Inzicht in technische kunststoffen voor hoge temperaturen
Wanneer de temperatuur tijdens het gebruik hoger wordt dan 150 graden Celsius, bereiken standaard technische kunststoffen zoals nylon en POM hun praktische grenzen. Bij deze hoge temperaturen spelen vier polymeerfamilies een dominante rol: PEEK, PEI, PPS en LCP. Elk daarvan biedt een eigen evenwicht tussen thermische eigenschappen, mechanische sterkte, chemische bestendigheid, verwerkbaarheid en kosten. Het kiezen van het verkeerde materiaal voor een toepassing bij hoge temperaturen leidt tot voortijdig falen, garantieclaims en dure herontwerpen. Deze vergelijking biedt de gegevens die ingenieurs nodig hebben om weloverwogen materiaalkeuzes te maken.
Thermoplasten voor hoge temperaturen worden gekenmerkt door hun vermogen om nuttige mechanische eigenschappen te behouden bij temperaturen waarbij gangbare en standaard technische kunststoffen zachter worden, zich afbreken of hun maatvastheid verliezen. De belangrijkste maatstaven zijn de warmtevervormingstemperatuur, die het behoud van stijfheid onder belasting bij verhoogde temperatuur meet, en de continue gebruikstemperatuur, die de temperatuur aangeeft waarbij het materiaal gedurende langere tijd kan functioneren zonder noemenswaardige verslechtering van de eigenschappen. Secundaire overwegingen zijn onder meer kortstondige temperatuurschommelingen, thermisch verouderingsgedrag, chemische bestendigheid bij verhoogde temperatuur en kruipweerstand onder aanhoudende belasting bij hoge temperatuur.
Een diepgaande analyse per materiaal
PEEK, polyetheretherketon, is de thermoplast met de hoogste prestaties die op grote schaal commercieel wordt toegepast. De continue gebruikstemperatuur van 260 graden Celsius, in combinatie met een uitzonderlijke chemische bestendigheid tegen vrijwel alle organische oplosmiddelen, zuren en basen (met uitzondering van geconcentreerd zwavelzuur), maakt het de voor de hand liggende keuze voor de meest veeleisende toepassingen in de olie- en gasindustrie, de lucht- en ruimtevaart en medische implantaten. Ongevuld PEEK biedt een treksterkte van ongeveer 100 MPa en een buigmodulus van rond de 4 GPa. Met koolstofvezel versterkte kwaliteiten brengen de buigmodulus boven de 20 GPa, waarmee ze veel aluminiumlegeringen overtreffen in specifieke stijfheid. PEEK is van nature vlamvertragend met een V-0-classificatie bij dunne profielen zonder gehalogeneerde additieven. De belangrijkste beperking van PEEK zijn de kosten. Met een prijs van ongeveer $80 tot $120 per kilogram voor standaardkwaliteiten is het 8 tot 12 keer duurder dan PA66. Voor de verwerking zijn matrijstemperaturen van 160 tot 200 graden Celsius en smelttemperaturen van 360 tot 400 graden Celsius vereist, wat gespecialiseerde gereedschappen en machinecapaciteit vereist.
PEI, polyetherimide, vooral bekend onder de handelsnaam Ultem, vormt een brug tussen standaard technische kunststoffen en PEEK, zowel wat betreft prestaties als kosten. Met een glasovergangstemperatuur van 217 graden Celsius en een warmtevervormingstemperatuur van 200 graden Celsius bij 1,8 MPa is PEI geschikt voor de meeste toepassingen waarvoor PEEK overgedimensioneerd is. De inherente vlamvertragende eigenschappen voldoen aan V-0 bij 0,75 mm zonder toevoegingen. PEI biedt uitstekende diëlektrische eigenschappen die stabiel blijven over een breed frequentie- en temperatuurbereik, waardoor het het dominante materiaal is voor elektrische connectoren voor hoge temperaturen, spoelklossen en componenten voor halfgeleiderprocessen. De chemische bestendigheid is goed voor alifatische koolwaterstoffen, alcoholen en waterige oplossingen, maar beperkt voor ketonen, gechloreerde oplosmiddelen en sterke basen. PEI is in de natuurlijke kwaliteit amorf en transparant met een amberkleurige tint, in tegenstelling tot het ondoorzichtige, semi-kristallijne PEEK en PPS. Met een prijs van ongeveer $15 tot $25 per kilogram kost PEI aanzienlijk minder dan PEEK, terwijl het voldoende prestaties levert voor de meeste toepassingen waarbij geen sprake is van extreem hoge temperaturen.
PPS, polyfenyleensulfide, is een semi-kristallijne technische thermoplast met een smeltpunt van 280 graden Celsius en een continue gebruikstemperatuur van 200 tot 240 graden Celsius, afhankelijk van de kwaliteit. PPS valt op door zijn brede chemische bestendigheid, die zelfs die van PEEK overtreft wat betreft weerstand tegen sterke zuren en veel oplosmiddelen bij verhoogde temperaturen. Het is het materiaal bij uitstek voor onderdelen van chemische procesapparatuur, onderdelen van brandstofsystemen onder de motorkap van auto’s en pomphuizen die in contact komen met agressieve chemicaliën. Met glasvezel versterkte PPS-kwaliteiten bieden een treksterkte van 150 tot 190 MPa en een buigmodulus van 12 tot 16 GPa, wat uitstekende structurele prestaties oplevert. PPS heeft van nature een lage vochtopname van ongeveer 0,02 procent, wat zorgt voor uitzonderlijke maatvastheid in vochtige omgevingen zonder de eigenschapsveranderingen die bij nylon optreden. De belangrijkste beperking van PPS is de broosheid van de onversterkte kwaliteiten, waardoor voor de meeste structurele toepassingen glas- of minerale versterking noodzakelijk is. Voor de verwerking zijn matrijstemperaturen van 130 tot 150 graden Celsius en smelttemperaturen van 300 tot 340 graden Celsius vereist. De prijs van PPS varieert doorgaans van $10 tot $20 per kilogram voor standaardkwaliteiten.
LCP, oftewel vloeibaar-kristallijn polymeer, behoort tot een fundamenteel andere klasse van materialen. LCP-moleculen vormen zowel in gesmolten als in vaste toestand zeer geordende staafachtige structuren, waardoor LCP uitzonderlijke vloei-eigenschappen heeft die het mogelijk maken om extreem dunne wanden van minder dan 0,3 mm te vormen, een hoge stijfheid met een buigmodulus tot 20 GPa in sterk gevulde kwaliteiten, en een vormkrimp die in de vloeirichting bijna nul is. De warmtevervormingstemperatuur van LCP varieert van 180 tot 350 graden Celsius, afhankelijk van de kwaliteit, waarbij de hoogste waarden worden bereikt bij sterk gevulde kwaliteiten. LCP is van nature vlamvertragend met een V-0-classificatie bij zeer dunne profielen. Het neemt vrijwel geen vocht op, wat zorgt voor een uitstekende maatvastheid. LCP is toonaangevend in elektrische connectoren met fijne pitch, microgegoten elektronische componenten en dunwandige onderdelen voor medische apparatuur, waar de unieke combinatie van hoge-temperatuurbestendigheid en uitzonderlijke vloei door geen enkele andere thermoplast kan worden geëvenaard. Beperkingen zijn onder meer de anisotrope mechanische eigenschappen, waarbij de sterkte en krimp aanzienlijk verschillen tussen de vloeirichting en de dwarsrichting, en de sterkte van de lasnaad, die kan oplopen tot slechts 30 procent van de sterkte van het bulkmateriaal, wat een zorgvuldige plaatsing van de inlaat bij het ontwerp van de matrijs vereist. De prijs van LCP varieert van $15 tot $40 per kilogram, afhankelijk van de kwaliteit.
Volledige vergelijking van onroerend goed
| Eigendom | PEEK (ongevuld) | PEI (Ultem 1000) | PPS (GF40) | LCP (GF30) | PPA (GF33) | PTFE |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Treksterkte (MPa) | 100 | 105 | 165 | 150 | 200 | 25 |
| Flexural Modulus (GPa) | 4.1 | 3.5 | 14 | 15 | 12 | 0.6 |
| HDT bij 1,8 MPa (°C) | 160 | 200 | 260 | 280 | 270 | 55 |
| Temperatuur bij continu gebruik (°C) | 260 | 170 | 220 | 240 | 180 | 260 |
| Smeltpunt (°C) | 343 | Amorf | 280 | 320 | 310 | 327 |
| Dichtheid (g/cm³) | 1.30 | 1.27 | 1.65 | 1.60 | 1.44 | 2.15 |
| Vochtopname (%) | 0.5 | 1.25 | 0.02 | 0.03 | 0.7 | 0.01 |
| Vlamclassificatie (UL94) | V-0 bij 1,5 mm | V-0 bij 0,75 mm | V-0 bij 0,8 mm | V-0 bij 0,3 mm | HB | V-0 |
| Relatieve kostenindex | 100 | 20 | 15 | 25 | 12 | 30 |
| Procesmethode | IM, CNC | IM, CNC | IM | IM | IM | Compressie, CNC |
Vergelijking van chemische bestendigheid
De chemische bestendigheid bij hoge temperaturen is vaak de doorslaggevende factor bij de keuze tussen deze materialen. PEEK biedt bij temperaturen boven 200 graden Celsius een uitstekende bestendigheid tegen vrijwel alle chemicaliën, met uitzondering van geconcentreerd zwavelzuur, salpeterzuur en sommige gehalogeneerde verbindingen. Het is bestand tegen stoomsterilisatie bij 134 graden Celsius gedurende duizenden cycli zonder noemenswaardige verslechtering van de eigenschappen, waardoor het de gouden standaard is voor herbruikbare medische hulpmiddelen. PPS biedt een superieure zuurbestendigheid in vergelijking met PEEK en is bestand tegen langdurige blootstelling aan geconcentreerd zoutzuur en zwavelzuur bij temperaturen die de meeste andere polymeren aantasten. Het is het voorkeursmateriaal voor apparatuur voor chemische processen die wordt blootgesteld aan sterke anorganische zuren. PEI biedt een goede weerstand tegen alifatische koolwaterstoffen, alcoholen en verdunde zuren, maar wordt aangetast door ketonen, waaronder aceton en MEK, gechloreerde oplosmiddelen, waaronder methyleenchloride, en sterke basen, waaronder natriumhydroxide bij verhoogde temperatuur. LCP biedt uitstekende weerstand tegen vrijwel alle organische oplosmiddelen, zuren en basen bij temperaturen tot aan de warmtevervormingstemperatuur, en dankzij de extreem lage vochtopname is er geen risico op hydrolyse. PPA biedt een goede weerstand tegen automobielvloeistoffen, waaronder benzine, diesel, motorolie en transmissievloeistof, bij de hoge temperaturen die onder de motorkap voorkomen, maar is gevoelig voor hydrolyse in heet water en stoom boven 120 graden Celsius. PTFE biedt een vrijwel universele chemische bestendigheid en is bestand tegen blootstelling aan chemicaliën die alle andere thermoplasten aantasten, maar het kan niet worden verwerkt door middel van conventioneel spuitgieten en heeft een zeer lage mechanische sterkte, waardoor het beperkt blijft tot afdichtingen, pakkingen en beklede componenten in plaats van structurele onderdelen.
Verwerkingsmethoden en ontwerpoverwegingen
| Materiaal | Haalbaarheid van spuitgieten | Haalbaarheid van CNC-bewerking | Vereiste matrijstemperatuur (°C) | Smelt temperatuurbereik (°C) | Belangrijkste uitdaging op het gebied van gegevensverwerking |
|---|---|---|---|---|---|
| PEEK | Uitstekend | Uitstekend | 160-200 | 360-400 | Bij hoge matrijstemperaturen is olieverwarming nodig; er is duur gereedschapsstaal vereist |
| PEI | Goed | Uitstekend | 135-165 | 340-400 | Moet grondig worden gedroogd bij 150 °C gedurende minimaal 4 uur; gevoelig voor vocht |
| PPS | Goed | Eerlijk | 130-150 | 300-340 | Er kan broze flash ontstaan; bij gasvorming kunnen geventileerde vaten nodig zijn |
| LCP | Uitstekend | Slecht | 80-120 | 320-380 | Anisotrope krimp; zwakke lasnaden; het ontwerp van de matrijs is van cruciaal belang |
| PPA | Uitstekend | Eerlijk | 80-120 | 320-340 | Gevoelig voor vocht; moet worden gedroogd; lange afkoeltijd bij dikke stukken |
| PTFE | Niet mogelijk | Eerlijk | n.v.t. | n.v.t. | Kan niet door smelten worden verwerkt; moet door persgieten of machinale bewerking uit halffabricaten worden vervaardigd |
Handleiding voor het selecteren van toepassingsscenario's
Voor structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart waarvoor de hoogste combinatie van sterkte, temperatuurbestendigheid en chemische inertie vereist is, en waarbij het gewicht een cruciale ontwerpparameter is, zijn met koolstofvezel versterkte PEEK-kwaliteiten de voor de hand liggende keuze. Het materiaal wordt op grote schaal gespecificeerd in vliegtuigen van Airbus en Boeing voor beugels, klemmen en interieuronderdelen, ter vervanging van aluminium en titanium, wat een gewichtsbesparing oplevert van 40% tot 60%. Voor medische hulpmiddelen die herhaaldelijk met stoom moeten worden gesteriliseerd, biedt PEEK de unieke combinatie van autoclaafbestendigheid en mechanische duurzaamheid die geen enkele andere thermoplast kan evenaren.
Voor toepassingen onder de motorkap van auto’s, waar het materiaal voortdurend wordt blootgesteld aan temperaturen van 150 tot 180 graden Celsius in aanwezigheid van motorolie, koelvloeistof en brandstof, biedt PPA GF33 de optimale prijs-kwaliteitverhouding. Het gebruik ervan in thermostaathuizen, waterpompwaaiers en eindkappen van intercoolers is aanzienlijk toegenomen naarmate de temperaturen in de motorruimte stijgen door turbocompressoren en emissiebeheersingssystemen. Bij extreme temperaturen onder de motorkap van meer dan 200 graden Celsius is PPS GF40 onmisbaar, zoals te zien is in onderdelen voor uitlaatgasrecirculatie en onderdelen van turbocompressoractuatoren.
Voor elektronische en elektrische toepassingen hangt de keuze af van de temperatuurvereisten. PEI is de dominante keuze voor connectoren, aansluitingen en isolatoren die bij temperaturen tot 170 graden Celsius worden gebruikt, omdat het dankzij zijn diëlektrische stabiliteit, inherente vlamvertraging en lagere kosten de meest praktische keuze is. LCP is geschikt voor toepassingen die een ultrafijne pitch van minder dan 0,5 mm vereisen en reflow-soldeertemperaturen tot 260 graden Celsius, waarbij geen enkel ander thermoplast de benodigde combinatie van vloeibaarheid en thermische eigenschappen biedt.
Voor apparatuur voor chemische verwerking is PPS GF40 het werkpaard voor pomphuizen, klephuizen en koppelingen die agressieve chemicaliën verwerken bij temperaturen tot 200 graden Celsius. Wanneer PPS de grens van zijn chemische bestendigheid bereikt, biedt PEEK een stapje hoger. Wanneer PEEK wordt aangetast door de procesvloeistof – wat zeldzaam is, maar mogelijk bij geconcentreerde oxiderende zuren en bepaalde gehalogeneerde verbindingen – biedt PTFE de ultieme chemische barrière, doorgaans als bekleding in een metalen of FRP-behuizing vanwege de lage mechanische sterkte van het materiaal.
Kostenrangschikking en waardeanalyse
De materiaalkosten alleen vormen geen volledige basis voor de keuze. De totale kosten van een kunststofonderdeel voor hoge temperaturen omvatten niet alleen de prijs van de korrels, maar ook de verwerkingskosten – die sterk variëren per materiaal –, de gereedschapskosten – die stijgen naarmate de vereiste matrijstemperatuur hoger is –, het uitvalpercentage – dat een weerspiegeling is van de moeilijkheidsgraad van de verwerking – en de kwaliteitskosten – waaronder inspectie- en certificeringseisen voor gereguleerde sectoren vallen. PPA biedt de laagste totale kosten van alle thermoplasten voor hoge temperaturen bij toepassingen tot en met 180 graden Celsius, waardoor het de beste prijs-kwaliteitverhouding biedt voor toepassingen in de automobielindustrie en de algemene industrie. PPS biedt de beste chemische bestendigheid per dollar voor toepassingen die een brede chemische compatibiliteit vereisen bij 200 tot 220 graden Celsius. PEI biedt de beste combinatie van temperatuurbestendigheid en verwerkbaarheid voor elektrische en elektronische toepassingen, waarbij de amorfe aard en het brede verwerkingsbereik het afkeuringspercentage verlagen. LCP is de enige haalbare keuze voor toepassingen met extreem dunne wanden en microgietwerk, waardoor de hogere materiaalkosten worden geaccepteerd als de prijs voor haalbaarheid. PEEK heeft de hoogste prijs omdat het het enige materiaal is dat tegelijkertijd een continu gebruik bij 260 graden Celsius, uitstekende chemische bestendigheid en structurele mechanische eigenschappen biedt.
PA46 en PTFE: gespecialiseerde spelers
PA46, polyamide 46, is een gespecialiseerd nylon voor hoge temperaturen met een smeltpunt van 295 graden Celsius, wat aanzienlijk hoger ligt dan dat van PA66 (260 graden Celsius). PA46 heeft een warmtevervormingstemperatuur van 160 graden Celsius in ongevulde vorm en tot 290 graden Celsius met glasvezelversterking, waardoor het tussen standaardnylons en PPA in zit. Het belangrijkste voordeel is de uitstekende weerstand tegen vermoeidheid en slijtage bij hoge temperaturen, waardoor het de voorkeurskeuze is voor spaninrichtingen van distributiekettingen in auto’s, lagerkooien en tandwieltoepassingen waarbij de combinatie van temperatuur-, vermoeidheids- en slijtage-eisen de mogelijkheden van PA66 overstijgt, maar de kosten van PEEK niet rechtvaardigt. PA46 is hygroscopisch en moet vóór verwerking worden gedroogd, aangezien vochtopname zowel de afmetingen als de eigenschappen beïnvloedt.
PTFE, polytetrafluorethyleen, neemt een unieke positie in als de thermoplast met de hoogste chemische bestendigheid en de laagste wrijvingscoëfficiënt. De continue gebruikstemperatuur van 260 graden Celsius komt overeen met die van PEEK. De wrijvingscoëfficiënt van 0,05 tot 0,10 is de laagste van alle vaste materialen. De chemische bestendigheid is vrijwel universeel; alleen gesmolten alkalimetalen en elementair fluor tasten het aan. Deze eigenschappen maken PTFE onvervangbaar voor afdichtingen, pakkingen, lagers en bekledingen in de chemische verwerking, voedselverwerking en halfgeleiderproductie. PTFE kan echter niet spuitgegoten worden. Het moet worden gevormd door middel van compressiegieten en sinteren, of machinaal bewerkt uit geëxtrudeerd of gegoten materiaal. De mechanische sterkte is laag, met een treksterkte van slechts 20 tot 35 MPa en een buigmodulus van minder dan 1 GPa. PTFE vertoont aanzienlijke kruip onder langdurige belasting, waardoor veerbelaste afdichtingsontwerpen nodig zijn om de contactkracht te handhaven. Door deze verwerkings- en mechanische beperkingen is PTFE beperkt tot toepassingen waarbij de oppervlakte- en chemische eigenschappen essentieel zijn en de structurele belastingen door andere componenten worden gedragen.
Veelgestelde vragen
Wat is de hoogste temperatuur waarvoor technische kunststoffen geschikt zijn?
PEEK biedt de beste combinatie van hittebestendigheid en mechanische sterkte, met een continu gebruik bij 260 graden Celsius. PAI (polyamide-imide), dat onder de merknaam Torlon wordt verkocht, is bestand tegen een continue temperatuur van 275 graden Celsius en heeft een hogere sterkte dan PEEK, maar is duurder en moeilijker te verwerken. Voor de allerhoogste temperaturen is polyimide geschikt voor continu gebruik bij 300 tot 350 graden Celsius, maar het is niet smeltverwerkbaar en moet uit gesinterd materiaal worden bewerkt, waardoor het voor de meeste productietoepassingen onpraktisch is.
Kunnen kunststoffen die bestand zijn tegen hoge temperaturen op standaardmachines worden gespoten?
PPS en LCP kunnen worden verwerkt in standaard spuitgietmachines met cilindertemperaturen tot 350 graden Celsius. Voor PEI zijn machines nodig die een cilindertemperatuur van 380 tot 420 graden Celsius kunnen bereiken en waarbij de matrijstemperatuur tot 150 graden Celsius kan worden geregeld. Voor PEEK zijn machines nodig die geschikt zijn voor minimaal 400 graden Celsius, olieverwarmde matrijzen van 160 tot 200 graden Celsius en slijtvaste schroeven en cilinders vanwege het schurende effect van verwerking bij hoge temperaturen. Standaardmachines moeten aan deze eisen worden getoetst; niet alle machines zijn geschikt.
Hoe maak ik een keuze tussen PEEK en PPS voor een toepassing in de chemische verwerking?
Als de gebruikstemperatuur lager is dan 200 graden Celsius en de chemische omgeving sterke anorganische zuren bevat, is PPS GF40 doorgaans de betere keuze vanwege zijn superieure zuurbestendigheid en lagere kosten. Als de temperatuur hoger is dan 220 graden Celsius of als de chemische omgeving organische oplosmiddelen en complexe chemische mengsels bevat, is PEEK de betere keuze, omdat de mechanische eigenschappen van PPS boven de 200 graden Celsius sneller achteruitgaan en PEEK een bredere weerstand tegen organische oplosmiddelen biedt.
Waarom vertoont LCP zwakke lasnaden, en hoe kan ik hier bij het ontwerpen rekening mee houden?
LCP-moleculen zijn stijve staafjes die zich niet, zoals flexibele polymeerketens, verstrengelen over het grensvlak van de laslijn. Wanneer twee stromingsfronten elkaar ontmoeten, richten de LCP-moleculen zich parallel aan de laslijn in plaats van er dwars overheen, waardoor een zwak vlak ontstaat. Ontwerpaanpassingen omvatten het plaatsen van ingangen zodat laslijnen zich vormen in gebieden met lage spanning, het gebruik van meerdere ingangen of klepingangen om de ontmoetingspunten van de stromingsfronten te beheersen, en het vermijden van laslijnen in dunne secties die tijdens het gebruik worden blootgesteld aan trek- of buigbelastingen. Mouldflow-analyse is essentieel voor het voorspellen en optimaliseren van de locaties van laslijnen in LCP-onderdelen.
Is CNC-bewerking een haalbaar alternatief voor spuitgieten bij kunststoffen die bestand zijn tegen hoge temperaturen?
Ja, en het is vaak de voorkeursmethode voor kleine volumes van minder dan 500 tot 2.000 stuks per jaar, voor het maken van prototypes voordat definitief wordt overgegaan op spuitgietmatrijzen, en voor PEEK-onderdelen die uiterst nauwe toleranties vereisen. CNC-bewerking van geëxtrudeerd of compressiegegoten materiaal elimineert matrijskosten en doorlooptijd, waardoor het ideaal is voor proof-of-concept en productie in kleine series. De materiaalkosten zijn echter hoger omdat halffabricaten duurder zijn dan korrels, en bewerking genereert afval dat bij de meeste thermoplasten voor hoge temperaturen niet direct opnieuw kan worden gesmolten. Bij productievolumes van meer dan 2.000 tot 5.000 onderdelen per jaar is spuitgieten doorgaans voordeliger, ondanks de investering in matrijzen.
