PEEK, PPS или PEI: какой высокотемпературный пластик подходит вашей детали?

Покупатели редко с порога называют PEEK, PPS или PEI. Они приходят с деталью, которая вышла из строя, с температурой, которую нельзя превышать, или с циклом очистки, погубившим прошлую партию. Три полимера настолько перекрываются на бумаге, что сравнение паспортов делает их взаимозаменяемыми: непрерывная эксплуатация выше 150 °C, хорошие электрические свойства, обрабатываемость резанием, наличие в листах и стержнях. Но они не взаимозаменяемы, и разница проявляется на второй год службы, а не в первую неделю.

Чем каждый из полимеров является на самом деле

PEEK — полукристаллический полиэфиркетон с температурой стеклования около 143 °C и температурой плавления близкой к 343 °C. В незаполненном виде он вязкий и усталостно стойкий; с 30 % стекловолокна или углеволокна становится жёстким настолько, чтобы заменять металл в несущих деталях. Это самый дорогой из трёх с большим отрывом, и эта цена покупает запас по температуре, износостойкость и стойкость к многократной паровой и химической стерилизации.

PPS тоже полукристаллический, но с гораздо более низкой температурой стеклования — около 90 °C — и плавится около 280 °C. Поскольку он быстро кристаллизуется и почти всегда поставляется наполненным стекловолокном, он держит жёсткие допуски и имеет один из самых низких коэффициентов теплового расширения среди инженерных пластиков. Он самозатухающий и стойкий почти ко всем растворителям ниже 200 °C. Его слабость — хрупкость: незаполненный PPS трескается при ударе, поэтому 40 % стекловолокна — стандартная марка.

PEI, более известный как Ultem, аморфен. Его температура стеклования 217 °C, точки плавления нет — это значит, что он сохраняет жёсткость вплоть до внезапного размягчения. Он прозрачно-янтарный, размерно стабильный и обрабатывается до чистой поверхности. Аморфность также означает чувствительность к надрезам и уязвимость к хлорированным растворителям и сильным щелочам.

Цифры рядом

Температура — это диапазон, а не число

Температура непрерывной эксплуатации предполагает деталь под нагрузкой тысячи часов. Кронштейн из PPS с рейтингом 220 °C выдержит девяносто секунд в печи оплавления при 260 °C, а корпус из PEI с рейтингом 170 °C переживёт цикл термообработки при 200 °C — потому что ни то, ни другое не является случаем длительной нагрузки. Детали убивает сочетание нагрева и постоянного напряжения — ползучесть. Выше температуры стеклования аморфный полимер ползёт непрерывно; PEI при 180 °C под болтовым преднатягом потеряет его за считанные месяцы. PPS, несмотря на меньшую цифру, держит преднатяг лучше, потому что кристаллическая фаза несёт нагрузку и выше температуры стеклования.

Если рабочая температура постоянно выше 200 °C, PPS и PEI отпадают, и ответ — PEEK. Если она между 150 и 200 °C без нагрузки, подходят все три, и решает цена. Опасная зона — 120–180 °C с преднатягом или посадкой с натягом: паспортные температуры говорят «да», ползучесть говорит «нет».

Химическая стойкость решает больше случаев, чем температура

PPS близок к инертности. Ниже 200 °C для него не известно ни одного растворителя, он стойкий к сильным кислотам и щелочам, а обезжириватели и гидравлические масла производства на него не действуют. PEEK на практике так же инертен, с оговоркой, что концентрированная серная кислота и некоторые галогенированные соединения его атакуют. За PEI надо следить: он растрескивается от напряжения в хлорированных растворителях, сильных щелочах и некоторых кетонах, а остаточные напряжения от литья или обработки ускоряют процесс.

Обработка, отжиг и размерная стабильность

Все три обрабатываются обычным твердосплавным инструментом, но требуют разных привычек. PEEK и PPS полукристаллические, поэтому обработанная деталь несёт остаточные напряжения, которые расслабятся при последующем нагреве: черновая обработка, отжиг, затем чистовая. PPS со стекловолокном абразивен и быстро изнашивает инструмент, а хрупкость означает, что острые кромки выкрашиваются, а не деформируются. PEI требует сушки перед любой горячей работой и чувствителен к надрезам — избегайте острых внутренних углов и впадин резьбы.

Для детали, которая должна держать допуск при перепаде температуры, на бумаге выигрывает PPS: 40 % стекловолокна дают коэффициент теплового расширения, близкий к алюминию, а низкое водопоглощение означает, что влажность не двигает размеры. PEEK близко позади и гораздо вязче. PEI сильнее реагирует на влажность и намного сильнее выше 150 °C.

Как решить за четыре вопроса

• Деталь постоянно видит более 200 °C или многократную паровую и химическую стерилизацию? Если да — PEEK.
• Есть преднатяг, посадка с натягом или постоянная нагрузка выше 120 °C? Если да — PPS для жёсткости, PEEK, если есть ещё и удар.
• Деталь контактирует с хлорированными растворителями, сильными щелочами или кетонами? Если да — PPS или PEEK, но не PEI.
• Бюджет — решающее ограничение, а температура ниже 150 °C? PPS за десятую часть цены PEEK обычно выигрывает.

На практике большинство наших запросов сходится на PPS. Это марка, которая тихо заменяет алюминиевые кронштейны, оснастку и корпуса, потому что жёсткая, стабильная, самозатухающая и достаточно дешёвая, чтобы себя оправдать. PEEK идёт туда, где вид отказа — износ, удар или стерилизация, а PEI — туда, где деталь должна быть прозрачной или где важны его электрические свойства на высокой частоте.

Вопросы, которые нам задают чаще всего

Может ли PPS заменить PEEK ради экономии?

Только ниже примерно 150 °C и при умеренном ударе. PPS жёстче и дешевле, но он хрупок и его температура стеклования низка, поэтому деталь из PPS под ударом или горячим преднатягом выйдет из строя там, где PEEK не вышел бы.

Почему моя деталь из PEI трескается после очистки?

Почти всегда хлорированный растворитель или сильная щёлочь в сочетании с остаточными напряжениями от литья или обработки. Отжиг перед эксплуатацией и смена моющего средства решают это чаще, чем смена материала.

Нужен ли этим материалам отжиг после обработки?

PEEK и PPS — всегда, когда деталь видит температуру выше 100 °C или должна держать жёсткий допуск. PEI выигрывает от сушки перед обработкой, а не от отжига после неё.