Aperçu du PEEK (polyétheréthercétone)
Le polyétheréthercétone, communément appelé PEEK, fait partie de la famille des thermoplastiques semi-cristallins à base de polyéthercétone. Parmi les autres matériaux semi-cristallins présentant divers rapports éther/cétone dans leur structure, citons le PEK, le PEKK, le PEKEKK et le PAEK. Toutefois, le rapport unique de 2:1 entre l’éther (E) et la cétone (K) du polymère PEEK lui confère une résistance chimique supérieure à celle des autres polyéthercétones et constitue un facteur majeur contribuant à l’utilisation plus répandue du PEEK.
Reconnu pour ses performances élevées, le PEEK présente une liste impressionnante de propriétés physiques. Le thermoplastique semi-cristallin résiste également à une exposition à long terme à la vapeur à haute pression, à l’eau chaude et à de nombreux produits chimiques très agressifs. Sa résistance à l’usure sous charge dynamique s’ajoute aux avantages en termes de performances qui sous-tendent les spécifications du PEEK pour les composants moulés par injection et usinés qui doivent résister à des conditions de service sévères.
Fournisseurs de polymères PEEK, produits
Depuis l’introduction commerciale du PEEK en 1980, Victrex PLC en est devenu le principal producteur et fournit ce thermoplastique à très hautes performances dans le monde entier à partir de ses activités au Royaume-Uni. Les efforts de développement d’applications de l’entreprise s’étendent sur plus de 40 ans et ont conduit à l’utilisation généralisée du PEEK pour des composants dans l’aérospatiale, l’exploration et la production de pétrole et de gaz, la fabrication de semi-conducteurs, l’équipement médical, militaire et de défense.
Avec la prolifération des pièces spécifiées en Victrex® PEEK et la sensibilisation croissante des ingénieurs aux capacités du matériau, de nouvelles possibilités d’application sont apparues, dépassant les limites de performance des grades initiaux. Ces opportunités ont conduit à la mise au point de matériaux PEEK destinés à une plus large gamme d’applications. Les grades à performances accrues comprennent des formulations présentant des propriétés améliorées en matière de roulements et d’usure, ainsi qu’un renforcement en fibres de verre et de carbone qui accroît considérablement la résistance structurelle du PEEK.
Sa relative facilité de traitement à l’état fondu a également conduit à adapter la résine PEEK à diverses méthodes de traitement, notamment le moulage par injection, le moulage par compression et l’extrusion de fibres, de tubes, de tuyaux, de films et de polymères usinables. L’ouverture de ces possibilités de traitement a encore élargi la gamme d’applications du PEEK et les industries dans lesquelles ce matériau est spécifié.
Solvay a commencé à produire de la polymère PEEK aux États-Unis au début des années 2000 et a également développé activement des produits pour des applications de service sévère dans une série d’industries. Commercialisée sous la dénomination KetaSpire® PEEK, la famille de grades de Solvay comprend des formulations avec des améliorations de performance pour une plus grande résistance à l’usure et une plus grande solidité structurelle. La famille de produits KetaSpire® PEEK est aussi généralement traitée à l’état fondu par extrusion et moulage par injection et sert de nombreuses industries et applications sous forme de pièces moulées, de pièces extrudées qui sont usinées en composants de précision, et de films et tubes extrudés.
Les polymères PEEK développés plus récemment par Victrex PLC et Solvay comprennent des qualités biocompatibles pour les applications humaines implantables et non implantables dans le domaine des sciences de la vie, ainsi que des qualités capables de résister à des températures plus élevées. Invibio Biomaterial Solutions, une société Victrex, désigne son grade d’implant comme PEEK-Optima™, et Solvay marque son produit implantable Zeniva® PEEK.
Semi-produits en PEEK pour l'usinage
En raison de la relative facilité de traitement du PEEK, les ateliers d’usinage du monde entier peuvent facilement se procurer des semi-produits fabriqués à partir d’une variété de grades de ce thermoplastique à très hautes performances. Drake fournit sa gamme complète de semi-produits en PEEK à un grand nombre de ces entreprises d’usinage qui sont bien qualifiées dans la production de pièces usinées de haute précision.
Contrôle du processus PEEK et technologie d'orientation des fibres de Drake
La technologie de Drake Plastics en matière d’extrusion et de moulage par injection de formes en PEEK se concentre sur le contrôle étroit des températures et des pressions élevées impliquées dans le traitement de la matière fondue. Notre expertise dans ce domaine permet d’obtenir les meilleurs niveaux de propriétés et de stabilité dimensionnelle des pièces usinées et moulées en PEEK.
Pour les qualités de PEEK renforcées par des fibres de verre et de carbone, la technologie permettant de gérer l’orientation des fibres est un facteur important pour déterminer les performances des pièces finies lors du traitement et de l’usinage. C’est un domaine dans lequel Drake possède des décennies d’expérience réussie, à la fois dans le traitement des matières fondues et dans la définition de l’orientation idéale des fibres dans les pièces usinées afin d’obtenir une résistance et une stabilité dimensionnelle maximales pour votre application.
Les semi-produits PEEK de Drake, les noms commerciaux
Drake propose une gamme complète de semi-produits en PEEK, depuis les qualités non renforcées et améliorées pour les roulements et l’usure jusqu’aux formulations renforcées par des fibres de verre et des fibres optiques, dans la plus large gamme de dimensions de l’industrie.
En fonction de la qualité spécifique de la résine utilisée, Drake Plastics applique les marques Victrex® PEEK ou Solvay KetaSpire® PEEK à ses pièces extrudées de qualité optimale. Ces pièces extrudées de qualité supérieure comprennent celles qui sont propres à Drake, comme les barres et les plaques de 255 mm de diamètre et de 200 mm d’épaisseur, qui représentent les plus grandes dimensions de pièces extrudées disponibles dans le monde.
Drake propose également des formes portant la marque Drake Industrial Grade PEEK dont la qualité est équivalente ou légèrement supérieure à celle d’autres formes de PEEK disponibles dans le commerce. Comme c’est le cas pour les barres et les plaques de PEEK concurrentes, les produits que nous désignons comme PEEK de qualité industrielle Drake sont fournis sans les certifications de résine confirmant la conformité à la norme Mil-P46183. Ils sont extrudés en grandes quantités dans des conditions qui permettent d’obtenir la rentabilité requise pour certaines applications.
Profil de performance du PEEK
Maintien de la résistance et stabilité dimensionnelle à des températures élevées
Le PEEK se distingue par sa résistance à la flexion et à la traction à des températures élevées. Ses propriétés incluent une Tg (température de transition vitreuse) de 150°C (302°F). Dans les qualités non renforcées, sa température de déflexion à chaud est de 157°C (315°F), et les qualités renforcées par des fibres conservent une résistance élevée à des températures encore plus élevées. Les données sur les propriétés de Victrex indiquent que la température de déflexion à chaud de son PEEK Victrex 450 CA30 renforcé de 30 % de fibres de carbone, par exemple, est de 271 °C (520 °F), ce qui représente une amélioration significative des performances par rapport aux formulations non renforcées. Il est important de noter que cette valeur est dérivée d’échantillons moulés avec les fibres orientées de manière optimale pour le test. Les pièces moulées par injection ou les pièces usinées à partir de semi-produits ne permettront probablement pas d’obtenir le meilleur résultat possible.
Le PEEK présente également une résistance exceptionnelle au fluage ou à l’écoulement à froid sous charge à des températures élevées. Grâce à son faible coefficient de dilatation thermique linéaire, il est également très stable sur le plan dimensionnel lorsqu’il est exposé à des variations de température extrêmes.
Drake Plastics extrude et moule par injection plusieurs des formulations de PEEK renforcé de fibres de verre et de carbone à haute résistance. Les qualités comprennent le KetaSpire KT820 GF30 renforcé de 30 % de fibres de verre et le KetaSpire KT 820CF30 renforcé de 30 % de fibres de carbone de Solvay, ainsi que le PEEK 450 CA30 renforcé de 30 % de fibres de carbone de Victrex.
Résistance à l'usure
Bien que le PEEK présente une résistance à l’usure inhérente élevée, il existe des qualités de roulement et d’usure améliorées pour les applications exposées à des niveaux sévères de charge dynamique et de vitesse. Un avantage majeur pour les machines et les équipements de production est que les pièces mobiles fabriquées à partir de ces grades n’ont souvent pas besoin de lubrification externe. Cela permet d’éliminer la contamination par les lubrifiants, ce qui représente un avantage considérable pour les industries alimentaires, pharmaceutiques et autres activités de fabrication propres. Grâce à leur durée de vie plus longue, les pièces fabriquées en PEEK résistant à l’usure permettent également de réduire les coûts de maintenance et d’allonger les temps de production entre les entretiens programmés et les remplacements de pièces.
Parmi les exemples de grades de PEEK améliorés pour les roulements et l’usure que Drake Plastics convertit en formes et pièces de stock, citons le Victrex 450 FC30 « 10-10-10 » qui incorpore du PTFE, du graphite et des fibres de carbone, et le Victrex 450 FE20 PEEK contenant 20 % de poudre de PTFE dispersée. Les deux qualités sont également conformes aux normes de la FDA. Les grades structurels Victrex 450 CA30 et KetaSpire KT820 CF30, renforcés par des fibres carbone, sont particulièrement performants dans certaines applications de roulements, notamment celles qui nécessitent une rigidité et une résistance accrues. Pour atteindre les niveaux de performance les plus élevés, il est essentiel que la contreface d’usure soit suffisamment dure et lisse dans un assemblage et que les conditions de fonctionnement permettent une dissipation adéquate de la chaleur.
Résistance aux produits chimiques et à l'hydrolyse
La résistance chimique est l’une des caractéristiques les plus remarquables du PEEK. Le rapport unique de 2:1 entre l’éther (E) et la cétone (K) de ce thermoplastique haute performance lui confère une résistance chimique supérieure à celle d’autres polyéthercétones tels que le PEK, le PAEK et le PEKEKK. Sa capacité à résister à une exposition de longue durée à une gamme remarquablement large de produits chimiques a conduit à de nombreuses applications où il a remplacé les métaux pour une durée de vie plus longue dans des environnements agressifs tels que les équipements de fond de puits dans l’industrie du pétrole et du gaz.
Le PEEK résiste également à une exposition prolongée à l’eau chaude, à la vapeur et aux radiations. Les applications dans l’industrie alimentaire et pharmaceutique tirent parti de cet avantage avec le PEEK de qualité roulement conforme à la FDA pour les composants qui nécessitent un nettoyage et une désinfection approfondis entre les cycles de production.
La pureté
L’industrie de fabrication des semi-conducteurs a spécifié diverses qualités de PEEK pour les outils et les fixations en raison de sa pureté inhérente. Cette caractéristique minimise la contamination ionique au cours des processus humides utilisant diverses chimies à des températures élevées.
Indices d'inflammabilité
Ses caractéristiques d’inflammabilité font également du PEEK un choix fréquent pour les composants électriques et aéronautiques. Le PEEK non renforcé est classé UL94 V-0 à une épaisseur de 0,060″ et les qualités renforcées par des fibres sont classées UL94 V-0 à une épaisseur de 0,020″. Le PEEK répond également aux normes de la FAA en matière de génération de flammes et de fumée pour les composants structurels et électriques des avions.
Applications typiques du PEEK
Les applications de la gamme de formulations PEEK se caractérisent généralement par la nécessité d’une résistance aux produits chimiques et à l’hydrolyse, d’une résistance élevée jusqu’aux limites de température, d’une pureté ionique et d’une résistance à l’usure du thermoplastique haute performance.
L’industrie pétrolière et gazière a reconnu les avantages du PEEK pour les composants utilisés dans les équipements de fond de puits où le PEEK est spécifié pour les joints, les sièges de soupape, les isolateurs et les connecteurs électriques. Les applications des équipements de production industrielle comprennent les composants de roulements et de machines d’usure et les pointes d’outils de soudage au plasma. L’inertie chimique et le faible taux d’impuretés ioniques expliquent le choix du PEEK pour les outils et les fixations dans les processus chimiques de fabrication des semi-conducteurs. Sa faible production de fumée, sa résistance structurelle et sa résistance thermique font partie des avantages du PEEK pour les composants aéronautiques. Les grades PEEK non modifiés, conformes aux normes de la FDA en matière de roulements et d’usure, servent également à une variété d’applications en contact avec les aliments dans les équipements de traitement et d’emballage.
Les possibilités d’application du PEEK continuent de s’élargir avec le développement de nouvelles classes de ce thermoplastique à très hautes performances. Le PEEK XT haute température, par exemple, est destiné à des applications qui dépassaient les capacités thermiques des grades PEEK traditionnels. En outre, Solvay et Victrex ont élargi les utilisations du PEEK en développant des qualités biocompatibles.
PEEK haute température
Le PEEK haute température, développé par Solvay et désigné KetaSpire® PEEK XT, élargit les propriétés thermiques et mécaniques et donc la gamme d’applications de ce thermoplastique haute performance exceptionnel. Le matériau est un véritable PEEK. Il présente le même rapport éther (E)/cétone (K) de 2:1 qui confère au polymère une résistance chimique intrinsèquement supérieure à celle d’autres polyéthercétones résistant aux températures élevées.
Les résines KetaSpire PEEK XT haute température disponibles pour le moulage par injection et l’extrusion comprennent un grade non renforcé et des formulations renforcées de 30 % de fibres de verre et de carbone.
En ce qui concerne les performances thermiques, la température de transition vitreuse du PEEK XT de 170°C (338°F) est supérieure de 20°C (36°F) à celle du PEEK traditionnel non renforcé. Sa température de fusion est également plus élevée de 81°F (45°C). Le PEEK XT haute température conserve également sa résistance mécanique supérieure et ses excellentes propriétés électriques à des températures dépassant les capacités des grades PEEK traditionnels. Solvay indique que le PEEK XT présente un module de traction supérieur de 400 % et une résistance à la traction supérieure de près de 50 % à 160 °C (320 °F) par rapport au PEEK traditionnel. Il offre également une amélioration importante de la rigidité diélectrique et de la résistivité volumique pour les applications électriques exposées à des températures extrêmes plus élevées.
Les applications des différents grades de PEEK XT ultra haute performance tirent parti de leur plus grande résistance à des températures plus élevées, de leur isolation électrique et de leurs propriétés ablatives par rapport au PEEK traditionnel.
Les capacités de Drake en matière de PEEK XT haute température comprennent des pièces moulées par injection et des formes en stock pour l’usinage, ainsi que des pièces usinées CNC de précision. Tous sont basés sur le PEEK KetaSpire XT-920 NT non renforcé, le KetaSpire XT-920 CF30 renforcé de 30 % de fibres de carbone et le KetaSpire XT-920 GF30 renforcé de 30 % de verre de Solvay.
Grades PEEK médicaux et biocompatibles
Le PEEK offre plusieurs avantages par rapport aux métaux et autres matériaux pour les applications médicales et les sciences de la vie. La résistance inhérente du matériau aux produits chimiques, aux rayons gamma et à la vapeur à haute pression prolonge la durée de vie des instruments et des dispositifs qui nécessitent des cycles d’autoclave et de stérilisation fréquents. La légèreté est un avantage pour les outils chirurgicaux et dentaires. La possibilité de mouler par injection le PEEK permet également une reproductibilité économique et exacte des outils et des dispositifs dans le cadre d’une production en grande série. Plusieurs grades de PEEK sont disponibles et répondent aux exigences de conformité et de certification pour ces applications et d’autres applications de l’industrie médicale.
Les grades PEEK implantables, y compris, ont également été largement acceptés dans le domaine médical. Ils offrent une grande résistance ainsi qu’une radiotransparence, un avantage pour visualiser les dispositifs implantés par diverses méthodes d’imagerie médicale.
Victrex a développé une famille de grades biocompatibles sous la désignation PEEK-Optima™ qui ont été acceptés pour les composants et les dispositifs destinés aux implants humains à court terme et permanents. Ces qualités sont gérées de manière rigoureuse par invibio® Biomaterials Solutions, une société Victrex, et portent la désignation commerciale PEEK-Optima™.
Solvay propose également un portefeuille de grades de PEEK biocompatibles pour des applications implantables et non implantables. Ces matériaux portent la marque Zeniva® PEEK et sont mis à la disposition des entreprises qualifiées de l’industrie médicale dans des conditions rigoureusement contrôlées.
Développement de produits Drake et usinage de produits PEEK avancés
Le développement de processus et de produits dans de nouveaux matériaux tels que le PEEK XT à haute température est également une préoccupation majeure de Drake. Nos investissements dans ce domaine permettent aux ingénieurs et aux prescripteurs d’accéder à de nouveaux thermoplastiques à hautes performances dans une large gamme de dimensions et de configurations de pièces usinées. Les capacités de Drake en matière de moulage par injection sont également disponibles pour assurer une transition transparente entre les pièces usinées et les pièces moulées lorsque les volumes justifient l’investissement dans l’outillage.
Nos systèmes rigoureux de contrôle de la qualité et nos certifications ont également fait de Drake un partenaire compétent et de confiance pour l’extrusion, l’usinage et le moulage de composants pour les clients de l’industrie médicale et des sciences de la vie qui nous fournissent les pièces brutes et les polymères Zeniva® PEEK implantables de Solvay.
