ポリエーテルエーテルケトン (PEEK)
適切なグレードを選択するにはどうすればよいですか?
ポリエーテルエーテルケトンは一般に PEEK と略されます。この高温耐性ポリマーは、その優れた機械的、熱的、化学的特性で知られています。このため、航空宇宙、自動車、医療、エレクトロニクス業界でこの製品が使用されています。
しかし、本当の疑問は、PEEK が他の高温プラスチックとどう違うのかということです。エンジニアが他の代替材料ではなく特に PEEK を選択するのはなぜですか?
このガイドでは、PEEK がどのように製造されるのか、分子レベルで何が起こるのかを説明します。次に、お客様の特定の要件と用途に基づいて、当社のプラットフォームで理想的な PEEK グレードを選択するお手伝いをします。
ピーク
定義、化学構造、および合成
PEEKプラスチックとは何ですか?
ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) は、ポリケトン ファミリーのポリマー (PEK、PEEK、PEEKK、PEKK、PEKEKK) に属します。
中でもPEEKは最も広く使用され量産されているタイプです。
略語 PEEK は、その化学骨格に関するすべての情報を明らかにします。
ポリ: 多くの繰り返し単位 (ポリマーです)
エーテル: 鎖内の酸素結合
エーテル: 別の酸素結合のセット
ケトン: カルボニル (C=O) 結合
この特殊な化学結合の配置こそが、PEEK に優れた特性を与えているのです。 Imperial Chemical Industries (ICI、後に Victrex PLC となる) によって 1980 年代初頭から商品化された PEEK は、完全にリサイクル可能なプラスチックです。
PEEKの化学構造
分子構成
分子レベルでは、PEEK はエーテル結合とケトン結合で結合された芳香環 (ベンゼン環構造) で構成されています。その構造は次のとおりです。
CAS 番号: 29658-26-2
化学名: ポリ(オキシ-1,4-フェニレン-オキシ-1,4-フェニレン-カルボニル-1,4-フェニレン)
化学式: (C19H14O3)n
繰り返し単位には次のものが含まれます。
3 つの芳香環 (剛性と熱安定性を提供)
2 つのエーテル結合 (-O-) (柔軟性と靭性を提供)
ケトン基（C=O）を1つ（耐薬品性と強度を向上）
芳香環は、硬くて耐熱性のある骨格を形成します。エーテル結合は、脆性を防ぐのに十分な柔軟性を提供します。ケトン基は耐薬品性と高温性能に貢献します。この正確な組み合わせこそが、PEEK を他のポリマーと区別するものです。
半結晶質の性質
PEEK は半結晶性ポリマーです。その内部構造には 2 つの領域があります。
PEEKの合成
PEEK ポリマーは、ビスフェノール塩の逐次重合 (求核置換重縮合) によって製造されます。
モノマーの準備
関与する 2 つの主なモノマーは次のとおりです。
4,4'-ジフルオロベンゾフェノンまたは1,4-ビス(4-フルオロベンゾイル)ベンゼン
ハイドロキノン
反応はアルカリ金属炭酸塩の存在下で行われる。ハイドロキノンは強塩基（例えば炭酸ナトリウム）で処理されてナトリウム塩を形成します。
重合
ヒドロキノンのナトリウム塩は、極性非プロトン性溶媒（例えば、ジフェニルスルホン）中、高温（約３００℃）で４，４'－ジフルオロベンゾフェノンと反応する。
この反応は求核芳香族置換反応であり、フェノラート塩がジフルオロベンゾフェノンのフッ素原子を攻撃し、エーテル結合を形成します。
重合プロセスは継続し、ますます長いポリマー鎖を形成します。
分離と精製
得られたポリマー溶液を冷却し、非溶媒 (水など) に沈殿させて PEEK ポリマーを分離します。
次いで、ポリマーを洗浄し、乾燥させて不純物を除去する。
このポリマーは、その剛直な芳香族ポリマー主鎖により、市販されているすべてのポリマーの中で最も高い熱転移温度を示します。したがって、240℃までの温度で使用できます。
他の高温ポリマーとの性能比較
PEEK は、機械的、化学的、電気的、熱的特性の独自の組み合わせを提供します。用途に適したグレードを選択するには、PEEK の独自の特性を理解することが重要です。 PEEK ポリマーの特徴的な特性を見てみましょう。
物理的特性
PEEK は、半結晶性の高性能エンジニアリング熱可塑性プラスチックです。
結晶性により、幅広い液体に対する優れた耐性が得られます。耐疲労性にも優れています。
PEEK はすべての一般的な溶媒に不溶であり、加水分解を受けません。
蒸気または加圧水中で 1000 時間使用しても、重大な性能低下はありません。したがって、PEEK は高温での滅菌に対して優れた耐性を備えています。
PEEK は、優れた寸法安定性、固有の純度、生体適合性を備えています。
機械的性質
PEEK ポリマーは優れた機械的特性を示します。
PEEK は、優れた引張特性、高強度、靭性を備えています。
このポリマーは優れた耐クリープ性も示します。曲げ特性と引張特性と組み合わせることで、優れたバランスの性能を実現します。たとえば、材料が高温での高荷重に永久変形することなく長期間耐える必要がある用途などです。
PEEK は非常に高温でも良好な曲げ弾性率を維持します。
PEEK 製の部品は軽量です。過酷な環境でもより長く働くことができます。
熱特性
PEEK とその複合材料は、航空宇宙、自動車、構造、電気、生物医学用途などの高温用途に適しています。 PEEK ポリマーが示す熱特性には次のものがあります。
高融点 (Tm): 343°C
高いガラス転移温度 (Tg): 143°C
高い連続使用温度: 最大 260°C
電気的特性
PEEK ポリマーは、高い体積抵抗率と表面抵抗率を示します。
PEEK は広い温度範囲にわたって良好な絶縁特性を維持し、環境変化の影響をほとんど受けません。
可燃性
PEEK は厚さ 1.45 mm で V0 の難燃性評価を持っています。
PEEK の限界酸素指数 (LOI) は 35% です。
発煙や有毒ガスの発生が極めて少ないです。
補強材
PEEK ポリマーに強化材を追加すると、耐クリープ性と耐疲労性が向上し、熱伝導率と熱たわみ温度がさらに向上します。例えば：
ポリマーの曲げ弾性率は、ガラス繊維と炭素繊維を添加することによって増加させることができます。
カーボンファイバーで強化すると、最大 299°C まで性能を維持しながら、29,000 psi (約 200 MPa) もの高い引張強度を達成できます。
以下の表は、未充填 PEEK グレードと充填 PEEK グレードの特性を比較しています。
PEEK と他の高温ポリマーの比較
ポリエーテルエーテルケトンは、他の高温ポリマーと比較して非常に優れた特性を示します。
PEEKはフッ素樹脂と比較して、引張強さ、熱たわみ温度、使用温度、接着性、加工性、有毒ガス排出性に優れています。ただし、耐薬品性、コスト、靭性、耐紫外線老化性の点で若干劣ります。
PEEKはポリフェニレンサルファイド（PPS）に比べて、耐熱性、靱性、バリ抑制性に大幅に優れています。
ポリエーテルスルホン (PES) と比較して、PEEK はより高い温度性能、耐摩耗性、耐薬品性、耐疲労性を備えています。
PEEK は通常、他のポリマーとブレンドされません。ただし、他のさまざまなポリケトンやポリエーテルイミド (PEI) と混和性ブレンドを形成することはできます。 PEEK/PEI ブレンドの Tg はより高くなります。 PESおよびPPSとのブレンドは高い相溶性を持っています。
PEEKプラスチックの限界への対処
用途に合わせて PEEK グレードを選択する場合は、次の制限を考慮する必要があります。
高価ですが、最も要求の厳しいアプリケーションに適しています。
高温での処理が必要です。
濃硫酸、硝酸、クロム酸に侵される可能性があります。
ハロゲンやナトリウムによって攻撃される可能性があります。
紫外線に対する耐性が低い。
物理的形状と加工技術
ポリエーテルエーテルケトンは、以下に説明する様々な従来の方法によって処理することができる。 PEEK を成形するために使用される加工条件は、PEEK の結晶化度と機械的特性に影響を与えます。線状熱可塑性プラスチックである PEEK は、温度範囲 (370 ～ 420°C) で溶融加工できます。 PEEKの加工時に腐食性ガスが発生しません。
PEEKの形態
PEEK ポリマーのさまざまな形態は、最終的なプラスチック部品の効率に影響します。これに基づいて PEEK グレードを選択すると、生産の中断や不必要な設備投資を回避できます。市販の物理的形態の PEEK には次のようなものがあります。
ペレット: 射出成形および押出プロセス用の小さくて均一なペレット。
パウダー: 圧縮成形、粉体塗装、積層造形に適した微粒子です。
ロッド: カスタム パーツに加工するためのブランク形状。
顆粒: ペレットに似ていますが、通常はより大きく、さまざまな成形プロセスに使用されます。
成形欠陥を避けるため、PEEK を加工する前に 150°C で 3 時間、または 180°C で 2 時間乾燥することをお勧めします。
PEEKの加工方法
PEEK は以下のような従来の方法で加工されます。各プロセスの処理ガイドラインを以下に説明します。
射出成形
結晶性を良くし、反りを最小限に抑えるために、金型温度は 160 ～ 190°C にすることをお勧めします。
後結晶化は 200°C で実行できますが、高い寸法安定性が必要な用途には推奨されません。
PEEK は、寸法公差が厳しい非常に小さな部品の射出成形に適しています。
射出圧力：70～140MPa
金型収縮率: 未充填 – 1.2 ～ 2.4%、充填済み – 0.1 ～ 1.1%
押し出し
冷却温度は結晶化度に大きな影響を与え、ひいては特性にも影響を与えます。
フィルムおよびシートの押出では、ロールを 50°C で冷却すると、透明な非晶質材料が得られます。
ロールを 170°C で冷却すると、不透明で結晶性の高い材料が得られます。
延伸フィルムまたは二軸延伸フィルムは、押出成形によって製造することもできます。
3D プリント
PEEK のユニークな特性のおかげで、3D プリントでは、他の技術では製造できないほぼすべての複雑な設計ジオメトリを構築できます。 PEEK フィラメントを使用した 3D プリントでは、通常、溶融堆積モデリング (FDM) または溶融フィラメント製造 (FFF) 方法が使用されます。
ノズル温度: 360-400°C
加熱床温度: 120°C
(ABS などの他の一般的な FFF 材料と比較して) 吸湿性が低いため、PEEK はフィラメント製造の優れた候補です。
持続可能性
持続可能な PEEK グレードを選択する際に考慮すべき重要な側面を以下に示します。
リサイクル性: PEEK は完全にリサイクル可能なプラスチックです。ただし、材料の高性能特性とコストのために、これは複雑なプロセスです。一般的なリサイクル方法には、機械的リサイクルと化学的リサイクルが含まれます。
VOC 排出量: PEEK の製造プロセスでは高温溶融重合が使用されており、VOC 排出量が少ない溶剤の必要性が削減されます。 PEEK の製造に使用される原材料は比較的安定しているため、加工中にガスが発生しにくくなっています。
バイオベースのバージョン: 100% バイオベースの PEEK はまだ大規模に利用可能ではありません。ただし、この分野では大きな進歩が見られました。一部の企業は、PEEK の部分的にバイオベースのバージョンに取り組んでおり、多くの場合、石油ベースの代替品と同様の特性を示します。
再生可能原料: 一部のイノベーターは、PEEK 製造プロセスの前駆体である持続可能な再生可能またはバイオベースの MDA (4,4'-メチレンジアニリン) を生産しています。
規制順守: PEEK は、FDA 規制に従って、食品と接触する用途に対して安全であると考えられています。多くの PEEK グレードは REACH および RoHS 指令にも準拠しています。
PFAS フリー: PEEK の化学構造にはフッ素化化合物が含まれていないため、パー/ポリフルオロアルキル物質 (PFAS) を含まない材料を必要とする用途にとって魅力的な選択肢となります。
ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) の用途
PEEK は航空宇宙、自動車、電気、医療業界で使用されています。堅牢性と耐久性に優れているため、化学工業やエンジニアリング産業の装置製造にも使用されています。一般的な例としては、ベアリング、ピストン部品、ポンプ、HPLC カラム、コンプレッサー プレート バルブ、ケーブル絶縁などが挙げられます。そのアプリケーションのいくつかを詳しく見てみましょう。
自動車産業
エンジン コンパートメントの小型化の傾向に合わせて、PEEK は金属に代わるソリューションを提供し、軽量化、騒音の低減、機能の統合を可能にします。
ポリエーテルエーテルケトンの最も重要な性能上の利点は、強化された乾燥表面と潤滑表面の相互作用、広い温度範囲にわたる優れた機械的特性、加工の容易さ、および優れた疲労性能にあります。
PEEK の主な自動車用途には次のものがあります。
エンジンルーム内のピストンユニット
シール
ガスケット
ベアリング
トランスミッション、ブレーキ、エアコンなどの各種可動部品
航空宇宙
PEEK ポリマーとその複合材料は、多くの航空機部品においてアルミニウムやその他の金属に取って代わりつつあります。
微細な公差を持つ大量の大容量部品をコスト効率よく成形し、組み立てや改造を行わずに直接使用できます。
航空宇宙市場における PEEK の用途には次のものがあります。
重要なエンジン部品: ポリマーは高温、および乾燥した潤滑された材料の接触による摩擦相互作用に耐えることができるためです。
航空機外装部品: PEEK は優れた耐雨浸食性を提供します。
内装部品: 固有の難燃性と煙や有毒ガスの排出が少ないため、火災時の危険が軽減されます。
電気システム:電線や光ファイバーを保護するジャバラの製造に。
医療とヘルスケア
ポリエーテルエーテルケトンは、優れた耐摩耗性、耐熱性、電気絶縁性、耐薬品性を備えた、コスト効率の高い革新的なコンポーネントを提供します。ヘルスケアにおけるその用途には、主に歯科用器具、内視鏡、透析装置が含まれます。
PEEK は、歯科用シリンジのハンドルや根管ファイルを保管する滅菌ボックスのアルミニウムを置き換えています。
このポリマーは、通常温度が 134°C に達するオートクレーブ サイクルを 3,000 回まで耐えることができます。
熱水、蒸気、溶剤、化学薬品の存在下でも、優れた機械的強度、優れたストレスクラック耐性、加水分解安定性を維持します。
耐荷重インプラントの生体適合性が向上します。
電気・電子
ポリエーテルエーテルケトンは優れた電気特性を持っており、理想的な電気絶縁体です。電力市場や電子アプリケーションで使用されます。
PEEK は、温度、圧力、周波数の幅広い変動に対して長期的な動作信頼性を部品に提供します。
その固有の純度は、優れた機械的および化学的安定性と組み合わされて、シリコンウェーハの取り扱い中の汚染を最小限に抑え、安全性を最大限に高めます。
優れた熱特性により、PEEK ポリマー部品ははんだ付け時の高温に耐えることができます。
現在のアプリケーションの興味深い例としては、次のものが挙げられます。ハンズフリー電話キット用の同軸コネクタ ジャック。表面実装トリミングポテンショメータ (プリント基板上の電圧または抵抗の誤差を修正するために設計された、SMD と呼ばれる電気機械デバイス)。海中環境制御機器のコネクタピンとして使用される絶縁体。
その他の主要市場
PEEK ポリマーは、工業、化学、加工産業で使用される多くの部品において金属やその他の材料よりも優れた性能を発揮します。
FDA の承認を受けて、PEEK ポリマーは食品と接触する用途に使用されるようになりました。
PEEK は再生ポンプのインペラのステンレス鋼を置き換えています。摩耗が大幅に軽減され、騒音レベルが低下し、より安定した動作特性が得られます。
最新のコネクタ技術では、ポリエーテルエーテルケトンはパイプやホースの接続にも大きな応用可能性をもたらします。最大 25,000 psi の圧力と最大 260°C の温度に耐えることができます。
