Samousztywniające się polimery z Solvay Advanced Polymers zastępują w zastosowaniach wojskowych, medycynie i przemyśle metale i tworzywa kompozytowe. Jaka będzie przyszłość tworzyw sztucznych bez wypełnienia?
MATERIAŁY z grupy Primospire, pokazane tutaj jako surowe, plastikowe części przeznaczone do obróbki, są najbardziej sztywnymi tworzywami termoplastycznym bez wzmocnienia dostępnymi na rynku. Materiał ten jest także dostępny w handlu, w wersji przystosowanej do formowania wtryskowego
Inżynierowie zainteresowani zastępowaniem metali przez tworzywa sztuczne, mają teraz nową broń w swoim arsenale. Niewzmocnione tworzywo termoplastyczne o nazwie Primospire jest najsztywniejszym tworzywem spośród dostępnych obecnie na rynku.
Najmocniejsza i najsztywniejsza klasa Primospire charakteryzuje się modułem wygięcia 82 737 barów oraz wytrzymałością na rozciąganie 2068 barów. Takie wartości czynią z niej tworzywo około dwa do trzech razy sztywniejsze i wytrzymalsze niż powszechnie dziś stosowane tworzywa konstrukcyjne (patrz dane odnośnie wytrzymałości na rozciąganie – rys.1). Te charakterystyki mechaniczne, wykraczające poza zakresy danych pochodzą z „czystej” czyli niezmodyfikowanej żywicy. – Nawet w stanie czystym, Primospire jest faktycznie bardziej wytrzymały, niż większość tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami szklanymi – mówi Jamal El- Hibri, starszy wspólnik firmy Solvay.
To, że materiały te mają tak wysoką sztywność bez wzmocnień, stanowi duże osiągnięcie. Tworzywa sztuczne bez wypełnienia zwykle ważą mniej, niż porównywalne z nimi tworzywa wzmacniane. Na przykład jedna z klas tworzywa Primospire charakteryzuje się ciężarem właściwym 1,19 – w porównaniu do wartości 1,3 i więcej dla typowych konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych ze wzmocnieniem. Primospire bez wypełnienia ma także izotropowe właściwości mechaniczne. Konstruktorzy nie muszą się już dłużej martwić zorientowaniem włókien szklanych lub węglowych w formie z tworzywem – a więc, wynikającymi stąd różnicami w kierunkowości charakterystyk wytrzymałościowych.
Co to jest?
Tworzywa z grupy Primospire są oparte na strukturze chemicznej parafenylenu zastępującego resztę acylową kwasu benzoesowego. – Przeważająca większość polimerów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości ma grupy fenylenowe, jako podstawowe składniki struktury – mówi El-Hibri. Ale inne polimery także zawierają molekularne grupy łączące – na przykład estry – stanowiące słabe ogniwa w szkielecie polimerowym. Prawdziwy polifenylen, jakim jest Primospire, poprzedza te osłabiające grupy i posiada wyłącznie wiązania fenylenu z fenylenem.
Takie tworzywa należą do szerszej kategorii, znanej jako polimery ze „sztywnym kręgosłupem”. Ich budowy chemiczne różnią się, ale ich właściwości mechaniczne są pochodną stosunkowo długich i sztywnych cząsteczek, które w istocie umożliwiają polimerowi wzmacnianie samego siebie. Rzeczywiście, Solvay używa terminu „polimer samowzmacniający się” zamiast terminu „sztywny kręgosłup”.
Jakkolwiek by je nazywać, ta klasa polimerów nie jest czymś nowym. Firmy chemiczne, pracujące dla potrzeb wojska, a także uniwersytety pracowały nad różnymi polimerami „ze sztywnym kręgosłupem” już od wczesnych lat sześćdziesiątych. – Wszystkie te wysiłki z reguły szły na marne, ponieważ nie znano sposobu, stopienia tych tworzyw w stopniu umożliwiającym ich dalszą obróbkę – mówi Nick Malkovich, dyrektor do spraw aplikacji obronnych w firmie Solvay. – Bez materiałów, które można formować lub kształtować przy pomocy wtryskarek, wyłoniła się jedynie możliwość zastosowania ich w kilku niszowych aplikacjach, tak więc te tworzywa zostały głównie w laboratoriach – dodaje.
Ważny przełom pojawił się, kiedy specjaliści z firmy Mississippi Polymer Technologies (MPT) opracowali sposób modyfikacji polifenylenu, umożliwiając topienie go i dalszą przeróbkę metodami wtryskowymi. W 2004 r. firma wprowadziła na rynek pierwszy z tych materiałów o wspólnej nazwie „Parmax”. Później Solvay wykupił MPT i zmienił nazwę produktu na Primospire. W tym miesiącu Solvay wprowadziła odmianę reprezentującą poprzednio niedostępną klasę materiałów formowanych wtryskowo. Materiał ten nosi nazwę Primospire PR-250.
Gdzie takie tworzywa mogą znaleźć zastosowanie?
Połączenie takich cech, jak wysoka wytrzymałość i mała masa czynią z tych materiałów nie tylko dobre zamienniki dla metali, ale także zamienniki dla niektórych wzmacnianych tworzyw sztucznych. I zdaniem Lorenzo DiSano – dyrektora produktu w firmie Ensinger, będącej w skali światowej wiodącym dostawcą rynkowych kształtek z tworzywa sztucznego – dokładnie taka jest tendencja. DiSano twierdzi, że materiały zaczęły podbijać cztery różne rynki. – Pierwszym z nich był przemysł obronny. Materiały te cechuje stosunek wytrzymałości do ciężaru, który czyni je atrakcyjnymi dla komponentów, które mogą latać – dodaje DiSano.
W skład tej długiej listy wchodzi dosłownie wszystko – od obudów podzespołów elektronicznych, do wzmocnień konstrukcji, stosowanych w wojskowych samolotach, lub w helikopterach. DiSano i Malkovich wspominają także, że materiał wzbudził zainteresowanie pod kątem jego zastosowania w strukturach aerodynamicznych dla rakiet, a także jako zamiennik metalu… w łuskach amunicyjnych.
W ślad za tym może pójść lotnictwo cywilne. El-Hibri stwierdza, że tworzywo to ma dobre właściwości ognioodporne. – Byliśmy zaszokowani jego indeksem tlenowym – dodaje El-Hibri zauważając, że do spalania potrzebuje atmosfery zawierającej co najmniej 55 procent tlenu, podczas, gdy większość tworzyw sztucznych o wysokich parametrach wymaga zawartości tlenu w granicach od 30 do 40 procent. Solvay poddał także tworzywo Primospire testowi OSU na odporność cieplną. El- Hibri stwierdza, że niemodyfikowany Primospire PR-250, w klasie umożliwiającej formowanie na wtryskarkach, znosi obciążenie cieplne w wysokości 28 KW/m2 bez potrzeby stosowania środków nadających mu cechy ogniotrwałości, wobec wartości 30 do 40 KW/m2 dla cięższych tworzyw sztucznych, zawierających takie środki w swoim składzie.
Kolejną dziedziną zastosowań, jak się wyłania, są urządzenia, używane w medycynie. Materiał został już wykorzystany praktycznie w elementach stosowanych w chirurgii ortopedycznej. DiSano twierdzi, że takie elementy były przede wszystkim wykonywane ze stali nierdzewnej. – Korzystną cechą tworzywa Primospire jest jego przenikalność dla promieni Roentgena, w odróżnieniu od stali, która nie przepuszcza tych promieni – dodaje. Niektórzy użytkownicy próbowali dla takich zastosowań używać tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi, ale obróbka maszynowa powodowała, że włókna te… zostawały odsłonięte na powierzchni.
DiSano przewiduje wiele innych zastosowań w medycynie w przyszłości. Zauważa on, że materiały z grupy Primospire znoszą dobrze sterylizację za pomocą pary, lub tlenku etylenu. Są one także zgodne z USP, klasa VI.
Materiały z grupy Primospire wykazały się także nieoczekiwanie dużą odpornością na wiele substancji chemicznych, a także korzystnymi cechami trwałości (patrz wykres), które sprawiają, że są dobrym materiałem do produkcji części używanych w technologiach przemysłu chemicznego oraz dla zastosowań w produkcji komponentów półprzewodnikowych – twierdzi DiSano.
Możliwości dalszej poprawy
Pomimo wszystkich swoich korzystnych właściwości, jest jeszcze dużo możliwości poprawienia własności Primospire. Solvay postrzega to tworzywo jako składnik w mieszaninach lub w stopach z innymi materiałami o bardzo dobrych właściwościach – stwierdza El-Hibri. Jeden z takich obszarów dotyczy polepszenia właściwości termicznych. Materiały z grupy Primospire mają temperaturę przejścia w stan szklisty ok. 157°C do stanu umożliwiającego ich wyciskanie, oraz temperaturę 167°C do stanu umożliwiającego formowanie.
– Nie jest to ekstremalnie wysoka temperatura, ponieważ temperatura w której następuje wygięcie w przypadku tych materiałów jest bardzo bliska ich temperatury przejścia w stan szklisty – dodaje El-Hibri, mając na myśli to, że zachowują sztywność w miarę wzrostu temperatury.
Ensinger poszukuje także sposobów na polepszenie własności materiału podstawowego. Firma jest w trakcie badań nad wzmocnieniem Primospire za pomocą nanorurek węglowych, aby – zdaniem DiSano – jeszcze bardziej poprawić moduł i właściwości związane z kurczeniem się. Firma zastosowała także własne elementy nanoceramiczne o nazwie EWS jako dodatek do Primospire, aby zwiększyć jego twardość i odporność na ścieranie. DiSano mówi, że właśnie ten składnik będzie docelowo brany pod uwagę w takich zastosowaniach, jak pierścienie CMP w przemyśle produkcji półprzewodników.
Autor: JOSEPH OGANDO
