PPSU Plastic: Benchmark of 3D Printing Engineering Plastics com alta temperatura e resistência à corrosão

Introdução

A resina de polifenileno sulfona (PPSU) é um polímero aromático termoplástico de alto desempenho, conhecido por sua excelente resistência ao calor, resistência à corrosão química, biocompatibilidade e estabilidade dimensional. Como um plástico de engenharia de ponta no campo da impressão 3D, a PPSU mostrou vantagens insubstituíveis em aplicações de ambiente extremo, como indústrias aeroespacial, médica e química. Este artigo analisará de forma abrangente o valor dos plásticos da PPSU na impressão 3D das dimensões das propriedades do material, da tecnologia de impressão, dos cenários de aplicação e das tendências futuras.

1. Características centrais dos plásticos da PPSU para impressão 3D

Extrema resistência ao calor

A PPSU tem uma temperatura de transição vítrea (TG) de até 205 ° C, um ponto de fusão de cerca de 280 ° C e uma temperatura de uso a longo prazo acima de 180 ° C. É o material com a segunda maior resistência à temperatura entre todos os materiais termoplásticos após a espiada. Sua temperatura de deformação por calor (HDT) está 207 ° C sob uma carga de 0,45 MPa, adequada para peças periféricas do motor da aeronave ou tubulações de entrega de fluidos de alta temperatura.

Excelente resistência química

A PPSU é completamente estável para meios corrosivos fortes, como ácido sulfúrico concentrado, ácido nítrico, álcalis fortes, cetonas, ésteres, etc., e é corroído apenas por solventes de perfluorocarbono a altas temperaturas. Esse recurso o torna o material preferido para equipamentos químicos, componentes de células de combustível e engenharia marinha.

Equilíbrio de alta força e resistência

A PPSU tem uma resistência à tração de 80-90 MPa e um alongamento no intervalo de ＞ 100%. Possui resistência de alta resistência e impacto (força de impacto entalhada ＞ 10 kJ/m²), o que é melhor do que a maioria dos plásticos de engenharia. Sua densidade é de apenas 1,37 g/cm³, que é adequada para o projeto de peças estruturais leves.

Biocompatibilidade e compatibilidade de esterilização

Com a certificação de biocompatibilidade ISO 10993, a PPSU pode suportar esterilização a vapor de alta pressão (134 ° C/2 bar), óxido de etileno (ETO) e esterilização de raios gama, e é adequado para cenários médicos, como instrumentos e implantes cirúrgicos.

Estabilidade dimensional e resistência ao envelhecimento

A taxa de encolhimento é tão baixa quanto 0,3%-0,5%, e o desempenho pode permanecer estável, mesmo após a exposição a longo prazo a raios ultravioleta ou ambientes úmidos, tornando-o adequado para módulos fotovoltaicos ao ar livre ou equipamentos marinhos.

2. Áreas de aplicação centrais da PPSU na impressão 3D

Aeroespacial

Casos de aplicação: bocais de combustível do motor, suportes leves, componentes de isolamento de satélite.

Vantagens de desempenho: resistência a combustível de alta temperatura (sem degradação após imersão a longo prazo na aviação querosene), efeito significativo de redução de peso (50% mais leve que a liga de titânio).

Caso típico: a Boeing usa coletores de combustível PPSU impressos em 3D, que reduzem o peso em 35% e aumentam a vida útil da fadiga em 2 vezes.

Campo médico

Instrumentos cirúrgicos: o instrumento lida com resistência à esterilização de alta temperatura e alta pressão (resistente a esterilização de 134 ° C/2 bar).

Implantes: placas de fixação óssea porosa da PPSU (porosidade> 60%, tempo de ligação óssea reduzido em 40%).

Aplicações odontológicas: aparelhos ortodônticos transparentes (transmitância de luz> 85%), pilares implantes (excelente biocompatibilidade).

Químico e energia

Equipamento resistente à corrosão: revestimento do tanque de armazenamento de ácido sulfúrico concentrado (resistente a 98% de concentração de ácido sulfúrico), placas bipolares de células de combustível (vida útil> 50.000 horas).

Engenharia marinha: componentes da membrana de dessalinização da água do mar (resistente à corrosão de íons de cloreto), conectores de oleodutos submarinos (Projeto Vida de 50 anos).

Eletrônica e elétrica

Isoladores de alta frequência: Habitação do filtro da estação base 5G (constante dielétrica 2,9, perda dielétrica 0,0004).

Ponto de calor de chip: condutividade térmica 1,5 W/m · K, melhor que o material tradicional de espiada.

Proteção e energia ambiental

Módulos fotovoltaicos: caixa de junção resistente ao clima (sem envelhecimento após 2000 horas de irradiação ultravioleta), estrutura de suporte ao refletor fotovoltaico.

Equipamento de energia de hidrogênio: vedação do tanque de armazenamento de hidrogênio líquido (resistente à temperatura ultra baixa -253 ° C, sem fragilidade fria).

3. Gargalos técnicos e direções de desenvolvimento futuro

Desafios atuais

Altos custos de processamento: o preço do material PPSU puro é de 80 a 100 vezes o PLA e depende de importações (Solvay e Sumitomo são os principais fornecedores).

Complexidade do processo: são necessárias o controle de temperatura do circuito fechado e a proteção de gás inerte, e o pós-processamento (recozimento, polimento da superfície) leva muito tempo.

O envelhecimento a longo prazo: a exposição ultravioleta a longo prazo pode causar microcracks e os estabilizadores de luz HALS precisam ser adicionados.

Direção de avanço da tecnologia

Inovação do material: Desenvolva materiais compósitos PPSU de baixo custo (como enchimento mineral, reforço de fibra de vidro curto).

Otimização do processo: desenvolva equipamentos SLS colaborativos de vários laser para melhorar a velocidade e a precisão da impressão.

Integração da função: explore o compósito de PPSU e grafeno (a condutividade aumentou 10^5 vezes) ou reforço nano-cerâmico (a resistência ao desgaste aumentou 3 vezes).

Perspectivas de mercado

De acordo com a Grand View Research, o mercado global de impressão 3D de polímero de alto desempenho chegará a US $ 1,62 bilhão em 2023, dos quais a demanda da PPSU nos campos médicos e novos de energia representará mais de 50%. Com o desenvolvimento da economia de hidrogênio e da medicina personalizada, a PPSU pode se tornar um dos principais materiais para a fabricação de ponta.

Conclusão

Os plásticos da PPSU estão rompendo as limitações da fabricação tradicional em ambientes complexos e integração funcional com suas características triplas de "resistência à temperatura extrema, resistência à corrosão e biocompatibilidade". Apesar dos desafios do custo e do processo, com o avanço da tecnologia de modificação de materiais e da integração de vários processos, o potencial de aplicação da PPSU em componentes leves aeroespaciais, implantes médicos e equipamentos de energia de hidrogênio será liberada, impulsionando a indústria de fabricação a um alto desempenho, vida longa e sustentabilidade.