林永進(jìn)

（廈門寶太生物科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

聚醚醚酮（PEEK）是英國(guó)原ICI公司于1977年開發(fā)成功，并于20世紀(jì)80年代初期由英國(guó)的威格斯（Victrex）公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)的一種高性能特種工程塑料 ，被稱為塑料工業(yè)的金字塔尖。它具有耐熱等級(jí)高、耐化學(xué)腐蝕性、耐沖擊強(qiáng)度高、耐磨性和耐疲勞性、耐水解、電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天電子電氣、醫(yī)療能源電力、機(jī)械、汽車涂料等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用并成為不可或缺的關(guān)鍵材料。

1 PEEK材料的特性

PEEK是一種耐高溫、高性能的熱塑性特種工程塑料。它有著良好的機(jī)械性能和耐化學(xué)品、耐磨損、耐水解等性能；它比重輕，自潤(rùn)滑性能好，由于具有非常好的流動(dòng)性和加工性能，可以填充碳纖維、石墨、二硫化鉬等進(jìn)一步提高潤(rùn)滑性能和機(jī)械強(qiáng)度。PEEK材料的卓越性能主要表現(xiàn)在以下幾方面：

①耐高溫性：卓越的耐高溫特性，材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度介于143～162 ℃之間，熔點(diǎn)介于343～387℃之間。②機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性：優(yōu)異的強(qiáng)度、剛性和長(zhǎng)期耐蠕變和耐疲勞性能，使其可用以設(shè)計(jì)重量更輕、耐久性或強(qiáng)度更高的零部件，可與合金材料媲美。③耐磨性：PEEK在潮濕或干燥磨損環(huán)境中，具有低摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨性，特別是碳纖、石墨各占一定比例混合改性的PEEK自潤(rùn)滑性能更佳。④耐化學(xué)腐蝕性：對(duì)多種酸、堿、烴類和有機(jī)溶劑具有優(yōu)異的耐受性，甚至在高溫下也具有耐腐蝕性。⑤電氣性能：在極寬的頻率和溫度范圍內(nèi)可保持優(yōu)異的電氣性能，滿足電氣和電子工程應(yīng)用的苛刻要求。⑥環(huán)保特性：重量輕，可完全回收再利用、無鹵素、符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。⑦耐水解性：PEEK及其復(fù)合材料不會(huì)在水、蒸汽或海水中水解，用這種材料做成的制品在高溫高濕的環(huán)境中連續(xù)使用仍可保持優(yōu)異特性。⑧易加工性：可以采用注塑成型工藝直接加工出零件。可進(jìn)行車削、銑、鉆孔、攻絲、粘接及超聲波焊接等后加工。

2 PEEK材料的成型工藝

2.1 成型前的準(zhǔn)備

PEEK是一種線性芳香族半結(jié)晶態(tài)熱塑性材料，被公認(rèn)為是在可使用熱塑設(shè)備加工的綜合性能最佳的材料。在成型之前需要做好以下準(zhǔn)備：

①高溫性能：注塑PEEK所使用的注塑機(jī)，料筒須要能夠在370～400 ℃穩(wěn)定的工作 ，PEEK改性的注塑機(jī)料筒，需要配置高溫加熱圈和螺桿做CrN，溫度可以達(dá)到400～450 ℃。模具表面實(shí)測(cè)溫度必須達(dá)到170～200 ℃，注塑件產(chǎn)品才能達(dá)到的結(jié)晶度狀態(tài)，從而獲得預(yù)期的材料性能。②水分含量：PEEK材料在材料成型前必須進(jìn)行干燥，最好使用除濕干燥機(jī)，干燥溫度150 ℃/3H或120 ℃/5H，含水率測(cè)試≤0.02%。③清潔度：必須避免污染，建議采用專用干燥機(jī)干燥，干燥過程需要防范二次污染。④澆口和流道：PEEK流動(dòng)指數(shù)一般，模具設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考量，澆口和流道尺寸，需比一般工程塑料大。⑤包裝：PEEK材料一般密封在聚乙烯袋中，再裝入堅(jiān)固的紙板箱或扁平箱里。在后續(xù)的運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中，該材料一直密封保存在原包裝中。需要使用時(shí)，應(yīng)在清潔環(huán)境中打開箱子，并小心避免污染。⑥回收再利用：PEEK材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可以回收再利用的，回收未添加其他的純PEEK材料，一般不存在熱降解副作用。對(duì)于纖維填充的材料來說，回收再利用將導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度縮短，對(duì)機(jī)械性能會(huì)造成相應(yīng)的不利影響，PEEK回收料產(chǎn)品對(duì)比原料COC，降解率一般會(huì)30%內(nèi)。⑦凈化：PEEK材料對(duì)于注塑機(jī)需求，要求將料管和螺桿拆下，并進(jìn)行螺桿和料管壁拋光處理。停機(jī)超過10 min，需要對(duì)注塑機(jī)料管內(nèi)的料排除清潔，在逐漸地降低溫度停機(jī)。清潔料管的塑料推薦，溫度300～350 ℃時(shí)仍然保持性能穩(wěn)定的材料。

2.2 成型設(shè)備要求

PEEK材料建議使用高速、高溫、精密電動(dòng)注塑機(jī)進(jìn)行注塑，注塑機(jī)射出速度建議300 mm/s以上。

2.2.1 螺桿和料筒材料的選擇

和其他工程熱塑性材料一樣，PEEK料螺桿容易磨損，當(dāng)材料有添加纖維時(shí)，這個(gè)問題尤其嚴(yán)重。為了使磨損最小化，螺桿、模頭和料簡(jiǎn)必須加以硬化和防腐蝕。建議螺桿一般選用雙合金材質(zhì)，螺桿表面進(jìn)行涂層處理（CrN、TiN）。

2.2.2 料筒加熱

PEEK加工成型，所使用的注塑機(jī)料筒須要能夠在370～400 ℃穩(wěn)定的工作 ，PEEK改性料，需要配置高溫加熱圈和螺桿做CrN，溫度可以達(dá)到400～450℃。料筒下料口溫度應(yīng)保持在70～100 ℃，確保螺存料正常。

2.2.3 料筒容量

與所有聚合物加工一樣，材料的停留時(shí)間必須盡可能短。一模產(chǎn)品的重量（包括澆口和流道）材料，在螺桿料管停留的時(shí)間不超過5 min，計(jì)算公式如下：

料筒停留時(shí)間計(jì)算：

2.2.4 噴嘴和閉鎖系統(tǒng)

在正常操作過程中，整個(gè)循環(huán)周期的大部分時(shí)間內(nèi)料筒的噴嘴和模具的主澆口套都會(huì)互相接觸，而澆口套的溫度明顯低于熔融物和噴嘴。PEEK材料有一個(gè)很高的固化點(diǎn)Tc，如果溫度下降到Tc以下，熔融物將很快固化。因此，注塑機(jī)射嘴加熱圈功率選用特別重要（大功率加熱圈），射嘴需要保持和料管計(jì)量段一樣的溫度，以防止降溫和產(chǎn)生注塑冷料。

2.2.5 鎖模力

制品和流道在分型面上的投影面積決定了在最大射出壓力下，防止模具漲開所需的鎖模力。加工薄壁部件時(shí)的注射壓力可超過2 000 bar，特別是當(dāng)使用的材料是PEEK添加改性材料時(shí)，推薦計(jì)算公式如下：鎖模力=投影面積×模腔壓力×黏度系數(shù)K÷安全系數(shù)K11、熱塑性塑料流動(dòng)特性的分組及粘度等級(jí)（流動(dòng)能力）常數(shù)（K） 2、安全系數(shù)（K1）根據(jù)制品結(jié)構(gòu)的不同，取80%～100%此方法既考慮了材料間的差異，又考慮了不同制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的差異，同時(shí)考慮了模具設(shè)計(jì)這一因素

2.2.6 螺桿型號(hào)選擇

大部分通用和尼龍類型螺桿均適用于加工PEEK材料。PEEK材料對(duì)螺桿的長(zhǎng)徑比要求，長(zhǎng)徑比（L/D）18∶1和24∶1之間的L/D比值比較合適。

2.3 模具所需材料

生產(chǎn)PEEK料模具鋼材硬度通常要達(dá)到52～56 HRC。通常采用質(zhì)量?jī)?yōu)良的工具鋼8407或Unimax，它們具有良好的高溫強(qiáng)度、優(yōu)異的韌性、延展性和良好的可加工性。

2.3.1 排氣

為了使PEEK材料注塑時(shí)容易流動(dòng)，可以采用5～8μm深的排氣槽，流動(dòng)最遠(yuǎn)端可以采用10 ～15μm排氣槽，這樣就不會(huì)形成毛邊。 排氣槽的位置與部件設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

2.3.2 加熱

PEEK材料的模具生產(chǎn)時(shí)，模具表面實(shí)測(cè)溫度需要170～220 ℃，模具一般配備電加熱器或采用高溫型油溫機(jī)加熱方式，為了實(shí)現(xiàn)快速加熱，可以考慮將兩者結(jié)合使用，并同時(shí)使用溫度控制系統(tǒng)對(duì)模具進(jìn)行溫度控制。

2.3.3 澆口

模具澆口的尺寸和類型取決于注塑產(chǎn)品的體積、型腔數(shù)、制品的幾何形狀。為了減少收縮率和避免過多應(yīng)力集中，澆口應(yīng)盡可能大。

2.3.4 熱流道

PEEK材料熱流道系統(tǒng)一般選擇，直通式噴嘴的熱流道系統(tǒng)和針閥式熱流道系統(tǒng)。通常情況下，使用針閥式熱流道對(duì)于批量注塑生產(chǎn)，能夠較好地節(jié)約料頭，實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.4 成型參數(shù)設(shè)置

2.4.1 溫度設(shè)定

注射成型機(jī)和模具的最佳加工條件取決于很多因素。料管溫度設(shè)定需要在材料TDS的范圍內(nèi)（一般340～420 ℃），料斗需要保持在相對(duì)較低的溫度（一般70～100 ℃），以確保顆?？梢哉Ｋ腿肼輻U。為了獲得PEEK材料能夠充分結(jié)晶（DSC），模具實(shí)測(cè)溫度≥170 ℃，這是很重要關(guān)鍵的。模具溫度越高（不超過TDS模具溫度），越有助于填滿模腔，對(duì)于填充牌號(hào)尤其如此，更高的模具溫度可以提高部件的尺寸穩(wěn)定性。

2.4.2 螺桿轉(zhuǎn)速

PEEK聚合物具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，適合范圍較廣的螺桿轉(zhuǎn)速，且聚合物不會(huì)損壞。加工未填充PEEK材料時(shí)，建議螺桿頂端轉(zhuǎn)速為5～10 m/min。

2.4.3 注射壓力

注射壓力取決于系統(tǒng)，可以采用模流分析軟件進(jìn)行評(píng)估。具體取決于設(shè)計(jì)、熔體溫度、注射速度和模具溫度，最高可達(dá)2 000 bar。

2.4.4 保壓壓力

保壓壓力通常比注射壓力低（射出壓力的50%），在整個(gè)澆口凝固時(shí)間內(nèi)必須保持背壓，以避免縮痕和孔隙。

2.4.5 收縮率

PEEK材質(zhì)的收縮率在實(shí)際成型中，存在非各向同性行為。以較高比例添加增強(qiáng)填充材料，通常會(huì)降低收縮率，還會(huì)顯著提高非各向同性行為。（注：由于不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸差異較大，造成材料收縮率還是會(huì)有所差異，所以建議先開樣品模具進(jìn)行收縮率確認(rèn)，再進(jìn)行量產(chǎn)模具開發(fā)）。

3 PEEK材料的應(yīng)用

PEEK是一種有機(jī)熱塑性聚合物，具高溫性能、機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的耐化學(xué)性等。這使其成為適用于各種增材制造技術(shù)的可行材料。在傳統(tǒng)制造業(yè)中，PEEK的組件已經(jīng)被許多行業(yè)所采用，主要應(yīng)用方面如下：

3.1 航空航天

航空航天業(yè)需要安全可靠的材料。PEEK即使暴露在高溫和腐蝕性燃料中，也保持其出色的材料性能。此外，PEEK的氟塑料摩擦系數(shù)低，適合在狹小空間內(nèi)加工。

在航空航天領(lǐng)域中使用PEEK零件的范圍很廣，用于外部零件是因?yàn)樗哂谐錾目褂晁治g性能，而在內(nèi)部使用，則可降低火災(zāi)的危險(xiǎn)，因?yàn)樗臒熿F和有毒氣體排放性低，且具有很好的阻燃性。

總體而言，聚醚醚酮正在替代飛機(jī)中越來越多的鋁和金屬零件。如夾子、高壓軟管或電線管等。這樣可以節(jié)省高達(dá)70%的重量并大幅降低燃料成本。例如，在500架飛機(jī)的機(jī)隊(duì)中，將飛機(jī)重量減少45 kg，每年便可節(jié)省高達(dá)500萬美元的燃油成本。

3.2 汽車

PEEK具有優(yōu)異的抗疲勞和耐化學(xué)性能，因此可用于汽車燃料管理系統(tǒng)。由于其輕量性，它正在取代傳動(dòng)、制動(dòng)和空調(diào)系統(tǒng)中使用的各種活性金屬或鋁組件，包括活塞單元、密封件、墊圈或軸承等，這可使汽車重量和噪音顯著降低。

此外，面向老爺車的3D打印定制零件是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域。它們的成本比原始部件低90%，即便已經(jīng)停產(chǎn)的零件，它們也仍然可以獲得“老款式”的制造部件。

3.3 電氣工程

PEEK優(yōu)異的電氣特性使其成為理想的絕緣體。憑借出色的熱性能，PEEK聚合物部件能夠承受傳統(tǒng)絕緣體沒有辦法承受的高溫。這些優(yōu)勢(shì)及它長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，以及溫度、壓力和頻率耐用性，使其可應(yīng)用于海底環(huán)境控制設(shè)備或高壓水泵的連接器銷上。

此外，PEEK正在移動(dòng)設(shè)備中使用。人們對(duì)更薄、更輕、更智能的移動(dòng)設(shè)備的追求，使基于PEEK材料的組件大有用武之地，例如，為手機(jī)揚(yáng)聲器或耳機(jī)創(chuàng)造了超薄膜。

3.4 醫(yī)療

在醫(yī)療領(lǐng)域，PEEK則提供了具有優(yōu)異耐磨性、耐熱性、耐電性和耐化學(xué)性的經(jīng)濟(jì)型創(chuàng)新部件，更重要的是PEEK滿足醫(yī)療領(lǐng)域的生物相容性。它在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括牙科器械、內(nèi)窺鏡、透析器等，主要用于骨科。

PEEK雖然比鋁輕，但在3D打印時(shí)，它可以為解剖正確的假肢或植入物提供一個(gè)新的精度水平，這些假肢與植入物都是針對(duì)每個(gè)使用者的需求專門設(shè)計(jì)的。雖然還在研發(fā)期，但這一部分具有驚人的增長(zhǎng)潛力。

例如，在牙科醫(yī)學(xué)中， PEEK用于替換牙科注射器上的金屬手柄或用于根管銼的無菌盒。 PEEK之所以適用于此，是因?yàn)樵摼酆衔锟沙惺芨哌_(dá)3 000次高壓釜滅菌循環(huán)（通常在130 ℃），并在熱水、蒸汽、溶劑或化學(xué)品中保持優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和水解穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

綜上所述，PEEK是一種具有耐高溫、耐磨性、易加工和高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異性能的特種工程塑料，在注塑成型過程中，做好相關(guān)的成型前準(zhǔn)備工作，滿足成型設(shè)備的要求，以及注塑成型參數(shù)的設(shè)置，確保制造出滿足應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子電氣、醫(yī)療等領(lǐng)域的特種工程塑料。