Конструкционные пластмассы постепенно вытесняют металлы, стекло и керамику из областей тяжелого машиностроения, а также авиакосмической, электрической, электронной и промышленной областей. Поэтому все большее значение приобретает вопрос огнестойкости материалов, постоянно подвергающихся воздействию высоких температур. Тем не менее, многие добавки, используемые для придания огнестойкости пластмассам, сомнительны с точки зрения экологии…

Конструкционные пластмассы постепенно вытесняют металлы, стекло и керамику из областей тяжелого машиностроения, а также авиакосмической, электрической, электронной и промышленной областей. Поэтому все большее значение приобретает вопрос огнестойкости материалов, постоянно подвергающихся воздействию высоких температур. Тем не менее, многие добавки, используемые для придания огнестойкости пластмассам, сомнительны с точки зрения экологии и здравоохранения. Некоторые из них становятся все менее распространенными вследствие нормативных ограничений или нежелания изготовителей составов или заводских производителей использовать их. В результате многие пользователи, применяющие конструкционные пластмассы в областях высокого спроса, переходят на полимеры, огнестойкие в силу своей природы. Таким образом можно устранить или снизить потребность в антипиреновых добавках.

Полимеры с изначальной огнестойкостью обладают и другими преимуществами, такими как исключительная прочность, безусадочность, а также химическая инертность и износоустойчивость. Однако эти материалы обычно дороже, чем изначально неогнестойкие пластмассы даже при включении в стоимость антипиреновой добавки. Поэтому полимеры с изначальной огнестойкостью в основном используются в тех случаях, когда требуется одновременно высокая производительность и низкая воспламеняемость.

К наиболее распространенным полимерам с изначальной огнестойкостью относятся полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиримид (PEI), полифениленсульфид (PPS), полифенилсульфон (PPSU), полиэфирсульфон (PES), поливинилиденфторид (PVDF), а также жидкокристаллические полимеры (LCP). Другие полимеры, например поливинилхлорид (PVC) и модифицированный полифениленоксид (PPO), обладают некоторой устойчивостью к огню. Однако для усиления этого их свойства может понадобиться применение добавок.

PEEK
PEEK – линейный, ароматический и полукристаллический полимер – может быть использован при температурах до 260°C. Аналогично другим огнестойким полимерам, огнестойкость PEEK устанавливается тестом UL 94 от Underwriters Laboratories, который включает в себя зажигание вертикального образца материала с заранее установленными размерами и подсчет времени, уходящего на его самозатухание. Согласно отчетам одного из производителей (Victrex) PEEK, при использовании этого метода стандартный незаполненный образец PEEK получает рейтинг воспламеняемости V-0 (максимально возможный рейтинг огнестойкости) при толщине 1,45 мм. Указывается, что во время горения PEEK выбрасывает очень мало дыма и токсичных газов. К другим свойствам PEEK относится исключительно высокая устойчивость к воздействию химических веществ, горячей воды и пара. Этот полимер можно обрабатывать всеми традиционными методами, включая литье под давлением, экструзию и прессование.

Таблица 1: Огневые, дымовые и токсичные свойства двух товарных сортов PEEK

PEEK обычно смешивают с другими полимерами, заполняют стеклом или углеродом. Он применяется для изготовления формованных деталей для автомобильной, аэрокосмической, медицинской, электронной промышленности, а также отрасли химической обработки. PEEK вытесняет металлы из многих отраслей производства компонентов, устанавливаемых под капотом автомобиля, например двигателей, подшипников и компонентов силовых цепей. Из PEEK часто производят детали насосов и клапанов для оборудования, используемого в химической обработке. Производство бурового оборудования, используемого в нефтедобывающей промышленности, и компонентов, применяемых в производстве полупроводников, представляет собой другой рынок сбыта для PEEK.

Рисунок 1: Крепежные элементы, использующиеся в аэрокосмической отрасли и изготовленные из PEEK, могут быть на 80% легче, чем металлические аналоги.

PEI
PEI, аморфный полимер, который можно использовать при температурах до 180°C, обладает значительной устойчивостью к воздействию углеводородов, галогенированных растворителей, воды и автомобильных жидкостей. Его температура стеклования составляет 217°C. Типичный PEI обладает рейтингом воспламеняемости по UL 94 на уровне V-0 при толщине 0,25 мм, в соответствии с данными одного из производителей полимеров (GE). Слабое дымовыделение, значительная химическая инертность, высокая прочность и модуль упругости, а также сопротивление ползучести при высоких температурах представляют собой другие свойства PEI. Полимер доступен в армированной и неармированной формах. К типичным заполнителям для PEI относятся углеродные волокна, стекло и минералы.

Таблица 2: Тепловые свойства образца незаполненного формованного PEI.

В области автомобилестроения PEI заменяет металлы в механизмах коробки передач, дросселе и компонентах системы зажигания, а также в сенсорах и корпусе термостата. Огнестойкие свойства PEI, параллельно с низким выделением дыма и токсичных газов, повышает ценность материала для отрасли производства самолетов, в частности таких компонентов, как воздушные и топливные клапаны, штурвалы, внутренняя обшивка и подносы для еды. Детали оборудования для электрического освещения, например соединители и отражатели, являются другими элементами, при изготовлении которых используется PEI и для которых изначальная огнестойкость полимера имеет большое значение.
PEI можно обрабатывать большинством стандартных методов литья под давлением. Формованные стенные профили могут быть очень тонкими, до 0,25 мм. Перед обработкой PEI следует в течение нескольких часов высушивать при температуре 140-150°C.

PPS
PPS - полукристаллический материал, состоящий из перемежающихся звеньев: атомов серы и колец фенилена. Эта конструкция придает полимеру исключительную температурную и химическую устойчивость. Его рабочая температура может повышаться до 200°C. PPS имеет склонность к обугливанию во время горения, что задерживает распространение пламени. Во время одного испытания (проведенного LATI Industria Termoplastici SpA) образцы незаполненного полимера достигли рейтинга V-0 по UL 94 при толщине 1,5 мм. Большинство полимеров на основе PPS изготавливаются с использованием стекловолокна или минеральных заполнителей. PPS обладает высоким модулем и сопротивлением ползучести, а также очень высокой химической инертностью. Его можно обрабатывать процессами литья высокой точности для достижения уровней жестких допусков.

Распространенность PPS во многом связана с его изначальной огнестойкостью и теплостойкостью. При производстве автомобилей PPS применяется для изготовления компонентов, устанавливаемых под капотом, тормозных систем и электрических систем, работающих при высоких температурах. В области промышленного производства PPS главным образом используется в формованных деталях, которые подвергаются воздействию жара и агрессивных химикатов. Электрическое и электронное оборудование, которое должно обладать сертификатом низкой воспламеняемости, является еще одной областью применения PPS. Например, PPS часто используется в соединителях и гнездах, а также в качестве подложки для методик пайки в SMT (технология монтажа на поверхности). PPS вытесняет металлы и термореактивные пластмассы в таких приборах, как системы отопления и охлаждения, счетные машины, осветительная арматура и фены.

Сульфоновые полимеры
Полифенилсульфон (PPSU) и полиэфирсульфон (PES) представляют собой другую группу полимеров с изначальной огнестойкостью. Помимо этого свойства, полимеры на основе PPSU обладают нестандартной гидролитической устойчивостью, высокой теплостойкостью при изгибе, сопротивлением к образованию трещин под воздействием окружающей среды, а также хорошими свойствами электрической изоляции. К типичным областям применения PPSU относятся медицинские подносы, медицинские устройства, сервировочные столовые подносы, хирургические инструменты и интерьеры самолетов.

Таблица 3: Тепловые свойства типичных полимеров на основе полифенилсульфона.

PES обладает высокой теплостойкостью при изгибе - 204°C - и химической инертностью. PES не так жесток, как PPSU, но дешевле. Согласно отчетам компании Solvay Advanced Polymers, стандартный товарный сорт PES обладает рейтингом UL 94 на уровне V-0 при 0.8 мм. К стандартным областям применения PES относятся автомобильные плавкие предохранители, мембраны, электроприборы, ESD (электростатическое рассеивание) лотки для защиты интегральных микросхем, антипригарная кухонная утварь, а также отражатели света. PES прозрачен, что облегчает визуальную проверку необходимости замены плавкого полимерного предохранителя.

 
Рисунок 4: Корпус для хирургической батареи – одна из новых областей применения PES.

PVDF
Помимо огнестойкости PVDF характеризуется очень высокой жесткостью и стойкостью к истиранию. Он также обладает высоким сопротивлением к коррозии и химическому воздействию, чрезвычайно сильной устойчивостью к атмосферным воздействиям. Полимер сохраняет свои механические свойства при температурах до 149°C. Его можно производить в виде стержней, листов, пленок и труб.
PVDF используется в областях хранения химикатов и технологического оборудования, обработки жидкостей и оборудования для производства полупроводников. К новым отраслям применения относятся автомобилестроение и строительные материалы, электроника и батареи. Товарные сорта материала обладают рейтингом UL 94 на уровне V-0.

 
Рисунок 5: Вследствие исключительной химической инертности PVDF, его можно использовать в очень агрессивных средах.

Жидкокристаллические полимеры (LCP)
Они представляют собой полукристаллические полиэфирные смолы с длинными молекулами, похожими на стержни, которые ориентируются по направлению потока расплава, что обуславливает очень высокую прочность материала. LCP демонстрируют высокую скорость потока в тонких стенных проемах, безусадочность при высоких температурах, сопротивление ползучести и низкий коэффициент распространения. Товарные сорта полимеров обладают рейтингом UL 94 на уровне V-0. Температуры тепловой дисторсии LCP могут достигать 300°C, а растяжение приблизительно равно 2.5%. Химическая инертность и высокая диэлектрическая прочность являются дополнительными свойствами LCP.

Рисунок 6: Миниатюрные соединители, устанавливаемые на поверхности, производятся из LCP полимера методом литья под давлением.

LCP применяются для производства электрических соединителей, патронов для предохранителей, держателей для компьютерных микросхем, высокотемпературных бобин, компонентов насосов и световых отражателей. Помимо этого полимеры используются в микроволновых печах и деталях для кухонной утвари, мобильных телефонах, системах зажигания, а также в химическом оборудовании, медицинских инструментах, счетных машинах и деталях самолетов.
 

При подготовке статьи использованы материалы http://www.omnexus.com

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

Автор:

Любовь Олиферова,
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru