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La plastica PEEK può ancora essere modificata?

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Come migliorare le prestazioni di PEEK!

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Quando vedrete il titolo, vi chiederete: perché modificare PEEK quando ha prestazioni così buone e stabili? Può ancora essere modificato? La risposta è sì.

Il polietere etere chetone (PEEK) è uno dei tecnopolimeri termoplastici ad alte prestazioni attualmente più utilizzati, con eccellenti proprietà meccaniche e di resistenza al calore, eccezionali proprietà di isolamento elettrico ed elevata resistenza alla fatica, stabile resistenza chimica ed eccellente biocompatibilità. È ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, biomedico, della protezione marina, dell'industria automobilistica e in altri campi.

Tuttavia, il PEEK è un materiale biologicamente inerte e la superficie biologicamente inerte e l'inerzia chimica intrinseca del PEEK ne limitano l'applicazione. Pertanto, è necessario trovare un metodo per aumentare l'attività superficiale e la resistenza all'usura senza modificare i vantaggi del PEEK stesso, ampliando così i suoi campi di applicazione.

Attualmente, i metodi di modifica del PEEK includono principalmente: modifica della superficie, modifica del riempimento e modifica della miscela di polimeri. La modifica della superficie comporta principalmente la modifica della superficie del PEEK attraverso tecniche fisiche o chimiche per aumentarne l'energia superficiale e promuovere il legame delle biomolecole. La modifica del riempimento e la modifica della miscelazione sono applicate principalmente nella preparazione di materiali compositi per migliorarne le proprietà tribologiche.

1, Modifica della superficie

Il PEEK è stato ampiamente utilizzato nel campo delle applicazioni biomediche, soprattutto nelle articolazioni ossee artificiali. Il PEEK è un materiale biologicamente inerte e non causa reazioni avverse quando viene impiantato nel corpo umano. Tuttavia, quando è richiesta l'integrazione ossea diretta tra l'impianto e il tessuto ospite, la bassa bagnabilità della superficie del PEEK limita l'adesione cellulare e l'assorbimento delle proteine, riducendo la capacità di guarigione delle ferite dell'integrazione ossea.

La modifica della superficie eseguita con tecniche fisiche o chimiche può migliorare l'attività superficiale del PEEK. Attualmente, i principali metodi di modifica della superficie includono il trattamento con radiazioni, il trattamento al plasma e il trattamento con soluzioni chimiche, ecc.

Il trattamento con radiazioni ha le caratteristiche di alta risoluzione, alta velocità operativa e basso costo, che possono migliorare l'attività superficiale del PEEK. Ad esempio, alcuni ricercatori hanno applicato il laser a impulsi per modificare la superficie del PEEK e hanno scoperto che con l'aumento dell'intensità della potenza del laser, l'angolo di contatto della superficie del PEEK è diminuito e l'energia superficiale e la forza di adesione al taglio sono aumentate di conseguenza.

Il trattamento al plasma per la modifica della superficie è ampiamente utilizzato nei materiali polimerici. I ricercatori hanno applicato il trattamento al plasma per modificare il PEEK. I risultati mostrano la presenza di gruppi polari (C=O e COO) sulla superficie del plasma PEEK e la concentrazione di questi gruppi polari è correlata all'energia libera superficiale. La concentrazione di gruppi polari sulla superficie del PEEK trattato con il plasma è più elevata, il che aumenta ulteriormente l'energia libera superficiale.

Inoltre, anche il trattamento chimico in soluzione può migliorare le prestazioni del PEEK. Il laboratorio ARK ha effettuato la fosforilazione superficiale del PEEK e i risultati hanno mostrato che il PEEK modificato con il 30% di acido fosforico presentava un'attività superficiale ottimale, fornendo una superficie più favorevole alla rigenerazione ossea, aumentando così il potenziale degli impianti ortopedici e dentali nelle future applicazioni cliniche.

2, Modifica del riempimento

La modifica del riempimento comporta tipicamente l'aggiunta di materiali di rinforzo al materiale di base per ottenere la modifica. Per la modifica del riempimento del PEEK, è possibile aggiungere al materiale di base fibre, ossidi metallici e riempitivi inorganici. Questo metodo può migliorare alcuni dei difetti del PEEK e migliorare notevolmente le prestazioni globali del materiale.

Fibre di carbonio

I compositi di polimeri termoplastici rinforzati con fibre di carbonio (CF) presentano eccellenti proprietà, quali elevata rigidità, alta resistenza, buona lavorabilità e basso coefficiente di espansione termica. I ricercatori hanno aggiunto CF al PEEK per migliorarne le proprietà tribologiche.

ARKPEEK-CF ha preparato materiali compositi PEEK/CF mediante stampaggio a caldo. I risultati mostrano che l'angolo di contatto con l'acqua del materiale composito è inferiore a quello del PEEK puro, il che indica una migliore bagnatura della superficie. Quando il contenuto di CF è del 25%, il materiale composito presenta il coefficiente di attrito e il tasso di usura più bassi, rispettivamente circa 0,11 e 2,5×10^-6 mm^3/(N-m).

Fibre di vetro

Le fibre di vetro (GF) sono utilizzate come materiali di rinforzo nei materiali polimerici grazie alla loro elevata rigidità, all'elevato modulo e all'alta capacità di carico. I materiali compositi in PEEK rinforzati con ARKPEEK-GF sono stati studiati per il loro comportamento all'attrito e all'usura in condizioni di attrito a secco e di lubrificazione ad acqua. I risultati mostrano che con l'aumento del carico, il coefficiente di attrito e il tasso di usura di entrambi i materiali compositi PEEK e PEEK/GF aumentano gradualmente e alla fine si stabilizzano. Rispetto al PEEK puro, il coefficiente di attrito e il tasso di usura del materiale composito PEEK/30%GF in condizioni di lubrificazione ad acqua sono rispettivamente 0,11 e 5×10^-5 mm^3/(N-m).

Ossidi metallici

Le particelle abrasive possiedono tipicamente caratteristiche quali elevata durezza e alta fragilità, come ZrO2, SiO2 e altre particelle ceramiche. Il riempimento di metalli e dei loro ossidi nel PEEK può migliorarne le proprietà meccaniche e tribologiche.

L'aggiunta di ZrO2 al PEEK può aumentare la microdurezza del materiale composito e migliorarne le proprietà tribologiche. Il coefficiente di attrito più basso è stato osservato nei rivestimenti compositi di PEEK riempiti con il 5% di nanoparticelle di ZrO2, circa 0,12, che è del 49% inferiore rispetto al PEEK puro. Il meccanismo di usura dei rivestimenti compositi PEEK/ZrO2 è l'usura adesiva e la lieve usura abrasiva. L'aggiunta di nanoparticelle di ZrO2 aumenta la durezza del materiale composito, migliorandone le proprietà tribologiche. Per migliorare ulteriormente le prestazioni del materiale composito, le particelle di ossido metallico e i rinforzi in fibra possono essere inseriti contemporaneamente nel PEEK, sfruttando l'effetto composito della fase di rinforzo per migliorare le prestazioni del PEEK.

Le nanoparticelle di SiO2 e ZrO2 hanno proprietà fisiche simili. PEEKChina ha studiato l'aggiunta del 7,5% di nanoparticelle di SiO2 al PEEK rinforzato con il 7,5% di fibre corte di carbonio (SCF). I risultati indicano che le nanoparticelle di SiO2 migliorano il debole legame interfacciale tra le fibre e la matrice. Grazie alla maggiore interazione interfacciale tra il riempitivo e la matrice, il coefficiente di attrito e il tasso di usura dei materiali compositi PEEK/SCF/SiO2 sono rispettivamente 0,16 e 0,62×10^-6 mm^3/(N-m), inferiori del 16% e del 29% rispetto ai materiali compositi senza aggiunta di SiO2.

Riempitivi inorganici

La grafite possiede eccellenti proprietà di conducibilità elettrica, conducibilità termica, stabilità chimica e autolubrificazione. Grazie alle sue eccezionali prestazioni, viene aggiunta come fase di rinforzo in vari materiali.

L'aggiunta di grafite al PEEK può migliorare le proprietà tribologiche dei materiali compositi, come è stato ampiamente studiato dai ricercatori di ARK. Sono stati preparati anche materiali compositi PEEK/grafite e gli studi hanno dimostrato che, rispetto al PEEK puro, il PEEK/grafite presenta coefficienti di attrito inferiori. Questo perché durante il processo di attrito e usura, la tipica struttura a strati della grafite forma un film autolubrificante sulla superficie del materiale composito. Quando il contenuto di grafite è del 25%, il materiale composito presenta il coefficiente di attrito e il tasso di usura più bassi, rispettivamente circa 0,35 e 7,0×10^-6 mm^3/(N-m). Inoltre, quanto più piccole sono le dimensioni delle particelle di grafite, tanto migliore è il legame dell'interfaccia, che può migliorare efficacemente la resistenza all'usura e le proprietà meccaniche del materiale composito.

3, Modifica della miscela di polimeri

Il principio di base della miscelazione è quello della miscibilità, quindi i valori di solubilità e tensione superficiale tra i materiali da miscelare devono essere simili. I materiali compositi preparati miscelando il PEEK con altri materiali ad alto contenuto polimerico possono possedere le proprietà complete dei materiali miscelati. Qui presentiamo principalmente PTFE, solfuro di polifenilene (PPS) e polietersolfone (PESU).

Il PTFE ha molte proprietà eccellenti, come il basso attrito, la resistenza alle alte temperature e le proprietà chimiche stabili, che lo rendono un riempitivo ideale. Secondo le nostre ricerche sui materiali compositi PEEK/PTFE, all'aumentare del contenuto di PTFE, la durezza e la resistenza del materiale composito diminuiscono, il coefficiente di attrito diminuisce e il tasso di usura del materiale composito prima diminuisce e poi aumenta. Quando il contenuto di PTFE è del 5%, il materiale composito presenta il tasso di usura più basso, con un volume di usura di circa 1,0 mm^3 dopo 2 ore di attrito a secco. Altri studi hanno dimostrato che il tasso di usura del materiale composito PEEK/PTFE con l'aggiunta del 25% di PTFE è un decimo di quello del materiale PEEK puro.

Sia il PPS che il PESU sono tecnopolimeri termoplastici ad alte prestazioni con buone proprietà meccaniche ed eccellente resistenza chimica. I risultati della ricerca mostrano che la resistenza alla trazione e la forza d'impatto dei materiali compositi PEEK/PPS sono superiori a quelle del PEEK puro e anche la cristallinità del materiale composito è superiore a quella del PEEK puro.

ARK ha anche preparato rivestimenti compositi PEEK/PESU/CF. I risultati della ricerca dimostrano che il principale meccanismo di usura del PEEK è la microfessurazione causata dalla rottura per fatica; l'usura del PESU amorfo è dovuta principalmente alla rottura causata da cricche trasversali nella regione plastica. L'aggiunta di PESU migliora la compatibilità tra fibre e matrice, migliorando così le proprietà tribologiche.

Le caratteristiche comuni della modifica della miscela di polimeri e della modifica del riempimento sono metodi di modifica semplici, efficienti e non inquinanti. Tuttavia, la modifica della miscelazione del PEEK è limitata alla miscelazione con altri polimeri ad alto contenuto, limitando l'aggiunta di cariche inorganiche, metalli e loro ossidi, il che limita notevolmente il miglioramento della durezza, della resistenza e di altre proprietà.