PEEK VS UHMWPE : Two High-Performance Polymers

Істотнае пазіцыянаванне двух высокаэфектыўных палімераў

Поліэфірэтэркетон (PEEK) і поліэтылен са звышвысокай малекулярнай масай (UHMWPE) з'яўляюцца спецыяльнымі палімерамі, якія пераўзыходзяць звычайны пластык. Аднак з-за адрозненняў у малекулярнай канструкцыі і эксплуатацыйных характарыстыках яны падзяліліся на дзве розныя катэгорыі: "трываласць пры высокіх тэмпературах" і "звышзносастойкія і лёгкія".

ПЭЭК з яго тэмпературай плаўлення 343 ℃, доўгатэрміновай тэмпературай устойлівасцю 250 ℃ і трываласцю на разрыў 150 МПа служыць "структурным каркасам" для экстрэмальных умоў. AHD прапануе ліст PEEK і стрыжань PEEK.

СВМПЭ з малекулярнай масай 3-6 мільёнаў, звышнізкім каэфіцыентам трэння 0,05 і каэфіцыентам зносу 10⁻⁸ займае "функцыянальнае месца" ў галіне зносаўстойлівасці і біямедыцынскіх прымянення. AHD прапануе ліст UHMWPE і стрыжань UHMWPE.

Нягледзячы на тое, што абодва з'яўляюцца "матэрыяламі высокага класа", іх узаемадапаўняльныя асноўныя ўласцівасці дазваляюць ім сумесна задаволіць патрэбы экстрэмальных сцэнарыяў, пачынаючы ад аэракасмічнай і заканчваючы імплантацыяй чалавеку.

Ліст поліэфірэтэркетон AHD 1 мм

Асноўнае вызначэнне: Істотная розніца ад малекулярнага да атрыбуту

(I) PEEK: Поліэфірэтэркетон

Малекулярная структура: араматычны паўкрышталічны палімер, асноўны ланцуг складаецца з чаргуючыхся эфірных сувязяў (-O-), кетонавых сувязяў (-CO-) і бензольных кольцаў (паўтаральная адзінка: -C₆H₄-O-C₆H₄-O-C₆H₄-CO-). Цвёрдыя араматычныя кольцы забяспечваюць устойлівасць да высокіх тэмператур, у той час як эфірныя сувязі забяспечваюць трываласць.

Асноўныя ўласцівасці: Шчыльнасць 1,30-1,45 г/см³ (крыху цяжэй вады), крышталічнасць 30%-40% (кантралюецца тэрмічнай апрацоўкай), належыць да высокапрадукцыйных інжынерных пластыкаў.

Камерцыйная інфармацыя: упершыню сінтэзаваны кампаніяй Imperial Chemical Industries (ICI) у Вялікабрытаніі ў 1978 годзе, індустрыялізаваны ў 1980-х гадах і ўнесены ў спіс «новых стратэгічных матэрыялаў» у 1990-я гады з-за рэзкага попыту з боку аэракасмічнай прамысловасці.

(II) UHMWPE: поліэтылен са звышвысокай малекулярнай масай

Малекулярная структура: лінейны насычаны вуглевадародны палімер з малекулярнай масай ад 3 да 6 мільёнаў (у параўнанні з 50 000 да 300 000 для звычайнага ПЭ). Доўгія малекулярныя ланцугі пераплятаюцца, утвараючы «фізічныя крыжаваныя сувязі», надаючы звышвысокую зносаўстойлівасць і трываласць.

Асноўныя ўласцівасці: Шчыльнасць 0,92-0,94 г/см³ (лягчэй за ваду, адзін з самых лёгкіх інжынерных пластыкаў), крышталічнасць 50%-70% (высокая крышталічнасць паляпшае калянасць), прыналежнасць да палімера звышвысокай малекулярнай масы (UHMW Polymer).

Камерцыйная інфармацыя: распрацавана камандай Карла Цыглера ў Германіі ў 1950-х гадах і ўведзена ў штучныя суставы кампаніяй DePuy у ЗША ў 1970-х гадах, што паклала пачатак рэвалюцыі ў біямедыцынскіх прымяненнях.

Натуральны пластыкавы ліст AHD PEEK

Падабенства: агульныя характарыстыкі высокаэфектыўных палімераў

Нягледзячы на тое, што PEEK і UHMWPE пазіцыянуюцца па-рознаму, як «матэрыялы высокага класа, якія пераўзыходзяць звычайны пластык», яны маюць агульныя наступныя асноўныя характарыстыкі:

1. Выдатная біясумяшчальнасць

Абодва не таксічныя і не выклікаюць алергіі, адпавядаюць стандарту біясумяшчальнасці ISO 10993:

PEEK выкарыстоўваецца ў пастаянных імплантатах (касцяныя шрубы і г.д.), паколькі ён празрысты для рэнтгенаўскіх прамянёў (палягчае пасляаперацыйны маніторынг);

UHMWPE выкарыстоўваецца ў штучных суставах (тазасцегнавых/каленных), таму што яго нізкае трэнне зніжае знос костак.

2. Значныя перавагі лёгкай вагі

Іх шчыльнасць значна ніжэй металаў:

PEEK (1,3-1,45 г/см³) на 40% лягчэйшы за алюміній;

UHMWPE (0,92-0,94 г/см³) на 65% лягчэйшы за алюміній.

Замена металаў дазваляе дасягнуць значнага зніжэння вагі і шырока выкарыстоўваецца ў аэракасмічнай і аўтамабільнай прамысловасці.

3. Выдатная зносаўстойлівасць

Абодва значна пераўзыходзяць звычайныя пластыкі (PP, ABS): хуткасць зносу PEEK 10⁻⁶ мм³/Н·м (умераная); Хуткасць зносу UHMWPE 10⁻⁸ мм³/Н·м (надзвычай нізкая, вышэйшая за кераміку), абодва здольныя вытрымліваць доўгатэрміновыя сцэнарыі трэння (падшыпнікі, укладышы).

4. Добрая хімічная стабільнасць

Абодва ўстойлівыя да кіслотнай і шчолачнай карозіі: PEEK устойлівы амаль да ўсіх арганічных растваральнікаў, за выключэннем канцэнтраванай сернай кіслаты і канцэнтраванай азотнай кіслаты (мазут, гідраўлічнае масла); UHMWPE устойлівы да ўздзеяння моцных кіслот і шчолачаў, такіх як саляная кіслата і гідраксід натрыю, прыдатны для хімічных футроўак трубаправодаў.

5. Патэнцыял налады

Абодва падтрымліваюць апрацоўку (тачэнне, фрэзераванне, струганне, шліфаванне) і працэсы фармавання: PEEK можна фармаваць пад ціскам і экструдаваць; UHMWPE можна фармаваць пад ціскам, спякаць і гелевым прадзеннем (для куленепрабівальных валокнаў), адпавядаючы патрабаванням складанай формы (3D-друкаваныя пратэзы чэрапа).

Поліэфірэтэркетонны стрыжань AHD

Узаемазаменныя сцэнарыі і абмежаванні

PEEK і UHMWPE не цалкам узаемавыключальныя. Яны могуць выкарыстоўвацца ўзаемазаменна ў абмежаванай ступені пры нізкай нагрузцы, нармальнай тэмпературы і ў неэкстрэмальных умовах. Аднак адрозненні ў прадукцыйнасці ядра вызначаюць абмежаванні замены:

(I) Узаемазаменныя сцэнары

Дэталі з нізкай нагрузкай, устойлівыя да зносу пры звычайнай тэмпературы: напрыклад, накіроўвалыя тэкстыльнай пражы і ролікі харчовага канвеера. Абодва адпавядаюць патрабаванням нізкага трэння, але ПЭСВМПЭ выкарыстоўваецца часцей з-за больш нізкай кошту.

Лёгкія ненясучыя канструкцыі: такія як карпусы электронных прылад і мэблевая фурнітура. Абодва могуць замяніць метал для зніжэння вагі, але PEEK больш падыходзіць для сцэнарыяў, якія патрабуюць трываласці з-за больш высокай калянасці.

Пластыкавы стрыжань AHD Big PEEK

Незаменныя асноўныя абмежаванні

Тыпы сцэнарыяў	Перавагі PEEK	Перавагі UHMWPE	Прычыны незаменнасці
Высокая тэмпература асяроддзя (>150 ℃)	Доўгатэрміновае выкарыстанне: 250 ℃ (кароткачасовае: 300 ℃)	Толькі 80-100 ℃ (кароткачасовы: 120 ℃)	UHMWPE размягчыцца і выйдзе з ладу.
Высокая нагрузка/высокая трываласць	Мяжа трываласці на расцяжэнне 150-200 МПа (армаваны вугляродным валакном)	Толькі 20-40 МПа (чыстая смала)	UHMWPE не вытрымлівае нагрузак.
Звышзносаўстойлівасць/нізкае трэнне	Каэфіцыент трэння 0,3-0,4	Каэфіцыент трэння 0,05-0,1 (блізкі да тэфлону)	Каэфіцыент зносу PEEK у 100 разоў перавышае паказчык UHMWPE
Спецыфічныя біямедыцынскія патрэбы	Пастаянныя імплантаты (празрыстыя для рэнтгенаўскіх прамянёў)	Сустаўныя накладкі (нізкае трэнне)	Незаменная функцыя

Ліст поліэтылену з ультравысокай малекулярнай масай AHD з колерамі

Адрозненні: Фундаментальныя адрозненні ад уласцівасцяў да прыкладанняў

(I) Малекулярная структура і асноўныя ўласцівасці

Малекулярная структура

PEEK: араматычны паўкрышталічны (эфірная сувязь + кетонная сувязь + бензольнае кольца)

UHMWPE: лінейны насычаны вуглевадарод (малекулярная маса 3-6 мільёнаў)

Араматычныя кольцы PEEK вызначаюць яго ўстойлівасць да высокіх тэмператур, у той час як доўгія малекулярныя ланцугі UHMWPE вызначаюць яго звыштрываласць.

Асноўныя фізіка-механічныя ўласцівасці

Метрыкі прадукцыйнасці	ПІК	СВМПЭ	Асноўныя адрозненні
Трываласць на разрыў	Высокі	Ніжэй, чым PEEK	PEEK мае высокую калянасць і падыходзіць для апорных нагрузак; UHMWPE мае прыярытэт у трываласці.
Падаўжэнне пры разрыве	30%-50%	300%-500%	Ударатрываласць UHMWPE у 2-3 разы перавышае PEEK.
Модуль пры выгібе	3,6-4,0 ГПа	0,7-1,5 ГПа	PEEK блізкі да алюмініевага сплаву (70 ГПа), UHMWPE блізкі да гумы.
Тэмпература плаўлення/тэмпература цеплавога адхілення	Тэмпература плаўлення 343 ℃; Доўгатэрміновы 250 ℃	Тэмпература плаўлення 135-137 ℃; Доўгатэрміновы 80-100 ℃	Тэмпературная ўстойлівасць PEEK у 2-3 разы вышэй, чым у UHMWPE.
Каэфіцыент трэння	0,3-0,4 (сухі); 0,1-0,2 (са змазкай)	0,05-0,1 (сухі, падобны на тэфлон)	UHMWPE - "кароль самазмазвальных матэрыялаў"
Хуткасць зносу	10⁻⁶ мм³/Н·м (сярэдні)	10⁻⁸ мм³/Н·м (надзвычай нізкая, лепшая за керамічную)	Зносаўстойлівасць UHMWPE больш чым у 10 разоў вышэй, чым у сталі.

Ліст AHD UPE

Сцэнары прымянення

1. PEEK: Дамінуючыя прымянення "высокай тэмпературы і трываласці"

Аэракасмічная прамысловасць: сепараты падшыпнікаў рухавікоў (устойлівыя да паліва пры 250 ℃), апоры сядзенняў самалётаў;

Медыцына і ахова здароўя: прылады для спіннамазгавога зрашчэння (празрыстыя для рэнтгенаўскіх прамянёў), хірургічныя інструменты (устойлівыя да стэрылізацыі парай пры 134 ℃);

Электроніка і электрыка: высокачашчынныя раздымы 5G (нізкія дыэлектрычныя страты), заціскі для паўправадніковых пласцін (устойлівыя да плазменнай карозіі).

2. UHMWPE: незаменныя прымянення "звыш-зносастойкіх і лёгкіх"

Зносаўстойлівая трансмісія: кар'ерныя каткі, каўшавыя ўкладышы (нізкае трэнне і зніжэнне зносу);

Медыцынскія імплантаты: накладкі для штучных суставаў, зубныя абатменты (біяінэртныя);

Спецыяльныя галіны: валакна для бронекамізэлек, плёнкі для замарожвання харчовых прадуктаў (нетоксичные і ўстойлівыя да нізкіх тэмператур).

Рэзюмэ: Асноўная логіка адбору

Істотнае адрозненне паміж PEEK і UHMWPE заключаецца ў «падзеле характарыстык эксплуатацыі»:

Выбар PEEK: патрабуе высокай тэмпературы (>150 ℃), высокай трываласці і ўстойлівасці да хімічнай карозіі (аэракасмічная прамысловасць, медыцынскія імплантаты, электроніка);

Выбар UHMWPE: патрабуе звышзносаўстойлівасці, нізкага трэння і лёгкасці (штучныя суставы, горнае абсталяванне, бронекамізэлькі).

Падабенства паміж імі заключаецца ў «агульных характарыстыках высакакласных матэрыялаў». Заменнасць існуе толькі ў перыферыйных сцэнарыях з неасноўнымі патрэбамі - сапраўдны выбар заўсёды з'яўляецца вынікам "прадукцыйнасці, якая адпавядае сцэнарыю".

Поліэтыленавыя стрыжні AHD UHMW

PEEK VS UHMWPE : два высокаэфектыўныя палімеры