”Hyvä Tietää Muovista” on MuoviPlast-lehdessä jo vuodesta 2012 lähtien ilmestynyt artikkeleiden sarja, joissa esitellään perustietoa tavallisimmista muoveista.
Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy.
Aikaisemmissa jaksoissa on käsitelty valtamuovit ja tekniset muovit. Tässä artikkelissa jatkamme ominaisuuksiltaan kaikkein kehittyneimpien muovien parissa. Seuraavassa artikkelissa käsitellään muutama amorfinen erikoismuovi, minkä jälkeen raaka-aineosuuden päättää biomuovit.
Erikoiset kestomuovit
Englannin kielellä tämän tyyppisiä raaka-aineita kutsutaan joskus nimellä ”high performance”, mikä vapaasti käännettynä voisi tarkoittaa korkean suorituskyvyn muoveja tai muoveja joilla on parhaat ominaisuudet. Mitkä sitten ovat ne ominaisuudet joita on ajateltu, kun tähän ryhmään kuuluvia raaka-aineita on suunniteltu?
Alla toivomuslista ominaisuuksista, jotka tutkijoilla on olleet mielessä verratessaan näiden muovien ominaisuuksia tavallisten teknisten muovien ominaisuuksiin:
- Parempi mahdollisuus korvata metalleja
- Paremmat mekaaniset ominaisuudet, kuten jäykkyys,
vetolujuus ja iskulujuus - Korkeampi käyttölämpötila
- Vähäisempi ympäristön lämpötilan ja kosteuden vaikutus mekaanisiin ominaisuuksiin
- Pienempi viruminen kuormituksen alaisena
- Parempi kemikaalien kesto (erityisesti autoissa käytettäviä nesteitä vastaan, kuten polttoaine, öljyt, glykoli, puhdistusai- neet jne.)
- Paremmat palonesto-ominaisuudet
- Paremmat sähköiset eristysominaisuudet
- Pienempi kitka ja kuluminen
- Paremmat barrieriominaisuudet (lähinnä polttoaine ja happi)
- Ja lisäksi uusilta raaka-aineilta usein halutaan:
- Järkevä hinta ominaisuuksiin nähden
- Helposti työstettävä normaalilla konevarustuksella
- Helppo kierrättää
Kehittyneitä lujitusmenetelmiä hiilikuiduilla ja Kevlarilla tai päällystystä nk. nanometalleilla käytetään myös yhdessä erikoismuovien kanssa yllämainittujen ominaisuuksien saavuttamiseksi.
Muoveja, joiden ensisijaisena tavoitteena on korvata metalleja, kutsutaan usein englannin kielessä sanalla ”structural materials”. Koska ainoastaan 4 prosenttia metallituotteista on tähän päivään mennessä pystytty korvaamaan muoveilla, on helppo ymmärtää, että tulevaisuudessa mahdollisuudet metallien korvaamiseen ovat hyvät.
Tässä artikkelissa annetaan yleiskatsaus seuraaviin osakiteisiin erikoismuoveihin:
- Fluorimuovit (PTFE)
- Aromaattinen polyamidi (PPA)
- Nestekidemuovi (LCP)
- Polyfenyleenisulfidi (PPS)
- Polyeetterieetteriketoni (PEEK)
Fluorimuovit PTFE
Tässä osakiteisten muovien ryhmässä on muutama eri variaatio, joista PTFE (polytetrafluorieteeni) on valmistusmäärässä mitattuna yleisin.
Raaka-aine keksittiin sattumalta vuonna 1938 DuPontin laboratoriossa Yhdysvalloissa kun eri pakkasnesteiden kanssa tehtiin kokeita. Raaka-aineelle annettiin tuotenimi Teflon. Raaka-aineella on alhaisin tunnettu kitkakerroin, paras kemikaalien kesto ja parhaat sähköiset eristysominaisuudet kaikista muoveista ja sen käyttölämpötila yltää 260 °C:een saakka.
Muita fluorimuoviperheen raaka-aineita ovat PCTF, PVDF, PVF sekä yhdyspolymeerit FEP, PFA, E/CTFE, E/TFE, THF. Mikäli haluat tietää enemmän näistä raaka-aineista ja muista erikoispolymeereistä, on Lars-Erik Edshammarin ”Plasthandboken” suositeltavaa lukemista.
PTFE:n ominaisuuksia
- + Äärimmäinen kemikaalien kesto
- + Äärimmäisen alhainen kitkakerroin
- + Äärimmäisen hyvät sähköiset eristysominaisuudet
- + Kestää äärimmäisen alhaisia ja korkeita käyttölämpötiloja (-200 °C…+260 °C)
- + UV-valon kesto
- + Palonkesto
- + Yhteensopiva ihmiskudoksen kanssa
- – Huono hiertymisen kesto
- – Huono virumisen kesto
- – Korkea ominaispaino (2,3 g/cm3 asti)
- – Ei voida työstää perinteisillä menetelmillä
Käyttöalueet
PTFE raaka-aine ei ole työstettävissä ruiskuvalamalla tai ekstruusiolla vaan se työstetään muottipuristamalla ja tyssävalamalla jonka jälkeen se sintrataan. PTFE:ä voidaan myös dispergoida, käyttää pinnoitteena ja käyttää kalvon valmistuksessa. Teippiä valmistetaan kalanteroimalla. FEP yhdyspolymeeriä voidaan sen sijaan ruiskuvalaa, ekstrudoida ja muottipuhaltaa erikoiskoneilla.
PTFE:n ja muiden fluorimuovien ainutlaatuisten ominaisuuksien takia näitä raaka-aineita käytetään putkissa, päällysteissä ja tiivisteissä äärimmäisen korroosioalttiissa ympäristössä (kemian teollisuus). Lisäksi raaka-aineita käytetään kun tavoitellaan mahdollisimman alhaista kitkaa kuten itsevoitelevissa liukulaakereissa ja liukupinnoissa tai tarttumattomissa (”non-stick”) kotitaloustarvikkeissa kuten paistinpannuissa, leivontamuoteissa jne. Äärimmäisen hyvät sähkön eristämisominaisuudet ovat käytössä kaapelieristyksissä sekä sähkö- ja elektroniikkateollisuuden muissa eristyskohteissa. PTFE:n vanheneminen on olematonta ja sitä käytetään siksi terveydenhuollossa esimerkiksi implanttina.
Kemia
PTFE on yksinkertainen rakenteeltaan. Monomeeri koostuu ainoastaan hiili- ja fluoriatomeista:
Aromaattinen polyamidi PPA
PPA on polyftalamidin kemiallinen tunnus ja käsittää ryhmän osakiteisiä aromaattisia polyamideja joilla on selvästi paremmat mekaaniset, kemialliset ja lämpötilaominaisuudet verrattuna 6- ja 66-polyamideihin. Niiden kosteuden imeytyminen on myös huomattavasti vähäisempää kuin PA6 ja PA66:lla, joten ne ovat myös mittapitävämpiä.
Tunnetuimmat PPA muovien valmistajat ovat DuPont tuotteellaan Zytel HTN, EMS tuotteellaan Grivory ja Solvay tuotteellaan Amodel.
Taulukossa on verrattu 35% lasikuitutäytteisten PA66:n, PA6:n ja PPA:n joitakin mekaanisia ominaisuuksia. Kuten taulukosta käy ilmi on PA66 ja PA6:lla suuret erot ominaisuuksissa riippuen siitä onko materiaali imenyt kosteutta (kyllästetty 50% suhteellista kosteutta huoneenlämmössä) tai jos se on kuivaa (suoraan ruiskuvalukoneesta tullessa). PPA ei muutu ollenkaan (jäykkyys) tai ainoastaan vähän (vetolujuus ja murtovenymä) Lähde: DuPont
PPA:n ominaisuuksia
- + Parempi jäykkyys, lujuus ja virumisenkesto kuin useimmilla muilla muoveilla
- + Sopiva metallien korvaukseen
- + Korkea käyttölämpötila (150 °C jatkuva ja 200 °C lyhytaikainen huippu)
- + Alhaisempi kosteuden imeytyminen verrattuna PA6, PA66 ja PA46 polyamideihin ja siten mittapitävämpi
- + Parempi kemikaalien kesto kuin PA6 ja PA66:lla
- + Hyvät sähköiset ominaisuudet
- + Halogeenivapaa palosuojaus mahdollinen
- – Huonompi iskulujuus verrattuna PA6 ja PA66:een
Käyttöalueet
Useimmat PPA-lajikkeet ovat lasikuitulujitettuja ja niitä käytetään ainoastaan ruiskuvalussa.
Erinomaiset mekaaniset ominaisuudet tekevät raaka-aineesta hyvän vaihtoehdon metallien korvaamiseksi.
Useimmat käyttösovellukset löytyvät autoteollisuudesta (moottorin osat) sekä sähkö- ja elektroniikkateollisuudesta, jossa esim. matkapuhelinten liittimet ja rungot ovat suuri PPA:n käyttökohde.
Kemia
PPA:ssa on PA66:n happoryhmä vaihdettu aromaattiseen ryhmään jolloin monomeeri on rakenteeltaan seuraavanlainen. Aromaattinen ryhmä on merkitty punaisella.
Nestekidemuovi LCP
LCP-raaka-aineet (Liquid Crystal Polymer) ovat osakiteisiä ja niillä on itselujittuvat ominaisuudet (rakentaa puuta muistuttavan kuiturakenteen virtaussuunnan mukaisesti ruiskuvalettaessa). Raaka-aine voi olla aromaattisten polyamidien nk. aramidien kaltainen (esim. DuPontin Kevlar-kuitu) tai aromaattinen polyesteri. Aromaattiset polyesterityypit ovat termotrooppisia (ylimenovaiheessa nestemäisiä kiteitä muovisulassa). Johtavia ruiskuvalettavien LCP-raaka-aineiden valmistajia ovat DuPont tuotemerkillään Zenite, Ticona tuotemerkillään Vectra ja Solvay tuotemerkillään Xydar.
LCP:n ominaisuuksia
- + Hyvä tasapaino jäykkyyden, lujuuden, sitkeyden ja erinomaisen virumislujuuden välillä tekee LCP:stä erinomaisen metallien korvaukseen
- + Äärimmäisen korkea käyttölämpötila (240 °C jatkuva), jonka ansiosta se soveltuu komponentteihin elektroniikan
lyijyvapaassa juotosprosessissa - + Säilyttää ominaisuutensa korotetuissa lämpötiloissa
- + Erittäin helppojuoksuinen (helppo täyttää ohutseinämäinen tuote)
- + Erinomainen kemikaalien kesto
- + Palosuojattu (luontainen V-0 luokitus ilman lisäaineita)
- + Erinomaiset dielektrisyysarvot
- – Heikko yhtymäsauma
- – Huono pintakiilto
Käyttöalueet
Useimmat ruiskuvalettavat LCP-lajikkeet ovat lasikuitulujitettuja ja niitä käytetään säännöstään pienemmissä komponenteissa kuten sähkö- ja elektroniikkateollisuuden kelarungoissa ja liittimissä, valaisinkomponenteissa, matkapuhelinten osissa, autojen sytystysjärjestelmän ja anturien osissa, optisten kuitujen liittimissä jne. missä tarvitaan korkeiden lämpötilojen kestoa, hyviä sähköisiä ominaisuuksia ja palosuojausta. Raaka-ainetta on saatavana myös elintarvikehyväksyttynä jolloin sitä käytetään astioissa joita voi lämmittää mikroaaltouunissa tai tavallisessa uunissa.
Kemia
Kaikilla LCP-raaka-aineilla monomeeri koostuu useammasta aromaattisesta ryhmästä. Aramidilla (esim. DuPontin Kevlar) on yksinkertaisin rakenne kahdella aromaattisella ryhmällään:
Polyfenyleenisulfidi PPS
Lasikuitulujitettu polyfenyleenisulfidi on uskomattoman jäykkä osakiteinen raaka-aine, jonka E-moduuli on yli 20 GPa. Raaka-aine kestää korkeita lämpötiloja ja sillä on toiseksi paras kemikaalien kesto heti fluorimuovien jälkeen. Raaka-aine on helppo tunnistaa metallisesta kilahduksesta kovaa vasten lyötäessä. PPS:n toi markkinoille yhdysvaltalainen Chevron Phillips vuonna 1968 tuotemerkillä Ryton, joka on PPS:n tunnetuin tuotemerkki.
Chevron Phillipsin lisäksi markkinoilla on Ticonan valmistama PPS nimellä Fortron ja Albiksen tuotemerkki Tedur.
PPS:n ominaisuuksia
- + Poikkeuksellisen jäykkä (lasikuitulujitus 65 %:iin saakka) ja hyvä virumisen kesto
- + Erittäin korkea käyttölämpötila (240 °C jatkuva ja 260 °C lyhytkestoinen huippu)
- + Äärettömän hyvä kemikaalien kesto (200 °C asti)
- + Merkityksetön kosteuden imeytyminen ja hyvä kuuman veden kesto
- + Erinomainen mittapitävyys ja merkityksetön kutistuma
- + Palosuojaus (UL V-0) ilman lisäaineita
- + Hyvät sähköiset ominaisuudet
- – Alhainen murtovenymä (<2 %)
Käyttöalueet
Useimmat PPS-lajikkeet ovat lasikuitulujitettuja tai mineraalitäytettyjä, ja niitä käytetään ruiskuvaluun, mutta on myös olemassa lujittamattomia lajikkeita, joita käytetään ekstruusioon.
Suuri osa PPS:a menee autoteollisuuden polttoaine- ja sytytysjärjestelmiin sekä tuotteisiin sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa, jossa vaatimuksena on korkean lämpötilan kesto ja palosuojaus. Sekä komponentteihin, joilta vaaditaan hyvää mekaanista lujuutta yhdistettynä äärimmäisellä kemikaalien ja korroosion kestolla.
Kemia
Polyfenyleenisulfidilla on yksinkertainen rakenne aromaattisella ryhmällään, joka on sidottu rikkiin:
Polyeetterieetteriketoni PEEK
Polyeetterieetteriketoni tai PEEK, joka on tästä polymeeristä normaalisti käytettävä nimitys, on rakenteeltaan osakiteinen muovi. Sillä on kestomuoveista parhaat mekaaniset ominaisuudet ja lämmönkesto yhdistettynä hyvällä kemikaalien kestolla. Ominaisuudet säilyvät myös korkeammissa lämpötiloissa.Raaka-aineen kehitti ICI Englannissa 1970-luvulla ja se esiteltin markkinoille vuonna 1980 tuotemerkillä Veictrex. 1993 perustettiin erillinen yritys nimeltä Victrex PLC, jolla on noin 90 prosentin PEEK:n markkinaosuus maailmassa.
PEEK:n ominaisuuksia
- + Erittäin hyvä jäykkyys, lujuus ja väsymislujuus
- + Äärettömän korkea käyttö- ja pehmenemislämpötila (260 °C jatkuva ja lyhytaikainen huippu yli 300 °C)
- + Erinomainen kemikaalien kesto myös korkeammissa lämpötiloissa
- + Äärettömän hyvät kitka- ja kulumisominaisuudet
- + Palosuojaus (V-0 luokitus ilman lisäaineita)
- + Hyvät sähköiset ominaisuudet
- + Elintarvikehyväksytty ja voidaan käyttää implanttina
- – Kallis (80–100 €/kg)
Käyttöalueet
PEEK:a voidaan ruiskuvalaa, ekstrudoida ja muottipuhaltaa. Sitä käytetään teknisesti vaativissa tuotteissa kuten esim. kuulalaakereiden kuulanpitimissä, männissä ja venttiileissä. Se on käytössä kemiallisen teollisuuden prosesseissa, autoteollisuudessa, sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa, lento- ja avaruusteollisuudessa sekä lääketeollisuudessa, jossa sitä käytetään mm. implantteihin.
Kemia
PEEK monomeeri koostuu kolmesta aromaattisesta ryhmästä:
