Quais são os métodos de modificação para PEEK?

Quando você vê o título, pode se perguntar, por que modificar o PEEK quando ele tem um desempenho tão bom e estável? Ainda pode ser modificado? A resposta é sim.

O poliéter éter cetona (PEEK) é um dos plásticos de engenharia termoplásticos de alto desempenho mais amplamente utilizados atualmente, com excelentes propriedades mecânicas e resistência ao calor, destacadas propriedades de isolamento elétrico e alta resistência à fadiga, resistência química estável e excelente biocompatibilidade. É amplamente utilizado na indústria aeroespacial, biomédica, proteção marinha, indústria automotiva e outros campos.

No entanto, o PEEK é um material biologicamente inerte, e a superfície biologicamente inerte e a inerente inércia química do PEEK limitam sua aplicação. Portanto, é necessário encontrar um método para aumentar sua atividade de superfície e resistência ao desgaste sem alterar as vantagens do próprio PEEK, expandindo assim seus campos de aplicação.

Atualmente, os métodos de modificação para o PEEK incluem principalmente: modificação de superfície, modificação de preenchimento e modificação de mistura de polímeros. A modificação de superfície envolve principalmente a modificação da superfície do PEEK por meio de técnicas físicas ou químicas para aumentar sua energia superficial e promover a ligação de biomoléculas. A modificação de preenchimento e a modificação de mistura são aplicadas principalmente na preparação de materiais compósitos para melhorar suas propriedades tribológicas.

1, Modificação de Superfície

O PEEK tem sido amplamente utilizado no campo das aplicações biomédicas, especialmente em articulações ósseas artificiais. O PEEK é um material biologicamente inerte e não causa reações adversas quando implantado no corpo humano. No entanto, quando é necessária uma integração direta entre os ossos do implante e o tecido do hospedeiro, a baixa molhabilidade da superfície do PEEK limita a adesão celular e a absorção de proteínas, o que reduz a capacidade de cicatrização do osso.

A modificação da superfície realizada por técnicas físicas ou químicas pode melhorar a atividade superficial do PEEK. Atualmente, os principais métodos de modificação de superfície incluem tratamento por radiação, tratamento por plasma e tratamento por solução química, etc.

O tratamento por radiação possui características de alta resolução, alta velocidade de operação e baixo custo, o que pode melhorar a atividade superficial do PEEK. Por exemplo, alguns pesquisadores aplicaram laser pulsado para modificar a superfície do PEEK e descobriram que, com o aumento da intensidade do laser, o ângulo de contato da superfície do PEEK diminuiu, e a energia superficial e a resistência à tração correspondente aumentaram.

O tratamento por plasma para modificação de superfície é amplamente utilizado em materiais poliméricos. Pesquisadores aplicaram tratamento por plasma para modificar o PEEK. Os resultados mostram que há grupos polares (C=O e COO) na superfície do PEEK plasmático, e a concentração desses grupos polares está correlacionada com a energia livre de superfície. A concentração de grupos polares na superfície do PEEK tratado com plasma é mais alta, o que aumenta ainda mais a energia livre de superfície.

Além disso, o tratamento por solução química também pode melhorar o desempenho do PEEK. O laboratório ARK realizou a fosforilação superficial do PEEK, e os resultados mostraram que o PEEK modificado por ácido fosfórico a 30% teve a atividade superficial ideal, fornecendo uma superfície mais favorável para a regeneração óssea, o que aumentou o potencial de implantes ortopédicos e dentários em futuras aplicações clínicas.

2, Modificação por Preenchimento

A modificação por preenchimento geralmente envolve adicionar materiais de reforço ao material base para obter modificação. Para a modificação por preenchimento do PEEK, fibras, óxidos metálicos e cargas inorgânicas podem ser adicionados ao material base. Este método pode melhorar alguns dos defeitos do PEEK e melhorar significativamente o desempenho abrangente do material.

Fibras de Carbono

Os compósitos termoplásticos reforçados com fibras de carbono (CF) apresentam excelentes propriedades, como alta rigidez, alta resistência, boa processabilidade e baixo coeficiente de expansão térmica. Pesquisadores adicionaram CF ao PEEK para melhorar suas propriedades tribológicas.

O ARKPEEK-CF preparou materiais compósitos de PEEK/CF usando moldagem por prensagem a quente. Os resultados mostram que o ângulo de contato da água do material compósito é menor do que o do PEEK puro, indicando uma melhor molhabilidade da superfície. Quando o teor de CF é de 25%, o material compósito apresenta o menor coeficiente de atrito e taxa de desgaste, aproximadamente 0,11 e 2,5×10^-6 mm^3/(N·m), respectivamente.

Fibras de Vidro

As fibras de vidro (GF) são utilizadas como materiais de reforço em polímeros devido à sua alta rigidez, alto módulo e alta capacidade de carga. Os materiais compósitos de PEEK reforçados com GF do ARKPEEK-GF foram estudados quanto ao seu comportamento de atrito e desgaste sob condições de atrito seco e lubrificação com água. Os resultados mostram que, com o aumento da carga, o coeficiente de atrito e a taxa de desgaste tanto do PEEK quanto dos materiais compósitos PEEK/GF aumentam gradualmente e eventualmente se estabilizam. Em comparação com o PEEK puro, o coeficiente de atrito e a taxa de desgaste do material compósito PEEK/30%GF sob condições de lubrificação com água são de 0,11 e 5×10^-5 mm^3/(N·m), respectivamente.

Óxidos Metálicos

Partículas abrasivas geralmente possuem características como alta dureza e alta fragilidade, como ZrO2, SiO2 e outras partículas cerâmicas. O preenchimento de metais e seus óxidos no PEEK pode melhorar suas propriedades mecânicas e tribológicas.

A adição de ZrO2 ao PEEK pode aumentar a microdureza do material compósito e melhorar suas propriedades tribológicas. O coeficiente de atrito mais baixo é observado em revestimentos compósitos de PEEK preenchidos com 5% de nanopartículas de ZrO2, aproximadamente 0,12, o que é 49% menor em comparação com o PEEK puro. O mecanismo de desgaste dos revestimentos compósitos de PEEK/ZrO2 é desgaste adesivo e desgaste abrasivo leve. A adição de nanopartículas de ZrO2 aumenta a dureza do material compósito, melhorando assim suas propriedades tribológicas. Para aumentar ainda mais o desempenho do material compósito, partículas de óxido metálico e reforços de fibra podem ser preenchidos simultaneamente no PEEK, utilizando o efeito compósito da fase de reforço para melhorar o desempenho do PEEK.

Nanopartículas de SiO2 e ZrO2 têm propriedades físicas semelhantes. O PEEKChina estudou a adição de 7,5% de nanopartículas de SiO2 ao PEEK reforçado com 7,5% de fibras de carbono curtas (SCF). Os resultados indicam que as nanopartículas de SiO2 melhoram a fraca ligação interfacial entre as fibras e a matriz. Devido à interação interfacial mais forte entre o enchimento e a matriz, o coeficiente de atrito e a taxa de desgaste dos materiais compósitos PEEK/SCF/SiO2 são de 0,16 e 0,62×10^-6 mm^3/(N·m), respectivamente, o que é 16% e 29% menor em comparação com materiais compósitos sem a adição de SiO2.

Preenchimento com Materiais Inorgânicos

O grafite possui excelente condutividade elétrica, condutividade térmica, estabilidade química e propriedades de autolubrificação. Devido ao seu desempenho excepcional, é adicionado como uma fase de reforço em vários materiais.

Adicionar grafite ao PEEK pode melhorar as propriedades tribológicas dos materiais compósitos, o que tem sido extensivamente estudado por pesquisadores da ARK. Materiais compósitos PEEK/grafite também foram preparados, e estudos mostraram que, em comparação com o PEEK puro, o PEEK/grafite tem coeficientes de atrito mais baixos. Isso ocorre porque durante o processo de atrito e desgaste, a estrutura típica em camadas do grafite forma um filme autolubrificante na superfície do material compósito. Quando o teor de grafite é de 25%, o material compósito apresenta o menor coeficiente de atrito e taxa de desgaste, aproximadamente 0,35 e 7,0×10^-6 mm^3/(N·m), respectivamente. Além disso, quanto menor o tamanho das partículas de grafite, melhor é a ligação de interface, o que pode melhorar efetivamente a resistência ao desgaste e as propriedades mecânicas do material compósito.

3, Modificação por Mistura de Polímeros

O princípio básico da mistura é o princípio da miscibilidade, portanto, os valores de solubilidade e tensão superficial entre os materiais a serem misturados devem ser semelhantes. Materiais compostos preparados pela mistura de PEEK com outros materiais poliméricos de alto desempenho podem possuir as propriedades abrangentes dos materiais misturados. Aqui, nós introduzimos principalmente o PTFE, o polifenileno sulfeto (PPS) e o polietersulfona (PESU).

O PTFE possui muitas propriedades excelentes, como baixo atrito, alta resistência à temperatura e propriedades químicas estáveis, o que o torna um enchimento ideal. De acordo com nossas pesquisas sobre materiais compostos PEEK/PTFE, à medida que o conteúdo de PTFE aumenta, a dureza e a resistência do material compósito diminuem, o coeficiente de atrito diminui e a taxa de desgaste do material compósito primeiro diminui e depois aumenta. Quando o conteúdo de PTFE é de 5%, o material compósito tem a menor taxa de desgaste, com um volume de desgaste de aproximadamente 1,0 mm^3 após 2 horas de atrito a seco. Outros estudos mostraram que a taxa de desgaste do material compósito PEEK/PTFE com 25% de PTFE adicionado é um décimo da do PEEK puro.

Tanto o PPS quanto o PESU são plásticos de engenharia termoplásticos de alto desempenho com boas propriedades mecânicas e excelente resistência química. Os resultados da pesquisa mostram que a resistência à tração e a resistência ao impacto dos materiais compostos PEEK/PPS são maiores do que as do PEEK puro, e a cristalinidade do material compósito também é maior do que a do PEEK puro.

A ARK também preparou revestimentos compostos PEEK/PESU/CF. Os resultados da pesquisa mostram que o principal mecanismo de desgaste do PEEK é a microfissuração causada pela falha por fadiga; o desgaste do PESU amorfo é principalmente devido à falha causada por fissuras transversais na região plástica. A adição de PESU melhora a compatibilidade entre fibras e matriz, melhorando assim suas propriedades tribológicas.

As características comuns da modificação por mistura de polímeros e da modificação por preenchimento são métodos de modificação simples, eficientes e livres de poluição. No entanto, a modificação por mistura de PEEK é limitada à mistura com outros polímeros de alto desempenho, restringindo a adição de preenchimentos inorgânicos, metais e seus óxidos, o que limita bastante a melhoria de sua dureza, resistência e outras propriedades.