Avancerade plaster
Verkstäderna fortsätter i detta nummer serien om totalt 10 artiklar som kallas ”Värt att veta om plast”. Här kommer att ges grundläggande information om de vanligaste plasterna. I denna artikel fortsätter vi med de egenskapsmässigt mest avancerade plasterna.
I nästa avsnitt kommer vi sedan att fortsätta med ett par amorfa avancerade plaster för att sedan avsluta materialdelen i artikelserien med de s.k. bioplasterna.
Avancerade termoplaster
På engelska kallar man denna typ av material för ”high performance” vilket fritt skulle kunna översätta till högpresterande plaster eller plaster med de bästa egenskaperna. Vilka egenskaper är det då som man har haft i åtanke när man har utvecklat materialen som tillhör denna kategori?
Nedan kan vi se en önskelista som forskarna har haft om vi jämför med konstuktionsplasternas egenskaper:
• Bättre möjlighet att kunna ersätta metaller
• Förbättrade mekaniska egenskaper såsom styvhet, draghållfasthet och slagseghet
• Förhöjd användningstemperatur
• Mindre påverkan av omgivande temperatur och luftfuktighet på de mekaniska egenskaperna
• Mindre tendens till kryp vid belastning
• Förbättrad kemikalieresistens (speciellt med tanke på de vätskor som förekommer i bilar d.v.s. bränsle, oljor, glykol, rengöringsmedel etc)
• Förbättrade flamskyddsegenskaper
• Förbättrade elektriska isoleringsegenskaper
• Mindre friktion och nötning
• Bättre barriäregenskaper (främst bränsle och syre)
Dessutom vill man ju alltid att nya material skall:
• Ha ett vettigt pris i relation till egenskaperna
• Vara lätta att bearbeta i vanlig maskinutrustning
• Enkla att återvinna
Avancerade armeringssystem med kolfibrer och kevlar eller beläggning med s.k. nanometaller används också i kombination med de avancerade polymererna för att uppnå ovanstående mål.
Plaster vars största målsättning är att ersätta metaller kallas ibland för ”structural materials” i engelskspråkig litteratur. Då endast 4% av applikationerna i metall hittills har konverterats till plast så förstår man att det finns stora möjligheter till att ersätta metall med plast i framtiden.
I denna artikel kommer vi att ge en översikt av följande delkristallina avancerade plaster:
1. Fluorplast (PTFE)
2. Högpresterande aromatisk nylon (PPA)
3. ”Liquid crystal polymer” (LCP)
4. Polyfenylensulfid (PPS)
5. Polyetereterketon (PEEK)
Fluorplaster - TPFE
Det finns en mängd olika varianter i denna grupp av del-kristallina plaster där PTFE (polytetrafluoreten) är den största volymmässigt på marknaden.
Detta material upptäcktes av en slump 1938 i DuPonts laboratorier i USA när man exprimenterade med olika köldmedel. Man gav materialet varunamnet Teflon.
Detta material har den lägsta kända friktionskoefficienten, den bästa kemikaliebeständigheten och de bästa elektriska isoleringsegenskaperna av alla plaster och kan användas i temperaturer upp till 260 °C.
Andra material inom fluorplastfamiljen är PCTF, PVDF, PVF samt sampolymererna FEP, PFA, E/CTFE, E/TFE,
THF m.m. Vill Du veta mer om dessa material och andra avancerade polymerer rekommenderas Plasthandboken av Lars-Erik Edshammar som ges ut av Industrilitteratur.
Egenskaper hos PTFE
+ Extrem kemikaliebeständighet
+ Extremt låg friktionskoefficient
+ Extremt bra elektriska egenskaper
+ Tål extremt låga och höga användningstemperaturer
(från -200 °C till +260°C)
+ UV-resistent
+ Flamsäker
+ Kompatibel med mänsklig vävnad
- Dålig nötningshållfasthet
- Dåliga kryp- och kallflytningsegenskaper
- Hög densitet (upp till 2,3 g/cm3)
- Kan ej bearbetas med konventionella metoder
Användningsområden
PTFE kan inte formsprutas eller extruderas utan bearbetas genom formpressing och strängsprutning för att sedan sintras. PTFE kan också dispergeras och användas för ytbeläggning och filmtillverkning. Tejp kan tillverkas med hjälp av kalendrering.
Sampolymeren FEP däremot går att formspruta, extrudera och formblåsa i speciella maskiner.
PTFE:s och andra fluorplasters unika egenskaper gör att man använder dessa material till rör, beläggningar och tätningar i extremt korrosiv miljö (kemisk industri). Man använder materialen när man vill ha låg friktion såsom i självsmörjande glidlager och glidytor eller non-stick i husgeråd som stekpannor, bakformar m.m.
De extrema elektriska isoleringsegenskaperna tar man till vara på vid kabelisolering och annan isolering i elektronikindustrin. PTFE åldras obetydligt och används därför i medicinsk industri och som implantat.
”High performance” nylon - PPA
PPA är den kemiska beteckningen för polyftalamid och omfattar en grupp delkristallina aromatiska polyamider med klart förbättrade mekaniska, kemiska och tempe-raturegenskaper jämfört med polyamid 6 och 66. Dessa material tar också upp betydligt mindre fukt än PA6 och PA66 och är mera dimensionsstabila.
De ledande tillverkarna på marknaden är DuPont med varunamnet Zytel HTN, EMS med varunamnet Grivory och Solvay med varunamnet Amodel.
Fig 2. I tabellen ovan jämförs några mekaniska egenskaper mellan PA66, PA6 och PPA med 35% glasfiberarmering. Som synes är det stor skillnad på egenskaperna om PA66 och 6 har tagit upp fukt (mättad vid 50% relativ fuktighet) eller om de är okonditionerade (direkt från formsprutan).
PPA påverkas däremot inte alls (styvhet) eller endast marginellt (draghållfasthet och töjning). Källa: DuPont
Egenskaper hos PPA
+ Styvare, starkare och högre krypresistens än de flesta
andra plaster gör PPA lämplig för ersättning av metall
+ Hög användningstemperatur (150 °C kontinuerligt och
200 °C kortvarig topptemperatur)
+ Mycket lägre vattenabsorption jämfört med PA6, PA66
och PA46 och därmed bättre dimensionsstabilitet
+ Bättre kemikaliebeständighet än PA6 och PA66
+ Bra elektriska egenskaper
+ Kan fås flamsäker med halogenfria tillsatser
- Sämre slagseghet jämfört med PA6 och PA66
Användningsområden
De allra flesta kvalitér av PPA är glasfiberarmerade och används enbart till formsprutning.
De utmärkta mekaniska egenskaperna gör materialet till ett bra alternativ för metallersättning.
De flesta tillämpningar finns i bilindustrin (motordelar) och el- och elektronikindustrin där kontakter och s.k. backbones i mobiltelefoner förbrukar mycket PPA.
”Liquid crystal polymer” - LCP
LCP-materialen är delkristallina och har självarmerande egenskaper (bygger fiberstruktur liknande trä i flytriktningen när de formsprutas). Materialen kan antingen vara av typen aromatiska polyamider s.k. aramider (t.ex. DuPonts Kevlar-fiber) eller aromatiska polyestrar.
De aromatiska polyestertyperna är termotropa (med en övergångsfas med flytande kristaller i smältan).
Ledande tillverkare av formsprutningsbara LCP-material är DuPont med varunamnet Zenite, Ticona med varunamnet Vectra och Solvay med varunamnet Xydar.
Egenskaper hos LCP
+ Bra balans mellan styvhet, styrka, seghet och utmärkt
krypresistens gör LCP utmärkt till metallersättning
+ Exremt hög användningstemperatur (240 °C konti-
nuerligt) gör att man kan löda elektronik blyfritt.
+ Bibehåller egenskaperna vid förhöjd temperatur
+ Mycket lättflytande (lätt att fylla tunnväggigt gods)
+ Utmärkt kemikalieresistens
+ Flamsäker (V-0 klassad utan tillsatsmedel)
+ Utmärkta dielektriska egenskaper
- Svaga sammanflytningslinjer
- Dålig ytglans
Användningsområden
De allra flesta kvalitér av formsprutningsbara LCP-kvalitéer är glasfiberarmerade och används i regel till mindre komponenter som spolar och kontakter inom el- och elektronikindustrin, belysning, mobiltelefoner, tändsystem och sensorer till bilar, fiberoptiska kontakter m.m. där man kräver hög användningstemperatur, bra elektriska egenskaper och flammskydd.
Materialen kan fås livsmedelsgodkända och används till stekgrytor för både mikrovågsugn och i vanlig ugn.
Polyfenylensulfid - PPS
Glasfiberarmerad polyfenylensulfid är ett oerhört styvt kristallint material med E-modul över 20 GPa. Materialet tål hög temperatur och har den näst bästa kemikalibeständigheten efter Teflon. Materialet känns lätt igen eftersom det har en metallisk klang när man slår på det. PPS lanserades av Chevron Phillips i USA 1968 under varunamnet Ryton som är det mest kända.
Förutom Chevron Phillips finns det andra tillverkare av PPS på marknaden och andra som marknadsförs i Sverige är Ticona med varunamnet Fortron och Albis med Tedur. Ryton marknadsförs av Mape Plastics AB.
Egenskaper hos PPS
+ Exceptionell hög styvhet (med upp till 65% glasfiber)
och hög krypresistens
+ Mycket hög användningstemperatur
(240 °C kontinuerligt och 260 °C topptemperatur)
+ Extremt bra kemikaliebeständighet (upp till 200 °C)
+ Obetydlig fuktabsorption och bra varmvattenresistens
+ Utmärkt dimensionsstabilitet och obetydlig krymp
+ Flamsäker (UL V-0) utan tillsatsmedel
+ Bra elektriska egenskaper
- Låg brottöjning (< 2%)
Användningsområden
De allra flesta kvalitéer av PPS är glasfiber/mineralarmerade och används till formsprutning, men det finns också oarmerade kvalitéer för extrudering.
En hel del PPS används i bilindustrin i bränsle- och tändningssystem, detaljer i el- och elektronikindustrin med krav på hög användningstemperatur och flamskydd samt i komponenter som kräver bra mekaniska egenskaper i kombination med extrem kemikalie- och korrosionsresistens.
Polyetereterketon - PEEK
Polyetereterketon eller PEEK som man vanligtvis kallar denna polymer är delkristallin och har de bästa mekaniska egenskaperna och temperaturresistensen av alla termoplaster i kombination med utmärkt kemikalieresistens som även bibehålles vid extremt höga användningstemperaturer. Materialet utvecklades av ICI i England under 1970-talet och lanserades på marknaden 1980 under varunamnet Victrex. 1993 bildades ett separat företag med namnet Victrex PLC som har c:a 90% av världsmarknaden på PEEK.
I Sverige representeras Victrex av Mape Plastics AB.
Egenskaper hos PEEK
+ Mycket hög styvhet, styrka och utmattningshållfasthet
+ Extremt hög användnings- och mjukningstemperatur
(260 °C kontinerligt och topptemperatur över 300 °C)
+ Utmärkt kemikalieresistens även vid hög temperatur
+ Extremt bra friktions- och nötningsegenskaper
+ Flamsäker (V-0 klassad utan tillsatsmedel)
+ Bra elektriska egenskaper
+ Livsmedelsgodkänd och kan användas till implantat
- Mycket högt pris (800 – 1000 kr/kg)
Användningsområden
PEEK kan formsprutas, extruderas och formblåsas och används till produkter med högt ställda krav t.ex. kullagerringar, kolvar, ventiler. Det används i den kemiska processindustrin, bilindustrin, el- och elektronikindustrin, flyg- och rymdindustrin och inom den medicinska industrin där den används till bl.a. implantat.
Text Ulf Bruder
