החומרים בשפיץ של הפירמידה: סקירה על פולימרים לביצועים גבוהים

אילו פולימרים זכאים לתואר המכובד, איך התגלו ומהם התכונות המיוחדות שלהם? וגם, כיצד סין והודו תופסות את מקומן בשוק תחרותי זה?  

תיאור פולימרים מסויימים ככאלו בעלי ביצועים גבוהים, High Performance Thermoplastics – HPTPs, מוכר  לכולנו. אבל ביצועים גבוהים זה כמובן עניין יחסי. ואכן, לעתים קרובות, נעשה במונח זה שימוש מוגזם על ידי אנשי שיווק נלהבים. לעתים קרובות אף יותר, מוטעים גם לקוחות הקצה, בעיקר משום החוסר בנקודת ייחוס להשוואה. 

אז בואו נתחיל מההתחלה, מהם פולימרים בעלי ביצועים גבוהים? במאמר זה נסקור את החומרים התרמופלסטיים הנפוצים. חומרים תרמוסטיים בעלי ביצועים גבוהים קיימים גם הם, אך נתמקד בהם בכתבה אחרת. 

ביצועים גבוהים בחומרים תרמופלסטיים – מה זה בכלל? 

פירמידת החומרים מחלקת את התרמופלסטיים לשלוש תתי-קבוצות. בתחתית הפירמידה נמצאים החומרים הסטנדרטיים להם עמידות תרמית מתחת ל-90°C, ועמידות כימית נמוכה. הנפוצים שבהם PP ו-PE הנפוצים במוצרי צריכה.  

מעליהם, נמצאים חומרים הנדסיים המהווים את תת-הקבוצה הגדולה ביותר מבחינת מגוון חומרי הגלם, עם עמידות עד ל- 150°C. התכונות הפיזיקליות שלהם טובות, בעוד התכונות הכימיות משתנות. עלותם בינונית עד גבוהה. חומרים אלו כולם מוגבלים על ידי תכונה מסוימת.  

ובקצה, בשפיץ של הפירמידה, נמצאים הפולימרים לביצועים גבוהים. להם תכונות פיזיקליות מעולות המאפשרות עמידות מתמשכת לחום עד 300 מעלות, לכימיקלים או למתח חשמלי. עמידות זו זיכתה אותם, ובצדק, בשמם. למרות עלותם הגבוהה, והעובדה כי הם לעיתים זמינים רק מספק אחד, מאפייניהם מאפשרים להם לסייע ביישומים ייחודים. נפרט כאן על שלוש קבוצות במשפחה זו: חומרים אמורפיים, גבישיים למחצה, ואימידיים.  

ביצועים גבוהים בפולימרים אמורפיים 

חומרים אמורפיים סטנדרטיים מאבדים את התכונות הפיזיקליות שלהם בתנאים הגבוהים במעט מטמפרטורת החדר. לעומתם, חומרים אמורפיים בעלי ביצועים גבוהים מסוגלים להתמודד עם חום ולחץ. הם אינם מתאימים לטמפרטורות אולטרה-גבוהות, עומסים ו/או שחיקה מתמשכת, אך יכולים לתפקד מעל 150°C ולעבור עיקור בקיטור. גרסאות מאושרות FDA זוכות לשימוש נרחב בתעשייה הרפואית. 

• Polysulfone (PSU) פותח על ידי חברת Union Carbide בשנת 1965 כפלסטיק עמיד בחום בעלות משתלמת. הייעוד הראשוני שלו היה להחליף PC בטמפרטורות גבוהות וסביבות כימיות מאתגרות. 
• Polyphenylenesulfone (PPSU) מציג עמידות בנגיפה כמו PC, אבל הוא עמיד בטמפרטורות בינוניות עד גבוהות. יישום מעניין הוא משקפי ראייה או מעבדה המחייבים עמידות תרמית. 
• Polyetherimide (PEI / Ultem 1000) פותח על ידי חברת General Electric בשנת 1982 ושומר על התכונות המכאניות שלו גם אחרי 2,000 מחזורים של סטריליזציה בקיטור. חשיפה מצטברת של קרינת גמא, בין 10-500 Mrad, משפיעה רק במעט על תכונות החומר. שילובו עם סיבי זכוכית מעלה משמעותית את החוזק, מודול המתיחה והכפיפה והיציבות הממדית בטמפרטורות גבוהות. בהיותו חומר אמורפי, ה-PEI מושפע ממספר כימיקלים ארומטיים שעלולים לגרום לבעיות של הִסָדְקוּת סביבתית תחת לחץ. בנוסף, חלק מהדבקים עלולים לתקוף אותו ולגרום לכשלים לאורך קווי הלחץ. 

ביצועים גבוהים בפולימרים גבישיים למחצה 

פולימרים גבישיים למחצה שומרים על התכונות הפיזיקליות עם עליית הטמפרטורה עד להגעה לטמפרטורת המעבר הזכוכיתית (Tg). הם מהווים בחירה מוצלחת כשנדרשת עמידות תרמית, כימית ולשחיקה. הם מועמדים טובים למסבים נעים ויכולים לעמוד בבלאי. נציג כאן חומרים המתהדרים במקדמי התרחבות תרמית גבוהים שאינם ליניאריים. תכונה זו הופכת אותם למעניינים עבור יישומים מסוימים: 

• Polytetrafluoroethylene (PTFE) התגלה על ידי ד"ר רוי פלונקט מ-DuPont כבר בסוף שנות ה-30 של המאה הקודמת. בזמן שעבד במעבדה הוא גילה אבקה לבנה עדינה שהצטברה על גדות המבחנה. היא לא התפרקה עם שום חומר כימי שהיה בהישג ידו. רק בחשיפה לטמפרטורות של מעל 315 מעלות חל פירוק. החומר התגלה גם כמבודד מצוין בעל מקדם חיכוך נמוך במיוחד. ניתן היה לעבדו לצורות שונות בתהליך ארוך הכולל לחץ וחום. התגלית נשמרה בסוד במהלך מלחמת העולם השנייה עד ש- DuPontהציגה אותה באופן מסחרי.  חומרי ה-PTFE מתורכבים עם מלאנים ומשפרים שונים, ומשמשים בעיקר לאיטום, עם עמידות בעומס ועמידות המשכית בבלאי. בשנים האחרונות החומרים נמצאים תחת מתקפה של ארגוני איכות סביבה ורשויות במדינות המערב לאור החשש מרעילות של מולקולות ה-PFAS והצטברותם בגוף האדם.  
• Polyphenylene Sulfide (PPS) הושק על ידי Phillips Petroleum ב-1973 והשתלב מאז במגוון רחב חלקים בהזרקה או עיבוד שבבי, בתעשיות תובעניות כמו תעופה, רכב, תעשייה כימית ואלקטרוניקה. לצד עמידות כימית מעולה, הפולימר פריך. על כן הוא מתורכב עם מלאנים וסיבים. גרסאתPPS  משוריינת ב-40% סיבי זכוכית בתוספת חומרי סיכה מהווה חלופה חסכונית ל-PEEK. 
• Polyetheretherketone (PEEK) סונתז על ידי DuPont ב-1962 אך לא הוצג באופן מסחרי. ב-1979 ICI עקפה אותה בסיבוב ויצאה עם גרסה מסחרית שלו. מאז גדל השימוש ב-PEEK ביישומים שבהם נדרשת עמידות לחשיפה לכימיקלים תוקפניים בטמפרטורות גבוהות. הפולימר ניתן לתרכוב בקלות עם מגוון מלאנים בריכוז גבוה המשפרים את החוזק. הוא מתאים למסבים עם 100,000 PV. מקדם ההתפשטות התרמית של תרכובות PEEK אינו ליניארי, לקראת 95 מעלות קצב ההתפשטות מתחיל להאיץ. תכונה זו, יחד עם השינוי בתכונות הפיזיקליות באותה טמפרטורה, מהווים אתגר למהנדסי מוצר. 

ביצועים גבוהים בפולימרים אימידיים 

חומרים אימידיים משלבים תכונות של חומרים אמורפיים וגבישיים-למחצה כאחד. למעשה, במובנים מסוימים הם דומים לחומר תרמוסטי, מכיוון ששינויים כימיים מתרחשים תוך כדי עיבודם, הנחשב במאתגר. במקרים מסוימים רק תהליכי כבישה מתאימים לחומר. 

• Polyamide-imide (PAI) פותח על ידי Amoco בשנת 1964 אך בעיות עיבוד הגבילו את השימוש בו. אפילו כיום, לאחר התאמתו להזרקה ושיחול, יש לעיתים צורך בציוד מיוחד. למוצר מאפיינים ייחודיים: יציבות ממדית בטמפרטורות גבוהות, מקדמי התפשטות תרמית כמעט ליניאריים בין 0.9 ל-1.7, תכונות חשמליות טובות, ועמידות בפני קרינה, כימיקלים (למעט בסיסים חזקים), חומצות בטמפרטורה גבוהה וקיטור. PAI משמש בתעשיות התעופה, החשמל והאלקטרוניקה, לייצור אטמים, מסבים, ומשטחי בלאי בציוד משרדי. למעשה, בכל מקום בו נדרשת עמידות לטמפרטורה, שחיקה וחשמל – זהו המועמד המוביל. היכולת שלו להתמודד עם עד PV 50,000 ומהירויות המתקרבות ל-1,000 רגל לדקה, ועדיין לתפקד בטמפרטורות גבוהות, מאפשרת לחומרים כמו הטורלון 4301 של Syensqo (שהתפצלה מחברת Solvay) לתת פתרון חליפי, כמעט ייחודי, למתכת. 
• Polybenzimidazole (PBI) הושק על ידי  Hoechst Celaneseאבל פותח על ידי NASA בשנות השישים לייצור סיבים לחליפות חלל. שמו המסחרי Celazole, והוא מיוצר על ידי PBI Performance Products האמריקאית. מכיוון ש-PBI קשה ביותר, העיבוד שלו יכול להוות אתגר ודורש כלים מבוססי יהלום. עלותו גבוהה, פי 100 מניילון, והוא רגיש לחריצה ולספיגת לחות. בשל מגבלות אלו, יישומיו נותרו מוגבלים יחסית. 

שוק החומרים התרמופלסטיים בעלי הביצועים הגבוהים – לאן? 

אני עדים לתופעה הולכת וגוברת של החלפת מתכות על ידי פולימרים לביצועים גבוהים. לצד זאת, יש לזכור כי בניגוד למתכת, ההתפשטות הטרמית של הפולימר, במיוחד בטמפ' גבוהות, משמעותית. הוספת סיבי זכוכית, פחמן או מינרלים למטריצה הפולימרית מצמצמת תופעה זו ומחזקת את החומר. 

מבחינה היסטורית, ארצות הברית, אירופה ויפן היו החלוצות בתחום. במשך השנים, במקביל להתרחבות תעשיית הרכב, מדינות כמו הודו, דרום קוריאה וסין הקימו גם הן יכולות שכאלו. בעשור האחרון, חברות סיניות נכנסו גם הן למשוואה עם ייצור של פולימרים מבוססי קטון ארומטיים, פוליאימידים בעלי ביצועים גבוהים, פולימרים גבישים נוזליים, שרפי פוליפנילן גופרתי ופולימרי סולפון. מכיוון שרוב היצרנים בתחום הם למעשה קומפאונדרים, הדלת להמשך תרכוב ופיתוח טכנולוגי בתחום עדיין פתוחה לרווחה. 

למידע נוסף:
סורפול, עפר שורק, [email protected]