PEEK VS UHMWPE : Two High-Performance Polymers

Основное позиционирование двух высокоэффективных полимеров

Полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE) представляют собой специальные полимеры, превосходящие обычные пластики. Однако из-за различий в молекулярном дизайне и эксплуатационных характеристиках они разделились на две отдельные категории: «высокотемпературная прочность» и «сверхизносные и легкие».

PEEK с температурой плавления 343 ℃, долгосрочной термостойкостью 250 ℃ и прочностью на разрыв 150 МПа служит «структурной основой» для экстремальных условий. AHD предлагает листы PEEK и стержни PEEK.

СВМПЭ с молекулярной массой 3–6 миллионов, сверхнизким коэффициентом трения 0,05 и скоростью износа 10⁻⁸ занимает «высокое функциональное место» в области износостойкости и биомедицинских применений. AHD предлагает листы из СВМПЭ и стержни из СВМПЭ.

Хотя оба являются «высококлассными материалами», их взаимодополняющие основные свойства позволяют им совместно покрывать потребности экстремальных сценариев, начиная от аэрокосмической отрасли и заканчивая имплантацией человека.

Лист полиэфирэфиркетона AHD 1 мм

Основное определение: существенное отличие молекулы от атрибута

(I) PEEK: Полиэфирэфиркетон.

Молекулярная структура: ароматический полукристаллический полимер, основная цепь которого состоит из чередующихся эфирных связей (-O-), кетоновых связей (-CO-) и бензольных колец (повторяющаяся единица: -C₆H₄-O-C₆H₄-O-C₆H₄-CO-). Жесткие ароматические кольца придают устойчивость к высоким температурам, а эфирные связи обеспечивают прочность.

Основные свойства: Плотность 1,30-1,45 г/см³ (чуть тяжелее воды), кристалличность 30%-40% (контролируется термообработкой), относится к высокоэффективным инженерным пластикам.

Коммерческий опыт: Впервые синтезирован компанией Imperial Chemical Industries (ICI) в Великобритании в 1978 году, промышленно освоен в 1980-х годах и внесен в список «нового стратегического материала» в 1990-х годах из-за взрывного спроса со стороны аэрокосмической промышленности.

(II) СВМПЭ: полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы.

Молекулярная структура: линейный насыщенный углеводородный полимер с молекулярной массой от 3 до 6 миллионов (по сравнению с 50 000–300 000 для обычного полиэтилена). Длинные молекулярные цепи переплетаются, образуя «физические поперечные связи», придавая сверхвысокую износостойкость и прочность.

Основные свойства: Плотность 0,92-0,94 г/см³ (легче воды, один из самых легких инженерных пластиков), кристалличность 50%-70% (высокая кристалличность повышает жесткость), принадлежность к сверхвысокомолекулярному полимеру (UHMW Polymer).

Коммерческий опыт: Разработан командой Карла Циглера в Германии в 1950-х годах и внедрен в искусственные суставы компанией DePuy в США в 1970-х годах, положив начало революции в биомедицинских приложениях.

Пластиковый лист AHD PEEK натуральный

Сходства: общие характеристики высокоэффективных полимеров

Хотя PEEK и UHMWPE позиционируются по-разному, как «высококачественные материалы, превосходящие обычные пластмассы», они имеют следующие основные характеристики:

1. Отличная биосовместимость.

Оба нетоксичны и неаллергены и соответствуют стандарту биосовместимости ISO 10993:

PEEK используется в постоянных имплантатах (костных винтах и т. д.), поскольку он рентгенопрозрачен (что облегчает послеоперационный мониторинг);

СВМПЭ используется в искусственных вкладышах суставов (тазобедренных и коленных суставов), поскольку его низкое трение снижает износ костей.

2. Значительные преимущества легкости

Их плотность значительно ниже, чем у металлов:

PEEK (1,3-1,45 г/см³) на 40% легче алюминия;

СВМПЭ (0,92-0,94 г/см³) на 65% легче алюминия.

Замена металлов позволяет добиться значительного снижения веса и широко используется в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

3. Отличная износостойкость.

Оба значительно превосходят обычные пластмассы (ПП, АБС): степень износа PEEK 10⁻⁶ мм³/Н·м (умеренная); Скорость износа СВМПЭ 10⁻⁸ мм³/Н·м (чрезвычайно низкая, превосходит керамику), оба варианта способны выдерживать длительное трение (подшипники, вкладыши).

4. Хорошая химическая стабильность.

Оба устойчивы к кислотной и щелочной коррозии: PEEK стоек практически ко всем органическим растворителям, кроме концентрированной серной кислоты и концентрированной азотной кислоты (мазут, гидравлическое масло); СВМПЭ устойчив к сильным кислотам и щелочам, таким как соляная кислота и гидроксид натрия, и подходит для облицовки химических трубопроводов.

5. Возможность персонализации

Оба поддерживают процессы механической обработки (точение, фрезерование, строгание, шлифование) и формования: PEEK можно подвергать литью под давлением и экструзии; СВМПЭ можно формовать под давлением, спекать и формовать в геле (для пуленепробиваемых волокон), отвечая требованиям сложной формы (протезы черепа, напечатанные на 3D-принтере).

AHD Полиэфирэфиркетоновый стержень

Взаимозаменяемые сценарии и ограничения

PEEK и UHMWPE не являются полностью взаимоисключающими. Их можно использовать взаимозаменяемо в ограниченной степени при низкой нагрузке, нормальной температуре и неэкстремальных условиях эксплуатации. Однако различия в основных характеристиках определяют ограничения замены:

(I) Взаимозаменяемые сценарии

Износостойкие детали с низкой нагрузкой при нормальной температуре: например, текстильные нитенаправители и ролики пищевого конвейера. Оба соответствуют требованиям к низкому трению, но чаще используется СВМПЭ из-за его более низкой стоимости.

Легкие ненесущие конструкции: например, корпуса электронных устройств и мебельные аксессуары. Оба могут заменить металл для снижения веса, но PEEK больше подходит для сценариев, требующих прочности из-за его более высокой жесткости.

AHD Большой пластиковый стержень из PEEK

Незаменимые основные ограничения

Типы сценариев	Преимущества PEEK	Преимущества СВМПЭ	Причины незаменимости
Высокая температура окружающей среды (> 150 ℃)	Длительное использование: 250 ℃ (краткосрочное: 300 ℃)	Только 80-100 ℃ (краткосрочно: 120 ℃)	СВМПЭ размягчится и выйдет из строя.
Высокая нагрузка/высокая прочность	Прочность на разрыв 150-200МПа (армированный углеволокном)	Всего 20-40 МПа (чистая смола)	СВМПЭ не может выдерживать нагрузки.
Сверхизносостойкий/низкий коэффициент трения	Коэффициент трения 0,3-0,4	Коэффициент трения 0,05-0,1 (близок к тефлону)	Скорость износа PEEK в 100 раз выше, чем у UHMWPE.
Биомедицинские потребности	Постоянные имплантаты (рентгенопрозрачные)	Подушечки суставов (низкое трение)	Незаменимая функция

AHD сверхвысокомолекулярный полиэтиленовый лист с цветами

Различия: фундаментальные различия между свойствами и приложениями

(I) Молекулярная структура и основные свойства

Молекулярная структура

PEEK: ароматический полукристаллический (эфирная связь + кетоновая связь + бензольное кольцо).

СВМПЭ: линейный насыщенный углеводород (молекулярная масса 3–6 миллионов).

Ароматические кольца PEEK определяют его устойчивость к высоким температурам, а длинные молекулярные цепи UHMWPE определяют его сверхпрочность.

Основные физико-механические свойства

Показатели производительности	ПЭК	СВМПЭ	Основные различия
Предел прочности	Высокий	Ниже, чем PEEK	PEEK обладает высокой жесткостью и пригоден для несущих нагрузок; СВМПЭ имеет приоритет по прочности.
Удлинение при разрыве	30%-50%	300%-500%	Ударопрочность СВМПЭ в 2-3 раза выше, чем у PEEK.
Модуль упругости при изгибе	3,6-4,0 ГПа	0,7-1,5 ГПа	ПЭЭК близок к алюминиевому сплаву (70 ГПа), СВМПЭ близок к каучуку.
Точка плавления/Температура теплового отклонения	Температура плавления 343 ℃; Долгосрочная 250 ℃	Температура плавления 135-137℃; Долгосрочная 80-100 ℃	Температурная стойкость PEEK в 2-3 раза выше, чем у UHMWPE.
Коэффициент трения	0,3-0,4 (сухой); 0,1-0,2 (со смазкой)	0,05-0,1 (сухой, аналог тефлона)	СВМПЭ – «король самосмазывающихся материалов»
Скорость износа	10⁻⁶ мм³/Н·м (средний)	10⁻⁸ мм³/Н·м (чрезвычайно низкое, превосходит керамическое)	Износостойкость СВМПЭ более чем в 10 раз выше, чем у стали.

Лист AHD UPE

Сценарии применения

1. PEEK: основные области применения «высокой температуры и прочности».

Аэрокосмическая промышленность: сепараторы подшипников двигателя (устойчивы к топливу при температуре 250 ℃), опоры сидений самолетов;

Медицина и здравоохранение: устройства для спондилодеза (рентгенопрозрачные), хирургические инструменты (устойчивые к стерилизации паром при температуре 134 ℃);

Электроника и электрооборудование: высокочастотные разъемы 5G (низкие диэлектрические потери), полупроводниковые пластинчатые зажимы (устойчивы к плазменной коррозии).

2. СВМПЭ: незаменимое применение «сверхизносостойкого и легкого» материала.

Износостойкая трансмиссия: карьерные катки, вкладыши ковша левого грейфера (низкое трение и снижение износа);

Медицинские имплантаты: искусственные суставные подушечки, зубные абатменты (биоинертные);

Специализированные отрасли: волокна для бронежилетов, пленки для замораживания пищевых продуктов (нетоксичные и устойчивые к низким температурам).

Резюме: Основная логика выбора

Существенная разница между ПЭЭК и СВМПЭ заключается в «разделении эксплуатационных характеристик»:

Выбор PEEK: требуется высокая температура (> 150 ℃), высокая прочность и устойчивость к химической коррозии (аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты, электроника);

Выбор СВМПЭ: требуется сверхизносостойкость, низкое трение и легкий вес (искусственные суставы, горнодобывающее оборудование, бронежилеты).

Сходство между ними заключается в «общих характеристиках высококачественных материалов». Заменяемость существует только в периферийных сценариях с неосновными потребностями: настоящий выбор всегда является результатом «производительности, соответствующей сценарию».

Полиэтиленовые стержни AHD UHMW

PEEK VS UHMWPE: два высокоэффективных полимера