Un remarcabil în rezistența la radiații:

Polieter eter cetonă (PEEK) Plastic de inginerie

 

 

Fundația structurală a PEEK: rezistența la radiații în mod inerent robustă

Rezistența la radiații a PEEK nu este accidentală; ia naștere din arhitectura sa moleculară distinctivă.

Coloana vertebrală moleculară robustă:  PEEK conține numeroase inele benzenice (aromatice), împreună cu grupări cetonice (-CO-) puternic polare și legături eterice (-O-). Sistemul de legături pi conjugate extrem de stabil al inelelor aromatice absoarbe și dispersează energia din radiațiile cu energie înaltă, ajutând la prevenirea scindării lanțului molecular. Această structură a inelului aromatic este esențială pentru rezistența la radiații a PEEK. 

Energie mare de legătură:  legăturile CC și CO din lanțul polimeric au energii mari de legătură și necesită energie substanțială pentru a se rupe. Radicalii liberi generați de iradiere sunt, prin urmare, mai puțin probabil să declanșeze scisarea lanțului principal (degradare) și mai probabil să promoveze reticularea.

Reticulare mai degrabă decât degradare:  în timpul iradierii, PEEK suferă în mod predominant reticulare între lanțuri, mai degrabă decât degradare prin scisarea lanțului. Rețeaua tridimensională rezultată poate crește ușor fragilitatea, dar ajută la păstrarea integrității structurale și a rezistenței mecanice, evitând fragilizarea rapidă și pudrarea observate în multe materiale plastice de bază.

Cum funcționează PEEK sub iradiere

Cercetările indică faptul că PEEK poate rezista la doze foarte mari de radiații, păstrând în același timp performanța utilă.

Toleranță la doze mari:  PEEK poate tolera mai mult de 1.000 kGy (aproximativ 100 Mrad) fără eșec catastrofal. Prin comparație, multe materiale plastice de uz general se deteriorează grav la doze de numai 10-100 kGy. Unele studii raportează că PEEK păstrează încă un grad de performanță mecanică chiar și după expunerea la 5.000 kGy.

Reținerea proprietăților mecanice:  înainte de atingerea dozei critice, rezistența la tracțiune a PEEK, modulul elastic și alte proprietăți mecanice scad lent. În primele etape ale iradierii, reticularea poate provoca chiar și o ușoară creștere a modulului, în timp ce o mare parte din tenacitatea materialului poate fi de asemenea reținută.

Performanță electrică stabilă:  PEEK este un izolator electric excelent. Deși rezistivitatea sa în volum scade sub iradiere, reducerea este mult mai mică decât în ​​multe alte materiale izolante, cum ar fi rășina epoxidice, ajutând componentele electrice să mențină o izolație fiabilă în timpul expunerii pe termen lung la radiații.

Degazare scăzută:  în medii cu radiații cu vid înalt, substanțele volatile eliberate de un material pot contamina instrumentele de precizie, cum ar fi telescoapele spațiale și detectoarele de particule. PEEK are o volatilitate extrem de scăzută și generează foarte puțin gaz după iradiere, ceea ce îl face bine potrivit pentru aplicații cu grad ridicat de curățenie.

Randamentul radiochimic (G)  se referă la numărul de radicali, ioni, molecule sau alți produși generați atunci când 1 g de material absoarbe 100 eV de energie. Un randament mai mic de radicali indus de radiații indică, în general, o rezistență mai puternică la radiații. Tabelul de mai jos listează randamentele tipice de radicali pentru poliariletercetone selectate. Randamentul este mai mare la probele iradiate în vid decât în ​​aer și mai mare la 77 K decât la 300 K în vid. Cu alte cuvinte, randamentul radicalilor scade pe măsură ce temperatura de iradiere crește sub vid și, de asemenea, scade pe măsură ce conținutul de oxigen crește la aceeași temperatură de iradiere.

Factori cheie care afectează rezistența la radiații PEEK

Rezistența la radiații a PEEK nu este absolută; depinde de mai mulți factori:

Tipul de radiație și energie:  razele gamma, electronii, protonii și neutronii interacționează cu materialele prin mecanisme diferite și, prin urmare, provoacă diferite forme și grade de daune. Radiația cu putere ionizantă puternică și penetrare mare tinde să afecteze proprietățile în vrac mai uniform, în timp ce particulele de înaltă energie pot produce daune localizate mai pronunțate.

Mediu de iradiere - condiții bogate în oxigen (aer):  Acesta este cel mai solicitant mediu. Oxigenul reacționează cu radicalii generați de radiații, accelerând degradarea oxidativă și provocând îngălbenirea, fragilizarea și o scădere mult mai rapidă a performanței decât în ​​mediile cu vid sau fără oxigen.

Condiții inerte (vid sau gaz inert):  PEEK funcționează cel mai bine fără oxigen. Reticulare devine reacția dominantă, prelungind substanțial durata de viață a materialului.

Temperatura:  temperaturile ridicate intensifică modificările chimice induse de radiații și accelerează oxidarea și degradarea. Prin urmare, căldura și radiațiile combinate impun o provocare mai gravă. Cu toate acestea, PEEK păstrează un avantaj datorită rezistenței sale inerente la căldură, cu temperaturi de funcționare pe termen lung de până la 250°C.

Aditivi:  Rășina neat PEEK oferă cea mai puternică rezistență intrinsecă la radiații. Armăturile precum fibra de sticlă sau de carbon pot introduce defecte de interfață care devin puncte de concentrare a tensiunii în timpul iradierii, provocând potențial o reducere modestă a toleranței la radiații. Acesta este de obicei un compromis acceptat atunci când este necesară o rezistență mecanică mai mare.

Aplicații tipice

Reactoare nucleare:  izolarea cablurilor, învelișul senzorului, etanșările, rulmenții și alte componente interne care trebuie să reziste pe termen lung la iradierea cu neutroni și gama.

Manipularea deșeurilor nucleare:  Componente pentru echipamentele utilizate pentru a conține sau prelucra materiale radioactive.

Sateliți și stații spațiale:  sisteme de cabluri și cabluri, conectori și suporturi structurale care trebuie să rămână stabile în timpul expunerii pe termen lung la radiațiile cosmice și particulele încărcate.

Acceleratoare de particule:  componente ale detectoarelor și izolatoare ale camerei de vid utilizate în câmpuri de radiații intense, inclusiv instalații precum Large Hadron Collider (LHC).

Sterilizarea dispozitivelor medicale:  Carcase și structuri interne pentru instrumente chirurgicale sterilizate prin radiații gamma sau fascicule de electroni, permițând cicluri repetate de sterilizare cu îmbătrânire limitată.

Electronică:  Izolație și încapsulare pentru componentele electronice care funcționează în medii specializate, cum ar fi zonele din apropierea centralelor nucleare.

Rezumat și Outlook 

Datorită structurii sale moleculare aromatice distinctive, polieter eter cetonă (PEEK) oferă o rezistență la radiații care depășește majoritatea materialelor plastice de inginerie. Capacitatea sa de a menține integritatea structurală și proprietățile fizice și mecanice cheie la temperaturi ridicate și doze mari de radiații îl face un material remarcabil pentru ingineria mediului extrem.