Plastica PEEK 101 | Proprietà ingegneristiche, fabbricazione, applicazioni

Il PEEK è una plastica ingegneristica speciale ad alte prestazioni, nota come il materiale "al vertice della piramide". Grazie alle sue caratteristiche come la resistenza alle alte temperature, l'elevata resistenza, la leggerezza e la biocompatibilità, è stato utilizzato in numerosi settori industriali. In questo articolo, ne discuteremo la natura, le proprietà, i metodi di fabbricazione e le applicazioni.

Che cos'è PEEK?

Il polietereterchetone (PEEK) è un polimero aromatico semicristallino ad alte prestazioni. La sua struttura chimica fondamentale è costituita da legami eterei e chetonici alternati, che incorporano anelli benzenici nella catena molecolare principale. Come materiale di punta della famiglia dei poliarileterchetoni, il PEEK occupa il vertice della gerarchia delle prestazioni dei polimeri, ed è spesso definito il "Re delle Resine". È un materiale ideale per sostituire i metalli, caratterizzato da eccezionali proprietà meccaniche, caratteristiche termochimiche stabili, leggerezza ed eccezionale biocompatibilità.

Tipi di materiale PEEK

Il PEEK è classificato in diverse varianti chiave in base alle sue proprietà e ai metodi di lavorazione:

• PEEK ad alta temperatura: caratterizzato da una stabilità termica superiore, mantiene un'eccellente integrità meccanica e stabilità chimica anche in ambienti ad alta temperatura.
• PEEK rinforzato con fibra di carbonio: arricchito con fibre di carbonio per aumentare significativamente la resistenza meccanica, la rigidità e la resistenza all'usura.
• PEEK rinforzato con fibre di vetro: arricchito con fibre di vetro per migliorare le prestazioni meccaniche e la stabilità dimensionale.
• PEEK conduttivo: modificato con riempitivi conduttivi (ad esempio nanotubi di carbonio o polveri metalliche) per conferire la conduttività elettrica desiderata.
• PEEK di grado medicale: specificamente trattato e purificato per soddisfare i rigorosi requisiti dei dispositivi medici. Il PEEK di grado medicale presenta una biocompatibilità superiore, una maggiore resistenza alla corrosione e spesso possiede proprietà antimicrobiche intrinseche.

Proprietà del PEEK

Il PEEK è un materiale plastico ingegneristico di qualità speciale con un ottimo equilibrio di prestazioni. Offre un'eccellente resistenza termica, all'acqua calda e al vapore, ai solventi, un isolamento elettrico superiore e un'elevata resistenza alla fatica.

La tabella seguente descrive in dettaglio le principali proprietà fisiche, termiche ed elettriche del PEEK non rinforzato e delle sue tre principali varianti rinforzate:

Prestazioni meccaniche

Il PEEK è caratterizzato da elevata resistenza e modulo elastico. La sua resistenza alla trazione può superare i 90 MPa, mentre la resistenza e il modulo elastico a flessione sono altrettanto impressionanti. Allo stesso tempo, il PEEK presenta una buona tenacità e resistenza agli urti. Questa combinazione di rigidità e flessibilità garantisce che i componenti in PEEK resistano alla frattura fragile quando sottoposti a sollecitazioni complesse.

Proprietà elettriche

Il PEEK possiede eccellenti proprietà di isolamento elettrico. La resistività di volume della resina PEEK supera tipicamente 10¹⁶ Ω · cm.

Resistenza chimica

Il PEEK offre una buona resistenza a quasi tutti i prodotti chimici, con la sola eccezione dell'acido solforico concentrato. Mantiene la sua stabilità chimica anche a temperature elevate. Rispetto ad altri polimeri tecnici come il policarbonato, il polifenilenetere modificato e il polisulfone, la resistenza del PEEK alla criccatura da stress chimico è di gran lunga superiore.

Tuttavia, quando il PEEK non è sufficientemente cristallizzato, l'immersione in alcune sostanze chimiche come l'acetone può indurre cricche da stress. Questa vulnerabilità può essere eliminata eseguendo un trattamento di ricottura (ad esempio, 1 ora a 200 °C) per massimizzarne il grado di cristallinità e migliorarne la resistenza alle cricche da stress ambientali.

Resistenza termica

Il PEEK ha un'eccellente stabilità termica, con una temperatura di esercizio continua fino a 240 °C. L'analisi termogravimetrica conferma questa stabilità: il PEEK mostra una perdita di massa pari a zero a 400 °C e solo il 2.5% a 500 °C.

Idrolisi e resistenza al vapore

La resistenza del PEEK all'acqua calda e al vapore è una delle sue caratteristiche più distintive. Dopo l'immersione in acqua calda a 80 °C per 800 °C, la resistenza alla trazione e l'allungamento del materiale rimangono sostanzialmente invariati. Anche in presenza di vapore a 200 °C, non si verificano variazioni significative nella resistenza alla trazione, nella massa o nell'aspetto, consentendo un utilizzo a lungo termine in ambienti con vapore. Tra tutti i principali materiali plastici ingegneristici, il PEEK offre la più elevata resistenza al vapore e all'idrolisi.

Lavorazione e fabbricazione di PEEK

Stampaggio a iniezione

Il PEEK ha un punto di fusione elevato e una viscosità del fuso relativamente elevata rispetto alle plastiche tecniche generali, il che richiede temperature di lavorazione elevate. Le temperature del cilindro sono controllate tra 350 °C e 400 °C. Prima dello stampaggio, il materiale deve essere preessiccato, solitamente a 150 °C per 3 ore.

Essendo una resina cristallina, il PEEK deve raggiungere una cristallizzazione sufficiente durante lo stampaggio per poter esprimere le sue proprietà superiori.

• Una temperatura dello stampo compresa tra 150 °C e 160 °C produce parti opache e altamente cristalline, anche se lo strato superficiale può rimanere trasparente e con una bassa cristallinità.
• Utilizzando una temperatura dello stampo di 180 °C si ottengono prodotti con un grado complessivo di cristallinità più elevato.

Se non è possibile utilizzare temperature elevate dello stampo durante la fase iniziale di stampaggio, è necessario eseguire un post-trattamento (ricottura) per aumentare la cristallinità finale del componente. Il PEEK può essere lavorato utilizzando attrezzature standard per stampaggio a iniezione, sebbene componenti di grandi dimensioni, con pareti sottili o complesse possano richiedere viti con un elevato rapporto L/D e una sezione di compressione ridotta.

Formatura del laminato

Il PEEK viene utilizzato come materiale di matrice con rinforzi in fibra di vetro, fibra di carbonio o ibridi per produrre laminati compositi ad alte prestazioni. Queste lastre composite mantengono un elevato tasso di mantenimento del modulo elastico a flessione in un ampio intervallo di temperature inferiori a 300 °C.

Lavorazione meccanica e lavorazione secondaria

I materiali PEEK presentano un'eccellente lavorabilità, consentendo la produzione di componenti ad alta precisione mediante tecniche di lavorazione convenzionali quali tornitura, fresatura e foratura. Lavorazione CNC di precisione può raggiungere tolleranze dimensionali ristrette fino a 0.01 mm.

La lavorazione secondaria prevede la lavorazione meccanica, la saldatura ad ultrasuoni, galvanicae sputtering. L'incollaggio può essere ottenuto utilizzando adesivi come resina epossidica, poliuretano o silicone. Per migliorare la resistenza dell'incollaggio, la superficie del PEEK potrebbe richiedere un pretrattamento, come l'incisione con acido cromico.

Applicazione del PEEK

In quanto plastica ingegneristica speciale, la combinazione di eccellente resistenza al calore, alle radiazioni e agli agenti chimici, unita a proprietà meccaniche ed elettriche superiori, rende il PEEK molto apprezzato in numerosi settori.

Aerospaziale e Aviazione

Le caratteristiche del PEEK, tra cui resistenza termica, intrinseca ignifugazione, resistenza all'olio combustibile, elevata resistenza e rigidità, vengono sfruttate in numerose parti di aeromobili prodotte tramite stampaggio a iniezione.

• I componenti in PEEK, come le parti radar e i radome, presentano un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici.
• I componenti del motore realizzati in PEEK possono resistere all'uso prolungato a temperature superiori a 200 °C.
• Viene utilizzato per vari materiali di tenuta sugli aerei.
• Il PEEK rinforzato con fibra di carbonio o di vetro viene utilizzato per le maniglie delle porte, i pannelli della cabina, le leve di comando e i rotori di coda degli elicotteri.

I compositi avanzati, come l'APC-2 di ICI (matrice PEEK), presentano una tenacità oltre dieci volte superiore a quella dei comuni compositi in resina epossidica. Questa capacità consente ai compositi in PEEK di sostituire la resina epossidica in strutture di grandi dimensioni come componenti di stazioni spaziali, ali di aerei e altre applicazioni complesse. Un'applicazione che consente un notevole risparmio sui costi è lo stampaggio a iniezione di tubi di accensione per razzi utilizzando PEEK rinforzato con fibra di vetro, sostituendo le tradizionali parti metalliche e mantenendone l'integrità anche in presenza di forti sollecitazioni di accensione e decollo.

Industria automobilistica

Nel settore automobilistico, il PEEK è particolarmente indicato per componenti sottoposti a sollecitazioni elevate, usura elevata e temperature elevate.

• Gonne e fasce elastiche dei pistoni
• Supporti e cuscinetti del rotore
• Supporti per cuscinetti
• Giranti di carico della turbina
• Guarnizioni e sedi di supporto degli ingranaggi
• Alloggiamenti dei sensori di pressione dei pneumatici

Attrezzature meccaniche e industriali

Nelle apparecchiature meccaniche e nei macchinari per l'automazione d'ufficio, il PEEK è ampiamente utilizzato per ingranaggi, cuscinetti, sedi valvole, fasce elastiche, giunti, dispositivi di lavaggio e morsetti di separazione delle fotocopiatrici.

Cuscinetti e fermi: i gradi PEEK autolubrificanti specializzati offrono elevata resistenza, eccellente resistenza all'usura, basso coefficiente di attrito e buona tenacità, rendendoli ideali per la produzione di fermi per cuscinetti a sfere e cuscinetti assiali.

Fasce elastiche per motori diesel: il PEEK ha sostituito il metallo nelle fasce elastiche dei motori diesel grazie alle sue superiori proprietà termiche e lubrificanti. Le fasce elastiche in PEEK mantengono le loro prestazioni in olio a 160 °C, offrono un'eccellente resistenza alla fatica e generano una rumorosità significativamente inferiore rispetto alle loro controparti metalliche durante il funzionamento.

Bulloni e dispositivi di fissaggio: l'elevata resistenza, la rigidità e la superiore resistenza chimica del PEEK rendono i bulloni in PEEK ampiamente utilizzati nelle apparecchiature di lavorazione meccanica e chimica più esigenti.

Tubi e giunti: l'eccezionale resistenza del PEEK all'acqua, all'acqua calda e al vapore, unita all'elevata resistenza, alla buona resistenza alla fatica e alla minima lisciviazione delle impurità, ne hanno determinato l'ampio utilizzo nei componenti per la gestione dei fluidi.

Parti della centrifuga: il PEEK può essere rivestito su superfici metalliche tramite rivestimento elettrostatico o immersione in letto fluido per creare giranti e altri componenti della centrifuga, sfruttando la sua resistenza chimica, la resistenza al calore e l'eccellente adesione ai metalli.

Sensori di rilevamento: i componenti in PEEK stampati a iniezione vengono utilizzati nei sensori di rilevamento della conduttività per caldaie e altri sistemi. Questa applicazione sfrutta la superiore resistenza del PEEK all'acqua calda e al vapore, l'eccellente stabilità dimensionale e l'efficace isolamento elettrico.

Informazioni su Getzshape

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