Top 5 hittebestendige kunststoffen voor hoogpresterende toepassingen

Fabrikanten neigen ertoe metalen zoals nikkel en roestvrij staal te gebruiken voor hoogpresterende toepassingen omdat ze uiterst hittebestendig zijn. Nikkel-gebaseerde legeringen behouden bijvoorbeeld hun sterkte in omgevingen met hoge temperaturen, cyclische thermische blootstelling en hoge koolstofniveaus. Hoewel metaal doorgaans meer hittebestendig is dan plastic, zijn er veel gevallen waarin ingenieurs zouden profiteren van het gebruik van hittebestende kunststoffen voor hun hoogpresterende toepassingen.

Hittebestendige kunststoffen vallen in twee brede categorieën – thermoharsen en thermoplasten. Thermoharsen zijn kunststoffen die verharden bij blootstelling aan hitte en na uitharding niet meer herschikbaar zijn. Hoogpresterende thermoplasten zijn kunststoffen die gesmolten worden bij verhitting, vast bij afkoeling, en na afkoeling opnieuw gesmolten kunnen worden. De structurele integriteit van thermoplasten wordt beïnvloed door factoren zoals de glasovergangstemperatuur (Tg) en smeltpunt inherent aan elk materiaal. Keuzes van hoogpresterende thermoplasten bestaan die hun structurele mogelijkheden behouden boven 150°C en op korte termijn boven 250°C.

Naast hittebestendig zijn deze materialen chemisch bestendig, corrosiebestendig, en uitstekende elektrische en thermische isolatoren. Veelvoorkomende hoogpresterende toepassingen zijn zuigercomponenten in de auto-industrie, kabelgoten in de luchtvaartindustrie, subsea connectors in de halfgeleiderindustrie, en meer. Bij het ontwerpen van delen die in contact zullen komen met extreem hoge temperaturen, zouden productteams moeten overwegen om te produceren met deze top vijf hittebestendige kunststoffen.

Top 5 hittebestendige kunststoffen

Thermoplasten verkrijgen hun hittebestendigheid uit hun moleculaire structuur. Wanneer starre aromatische ringen aan de hars toegevoegd worden in plaats van alifatische groepen, wordt de ruggengraat van de moleculaire ketting beperkt en versterkt op een manier dat twee chemische bindingen gebroken moeten worden om de ketting te breken. Met deze nieuwe structuur kan de chemische en hittebestendigheid van een thermoplast gelijk aan of beter zijn dan die van een thermohars.

Hier zijn vijf kunststoffen die de hitte aan kunnen.

1. Polyetherimide (PEI)

ULTEM®, de merknaam voor polyetherimide (PEI), is een van de weinig commercieel beschikbare amorphe thermoplasten op de markt vandaag. Het is sterk, chemisch- en vlambaard, en is al meer dan 35 jaar een vast onderdeel in de productie-industrie. ULTEM valt op omdat het de hoogste dielectrische sterkte heeft van elke hoogpresterende thermoplast.

Dit materiaal heeft een extreem hoog smeltpunt van 219°C en een maximum continue diensttemperatuur van 170°C, wat het ideaal maakt voor printplaten, voedselsterilisatieapparatuur en, het meest opvallend, vliegtuigonderdelen. ULTEM is een van de weinig harsen voor gebruik in de commerciële luchtvaartindustrie – het overtreft andere thermoplasten in kruipweerstand en houdt goed stand in de aanwezigheid van diverse brandstoffen en koelmiddelen. Echter, het neigt te barsten in de aanwezigheid van polaire gechlorde oplosmiddelen. Dit materiaal kan gevonden worden in brandblokkers en vliegtuigstoelkleedjes.

ULTEM is redelijk duur zoals veel van de andere kunststoffen op deze lijst. Ook heeft het een lagere impactssterkte en bruikbare temperatuur dan PEEK.

Voordelen van ULTEM:

• Betere kruipweerstand dan thermoplasten
• Houdt stand tegen brandstoffen en koelmiddelen

Nadelen van ULTEM:

• Neigt te barsten in de aanwezigheid van polaire gechlorde oplosmiddelen
• Redelijk duur

2. Polyether ether ketone (PEEK)

PEEK, afkorting voor polyether ether ketone, is een semi-kristallijne, hoogpresterende engineering thermoplast die bestendig is tegen chemicaliën, slijtage, vermoeidheid, kruipen en hitte. Dit materiaal is zo sterk en aanpasbaar aan harde omgevingen dat fabricanten het als vervanging voor metaal in veel toepassingen gebruiken, ongeacht de temperatuur. PEEK kan temperaturen tot 310°C voor korte periodes weerstaan en heeft een smeltpunt van meer dan 371°C. Wat meer is, het heeft de hoogste trekkings- en buigsterkte van elk hoogpresterend polymere.

Vanwege de metaal-achtige duurzaamheid wordt PEEK breed gebruikt voor diverse medische hulpmiddelen, actieve componenten in autotransmissies en vliegtuigexterieurdelen. Het heeft het toegevoegde voordeel dat het eenvoudig te bewerken is via injectiegieten of extrusie, en vast PEEK is compatibel met CNC-bewerking.

Deze populaire thermoplast heeft wel een paar kleine nadelen, waaronder de gevoeligheid voor UV-licht en bepaalde zuren. Echter, PEEK is nog steeds een uiterst veelzijdige thermoplast die alle ingenieurs in hun repertoire moeten hebben.

Voordelen van PEEK:

• Sterk en aanpasbaar aan harde omgevingen
• Hoogste trekkings- en buigsterkte
• Eenvoudige injectiegiet bewerkingsmogelijkheden
• Compatibel met CNC-bewerking

Nadelen van PEEK:

• Gevoeligheid voor UV-licht en bepaalde zuren

3. Polytetrafluoroethyleen (PTFE)

PTFE, algemeen bekend als Teflon, is een zachte, hittebestendige, laag-wrijving plastic met uitzonderlijke chemische weerstand. Het heeft hoge buigsterkte, adequate weerbestendigheid en goede elektrische isolerende kracht in zowel hete als natte omgevingen.

PTFE is uniek omdat het bijna volledig chemisch inert is en uiterst onoplosbaar in de meeste oplosmiddelen, wat het ideaal maakt voor hoge-temperatuurtoepassingen. PTFE heeft een van de hoogste smeltpunten van elke thermoplast bij 327°C, en een heel groot werktemperatuurbereik. Het is thermisch stabiel genoeg om overal tussen -200°C en +260°C gebruikt te worden.

PTFE is het meest bekend om zijn commerciële toepassingen. Het wordt ook gebruikt om pijpen te beschermen tegen corrosieve materialen, warmtewisselaars te coaten, en isolatie te bieden voor elektrische componenten.

PTFE blinkt uit bij extreem hoge en lage temperaturen, maar de mechanische eigenschappen zijn doorgaans inferieur aan vergelijkbare kunststoffen bij kamertemperatuur. Het is gevoelig voor kruipen, slijtage en straling, en de rookgassen kunnen giftig zijn. Ook is het de moeite waard om te noteren dat PTFE redelijk duur is om te verwerken.

Voordelen van PTFE:

• Hoge buigsterkte
• Adequate weerbestendigheid
• Goede elektrische isolerende kracht in zowel hete als natte omgevingen

Nadelen van PTFE:

• Inferieur aan vergelijkbare kunststoffen bij kamertemperatuur
• Gevoelig voor kruipen, slijtage en straling
• Rookgassen kunnen giftig zijn
• Redelijk duur om te verwerken

4. Polybenzimidazole (PBI)

Polybenzimidazole (PBI) heeft de hoogste hitte- en slijtweerstand, sterkte en mechanische eigenschappenstabiliteit van elke engineering thermoplast op de markt vandaag. PBI-vezels hebben geen bekend smeltpunt, branden niet en plakken niet aan andere kunststoffen. Dit materiaal heeft een maximum continue diensttemperatuur van 398°C in inerte omgevingen, 343°C in lucht, en potentieel voor korte blootstelling tot een brandende 537°C.

Voor al zijn sterktes is PBI ongelooflijk duur en moeilijk te fabriceren. Ingenieurs moeten vaak diamantgereedschappen gebruiken om dit materiaal te bewerken, wat de kosten nog meer in de hoogte drijft. Vanuit een ontwerpperspectief is een groot nadeel van PBI de kerfgevoeligheid. Productontwerpers moeten voorzichtig zijn om alle scherpe hoeken en randen te vermijden en alle oppervlakteafwerkingen glad te maken.

Voordelen van PBI:

• Hoge stabiliteit
• Extreme hittebestendigheid – hoogste van elke thermoplast op de markt vandaag
• Vezels hebben geen smeltpunt – ze branden niet of plakken aan andere kunststoffen

Nadelen van PBI:

• Duur en moeilijk te fabriceren
• Hoge kerfgevoeligheid

5. Polydicyclopentadieen (pDCPD)

Polydicyclopentadieen (pDCPD) is een custom-geëngineerde thermohars polymere ontworpen om een uitstekende combinatie van chemische, corrosie- en hittebestendigheid te leveren, plus stijfheid en impactssterkte. Dit materiaal combineert de gietvormflexibiliteit van een thermohars met de hoogpresterende kenmerken van top engineering thermoplasten. Het heeft een hitteafbuigingstemperatuur van tot 120°C.

pDCPD is uniek omdat het vrijwel geen deellimieten of gewichtsbeperkingen heeft – delen met variabele wanddikten, gegoten verstevingsribben en meer vertragen de productie niet. pDCPD is een relatief nieuw materiaal en de toepassingen zijn tot nu toe beperkt, maar het heeft belofte getoond in corrosiebestendige chemische procesapparatuur, septictanks en waterzuiveringsapparatuur.

Voordelen van pDCPD:

• Combineert chemische, corrosie- en hittebestendigheid
• Geen deellimieten of gewichtsbeperkingen – vertraagt productie niet
• Combineert gietvormflexibiliteit met hoge prestaties

Nadelen van pDCPD:

• Nieuw materiaal: toepassingen zijn beperkt

Kunnen fabricanten hittebestendigheid verbeteren?

Ingenieurs en fabricanten kunnen de hitte opvoeren en de prestaties van de meeste soorten kunststoffen verbeteren door additieven en/of warmtestabilisatoren te gebruiken. De drie meest voorkomende typen additieven zijn antioxidanten, vlambedremmers en verwerkingshulpmiddelen. Elk additief biedt een ander kenmerk en draagt bij aan de duurzaamheid van een polymere.

Warmtestabilisatoren beschermen een polymere tegen hitte schade tijdens productie of tijdens normaal gebruik van het einddeel, en ze worden aan de meerderheid van polymeren vandaag de dag toegevoegd. Warmtestabilisatoren kunnen ook de uitstraling, sterkte en elasticiteit van de polymere behouden.

Kies een expert fabrikant om te helpen met materiaalkeuze

Voor hoge-temperatuuretoepassingen kan elk van deze hoogpresterende kunststoffen de hitte prima aan. Echter, niet zomaar een materiaal zal doen. Ingenieurs moeten hun onderzoek doen om te garanderen dat ze de hittebestendige plastic kiezen die de beste fit is voor hun specifieke toepassing. Als ingenieurs het verkeerde materiaal kiezen, riskeeren ze de functionaliteit van hun deel te compromitteren en vanaf nul te moeten beginnen.

Een ervaren productiepartner als Fast Radius kan het materiaalselectieproces stressvrij maken dankzij onze expert engineering adviesdiensten. We kunnen elk productteam helpen het juiste materiaal voor hun deel en unieke vereisten te kiezen.

Naast materiaalkeuze, is ons team van geseasoneerde ingenieurs en ontwerpers klaar om het productontwikkelingsproces te stroomlijnen en delen van superieure kwaliteit te leveren tegen betaalbare tarieven en bliksemtijden – zodat elke klant gerust kan zijn dat ze het beste product voor de beste deal krijgen. Neem vandaag nog contact met ons op voor een offerte.

Voor meer materiaalgidsen en informatie over productie met kunststoffen, bekijk het Fast Radius resource center.

Klaar om uw delen te maken met Fast Radius?