polyether ether ketone

Polyether ether ketone (PEEK) là một polyme nhựa nhiệt dẻo hữu cơ không màu trong họ polyaryletherketone (PAEK), được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật. Ban đầu nó được giới thiệu bởi Victrex PLC, sau đó là Imperial Chemical Industries (ICI) vào đầu những năm 1980. PEEK được sử dụng để chế tạo các vật phẩm được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi, bao gồm vòng bi, các bộ phận piston, máy bơm, cột sắc kí lỏng hiệu năng cao, van tấm nén và cách điện cáp. Nó là một trong số ít các loại nhựa tương thích với các ứng dụng chân không siêu cao. PEEK được coi là một vật liệu sinh học tiên tiến được sử dụng trong cấy ghép y tế, ví dụ, sử dụng với một hình ảnh cộng hưởng từ độ phân giải cao (MRI), để tạo ra một hộp sọ thay thế một phần trong các ứng dụng phẫu thuật thần kinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC  TỔNG QUAN VỀ: POLYETHER ETHER KETONE (PEEK) Giảng viên hướng dẫn: Mục Lục MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ POLYETHER ETHER KETONE 1.1 Khái niệm 1.2 Đặc điểm CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYETHER ETHER KETONE 2.1 In 3D (3D Printing) a Tổng quan b in 3D với công nghệ FDM 2.2 Gia công CNC (CNC machining) TÍNH CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG .9 3.1 Tính chất .9 3.2 Các phương pháp gia công 11 ỨNG DỤNG 15 KẾT LUẬN 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO .18 MỞ ĐẦU Polyether ether ketone (PEEK) là một polyme nhựa nhiệt dẻo hữu cơ không màu họ polyaryletherketone (PAEK), sử dụng ứng dụng kỹ thuật Ban đầu giới thiệu Victrex PLC, sau là Imperial Chemical Industries (ICI) vào đầu năm 1980 PEEK sử dụng để chế tạo vật phẩm sử dụng ứng dụng đòi hỏi, bao gồm vòng bi, phận piston, máy bơm, cột sắc kí lỏng hiệu cao, van tấm nén và cách điện cáp Nó số loại nhựa tương thích với ứng dụng chân khơng siêu cao PEEK coi vật liệu sinh học tiên tiến sử dụng trong cấy ghép y tế, ví dụ, sử dụng với một hình ảnh cộng hưởng từ độ phân giải cao (MRI), để tạo hộp sọ thay phần ứng dụng phẫu thuật thần kinh Người ta tìm cách tăng lượng PEEK lên thiết bị tổng hợp cột sống cốt thép Nó sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp hàng khơng vũ trụ, tơ hóa chất. Vịng bịt kín ống phân phối PEEK thường sử dụng ứng dụng chất lỏng PEEK hoạt động tốt ứng dụng có nhiệt độ cao liên tục (lên tới 500 °F / 260 °C) Dựa tài liệu nghiên cứu liên quan đề tài hướng dẫn đến nhìn tổng quan để tìm hiểu nhựa Polyether ether ketone, qua tổng hợp phân tích đặc điểm tính chất, ứng dụng quy trình sản xuất nhựa Polyether ether ketone 1 TỔNG QUAN VỀ POLYETHER ETHER KETONE 1.1 Khái niệm Polyether ether ketone (PEEK) là một polyme nhựa nhiệt dẻo hữu cơ không màu họ polyaryletherketone (PAEK),được sử dụng ứng dụng kỹ thuật Hình Cơng thức cấu tạo Polyether ether ketone PEEK thu cách trùng hợp tăng trưởng theo bước bằng cách quay số muối bisphenolat Điển hình phản ứng của 4,4'-difluorobenzophenone với muối disodium của hydroquinone, tạo chỗ bằng khử proton với natri cacbonat Phản ứng tiến hành khoảng 300 °C dung mơi aprotic có cực chẳng hạn như diphenyl sulphone Hình Phản ứng tổng hợp Polyether ether ketone PEEK một nhựa nhiệt dẻo bán tinh thể với tính chất kháng hóa chất học tuyệt vời nhiệt độ cao Các điều kiện xử lý sử dụng để đúc PEEK ảnh hưởng đến độ kết tinh ảnh hưởng đến tính chất học. Mơ đun Young của 3,6 GPa độ bền kéo 90 đến 100 MPa PEEK có nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh khoảng 143 °C (289 °F) tan chảy khoảng 343 °C (662 °F) Một số lớp có nhiệt độ hoạt động hữu ích lên đến 250 °C (482 °F) Độ dẫn nhiệt tăng gần tuyến tính với nhiệt độ nhiệt độ phòng nhiệt độ đường rắn Nó có khả chống phân hủy nhiệt, công môi trường hữu nước Nó bị cơng halogen axit Bronsted và Lewis mạnh, số hợp chất halogen hóa hydrocarbon béo nhiệt độ cao Nó hịa tan axit sunfuric đậm đặc nhiệt độ phòng, việc hịa tan nhiều thời gian trừ polyme dạng có tỷ lệ diện tích bề mặt lớn đến khối lượng, chẳng hạn bột mịn màng mỏng Nó có sức đề kháng cao để phân hủy sinh học 1.2 Đặc điểm Nhựa PolyEtherEtherKetone (PEEK) loại nhựa kỹ thuật đặc biệt với hiệu suất tuyệt vời. So với loại nhựa kỹ thuật đặc biệt khác, có nhiều ưu điểm đáng kể hơn. Nó có khả chịu nhiệt độ cao dương 260 độ, khả cháy thấp, khơng tạo khói cháy, độ bền học cao, khả tự bôi trơn tốt, chống ăn mịn hóa học, chống bong tróc, chống mài mịn, khơng dung nạp axit nitric mạnh, axit sunfuric đậm đặc, chống xạ siêu tính chất học; có thể sử dụng máy móc cao cấp, kỹ thuật hạt nhân công nghệ hàng không Tỉ trọng Hấp thụ nước Co rút khuôn Điện trở suất Chống cháy Tiêu chuẩn kiểm tra GB/T 1033-2008 kết tinh Đơn vị g/cm³ Giá trị điển hình 1.30 24h 23℃ % 0,2 song song, tương đông % 1.0 thẳng đứng % 1.3 GB/T 1410-2006 23℃ Ωcm 10¹⁵ GB/T 2408-2008 23℃ - V-0 GB/T 1034-2008 GB/T 10737-2003 Điều kiện kiểm tra PEEK tan chảy nhiệt độ tương đối cao (343 °C / 649,4 °F) so với hầu hết loại nhựa nhiệt dẻo khác Trong phạm vi nhiệt độ nóng chảy nó, xử lý cách sử dụng phương pháp ép phun hoặc ép đùn Đó khả thi mặt kỹ thuật để xử lý PEEK dạng hạt thành dạng sợi phận in 3D từ vật liệu filament sử dụng mơ hình lắng đọng hợp - công nghệ FDM (hay chế tạo sợi nóng chảy - FFF). Sợi PEEK dùng để sản xuất thiết bị y tế lên đến lớp IIa Với sợi này, sử dụng phương pháp FFF cho ứng dụng y tế khác giả Trong trạng thái rắn PEEK dễ dàng machinable, ví dụ, máy phay thường sử dụng để sản xuất phận nhựa chất lượng cao chịu nhiệt, cách điện cách nhiệt Các lớp đầy PEEK gia cơng CNC, cần phải ý đặc biệt để kiểm sốt thích hợp ứng suất vật liệu PEEK coi polymer hiệu suất cao, có nghĩa là, giá cao hạn chế sử dụng cho ứng dụng địi hỏi khắt khe PEEK khơng phải polyme nhớ hình dạng truyền thống; nhiên, tiến xử lý gần cho phép hành vi nhớ hình dạng PEEK với kích hoạt học Cơng nghệ mở rộng đến ứng dụng trong phẫu thuật chỉnh hình CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT POLYETHER ETHER KETONE Về mặt kỹ thuật để xử lý PEEK dạng hạt thành dạng sợi phận in 3D từ vật liệu filament sử dụng mơ hình lắng đọng hợp - cơng nghệ FDM (hay chế tạo sợi nóng chảy - FFF) Trong trạng thái rắn PEEK dễ dàng machinable, ví dụ, bởi máy phay (CNC)  thường sử dụng để sản xuất phận nhựa chất lượng cao chịu nhiệt, cách điện cách nhiệt 2.1 In 3D (3D Printing) a Tổng quan Phương pháp in 3D tạo chi tiết sản phẩm chiều cách xây dựng mơ hình CAD thơng qua việc thêm lớp vật liệu phận hồn chỉnh Ưu điểm phương pháp tính kinh tế khả tạo phận với thiết kế hình học phức tạp Thiết lập quy trình in: Chuẩn bị phần mềm in nhằm bố trí định hướng mơ hình khối lượng, cấu trúc hỗ trợ, lát cắt mơ hình…  Quy trình in: Q trình in phụ thuộc vào cơng nghệ in 3D tạo mơ hình lắng đọng hợp chất làm nóng chảy sợi nhựa (FDM) hay cơng nghệ in lập thể nhằm xử lý chất dẻo trạng thái lỏng (SLA) hay kỹ thuật nóng chảy bột nhựa laser (SLS)  Xử lý sau in: Tháo phận, chi tiết nhựa khỏi máy in, làm bảo dưỡng  Hình Quy trình sản xuất nhựa phương pháp in 3D có chi phí sản xuất thấp, sở vật chất khơng địi hỏi cao so với quy trình truyền thống Tuy nhiên, in 3D nhiều thời gian nhân công so với quy trình áp dụng cho sản xuất hàng loạt b in 3D với công nghệ FDM Nguyên lý hoạt động máy in 3D công nghệ FDM: Máy in 3D dùng công nghệ FDM xây dựng mẫu cách đùn nhựa nóng chảy hố rắn lớp tạo nên cấu trúc chi tiết dạng khối Vật liệu sử dụng dạng sợi có đường kính từ 1.75 – 3mm, dẫn từ cuộn tới đầu đùn mà chuyển động điều khiển động servo Khi sợi cấp tới đầu đùn làm nóng sau đẩy qua vịi đùn lên mặt phẳng đế Trong máy in 3D (FDM) vật liệu nóng chảy đẩy ra, đầu đùn di chuyển biên dạng 2D Độ rộng đường đùn thay đổi khoảng từ (từ 0,193mm đến 0,965mm) xác định kích thước miệng đùn Miệng vịi đùn khơng thể thay đổi q trình tạo mẫu, cần phân tích mơ hình tạo mẫu trước chọn vịi đùn thích hợp Hình Ngun lí hoạt động máy in 3D công nghệ FDM Từ máy in 3D (FDM) lớp vật liệu nóng chảy đùn nguội nhanh khoảng 1/10(s) đông cứng lại Khi lớp phủ hồn thành mặt phẳng di chuyển sang lớp khác mỏng thông thường từ 0,178mm đến 0,356mm trình lặp lại tạo xong sản phẩm Về vật liệu tạo mẫu đa dạng: Trong công nghệ tạo mẫu nhanh FDM, đường kính đùn từ vịi phun nằm khoảng 0,25-1mm, hầu hết loại vật liệu nhiệt dẻo dáp ứng với việc thay đổi kích thước Ngồi ra, loại vật liệu sử dụng nhiều màu sắc khác để tạo chi tiết yêu cầu nhiều màu sắc Cơng nghệ tạo mẫu nhanh FDM tạo tính tốt cho vật liệu tạo mẫu nguyên nhân dẫn đến phát triển nhanh chóng cơng nghệ này, đáp ứng tối đa u cầu đa dạng người sử dụng vật liệu 2.2 Gia công CNC (CNC machining) Sản xuất nhựa quy trình gia cơng CNC q trình mà vật liệu nhựa rắn gia công công cụ cắt Công cụ chuyển động loại bỏ vật liệu khỏi khối rắn Phương pháp gia cơng nhựa phay CNC nhựa, tiện CNC nhựa, khoan CNC nhựa điều khiển máy tính Quy trình sản xuất CNC machining tạo phận, chi tiết nhựa với chất lượng cao thời gian sản xuất ngắn Chi phí tỉ lệ thuận với độ phức tạp sản phẩm Thiết lập liệu thiết kế: Giai đoạn cần chuẩn bị liệu từ vẽ đến thiết lập chương trình cho máy (CAD, CAM) để kiểm soát bước chạy, di chuyển, tốc độ hay thay đổi trình gia cơng  Gia cơng: Q trình diễn với công đoạn kiểm tra, gá phôi, gia công CNC thô, gia công CNC tinh…   Sau gia công, sản phẩm xử lý cắt gọt làm Gia công nhựa phương pháp CNC phù hợp với sản phẩm chi tiết nhỏ, yêu cầu phức tạp hình dạng kích thước dung sai Những sản phẩm ròng rọc, bánh răng… ứng dụng dùng quy trình CNC machining Thời gian gia công CNC ngắn, áp dụng nhiều loại vật liệu nhựa, chi phí sản xuất phụ thuộc vào độ phức tạp sản phẩm TÍNH CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIA CƠNG 3.1 Tính chất PEEK polyme thơm đa vịng tuyến tính bán tinh thể thuộc họ polyme polyketone sử dụng sản xuất rộng rãi với quy mô lớn PEEK vật liệu cứng, màu trắng, khối lượng riêng 1300 kg/m3 Thuộc tính PEEK:  PEEK có khả chịu nhiệt độ cao: Nhiệt độ nóng chảy Tm cao 314°C Nhiệt độ hố thuỷ tinh Tg cao 143°C Nhiệt độ biến dạng nhiệt tải lên tới 316°C Nhiệt độ sử dụng liên tục 260°C tức thời nhiệt độ sử dụng đạt tới 300 ℃ Độ dẫn nhiệt 0.29W/mK  Tính chất học: Nhựa PEEK hội tụ hai đặc tính tính dẻo tính cứng đồng thời loại nhựa cân Đặc biệt độ bền mỏi ứng suất đổi dấu vượt trội tất loại nhựa khác, sánh với vật liệu hợp kim Độ bền kéo khoảng 90 – 100 MPa, Young’s moduls - GPa Về tính chất rão, polyme thể khả chống rão tuyệt vời Khi kết hợp với đặc tính uốn kéo, mang lại cân đặc tính vật liệu yêu cầu chịu tải trọng cao thời gian dài nhiệt độ cao mà không bị biến dạng vĩnh viễn Mô đun uốn khoảng 140 – 170 Mpa, nhiệt độ cao cải thiện cách gia cố thủy tinh cacbon. (Cốt thép làm tăng khả chống rão mỏi, tính dẫn nhiệt polyme nhiệt độ biến dạng nhiệt)  Khả tự bôi trơn: PEEK có đặc tính trượt tốt, phù hợp với trường hợp cần hệ số ma sát khả chống mài mòn thấp, đặc biệt khả chống mài mòn PEEK biến tính sợi carbon, than chì PTFE vượt trội  Tính chịu hố chất: Nhựa PEEK có tính chiụ hóa chất siêu việt, loại hóa chất thơng thường, thứ hịa tan phá vỡ có axit H 2SO4 loại mạnh, tính chóng ăn mịn gần với thép, niken  Khả chống cháy: PEEK tự dập lửa, không thêm chất chống cháy, LOI 35% Khả tạo khói khí độc thấp  Tính chất điện: PEEK có điện trở suất điện trở suất bề mặt cao  Nó chịu cường độ trường điện AC tần số khác phạm vi nhiệt độ rộng thay đổi môi trường, đồng thời trì hiệu suất cách nhiệt tốt  Khả chống thủy phân: Nhựa vật liệu composite khơng bị ảnh hưởng tác động hóa học nước nước áp suất cao, PEEK sử dụng liên tục môi trường nước nước nhiệt độ cao áp suất cao mà không làm giảm chất lượng đáng kể  Khả chống chịu thời tiết: Khả chống chịu thời tiết tuyệt vời, polyme sử dụng để sản xuất phận có yêu cầu nghiêm ngặt môi trường làm việc yêu cầu xử lý khử trùng thường xuyên 3.2 Các phương pháp gia công PEEK xử lý phương pháp thơng thường ép phun, ép đùn, ép nén, v.v Tuy nhiên, điều kiện xử lý sử dụng để tạo khn PEEK ảnh hưởng đến độ kết tinh ảnh hưởng đến tính chất học Là loại nhựa nhiệt dẻo tuyến tính, Polyetheretherketone xử lý nóng chảy khoảng nhiệt độ từ 370 đến 420°C. Trong xử lý Polyetheretherketone, khơng có khí ăn mịn sinh  Ép phun Ép phun thường thực cách sử dụng viên hạt, đổ vào phễu máy Sau viên tự động đưa vào cụm vít gia nhiệt để làm nóng chảy tạo áp suất cho polyme nóng chảy để chảy vào khn gia nhiệt Một thành phần PEEK hợp nhất, tự động đẩy khỏi khn để chu trình diễn Hình Thiết bị ép phun PEEK Khn ép tối ưu hố thiết kế đặc biệt cho phận, có tính đến chi tiết địa hình học phận khả lưu lượng áp suất hệ thống phun polyme nóng chảy Q trình ép phun PEEK thường yêu cầu nhiệt độ thùng vòi phun khoảng 400°C Nhiệt độ bề mặt khuôn khuyến nghị cho PEEK nằm khoảng 175 – 205°C Điều quan trọng phải đảm bảo phận đúc thể mức độ kết tinh đồng bề mặt Việc không đạt nhiệt độ khuôn tối thiểu dẫn đến việc làm mát chi tiết nhanh chóng, thời gian kết tinh khơng đủ Có thể tăng độ kết tinh cách ủ khn PEEK vơ định hình độ kết tinh thấp, nhiên trình kết tinh dãn đến biến dạng thay đổi kích thước  Ép đùn Các viên hạt PEEK thường nguyên liệu ban đầu để ép đùn Giống ép phun, viên nén đổ vào phễu nạp vào cụm trục vít làm nóng để làm nóng chảy tạo áp suất cho polyme nóng chảy Polyme nóng chảy điều áp sau ép qua khn làm nóng làm nguội từ từ đến nhiệt độ phòng dọc theo dây chuyền ép đùn Q trình ép đùn PEEK thực cách sử dụng thiết bị ép đùn thông thường khuôn nhiệt độ tương tự ép phun Động truyền động thường yêu cầu cơng suất đầu 0.25HPkg-1h-1 Hình Thiết bị ép đùn PEEK hai trục vít PEEK polyme ổn định khơng nhạy cảm với việc tiếp xúc kéo dài (lên đến giờ) với nhiệt độ điểm nóng chảy Tuy nhiên để có kết tối ưu, thời gian cư trú nên từ - 10 phút Nhiệt độ làm mát có ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ kết tinh sau hiệu suất Các q trình nhiệt liên quan đến ép đùn ủ hình dạng nguyên dẫn đến khác biệt nhỏ tính chất học so sánh với phận ép phun  Tạo hình khn ép (đúc nén) Ép nén quy trình sản xuất hình dạng có sẵn Một máy ép khn nén bao gồm hai trục lăn gia nhiệt Đúc nén thường sử dụng cho công việc sản xuất, tạo mẫu đánh giá khối lượng nhỏ, sản xuất phận cơng nghiệp có diện dày So với ép phun, quy trình tương đối rẻ tiền thời gian chu kỳ dài khơng phù hợp với sản xuất khối lượng lớn Hình Đúc nén PEEK Quá trình nén ép PEEK yêu cầu máy ép gia nhiệt, lò sấy dụng cụ thép/kim loại cấp thấp mức độ ứng suất, lực cắt lực liên quan Nhìn chung người ta ưu tiên sử dụng polyme PEEK dạng bột mịn cho trình đúc nén để tránh phần ranh giới dạng hạt phận đúc Các điểm biên đại diện cho điểm yếu thành phần Nếu làm mát có kiểm sốt thời gian dài thực hiện, phận đúc nén thường có độ kết tinh độ bền nén cao so với phận ép phun Mặc dù, lý thuyết, xơ nghiền chất độn kết hợp thành PEEK để ép nén, điều thực khó đảm bảo phân bố xơ đồng  Sản xuất phim sợi Việc sử dụng PEEK cấp độ cấy ghép dạng sợi màng lĩnh vực ngày quan tâm thiết bị y tế hiệu suất học độ tinh khiết vốn có Các phần mỏng màng PEEK sản xuất cách ép đùn polyme với thiết bị tạo khuôn kéo phù hợp, giúp xử lý lưu trữ màng cách có kiểm sốt cho hoạt động thứ cấp Màng PEEK sản xuất dạng tinh thể vơ định hình cách kiểm sốt nhiệt độ trống đúc thiết bị vận chuyển Tuy nhiên, độ dày màng tăng lên, việc sản xuất màng PEEK hồn tồn vơ định hình trở nên khó khăn ỨNG DỤNG Các đặc tính học PEEK phạm vi nhiệt độ rộng khiến trở nên hữu ích sản xuất phận xe hơi, từ phận trang trí bên vật liệu chức đến phận bên ngoài, phận cấu trúc phận khác Khả chống chịu, ma sát đặc tính học tốt PEEK thúc đẩy việc sử dụng sản xuất vỏ động bên trong, sản xuất van ABS, vòng đệm loại khác hệ thống truyền động ổ trục ô tô, phanh điều hịa khơng khí, vịng hộp số ly hợp, nhiều loại khác khu vực khác PEEK sử dụng để chế tạo hạng mục cho ứng dụng địi hỏi khắt khe, bao gồm vịng bi , bộ phận pít-tơng, máy bơm , cột sắc ký lỏng hiệu cao van máy nén và cách điện cáp điện . Đây số nhựa tương thích với ứng dụng chân khơng siêu cao , giúp phù hợp với ngành hàng không vũ trụ, ô tô hóa chất. PEEK sử dụng trong cấy ghép y tế , chẳng hạn tạo hộp sọ thay phần ứng dụng phẫu thuật thần kinh PEEK sử dụng thiết bị hợp cột sống gia cố. Nó có tính phản xạ , kỵ nước khiến khơng hợp hồn tồn với xương.  Phớt ống góp PEEK thường sử dụng ứng dụng chất lỏng. PEEK hoạt động tốt ứng dụng nhiệt độ cao (lên đến 500 °F/260 °C). Vì điều tính dẫn nhiệt thấp nó, sử dụng q trình in chế tạo dây tóc nóng chảy (FFF) để tách nhiệt đầu nóng khỏi đầu lạnh Trong trạng thái rắn PEEK dễ dàng machinable, ví dụ máy phay CNC thường sử dụng để sản xuất phận nhựa chất lượng cao chịu nhiệt, cách điện cách nhiệt Các lớp đầy PEEK gia cơng CNC, cần phải ý đặc biệt để kiểm sốt thích hợp ứng suất vật liệu KẾT LUẬN Qua tìm hiểu , nhóm chúng em có nhìn tổng quan cấu tạo, cơng nghệ sản xuất, tính chất, phương pháp gia cơng Polyether ether ketone Các thành viên nhóm phân chia công việc, phối hợp, giúp đỡ lẫn cách tích cực để hồn thiện báo cáo Q trình làm việc kiến thức cịn nhiều hạn chế nên báo cáo không tránh khỏi thiếu sót, hạn chế q trình viết Chúng em mong nhận đóng góp quý báu thầy cô bạn để viết em hoàn thiện Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy Đoàn Anh Vũ dạy hướng dẫn cho đề tài chúng em Chúc thầy có nhiều sức khỏe, thành cơng cơng tác giảng dạy để tiếp tục dìu dắt hệ sinh viên TÀI LIỆU THAM KHẢO Steven M Kurtz, Ph.D, PEEK biomaterials handbook A review of PEEK polymer’s properties and its use in prosthodontics, Stomatologija, Baltic Dental and Maxillofacial Journal, 2017, Vol 19,No.1 https://en.wikipedia.org/wiki/Polyether_ether_ketone http://www.createmat.com/product_detail_en/id/28.html