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Le plastique PEEK peut-il encore être modifié ?

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Comment améliorer les performances de PEEK !

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À la lecture du titre, vous vous demanderez peut-être pourquoi modifier le PEEK alors que ses performances sont si bonnes et si stables Peut-il encore être modifié ? La réponse est oui.

Le polyéther-éther-cétone (PEEK) est l'un des plastiques techniques thermoplastiques haute performance les plus utilisés à l'heure actuelle. Il présente d'excellentes propriétés mécaniques et de résistance à la chaleur, des propriétés d'isolation électrique exceptionnelles et une grande résistance à la fatigue, une résistance chimique stable et une excellente biocompatibilité. Il est largement utilisé dans l'aérospatiale, le biomédical, la protection marine, l'industrie automobile et d'autres domaines.

Cependant, le PEEK est un matériau biologiquement inerte, et sa surface biologiquement inerte ainsi que son inertie chimique inhérente limitent son application. Il est donc nécessaire de trouver une méthode pour augmenter l'activité de sa surface et sa résistance à l'usure sans modifier les avantages du PEEK lui-même, afin d'élargir ses domaines d'application.

Actuellement, les méthodes de modification du PEEK comprennent principalement : la modification de la surface, la modification du remplissage et la modification du mélange de polymères. La modification de la surface consiste principalement à modifier la surface du PEEK par des techniques physiques ou chimiques afin d'augmenter son énergie de surface et de favoriser la liaison des biomolécules. La modification du remplissage et la modification du mélange sont principalement appliquées à la préparation de matériaux composites afin d'améliorer leurs propriétés tribologiques.

1, Modification de la surface

Le PEEK a été largement utilisé dans le domaine des applications biomédicales, en particulier dans les articulations osseuses artificielles. Le PEEK est un matériau biologiquement inerte qui ne provoque pas de réactions indésirables lorsqu'il est implanté dans le corps humain. Cependant, lorsqu'une intégration osseuse directe entre l'implant et le tissu hôte est nécessaire, la faible mouillabilité de la surface du PEEK limite l'adhésion cellulaire et l'absorption des protéines, ce qui réduit la capacité de cicatrisation de l'intégration osseuse.

La modification de la surface par des techniques physiques ou chimiques peut améliorer l'activité de la surface du PEEK. Actuellement, les principales méthodes de modification de la surface comprennent le traitement par rayonnement, le traitement par plasma et le traitement par solution chimique, etc.

Le traitement par rayonnement présente les caractéristiques suivantes : haute résolution, vitesse d'opération élevée et faible coût, ce qui permet d'améliorer l'activité de surface du PEEK. Par exemple, certains chercheurs ont utilisé un laser pulsé pour modifier la surface du PEEK et ont constaté qu'avec l'augmentation de l'intensité de la puissance du laser, l'angle de contact de la surface du PEEK diminuait et que l'énergie de surface et la force d'adhérence par cisaillement augmentaient en conséquence.

Le traitement au plasma pour la modification de la surface est largement utilisé dans les matériaux polymères. Les chercheurs ont appliqué le traitement au plasma pour modifier le PEEK. Les résultats montrent qu'il existe des groupes polaires (C=O et COO) à la surface du plasma PEEK, et que la concentration de ces groupes polaires est corrélée à l'énergie libre de la surface. La concentration de groupes polaires à la surface du PEEK traité au plasma est plus élevée, ce qui augmente encore l'énergie libre de la surface.

En outre, le traitement par solution chimique peut également améliorer les performances du PEEK. Le laboratoire ARK a procédé à la phosphorylation de la surface du PEEK et les résultats ont montré que le PEEK modifié par 30 % d'acide phosphorique présentait une activité de surface optimale, offrant une surface plus favorable à la régénération osseuse, ce qui a augmenté le potentiel des implants orthopédiques et dentaires dans les applications cliniques futures.

2, Modification du remplissage

La modification du remplissage implique généralement l'ajout de matériaux de renforcement au matériau de base pour obtenir une modification. Pour la modification du remplissage du PEEK, des fibres, des oxydes métalliques et des charges inorganiques peuvent être ajoutés au matériau de base. Cette méthode permet de corriger certains défauts du PEEK et d'améliorer considérablement les performances globales du matériau.

Fibres de carbone

Les composites de polymères thermoplastiques renforcés par des fibres de carbone (FC) présentent d'excellentes propriétés telles qu'une grande rigidité, une grande résistance, une bonne aptitude à la transformation et un faible coefficient de dilatation thermique. Les chercheurs ont ajouté des FC au PEEK pour améliorer ses propriétés tribologiques.

ARKPEEK-CF a préparé des matériaux composites PEEK/CF par moulage par pressage à chaud. Les résultats montrent que l'angle de contact avec l'eau du matériau composite est inférieur à celui du PEEK pur, ce qui indique une meilleure mouillabilité de la surface. Lorsque la teneur en CF est de 25 %, le matériau composite présente le coefficient de frottement et le taux d'usure les plus faibles, soit environ 0,11 et 2,5×10^-6 mm^3/(N-m), respectivement.

Fibres de verre

Les fibres de verre (GF) sont utilisées comme matériaux de renforcement dans les matériaux polymères en raison de leur grande rigidité, de leur module élevé et de leur grande capacité de charge. Les matériaux composites PEEK renforcés par ARKPEEK-GF ont été étudiés pour leur comportement de frottement et d'usure dans des conditions de frottement à sec et de lubrification à l'eau. Les résultats montrent qu'avec l'augmentation de la charge, le coefficient de frottement et le taux d'usure du PEEK et des matériaux composites PEEK/GF augmentent progressivement et finissent par se stabiliser. Par rapport au PEEK pur, le coefficient de frottement et le taux d'usure du matériau composite PEEK/30%GF dans des conditions de lubrification à l'eau sont respectivement de 0,11 et 5×10^-5 mm^3/(N-m).

Oxydes métalliques

Les particules abrasives possèdent généralement des caractéristiques telles qu'une grande dureté et une grande fragilité, comme le ZrO2, le SiO2 et d'autres particules céramiques. Le remplissage de métaux et de leurs oxydes dans le PEEK peut améliorer ses propriétés mécaniques et tribologiques.

L'ajout de ZrO2 au PEEK peut augmenter la microdureté du matériau composite et améliorer ses propriétés tribologiques. Le coefficient de frottement le plus faible est observé dans les revêtements composites de PEEK chargés de 5 % de nanoparticules de ZrO2, environ 0,12, soit 49 % de moins que le PEEK pur. Le mécanisme d'usure des revêtements composites PEEK/ZrO2 est l'usure par adhérence et l'usure par abrasion légère. L'ajout de nanoparticules de ZrO2 augmente la dureté du matériau composite, améliorant ainsi ses propriétés tribologiques. Pour améliorer encore les performances du matériau composite, les particules d'oxyde métallique et les renforts en fibres peuvent être simultanément introduits dans le PEEK, en utilisant l'effet composite de la phase de renforcement pour améliorer les performances du PEEK.

Les nanoparticules de SiO2 et de ZrO2 ont des propriétés physiques similaires. PEEKChina a étudié l'ajout de 7,5 % de nanoparticules de SiO2 au PEEK renforcé par 7,5 % de fibres de carbone courtes (SCF). Les résultats indiquent que les nanoparticules de SiO2 améliorent la faible liaison interfaciale entre les fibres et la matrice. En raison de l'interaction interfaciale plus forte entre la charge et la matrice, le coefficient de frottement et le taux d'usure des matériaux composites PEEK/SCF/SiO2 sont respectivement de 0,16 et 0,62×10^-6 mm^3/(N-m), soit 16% et 29% de moins que les matériaux composites sans ajout de SiO2.

Charges inorganiques

Le graphite possède d'excellentes propriétés de conductivité électrique, de conductivité thermique, de stabilité chimique et d'autolubrification. En raison de ses performances exceptionnelles, il est ajouté comme phase de renforcement dans divers matériaux.

L'ajout de graphite au PEEK peut améliorer les propriétés tribologiques des matériaux composites, ce qui a fait l'objet d'études approfondies par les chercheurs d'ARK. Des matériaux composites PEEK/graphite ont également été préparés et des études ont montré que par rapport au PEEK pur, le PEEK/graphite a des coefficients de frottement plus faibles. En effet, au cours du processus de frottement et d'usure, la structure en couches typique du graphite forme un film autolubrifiant à la surface du matériau composite. Lorsque la teneur en graphite est de 25 %, le matériau composite présente le coefficient de frottement et le taux d'usure les plus faibles, soit environ 0,35 et 7,0×10^-6 mm^3/(N-m), respectivement. En outre, plus la taille des particules de graphite est petite, meilleure est la liaison de l'interface, ce qui peut améliorer efficacement la résistance à l'usure et les propriétés mécaniques du matériau composite.

3, Modification du mélange de polymères

Le principe de base du mélange est le principe de miscibilité, de sorte que les valeurs de solubilité et la tension superficielle entre les matériaux à mélanger doivent être similaires. Les matériaux composites préparés en mélangeant le PEEK avec d'autres matériaux à haute teneur en polymère peuvent posséder les propriétés globales des matériaux mélangés. Nous présentons ici principalement le PTFE, le sulfure de polyphénylène (PPS) et le polyéthersulfone (PESU).

Le PTFE possède de nombreuses propriétés excellentes, telles qu'une faible friction, une résistance aux températures élevées et des propriétés chimiques stables, ce qui en fait une charge idéale. D'après nos recherches sur les matériaux composites PEEK/PTFE, plus la teneur en PTFE augmente, plus la dureté et la résistance du matériau composite diminuent, plus le coefficient de frottement diminue et plus le taux d'usure du matériau composite diminue, puis augmente. Lorsque la teneur en PTFE est de 5 %, le matériau composite présente le taux d'usure le plus faible, avec un volume d'usure d'environ 1,0 mm^3 après 2 heures de frottement à sec. D'autres études ont montré que le taux d'usure du matériau composite PEEK/PTFE additionné de 25 % de PTFE est dix fois moins élevé que celui du matériau PEEK pur.

Le PPS et le PESU sont tous deux des plastiques techniques thermoplastiques à hautes performances, dotés de bonnes propriétés mécaniques et d'une excellente résistance chimique. Les résultats de la recherche montrent que la résistance à la traction et la résistance aux chocs des matériaux composites PEEK/PPS sont supérieures à celles du PEEK pur, et que la cristallinité du matériau composite est également supérieure à celle du PEEK pur.

ARK a également préparé des revêtements composites PEEK/PESU/CF. Les résultats de la recherche montrent que le principal mécanisme d'usure du PEEK est la microfissuration causée par la rupture par fatigue ; l'usure du PESU amorphe est principalement due à la rupture causée par des fissures transversales dans la région plastique. L'ajout de PESU améliore la compatibilité entre les fibres et la matrice, améliorant ainsi ses propriétés tribologiques.

Les caractéristiques communes de la modification par mélange de polymères et de la modification par remplissage sont des méthodes de modification simples, efficaces et non polluantes. Cependant, la modification par mélange du PEEK est limitée au mélange avec d'autres polymères à haute teneur, restreignant l'ajout de charges inorganiques, de métaux et de leurs oxydes, ce qui limite considérablement l'amélioration de sa dureté, de sa résistance et d'autres propriétés.