3 NAJWYTRZYMALSZE PRZEMYSŁOWE TWORZYWA SZTUCZNE

Tworzywa sztuczne odgrywają kluczową rolę w codziennym życiu, stanowiąc fundament wielu współczesnych technologii. Ich wszechstronność, trwałość i stosunkowo niski koszt produkcji sprawiają, że są one niezastąpione w wielu sektorach przemysłu stanowiąc alternatywę dla tradycyjnych materiałów metalowych. Wśród mnogości tworzyw sztucznych w niniejszym artykule przeanalizujemy trzy najbardziej wytrzymałe stosowane w przemyśle. Te tworzywa różnią się właściwościami, zastosowaniami i sposobem produkcji, ale łączą je wspólne cechy, jak wytrzymałość mechaniczna i odporność temperaturowa. 

Polieteroeteroketon (PEEK) jest zaawansowanym półkrystalicznym inżynierskim tworzywem termoplastycznym, opracowanym w latach 80. XX wieku. PEEK charakteryzuje się doskonałym połączeniem wytrzymałości, odporności i łatwości obróbki, co czyni go bardzo pożądanym materiałem konstrukcyjnym.

Najwięksi producenci PEEK: Wielka Brytania (ok. 50% światowej produkcji), Chiny, USA, Niemcy. 

Cena: PEEK należy do grupy tworzyw wysokowydajnych (HPP – High Performance Polymers) i jest jednym z najdroższych materiałów tego typu. Wysoki koszt wynika ze złożonego i energochłonnego procesu produkcyjnego oraz ograniczonej liczby producentów o odpowiednich technologiach. 

Zastosowania: Lotnictwo i kosmonautyka (uszczelnienia, części silników i systemów paliwowych), medycyna (implanty, protezy, narzędzia chirurgiczne), przemysł chemiczny i naftowy (zawory, tuleje, uszczelki), elektronika i elektrotechnika (izolatory, komponenty złączy, części urządzeń narażonych na wysoką temperaturę i iskrzenie). 

Właściwości materiałowe: 

Stabilność termiczna – PEEK może wytrzymywać temperatury nawet powyżej 250 stopni Celsiusza przez dłuższy czas, bez utraty swoich właściwości mechanicznych. Dodatkowo polimer PEEK jest samogasnący i ma niski współczynnik palności, co czyni go bardziej bezpiecznym w zastosowaniach, gdzie istnieje ryzyko pożaru. 

Odporność mechaniczna – w odróżnieniu od typowych tworzyw plastycznych PEEK jest wyjątkowo twardy i sztywny, pozwala to na uzyskanie dużej precyzji obrabianych elementów i wysokiej tolerancji wymiarów. Jest to materiał o doskonałej odporności na pełzanie i zmęczenie wykazujący doskonałą stabilność wymiarową. 

Pozostałe właściwości fizykochemiczne – PEEK charakteryzuje się niską gęstością, dzięki czemu jest znacznie lżejszy od metali o podobnych właściwościach mechanicznych. Jego stosunek wytrzymałości do wagi jest wystarczająco wysoki, aby konkurować na przykład z aluminium. Dodatkowo materiał nie ulega degradacji w trudnych chemicznie lub fizycznie środowiskach tak jak metale. 

 

Poliamid 6 (PA6), znany również jako nylon 6, to jedno z najpopularniejszych tworzyw konstrukcyjnych z grupy poliamidów. Został opracowany w latach 30. XX wieku jako syntetyczna alternatywa dla jedwabiu. Dzięki dobrym właściwościom mechanicznym, odporności chemicznej i termicznej oraz korzystnemu stosunkowi ceny do jakości, PA6 jest jednym z najbardziej popularnych tworzyw konstrukcyjnych. 

Najwięksi producenci PA6: Produkcja PA6 odbywa się na całym świecie, a największe zakłady znajdują się m.in. w Chinach (ok. 50% udziału w rynku), Niemczech, Polsce, USA, Włoszech. 

Cena: PA6 należy do średnio kosztownych tworzyw konstrukcyjnych.Jest znacznie tańszy od materiałów wysokowydajnych, takich jak PEEK, PTFE. Wysoka dostępność surowców i rozwinięta infrastruktura przemysłowa pozwalają na produkcję PA6 na dużą skalę, co czyni go atrakcyjnym ekonomicznie materiałem inżynierskim. 

Zastosowania: Motoryzacja (obudowy, zbiorniki, tuleje, łożyska), przemysł maszynowy (koła zębate, prowadnice, elementy ślizgowe), elektronika i AGD (izolatory, elementy konstrukcyjne obudów), tekstylia i włókiennictwo (przędza nylonowa, tkaniny techniczne), opakowania. 

Właściwości materiałowe:
Stabilność termiczna – PA6 może pracować w temperaturach do ~120°C w sposób ciągły, a krótkotrwale wytrzymuje nawet do 160°C. Wykazuje dobrą odporność na starzenie cieplne i promieniowanie UV po odpowiedniej modyfikacji. Może być stosowany w gorących środowiskach roboczych, choć wymaga stabilizacji przy wyższych temperaturach. 

Odporność mechaniczna – PA6 cechuje się bardzo dobrą wytrzymałością na rozciąganie, udarność i odpornością na zużycie. Jest materiałem sprężystym, który dobrze radzi sobie z dynamicznym obciążeniem i drganiami. Wymaga jednak kontroli wilgotności, ponieważ chłonie wodę, co wpływa na jego właściwości mechaniczne i wymiary. 

Pozostałe właściwości fizykochemiczne – Stosunkowo niska gęstość (~1,13 g/cm³) pozwala uzyskać lekkie, a jednocześnie wytrzymałe komponenty. Dobra odporność chemiczna na oleje, smary, rozpuszczalniki organiczne – choć mniej odporna na mocne kwasy i zasady. PA6 można łatwo barwić, modyfikować, wzmacniać (np. włóknem szklanym) oraz przetwarzać różnymi technikami (np. wtryskiem, wytłaczaniem). 

 

PTFE to wysoko zaawansowane tworzywo fluoropolimerowe o wyjątkowych właściwościach chemicznych i fizycznych. Został opracowany przypadkowo w 1938 roku przez kadrę naukową firmy DuPont. PTFE jest materiałem nieprzywierającym, odpornym na niemal wszystkie substancje chemiczne i zdolnym do pracy w bardzo szerokim zakresie temperatur, co czyni go niezastąpionym w wielu zastosowaniach przemysłowych. 

Najwięksi producenci PTFE: Chiny, USA, Japonia, Indie. PTFE jest produkowany globalnie, a Chiny są obecnie największym producentem pod względem wolumenu. 

Cena: PTFE należy do grupy wysokowydajnych materiałów fluoropolimerowych, ale jest tańszy niż PEEK. Cena PTFE zależy głównie od czystości, formy (granulat, taśma, pręty, arkusze) oraz dostępności fluoru – kluczowego pierwiastka w produkcji. Koszty produkcji są wysokie ze względu na skomplikowany proces polimeryzacji i kontrolę emisji gazów fluorowych. 

Zastosowania: Przemysł chemiczny (uszczelnienia, zawory, wykładziny zbiorników, rurociągi), elektronika i elektrotechnika (izolacje przewodów, komponenty pracujące w wysokiej temperaturze i wilgotności), medycyna (powłoki na narzędzia chirurgiczne, implanty, przewody medyczne), AGD i przemysł spożywczy (nieprzywierające powłoki, uszczelki spożywcze), lotnictwo i motoryzacja (łożyska, prowadnice, tuleje pracujące w skrajnych warunkach). 

Właściwości materiałowe: 

Stabilność termiczna – PTFE zachowuje swoje właściwości w temperaturach od -200°C do +260°C. Jest samogasnący, nie podtrzymuje spalania, a jego produkty rozkładu są toksyczne tylko przy bardzo wysokich temperaturach (> 400°C). 

Odporność mechaniczna – PTFE nie jest tak twardy jak PEEK – jest miękki, elastyczny i podatny na pełzanie, ale bardzo dobrze sprawdza się jako materiał ślizgowy. Dzięki niskiemu współczynnikowi tarcia (ok. 0,05) znajduje zastosowanie w łożyskach i prowadnicach narażonych na tarcie bez smarowania. 

Pozostałe właściwości fizykochemiczne – Niewiarygodna odporność chemiczna – PTFE jest odporny na niemal wszystkie kwasy, zasady, rozpuszczalniki i związki chemiczne (z wyjątkiem np. fluoru w stanie wolnym i gorącej stopionej zasady sodowej). Jest całkowicie hydrofobowy, odporny na promieniowanie UV i nieprzepuszczalny dla gazów. Charakteryzuje się bardzo niską adhezją – niemal nic do niego nie przylega, co czyni go idealnym materiałem do powłok ochronnych. 

PEEK, PA6 i PTFE to tworzywa o wyjątkowych właściwościach, które znalazły szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Ich wytrzymałość, odporność chemiczna i termiczna sprawiają, że stanowią nowoczesną alternatywę dla tradycyjnych materiałów. Wybór odpowiedniego tworzywa zależy od konkretnych wymagań aplikacji, ale każde z nich odgrywa kluczową rolę we współczesnej inżynierii i technologii.