ความโดดเด่นในด้านความต้านทานรังสี:

พลาสติกวิศวกรรม Polyether Ether Ketone (PEEK)

 

 

รากฐานโครงสร้างของ PEEK: ทนทานต่อรังสีที่แข็งแกร่งโดยเนื้อแท้

ความต้านทานรังสีของ PEEK ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ มันเกิดขึ้นจากสถาปัตยกรรมโมเลกุลที่โดดเด่น

แกนหลักโมเลกุลที่แข็งแกร่ง:  PEEK ประกอบด้วยวงแหวนเบนซีน (อะโรมาติก) จำนวนมาก พร้อมด้วยหมู่คีโตนที่มีขั้วรุนแรง (-CO-) และการเชื่อมโยงอีเทอร์ (-O-) ระบบพันธะไพคอนจูเกตที่มีความเสถียรสูงของวงแหวนอะโรมาติกจะดูดซับและกระจายพลังงานจากการแผ่รังสีพลังงานสูง ซึ่งช่วยป้องกันการแตกตัวของสายโซ่โมเลกุล โครงสร้างวงแหวนอะโรมาติกนี้เป็นศูนย์กลางของการต้านทานรังสีของ PEEK 

พลังงานพันธะสูง:  พันธะ CC และ CO ในสายโซ่โพลีเมอร์มีพลังงานพันธะสูงและต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการแตกตัว อนุมูลอิสระที่เกิดจากการฉายรังสีจึงมีโอกาสน้อยที่จะกระตุ้นให้เกิดการแยกส่วนของสายโซ่หลัก (การย่อยสลาย) และมีแนวโน้มที่จะส่งเสริมการเชื่อมโยงข้ามมากขึ้น

การเชื่อมโยงข้ามมากกว่าการย่อยสลาย:  ภายใต้การฉายรังสี PEEK จะผ่านการเชื่อมโยงข้ามแบบ interchain เป็นหลักมากกว่าการย่อยสลายแบบ chain-scission โครงข่ายสามมิติที่เกิดขึ้นอาจเพิ่มความเปราะเล็กน้อย แต่ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างและความแข็งแรงทางกล หลีกเลี่ยงการเปราะและการแตกเป็นผงอย่างรวดเร็วที่พบในพลาสติกสินค้าโภคภัณฑ์หลายชนิด

PEEK ทำงานอย่างไรภายใต้การฉายรังสี

การวิจัยระบุว่า PEEK สามารถทนต่อปริมาณรังสีที่สูงมากในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพที่เป็นประโยชน์ไว้

ความทนทานต่อปริมาณรังสีสูง:  PEEK สามารถทนได้มากกว่า 1,000 kGy (ประมาณ 100 Mrad) โดยไม่เกิดความล้มเหลวร้ายแรง เมื่อเปรียบเทียบแล้ว พลาสติกเอนกประสงค์หลายชนิดจะเสื่อมสภาพอย่างรุนแรงที่ปริมาณเพียง 10-100 kGy การศึกษาบางชิ้นรายงานว่า PEEK ยังคงรักษาระดับประสิทธิภาพเชิงกลได้แม้ว่าจะสัมผัสกับ 5,000 kGy ก็ตาม

การคงรักษาคุณสมบัติทางกล:  ก่อนที่จะถึงปริมาณวิกฤติ ความต้านทานแรงดึง โมดูลัสยืดหยุ่น และคุณสมบัติทางกลอื่นๆ ของ PEEK จะลดลงอย่างช้าๆ ในช่วงแรกของการฉายรังสี การเชื่อมขวางอาจทำให้โมดูลัสเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ในขณะที่ยังคงความเหนียวของวัสดุไว้ได้มาก

ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เสถียร:  PEEK เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม แม้ว่าความต้านทานปริมาตรจะลดลงภายใต้การฉายรังสี แต่การลดลงนั้นน้อยกว่าวัสดุฉนวนอื่นๆ มาก เช่น อีพอกซีเรซิน ช่วยให้ส่วนประกอบทางไฟฟ้ารักษาฉนวนที่เชื่อถือได้ในระหว่างการสัมผัสกับรังสีในระยะยาว

การปล่อยก๊าซออกต่ำ:  ในสภาพแวดล้อมการแผ่รังสีสุญญากาศสูง สารระเหยที่ปล่อยออกมาจากวัสดุสามารถปนเปื้อนเครื่องมือที่มีความแม่นยำ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศและเครื่องตรวจจับอนุภาค PEEK มีความผันผวนต่ำมากและสร้างก๊าซน้อยมากหลังจากการฉายรังสี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความสะอาดสูง

ผลผลิตเคมีกัมมันตภาพรังสี (G)  หมายถึงจำนวนของอนุมูล ไอออน โมเลกุล หรือผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุ 1 กรัมดูดซับพลังงาน 100 eV โดยทั่วไปผลผลิตอนุมูลที่เกิดจากรังสีที่ต่ำกว่าบ่งชี้ถึงความต้านทานรังสีที่แข็งแกร่งกว่า ตารางด้านล่างแสดงผลตอบแทนจากรากทั่วไปสำหรับโพลีเอรีเลเธอร์คีโตนที่เลือก ผลผลิตจะสูงกว่าสำหรับชิ้นงานที่ฉายรังสีในสุญญากาศมากกว่าในอากาศ และสูงกว่าที่ 77 K มากกว่าที่ 300 K ในสุญญากาศ กล่าวอีกนัยหนึ่ง อัตราผลตอบแทนจากอนุมูลอิสระจะลดลงเมื่ออุณหภูมิการฉายรังสีเพิ่มขึ้นภายใต้สุญญากาศ และยังลดลงเมื่อปริมาณออกซิเจนเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิการฉายรังสีเท่ากัน

ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความต้านทานการแผ่รังสี PEEK

ความต้านทานรังสีของ PEEK นั้นไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ:

ประเภทรังสีและพลังงาน:  รังสีแกมมา อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนทำปฏิกิริยากับวัสดุผ่านกลไกที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงทำให้เกิดรูปแบบและระดับความเสียหายที่แตกต่างกัน การแผ่รังสีที่มีพลังไอออไนซ์สูงและการทะลุทะลวงสูงมีแนวโน้มที่จะส่งผลต่อคุณสมบัติมวลรวมสม่ำเสมอมากขึ้น ในขณะที่อนุภาคพลังงานสูงอาจทำให้เกิดความเสียหายเฉพาะที่ที่เด่นชัดมากขึ้น

สภาพแวดล้อมในการฉายรังสี - สภาวะที่มีออกซิเจนสูง (อากาศ):  นี่เป็นสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการมากที่สุด ออกซิเจนทำปฏิกิริยากับอนุมูลที่เกิดจากการแผ่รังสี เร่งการย่อยสลายแบบออกซิเดชัน และทำให้เกิดสีเหลือง การเปราะ และประสิทธิภาพลดลงเร็วกว่าในสภาพแวดล้อมสุญญากาศหรือปราศจากออกซิเจน

สภาวะเฉื่อย (สุญญากาศหรือก๊าซเฉื่อย):  PEEK ทำงานได้ดีที่สุดหากไม่มีออกซิเจน การเชื่อมขวางกลายเป็นปฏิกิริยาหลัก ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของวัสดุได้อย่างมาก

อุณหภูมิ:  อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดจากรังสีรุนแรงขึ้น และเร่งการเกิดออกซิเดชันและการย่อยสลาย ความร้อนและการแผ่รังสีรวมกันจึงเป็นความท้าทายที่รุนแรงยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม PEEK ยังคงได้เปรียบเนื่องจากมีการต้านทานความร้อนโดยธรรมชาติ โดยมีอุณหภูมิการใช้งานระยะยาวสูงถึง 250°C

สารเติมแต่ง:  เรซิน PEEK เรียบร้อยมีความต้านทานรังสีจากภายในที่แข็งแกร่งที่สุด การเสริมกำลัง เช่น แก้วหรือคาร์บอนไฟเบอร์อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่ผิวหน้าซึ่งกลายเป็นจุดรวมความเครียดในระหว่างการฉายรังสี ซึ่งอาจส่งผลให้ความทนทานต่อรังสีลดลงเล็กน้อย โดยทั่วไปนี่เป็นข้อแลกเปลี่ยนที่ยอมรับได้เมื่อต้องการความแข็งแรงทางกลที่มากขึ้น

การใช้งานทั่วไป

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์:  ฉนวนสายเคเบิล เปลือกเซ็นเซอร์ ซีล แบริ่ง และส่วนประกอบภายในอื่นๆ ที่ต้องทนต่อการฉายรังสีแกมมาและนิวตรอนในระยะยาว

การจัดการขยะนิวเคลียร์:  ส่วนประกอบสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ในการบรรจุหรือแปรรูปวัสดุกัมมันตภาพรังสี

ดาวเทียมและสถานีอวกาศ:  ระบบสายไฟและเคเบิล ขั้วต่อ และส่วนรองรับโครงสร้างที่ต้องคงที่ในระหว่างการสัมผัสกับรังสีคอสมิกและอนุภาคที่มีประจุในระยะยาว

เครื่องเร่งอนุภาค:  ส่วนประกอบของเครื่องตรวจจับและฉนวนห้องสุญญากาศที่ใช้ในสนามรังสีที่รุนแรง รวมถึงสิ่งอำนวยความสะดวก เช่น เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC)

การฆ่าเชื้อในอุปกรณ์ทางการแพทย์:  โครงสร้างภายในและโครงสร้างภายในของเครื่องมือผ่าตัดที่ผ่านการฆ่าเชื้อด้วยรังสีแกมมาหรือลำแสงอิเล็กตรอน ช่วยให้สามารถฆ่าเชื้อซ้ำได้โดยมีอายุที่จำกัด

อิเล็กทรอนิกส์:  ฉนวนและการห่อหุ้มสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมเฉพาะ เช่น พื้นที่ใกล้โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

สรุปและแนวโน้ม 

ด้วยโครงสร้างโมเลกุลอะโรมาติกที่โดดเด่น โพลีอีเทอร์อีเทอร์คีโตน (PEEK) จึงมีความต้านทานรังสีที่เหนือกว่าพลาสติกวิศวกรรมส่วนใหญ่ ความสามารถในการรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างและคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่สำคัญภายใต้อุณหภูมิสูงและปริมาณรังสีที่สูง ทำให้เป็นวัสดุที่โดดเด่นสำหรับวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมสุดขีด