kilka rodzajów specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych:
01
Poliimid (PI)
Poliimid (PI) został po raz pierwszy opracowany i wprowadzony na rynek przez firmę DuPont w Stanach Zjednoczonych pod marką Kapton. Jest to polimer amorficzny o temperaturze zeszklenia (Tg) powyżej 400°C. PI to aromatyczny polimer heterocykliczny zawierający w swoim głównym łańcuchu pierścienie imidowe (-CO-NH-CO-). Posiada doskonałe właściwości, takie jak izolacja elektryczna, wytrzymałość mechaniczna, stabilność chemiczna, odporność na starzenie, odporność na promieniowanie i niskie straty dielektryczne; co więcej, właściwości te pozostają w dużej mierze niezmienione w zakresie temperatur od -269 do 400°C. Jest to obecnie najbardziej żaroodporny materiał polimerowy stosowany w produkcji przemysłowej i dlatego jest wymieniany jako „jedno z najbardziej obiecujących tworzyw konstrukcyjnych XXI wieku”. Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki PI to:
02
Poliamidoimid (PAI)
Poliamideimid (PAI), opracowany po raz pierwszy przez Toray Industries, Inc. z Japonii pod marką Torlon, jest amorficznym, nietermoplastycznym polimerem o temperaturze zeszklenia (Tg) wynoszącej 285°C. PAI to klasa polimerów, w których pierścienie imidowe i wiązania amidowe są ułożone regularnie naprzemiennie. Jego wytrzymałość nie ma sobie równych w żadnym niewzmocnionym plastiku przemysłowym na świecie; wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne w temperaturze 250°C, przy temperaturze ugięcia pod wpływem ciepła 269°C. Odporność PAI na zużycie, odporność chemiczna i odporność na promieniowanie wysokoenergetyczne sprawiają, że jego działanie jest jeszcze bardziej wyjątkowe, dzięki czemu doskonale nadaje się do stosowania w trudnych warunkach pracy. Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki PAI to:
03
Polieteroimid (PEI)
Polieteroimid (PEI) został po raz pierwszy zbadany i opracowany przez firmę GE w Stanach Zjednoczonych w latach siedemdziesiątych XX wieku. Po 10 latach pilotażowej produkcji i testów został wprowadzony na rynek w latach 80. XX wieku pod marką ULTEM. Jest to polimer amorficzny o Tg wynoszącej 217°C. W przeciwieństwie do dwóch pierwszych materiałów, jest to termoplastyczny poliimid, który można przetwarzać za pomocą technik termoplastycznych, takich jak formowanie przez wytłaczanie i formowanie wtryskowe. PEI jest zazwyczaj przezroczysty z bursztynowym odcieniem. Wykazuje doskonałą stabilność w wysokiej temperaturze, właściwości mechaniczne, stabilność chemiczną i właściwości elektryczne. Jego kluczowe cechy obejmują wysoki stosunek wytrzymałości do masy, utrzymanie wytrzymałości do 200°C (390°F), długoterminową odporność na utlenianie termiczne, dobre właściwości elektryczne oraz naturalną odporność chemiczną i ognioodporność. PEI zachowuje swoje właściwości nawet po długotrwałej ekspozycji na parę i gorącą wodę, co jest główną zaletą w przypadku sprzętu do przetwarzania żywności i zastosowań medycznych wymagających energicznego czyszczenia lub sterylizacji. Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki w PEI to:
04
Polisulfon (zasilacz)
Polisulfon (PSU) został pomyślnie opracowany i skomercjalizowany przez United Carbides Corporation (UCC) pod koniec lat 60. XX wieku pod marką UDEL. Jest to polimer amorficzny o temperaturze zeszklenia (Tg) wynoszącej 192°C. W 1986 roku UCC przeniosło prawa do produkcji i sprzedaży polisulfonu na firmę Amoco. Główny łańcuch zasilacza zawiera pierścienie benzenowe, a atom siarki w grupie -SO₂- znajduje się na najwyższym stopniu utlenienia; w związku z tym wykazuje dobrą odporność na utlenianie, właściwości mechaniczne i stabilność termiczną, a obecność wiązań eterowych zapewnia pewien stopień wytrzymałości. Zasilacz ma doskonałe właściwości izolacji elektrycznej i jest szeroko stosowany w przemyśle elektrycznym. W medycynie zasilacze są powszechnie stosowane do produkcji wyrobów medycznych, takich jak hemodializatory, ze względu na dobrą biokompatybilność i odporność na sterylizację. W sektorze przetwórstwa spożywczego zasilacze można wykorzystać do produkcji niektórych urządzeń odpornych na wysokie temperatury. Dodatkowo zasilacze mają pewne zastosowania w przemyśle lotniczym i elektronicznym. Obecnie na rynku dostępne są trzy stosunkowo dojrzałe typy żywic polisulfonowych: polisulfon typu bisfenolu A (PSU), polifenylosulfon (PPSU) i polieterosulfon (PES). Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki PSU to:
05
Polieterosulfon (PES)
Polieterosulfon (PES) został pomyślnie opracowany i skomercjalizowany przez brytyjską firmę ICI w latach 70-tych. Sprzedawany pod nazwą handlową PES, jest amorficznym polimerem o temperaturze zeszklenia (Tg) wynoszącej 225°C. Struktura molekularna PES nie zawiera ani alifatycznych jednostek węglowodorowych - które mają słabą stabilność termiczną - ani sztywnych jednostek bifenylowych; składa się głównie z grup sulfonowych, grup eterowych i grup fenylowych. Grupy sulfonowe nadają odporność na ciepło, podczas gdy grupy eterowe nadają łańcuchom polimeru dobrą płynność w stanie stopionym, ułatwiając formowanie i przetwarzanie. PES charakteryzuje się doskonałą odpornością na ciepło, właściwościami fizycznymi i mechanicznymi oraz właściwościami izolacji elektrycznej. Może być używany w sposób ciągły w wysokich temperaturach i utrzymuje stabilną wydajność w środowiskach narażonych na szybkie zmiany temperatury. Jest odporny na korozję powodowaną przez większość mediów chemicznych; polieterosulfon nie ulega hydrolizie w wodzie, jednak śladowa absorpcja wilgoci może powodować nieznaczną plastyfikację, co skutkuje niewielkimi zmianami właściwości mechanicznych. Ponadto polieterosulfon jest samogasnący i wykazuje doskonałą odporność na płomienie bez dodatku jakichkolwiek środków zmniejszających palność. PES jest szeroko stosowany w branży elektronicznej, elektrycznej, mechanicznej, motoryzacyjnej, urządzeń medycznych i gorącej wody. Jest uznawany za tworzywo konstrukcyjne, które łączy w sobie wysoką temperaturę ugięcia pod wpływem ciepła, wysoką udarność i doskonałą przetwarzalność. Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki PES to:
06
Poliarylan (PAR)
Poliarylan (PAR) to ogólne określenie rodziny aromatycznych produktów poliestrowych. Pierwszy taki produkt, który został pomyślnie opracowany i wprowadzony na rynek, został stworzony przez japońską firmę UNITIKA na początku lat 70-tych pod nazwą handlową U-polimer. Jest to polimer amorficzny; w szczególności U-100 ma Tg 193°C. PAR to specjalistyczne tworzywo konstrukcyjne z pierścieniami benzenowymi i grupami estrowymi w głównym łańcuchu. Wysoka gęstość pierścieni aromatycznych w głównym łańcuchu zwiększa jego odporność na ciepło, przy temperaturze ugięcia pod wpływem ciepła wynoszącej 175°C. Obecność jednostek pierścieniowych para- i meta-benzenu w głównym łańcuchu hamuje krystalizację polimeru, w wyniku czego powstaje amorficzny, przezroczysty polimer. Jego przezroczystość jest porównywalna z PC i PMMA, a przepuszczalność światła wynosi prawie 90%; wykazuje dobrą odporność na zginanie i doskonałą odporność na pełzanie w szerokim zakresie temperatur; ma wyjątkową odporność na warunki atmosferyczne, blokuje promieniowanie UV poniżej 350 nm i zachowuje zasadniczo niezmienione właściwości mechaniczne w długotrwałych warunkach zewnętrznych; jest samogasnący, podczas spalania wytwarza minimalną ilość dymu i jest nietoksyczny. PAR to materiał polimerowy o doskonałej odporności na ciepło; jego wzór strukturalny i metody syntezy różnią się w zależności od wymagań aplikacji. Może być stosowany w urządzeniach elektronicznych odpornych na wysokie temperatury, a także komponentach i częściach dla przemysłu lotniczego i samochodowego, a także jest powszechnie stosowany w urządzeniach medycznych. Jego zastosowania w wielu sektorach przemysłu pokazują jego znaczącą wartość jako specjalistycznego tworzywa konstrukcyjnego. Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki PAR to:
07
Siarczek polifenylenu (PPS)
Siarczek polifenylenu (PPS) został po raz pierwszy opracowany i wprowadzony na rynek w latach 70. XX wieku przez firmę Philips w Stanach Zjednoczonych pod marką Ryton. Jest to krystaliczny polimer o temperaturze zeszklenia (Tg) 88°C i temperaturze topnienia (Tm) 277°C. PPS składa się z naprzemiennego ułożenia pierścieni benzenu i atomów siarki, co nadaje mu regularną strukturę i wysoką krystaliczność – sięgającą 75% – o temperaturze topnienia do 285°C. Pierścienie benzenowe zapewniają PPS dobrą sztywność i odporność na ciepło, podczas gdy wiązania siarczkowe zapewniają pewien stopień elastyczności. PPS wykazuje doskonałą odporność na ciepło, ognioodporność, izolację elektryczną i odporność na korozję. Jego wszechstronne właściwości — w tym stabilność termiczna, wytrzymałość mechaniczna i parametry elektryczne — pozwalają mu wytrzymać długotrwałe narażenie na temperatury do 220°C. W rezultacie PPS jest okrzyknięty „szóstym co do wielkości tworzywem konstrukcyjnym na świecie”, zaraz za poliwęglanem (PC), poliestrem (PET), polioksymetylenem (POM), nylonem (PA) i polifenylenem (PPO). Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki w PPS to:
08
Polieteroeteroketon (PEEK)
Polieteroeteroketon (PEEK) został po raz pierwszy pomyślnie opracowany i wprowadzony na rynek w latach 70. XX wieku przez brytyjską firmę ICI. ICI z powodzeniem zsyntetyzowało PEEK i rozpoczęło jego sprzedaż w 1978 roku; Od tego czasu jest sprzedawany pod marką Victrex. Nazwa handlowa to PEEK. Jest to polimer krystaliczny o temperaturze zeszklenia (Tg) wynoszącej 143°C i Tm = 334°C. PEEK to krystaliczny, wysokotemperaturowy polimer termoplastyczny składający się z powtarzających się jednostek zawierających jedno wiązanie ketonowe i dwa wiązania eterowe w swojej głównej strukturze łańcucha. Struktura molekularna polieteroeteroketonu zawiera sztywne pierścienie benzenowe, co zapewnia mu doskonałą wydajność w wysokich temperaturach, właściwości mechaniczne, izolację elektryczną, ognioodporność, odporność na promieniowanie i odporność chemiczną. PEEK ma temperaturę topnienia (Tm) sięgającą 340°C; ta wysoka temperatura topnienia zapewnia PEEK wyjątkową odporność na wysokie temperatury. Temperatura ugięcia pod wpływem ciepła PEEK wzmocnionego włóknem może osiągnąć nawet 315°C, podczas gdy jego długoterminowa temperatura ciągłej pracy (UL946B) może osiągnąć 260°C, a krótkotrwała odporność cieplna sięga 300°C. Nawet po 5000 godzin użytkowania w temperaturze 260°C jego wytrzymałość pozostaje praktycznie niezmieniona w stosunku do stanu początkowego i wykazuje doskonałą stabilność termiczną. W rezultacie PEEK ma długą żywotność w trudnych warunkach. Wzór strukturalny powtarzalnej jednostki w PEEK to:
