Il PEEK è un cavallo di battaglia, forse il materiale più vicino alla perfezione, che viene utilizzato in un’ampia gamma di settori e in diverse applicazioni. È nota per la sua impressionante durata in ambienti difficili. I gradi rinforzati con vetro e carbonio sono tra i più resistenti di tutte le termoplastiche a temperatura ambiente e i gradi non caricati sono altamente resistenti ad alcuni degli ambienti chimicamente più aggressivi, compreso il vapore ad alta pressione.
Introdotto per la prima volta da Victrex PLC, poi ICI (Imperial Chemical Industries) all’inizio degli anni ’80, viene utilizzato da quasi 40 anni. Altre aziende, tra cui Solvay, sono entrate nella produzione di resina PEEK all’inizio degli anni 2000, dopo che i diritti di brevetto di Victrex PLC sono scaduti, per cui oggi gli utenti finali e i progettisti hanno a disposizione diversi tipi di resina PEEK tra cui scegliere. Il riconoscimento del nome favorisce ancora i marchi Victrex, ma altri, tra cui il Ketaspire PEEK di Solvay, stanno guadagnando volumi e quote di mercato ogni anno. Oggi Solvay è l’unico produttore statunitense di resina PEEK.
Perché PEEK?
PEEK è l’abbreviazione di polietere etere chetone, che non ha senso per molti se non per chi ha una solida formazione in chimica. In parole povere, si riferisce alla struttura chimica del polimero, anche se la maggior parte degli studiosi di polimeri identifica il PEEK come parte della più ampia famiglia di polimeri chetonici chiamati chetoni poliarilettrici (PAEK). Questa famiglia di PAEK comprende una serie di composizioni diverse con diversi rapporti tra gruppi eterei e gruppi chetonici, la più comune delle quali è il PEEK. Indipendentemente dalla chimica specifica, è la struttura chimica del polichetone a rendere il PEEK così formidabile in molti ambienti. Cosa c’è nel PEEK che lo rende adatto a così tante applicazioni ingegneristiche?
Victrex PEEK
30% di fibra di carbonio rinforzata
Con il 30% di rinforzo in fibra di carbonio nella sua formulazione, il Victrex PEEK 450 CA30 raggiunge la massima resistenza meccanica e rigidità disponibile tra i gradi di PEEK. Il PEEK 450 CA30 è impermeabile ai cicli ripetuti in autoclave e resiste a un’ampia gamma di sostanze chimiche. È inoltre conforme alla FDA per le applicazioni a diretto contatto con gli alimenti e soddisfa i severi requisiti di infiammabilità e bassa fumosità dell’industria aerospaziale, tra cui UL 94 V-0.
20% PTFE – grado migliorato
Il 20% di polvere di PTFE uniformemente dispersa conferisce al Victrex PEEK 450 FE20 eccezionali proprietà di supporto e usura. Ha un coefficiente di attrito inferiore del 50% e un tasso di usura inferiore del 25% rispetto al PEEK non caricato, fattori chiave per il suo utilizzo per boccole e rotori a servizio intermittente. Il grado 450 FE 20 è conforme alla FDA e la sua composizione consente di sigillare a pressioni inferiori rispetto ai gradi non riempiti e rinforzati.
Grado di sopportazione 10-10-10
Formulato con il 10% di grafite, il 10% di fibra di carbonio e il 10% di polvere di PTFE, il Victrex PEEK 450FC30 presenta l’usura più bassa e il PV più elevato tra i polimeri di polichetone. Specificato per boccole e cuscinetti che vanno da dispositivi medici riutilizzabili a parti di elicotteri, il termoplastico avanzato non è influenzato da ripetuti trattamenti in autoclave. È conforme alla FDA per i componenti a diretto contatto con gli alimenti e soddisfa anche i requisiti dell’industria aerospaziale in materia di infiammabilità e generazione di fumo.
Grado a base di PEK per alte temperature
Chimicamente un polimero di polieterchetone (PEK), il Victrex HT ha una temperatura di transizione vetrosa (Tg) più elevata e una maggiore resistenza allo scorrimento rispetto al PEEK tradizionale. Presenta inoltre una resistenza alla trazione e un modulo di flessione più elevati e mantiene la sua resistenza a temperature più alte di 30°C (54°F). Sebbene non abbia le proprietà di resistenza chimica e di fatica di un vero PEEK, il Victrex PEK HT può essere un’opzione per molte applicazioni in foro ad alta temperatura.
KetaSpire PEEK
Sebbene entrambe soddisfino lo stesso standard Mil-P46183, le resine PEEK della serie KT-820 di Solvay hanno un peso molecolare (MW) maggiore rispetto alla serie Victrex 450. Un MW più elevato equivale in genere a una maggiore tenacità e a una corrispondente riduzione del modulo. Nel processo di fusione, l’MW più elevato delle resine KT-820 consente a Drake di produrre sezioni trasversali più spesse. In alternativa alla serie KT-820, Victrex offre resine con MW più elevato con i suoi gradi 650 e Solvay offre una resina con MW ancora più elevato. Drake offre entrambe le opzioni da MW più elevate su ordinazione.
PEEK non caricato
Questo grado non caricato presenta l’equilibrio intrinseco del PEEK in termini di resistenza chimica, all’usura e alla temperatura. Mentre i gradi rinforzati con fibre e i gradi per cuscinetti sono modificati per l’uso in componenti a più alta resistenza e resistenti all’usura, il PEEK non caricato è adatto anche a queste aree, a seconda dei requisiti dell’applicazione. KetaSpire KT820NT ha ottenuto la certificazione NORSOK M-710 per il servizio downhole con gas acidi e vapore e soddisfa i requisiti di infiammabilità e generazione di fumo del settore aerospaziale.
30% di fibra di vetro rinforzata
Grazie al 30% di rinforzo in fibra di vetro, il PEEK KT 820GF30 offre un notevole incremento di resistenza e rigidità rispetto ai gradi di PEEK non rinforzati. Il contenuto di fibra di vetro aumenta anche le prestazioni strutturali in applicazioni in cui le temperature di servizio possono superare di gran lunga la Tg del PEEK di 150C/302F con una progettazione e un contenimento adeguati. Il PEEK KT820GF30 è certificato NORSOK M-710 per il servizio con gas e vapore acidi e soddisfa i requisiti di infiammabilità e generazione di fumo per gli aerei.
30% di fibra di carbonio rinforzata
Il 30% di rinforzo in fibra di carbonio di KetaSpire KT 820CF30 garantisce i livelli di resistenza e rigidità più elevati tra i gradi di PEEK. Questa termoplastica avanzata resiste alle ripetute sterilizzazioni in autoclave nei dispositivi medici riutilizzabili e la sua resistenza chimica ha portato ad applicazioni nella lavorazione a umido dei semiconduttori. Il KT820CF30 è certificato NORSOK M-710 per il servizio con gas acidi e vapore in foro e soddisfa i requisiti di infiammabilità e bassa generazione di fumo del settore aerospaziale.
Grado PEEK per alte temperature
Il KetaSpire PEEK XT per alte temperature combina le prestazioni intrinseche del PEEK con una temperatura di transizione vetrosa (Tg) più alta di 20°C (36°F). La sua Tg supera anche quella del Victrex HT PEK di 10°C (18°F). Poiché ha lo stesso rapporto etere/chetone di un vero polimero PEEK, il KetaSpire XT per le alte temperature ha la stessa resistenza chimica e alla fatica che il PEEK offre rispetto a PEK, PAEK e altri polichetoni.
Gradi industriali di PEEK
Drake offre forme in stock di PEEK di grado industriale per applicazioni che non richiedono certificazioni Mil-P 46183 e altre specifiche. A un prezzo inferiore rispetto ai nostri gradi di qualità superiore, i prodotti Drake Industrial Grade PEEK sono in grado di competere con altre forme commerciali di PEEK stampate a iniezione, estruse o a compressione. Tutte le forme di PEEK di grado industriale di Drake vengono fornite con una certificazione di Drake che conferma la composizione della resina e l’intervallo di peso specifico, ma le certificazioni dei produttori di resina non vengono fornite. Esempio di certificazione
Per le applicazioni che richiedono le certificazioni Mil-P 46183, ASTM D6262 e altre, le forme a stock di Drake realizzate con le resine KetaSpire e Victrex PEEK sono disponibili in un’ampia gamma di gradi e dimensioni popolari. Esempi di certificazioni per questi prodotti: Certificato di prodotto Victrex; Certificato di prodotto Solvay KetaSpire
Il PEEK di grado industriale non rinforzato di Drake ha proprietà fisiche e resistenza chimica paragonabili a quelle del PEEK non caricato disponibile in commercio. È facilmente lavorabile e resiste a lungo all’esposizione a vapore e acqua calda.
Il grado industriale di Drake di PEEK potenziato per cuscinetti e usura ha un PV più elevato e un tasso di usura inferiore rispetto al PEEK non caricato. La sua forza, temperatura e resistenza chimica sono paragonabili a quelle del PEEK non caricato. Inoltre è facilmente lavorabile in parti di precisione. Questo grado industriale contiene il 10% di grafite, fibra di carbonio e PTFE, simile alle forme Ketron HPV e alle resine per cuscinetti e usura Victrex 450FC30 e KetaSpire KT-820 SL30.
Grazie al 30% di rinforzo in fibra di vetro, il grado industriale GF30 di Drake ha una resistenza meccanica superiore rispetto al PEEK non caricato e a quello per cuscinetti. Combinando l’elevata forza e la resistenza chimica intrinseca del PEEK e del vetro, le forme di PEEK Drake Industrial Grade GF30 sono spesso utilizzate per isolatori lavorati e per applicazioni nel settore petrolifero e del gas che richiedono resistenza chimica e forza alle alte temperature.
Il 30% di fibra di carbonio conferisce a questa formulazione il più alto livello di resistenza meccanica tra le forme di PEEK di grado industriale di Drake. Ha la resistenza all’usura e alle alte temperature del PEEK e sopporta l’esposizione a lungo termine a vapore, acqua calda e un’ampia gamma di sostanze chimiche. Si comporta bene anche come materiale per cuscinetti quando si scontra con superfici di accoppiamento dure. Le parti lavorate di precisione possono essere realizzate a partire dalle forme disponibili a magazzino in questa qualità.
Per saperne di più sul perché sbirciare
- Eccellenti proprietà termiche – Il PEEK non caricato offre un’elevata forza e un’eccellente resistenza alle alte temperature e non si scioglie fino a raggiungere circa 650 gradi Fahrenheit. È utile a temperature fino a quasi 500 gradi Fahrenheit a lungo termine e molto più alte a breve termine, il che è ben al di là di ciò che la maggior parte dei polimeri è in grado di fare. La temperatura di transizione vetrosa o di rammollimento del PEEK è prossima ai 300 gradi Fahrenheit. Questa caratteristica intrinseca può essere compensata attraverso rinforzi e modifiche chimiche.
- Formidabile resistenza chimica – Il PEEK non caricato offre un’ampia resistenza chimica che si avvicina a quella del PTFE ma con una forza di gran lunga superiore, motivo per cui è la scelta preferita dalle aziende di lavorazione chimica e di petrolio e gas. Tra le sostanze chimiche a cui può resistere ci sono la maggior parte degli acidi (le uniche eccezioni sono l’idrofluorico e l’idrobromico), l’acetone, tutti gli alcoli, l’ammoniaca, il benzene, il cloro, l’ossido di etilene, la formaldeide, la benzina e la maggior parte dei carburanti, la glicerina, il perossido di idrogeno, il solfuro di idrogeno, il metano, il MEK, il cloruro di metilene, l’ozono, il pentano, il carbonato di sodio, l’idrossido di sodio e il toluene. E questa è solo una parte delle sostanze a cui il PEEK è resistente. Questa ampia resistenza è il motivo principale per cui il PEEK è così diffuso, in quanto può essere adattato a quasi tutte le applicazioni.
- Resistenza all’usura superiore – Pochi polimeri possono eguagliare il PEEK in termini di resistenza all’usura a tutto tondo. Naturalmente, “usura” è un termine generale e richiede ulteriori spiegazioni.
L’usura abrasiva si riferisce all’azione di taglio causata dalle irregolarità della controsuperficie. L’usura da fatica si riferisce alla deformazione del materiale derivante da pressioni e sollecitazioni ripetute. L’attrito è la forza che si oppone al movimento e, sebbene non sia “usura”, è comunque un problema. Le proprietà del PEEK garantiscono la resistenza all’usura abrasiva e alla fatica ed è un materiale naturalmente a basso attrito. Il PEEK in lega con grafite PTFE e fibra di carbonio garantisce bassi tassi di usura in condizioni di alta pressione e velocità, anche in ambienti abrasivi. Il PEEK non caricato offre una resistenza alla fatica superiore e una buona resistenza all’usura, a patto che la sollecitazione massima e la velocità siano basse. Il 20% di PEEK caricato con PTFE (FE20) offre un coefficiente di attrito inferiore e tassi di usura migliori rispetto al PEEK non caricato. - Grande lavorabilità – La facilità di lavorazione del PEEK ha contribuito alla sua ampia accettazione nelle applicazioni commerciali ad alto volume. I componenti in PEEK vengono stampati a iniezione con attrezzature ad alto volume dotate di sistemi a canale caldo, lavorati da forme estruse e stampate a iniezione e persino stampati e lavorati da nastri sottili o film. La lavorazione di materiali termoplastici ad alte prestazioni può essere una sfida perché la disponibilità della forma necessaria è spesso limitata e ciò significa che i costi di produzione aumentano a causa dei trucioli di lavorazione non necessari e del tempo necessario per crearli. L’elevato peso molecolare e la stabilità della fusione consentono al PEEK di essere estruso in sezioni trasversali di grandi dimensioni, come barre di oltre 200 mm, lastre fino a 4 pollici e tubi con pareti spesse 2 pollici. Ci sono più di 50 misure diverse di barre e lastre di PEEK in magazzino e pronte per la spedizione immediata. Inoltre, il PEEK è uno dei pochi materiali termoplastici ad alte prestazioni in grado di tollerare le lavorazioni estensive necessarie per produrre componenti con geometrie complesse, uno dei motivi per cui viene utilizzato in così tante applicazioni.
- Biocompatibilità – L’industria medica è sempre alla ricerca di materiali che possano essere utilizzati nel corpo umano. Molti polimeri vengono rigettati dal sistema immunitario dell’organismo, causando complicazioni gravi e persino letali. E anche quando il materiale viene accettato, può consumarsi a causa dell’usura abrasiva e dell’attrito intenso, causando la rottura di pezzi di materiale e interferendo con le funzioni biologiche. L’elevata resistenza e il modulo del PEEK, che si avvicina all’osso umano, sono già stati utilizzati in molte procedure, tra cui gli impianti spinali e la ricostruzione del cranio. Il PEEK è inerte e biocompatibile ed è considerato uno dei principali candidati per le superfici e le parti che entrano in contatto diretto con i fluidi biologici, sia durante le analisi chimiche che durante le procedure chirurgiche.
Lavorazione meccanica o stampaggio a iniezione… Scegli tu come produrlo
Dato che il PEEK può essere stampato a iniezione o lavorato in componenti, è opportuno fare alcune considerazioni su entrambi i processi. Per essere chiari fin da subito, nessuno dei due processi è chiaramente superiore in tutti i casi. La selezione del processo è un aspetto che gli ingegneri del progetto dovranno studiare attentamente e che dovrà essere discusso con i fornitori di componenti.
Durante lo stampaggio a iniezione, il PEEK viene stampato in una cavità personalizzata che fa parte di uno strumento complesso che generalmente costa più di 10.000 dollari. Questo è il metodo più efficiente e veloce per produrre pezzi, a patto che l’investimento in utensili sia giustificato. La lavorazione meccanica, invece, utilizza forme a stock e officine meccaniche che rispecchiano il percorso di produzione della maggior parte dei pezzi in metallo. Una barra di PEEK può essere lavorata in boccole o cuscinetti spesso in pochi giorni per centinaia di dollari, il che significa che la velocità e la flessibilità sono ineguagliabili. Le proprietà delle forme estruse offrono la massima rigidità e tenacità e, in generale, le prestazioni più affidabili.
La lavorazione del PEEK è l’opzione preferita nella maggior parte delle applicazioni di alta precisione. Questo vale anche per i casi in cui i volumi di produzione sono più bassi (in particolare quelli inferiori a 5.000 pezzi), quando è necessario produrre componenti più grandi e quando la tenacità e la resistenza agli urti sono le priorità principali. In breve, la lavorazione funziona meglio quando i componenti devono offrire eccellenti proprietà meccaniche e di usura.
Anche in questo caso, non c’è un chiaro vincitore tra i due processi, ma ci sono situazioni in cui uno dei due offre un grande vantaggio. Lo stampaggio a iniezione del PEEK è la scelta migliore quando si producono pezzi complessi (di solito più di 10.000 in un unico ciclo), in quanto lo stampaggio a iniezione elimina i tempi di lavorazione e gli sprechi, con conseguenti costi unitari più bassi possibili. Lo stampaggio a iniezione è anche la scelta giusta quando la lavorazione presenta sfide geometriche difficili da superare.
Dove si usa il PEEK?
Il PEEK non caricato domina il volume di PEEK consumato a livello mondiale. La sua durata, disponibilità e lavorabilità rendono il PEEK il materiale preferito quando l’alta resistenza e l’inerzia, soprattutto a temperature elevate, sono richieste in molti settori. Il polimero trova sempre nuovi impieghi. Alcuni dei principali utilizzi del polimero includono:
- Semiconduttori ed elettronica – La capacità del PEEK di mantenere la sua resistenza alle alte temperature, la sua purezza e la sua capacità di resistere alle sostanze chimiche aggressive lo rendono un prodotto naturale per la produzione di semiconduttori ed elettronica. Il PEEK può essere lavorato in strumenti e hardware per la manipolazione dei wafer, il che è particolarmente utile durante il lavaggio chimico. Il PEEK non riempito è fondamentale anche durante la produzione di chip, in particolare durante la planarizzazione chimica meccanica e l’incisione. Una delle applicazioni di maggior volume per i film di PEEK è quella dei telefoni cellulari.
- Petrolio e gas – Nell’industria petrolifera e del gas, il PEEK non caricato e il PEEK caricato con fibra di vetro sono tipicamente lavorati in guarnizioni e connettori elettrici, dove servono come isolanti e isolatori e come rinforzi per materiali di tenuta più morbidi. Il PEEK è un’ottima scelta per le applicazioni nel settore petrolifero e del gas, in quanto è altamente resistente al vapore e ai tipi di sostanze chimiche che si incontrano negli ambienti aggressivi della perforazione. Le sedi delle valvole e le guarnizioni in PEEK a valle del flusso aiutano a gestire il flusso di gas e liquidi petrolchimici senza rischi di degradazione chimica
- Aerospaziale – Il PEEK viene utilizzato sia negli aerei commerciali che in quelli militari e in entrambi i casi si utilizzano solo materiali affidabili e durevoli. Nell’industria aerospaziale, la bassa generazione di fumo e l’eccellente resistenza termica del PEEK si rivelano preziose: il PEEK non caricato è talmente resistente al calore e al fuoco da autoestinguersi. Queste proprietà lo rendono adatto all’elettronica aerospaziale, che tende ad essere molto sollecitata, e agli isolatori termici, che devono gestire sia il calore elevato che le condizioni di freddo intenso. I gradi di PEEK rinforzati con fibre di carbonio, come il 450CA30 e il KT820CF30, offrono la massima resistenza e rigidità senza l’alta densità dei gradi di PEEK rinforzati con vetro.
- Medicale – La biocompatibilità del PEEK non caricato è già stata trattata ed è proprio questa proprietà a far sì che il PEEK non caricato venga utilizzato come impianto, compresi gli impianti spinali e dentali. Anche il PEEK rinforzato con fibra di carbonio rimane inerte e stabile per lunghi periodi di tempo, al punto che gli impianti sopravvivono ai pazienti. L’inerzia e la stabilità del PEEK lo rendono in grado di resistere a ripetute sterilizzazioni in autoclave, consentendogli di funzionare in strumenti medici riutilizzabili. Un altro aspetto importante è la radiotrasparenza del PEEK. In altre parole, il PEEK rimane invisibile alla radiografia, che comprende la TAC e la risonanza magnetica, oltre che ai raggi X. Questa radiotrasparenza è particolarmente importante per lo studio dei processi di crescita dei tessuti, in quanto l’impianto non scherma i tessuti circostanti.
- Alimenti e imballaggi – Il PEEK non caricato è disponibile in varietà per alimenti, quindi può essere integrato in apparecchi e superfici che entrano in contatto con gli alimenti. Le applicazioni standard includono ugelli di riempimento, pale di miscelazione, cuscinetti, boccole e componenti di valvole, in particolare quelli coinvolti nella lavorazione degli agrumi e nelle macchine di riempimento a caldo. I corpi delle valvole sono passati dall’acetale al PEEK non caricato con l’aumento delle temperature di processo. Inoltre, il PEEK non caricato è impermeabile a tutte le soluzioni CIP (Clean In Place).
Quanto detto sopra rappresenta solo una piccola parte delle applicazioni del PEEK. Poiché le aziende cercano di ottenere un’efficacia sempre maggiore in termini di costi “in uso”, spesso si rivolgono al PEEK per raggiungere questo obiettivo. Il PEEK è il polimero ad alte prestazioni più disponibile e versatile oggi sul mercato.
Quali sono i tipi di PEEK disponibili?
Il PEEK non caricato offre un’impareggiabile inerzia chimica, conformità alla FDA e resistenza fino a 300°F. La sua superiore lavorabilità e pulizia lo rendono ideale tra tutti i polimeri a base di chetoni per la lavorazione di parti complesse con tolleranze strette o per lo stampaggio a iniezione di parti come ingranaggi, ghiere e parti per il settore medico e delle scienze biologiche. Per saperne di più sulla panoramica completa di KT820NT
Il PEEK rinforzato con fibra di carbonio offre la massima resistenza e rigidità tra i gradi di PEEK. È più leggero del 7% rispetto ai gradi rinforzati con vetro, nonostante contenga più rinforzo per unità di volume. È una scelta eccellente per i pezzi lavorati o stampati ad alto carico. Per saperne di più, consulta le panoramiche complete di 450CA30 o KT820CF30.
Il PEEK rinforzato con fibre di vetro offre una resistenza e una rigidità maggiori rispetto ai gradi di PEEK non caricato, ma con eccellenti caratteristiche di isolamento elettrico e termico. È una scelta eccellente per i pezzi lavorati o stampati ad alto carico, come le guarnizioni di sicurezza e i corpi dei connettori elettrici. Per saperne di più sulla panoramica completa di KT820GF30
Il PEEK di grado Bearing offre i tassi di usura più bassi tra i gradi di PEEK per le applicazioni di usura più impegnative. I gradi più comuni contengono una combinazione di grafite, PTFE e fibra di carbonio e la proporzione più comune è 10-10-10. Questa combinazione favorisce un basso attrito e una maggiore conduttività, consentendo di ottenere PV più elevati e tassi di usura inferiori. Guarda le panoramiche complete delle 450FC30 o KT820SL30 o 450FE20 Filled Peek
Il PEEK ad alta temperatura o PEK ha una chimica leggermente diversa e si basa sul polietere chetone PEK piuttosto che sul PEEK. PEK e PEKEKK offrono temperature di rammollimento più elevate rispetto ai prodotti chimici tradizionali del PEEK. Il miglioramento consente ai materiali a base di PEK come HT di mantenere la resistenza e la rigidità a temperature più elevate di 50°F, ampliando il potenziale del PEEK nei connettori elettrici in foro. Vedi Panoramica completa del PEEK HT
