PEEK材料的研究與應用

林永進

（廈門寶太生物科技股份有限公司，福建 廈門 361000）

聚醚醚酮（PEEK）是英國原ICI公司于1977年開發成功，并于20世紀80年代初期由英國的威格斯（Victrex）公司實現工業化批量生產的一種高性能特種工程塑料 ，被稱為塑料工業的金字塔尖。它具有耐熱等級高、耐化學腐蝕性、耐沖擊強度高、耐磨性和耐疲勞性、耐水解、電性能優異等特點，已經在航空航天電子電氣、醫療能源電力、機械、汽車涂料等領域獲得了廣泛的應用并成為不可或缺的關鍵材料。

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。它有著良好的機械性能和耐化學品、耐磨損、耐水解等性能；它比重輕，自潤滑性能好，由于具有非常好的流動性和加工性能，可以填充碳纖維、石墨、二硫化鉬等進一步提高潤滑性能和機械強度。PEEK材料的卓越性能主要表現在以下幾方面：

①耐高溫性：卓越的耐高溫特性，材料的玻璃態轉化溫度介于143～162 ℃之間，熔點介于343～387℃之間。②機械強度和尺寸穩定性：優異的強度、剛性和長期耐蠕變和耐疲勞性能，使其可用以設計重量更輕、耐久性或強度更高的零部件，可與合金材料媲美。③耐磨性：PEEK在潮濕或干燥磨損環境中，具有低摩擦系數和優異的耐磨性，特別是碳纖、石墨各占一定比例混合改性的PEEK自潤滑性能更佳。④耐化學腐蝕性：對多種酸、堿、烴類和有機溶劑具有優異的耐受性，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可保持優異的電氣性能，滿足電氣和電子工程應用的苛刻要求。⑥環保特性：重量輕，可完全回收再利用、無鹵素、符合RoHS標準。⑦耐水解性：PEEK及其復合材料不會在水、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境中連續使用仍可保持優異特性。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 成型前的準備

PEEK是一種線性芳香族半結晶態熱塑性材料，被公認為是在可使用熱塑設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備：

①高溫性能：注塑PEEK所使用的注塑機，料筒須要能夠在370～400 ℃穩定的工作 ，PEEK改性的注塑機料筒，需要配置高溫加熱圈和螺桿做CrN，溫度可以達到400～450 ℃。模具表面實測溫度必須達到170～200 ℃，注塑件產品才能達到的結晶度狀態，從而獲得預期的材料性能。②水分含量：PEEK材料在材料成型前必須進行干燥，最好使用除濕干燥機，干燥溫度150 ℃/3H或120 ℃/5H，含水率測試≤0.02%。③清潔度：必須避免污染，建議采用專用干燥機干燥，干燥過程需要防范二次污染。④澆口和流道：PEEK流動指數一般，模具設計時需要重點考量，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，再裝入堅固的紙板箱或扁平箱里。在后續的運輸和儲存過程中，該材料一直密封保存在原包裝中。需要使用時，應在清潔環境中打開箱子，并小心避免污染。⑥回收再利用：PEEK材料具有優異的熱穩定性，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。對于纖維填充的材料來說，回收再利用將導致纖維長度縮短，對機械性能會造成相應的不利影響，PEEK回收料產品對比原料COC，降解率一般會30%內。⑦凈化：PEEK材料對于注塑機需求，要求將料管和螺桿拆下，并進行螺桿和料管壁拋光處理。停機超過10 min，需要對注塑機料管內的料排除清潔，在逐漸地降低溫度停機。清潔料管的塑料推薦，溫度300～350 ℃時仍然保持性能穩定的材料。

2.2 成型設備要求

PEEK材料建議使用高速、高溫、精密電動注塑機進行注塑，注塑機射出速度建議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，當材料有添加纖維時，這個問題尤其嚴重。為了使磨損最小化，螺桿、模頭和料簡必須加以硬化和防腐蝕。建議螺桿一般選用雙合金材質，螺桿表面進行涂層處理（CrN、TiN）。

2.2.2 料筒加熱

PEEK加工成型，所使用的注塑機料筒須要能夠在370～400 ℃穩定的工作 ，PEEK改性料，需要配置高溫加熱圈和螺桿做CrN，溫度可以達到400～450℃。料筒下料口溫度應保持在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，材料的停留時間必須盡可能短。一模產品的重量（包括澆口和流道）材料，在螺桿料管停留的時間不超過5 min，計算公式如下：

料筒停留時間計算：

2.2.4 噴嘴和閉鎖系統

在正常操作過程中，整個循環周期的大部分時間內料筒的噴嘴和模具的主澆口套都會互相接觸，而澆口套的溫度明顯低于熔融物和噴嘴。PEEK材料有一個很高的固化點Tc，如果溫度下降到Tc以下，熔融物將很快固化。因此，注塑機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量段一樣的溫度，以防止降溫和產生注塑冷料。

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。加工薄壁部件時的注射壓力可超過2 000 bar，特別是當使用的材料是PEEK添加改性材料時，推薦計算公式如下：鎖模力=投影面積×模腔壓力×黏度系數K÷安全系數K11、熱塑性塑料流動特性的分組及粘度等級（流動能力）常數（K） 2、安全系數（K1）根據制品結構的不同，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構復雜程度的差異，同時考慮了模具設計這一因素

2.2.6 螺桿型號選擇

大部分通用和尼龍類型螺桿均適用于加工PEEK材料。PEEK材料對螺桿的長徑比要求，長徑比（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PEEK料模具鋼材硬度通常要達到52～56 HRC。通常采用質量優良的工具鋼8407或Unimax，它們具有良好的高溫強度、優異的韌性、延展性和良好的可加工性。

2.3.1 排氣

為了使PEEK材料注塑時容易流動，可以采用5～8μm深的排氣槽，流動最遠端可以采用10 ～15μm排氣槽，這樣就不會形成毛邊。 排氣槽的位置與部件設計密切相關。

2.3.2 加熱

PEEK材料的模具生產時，模具表面實測溫度需要170～220 ℃，模具一般配備電加熱器或采用高溫型油溫機加熱方式，為了實現快速加熱，可以考慮將兩者結合使用，并同時使用溫度控制系統對模具進行溫度控制。

2.3.3 澆口

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

2.3.4 熱流道

PEEK材料熱流道系統一般選擇，直通式噴嘴的熱流道系統和針閥式熱流道系統。通常情況下，使用針閥式熱流道對于批量注塑生產，能夠較好地節約料頭，實現較好的經濟價值。

2.4 成型參數設置

2.4.1 溫度設定

注射成型機和模具的最佳加工條件取決于很多因素。料管溫度設定需要在材料TDS的范圍內（一般340～420 ℃），料斗需要保持在相對較低的溫度（一般70～100 ℃），以確保顆粒可以正常送入螺桿。為了獲得PEEK材料能夠充分結晶（DSC），模具實測溫度≥170 ℃，這是很重要關鍵的。模具溫度越高（不超過TDS模具溫度），越有助于填滿模腔，對于填充牌號尤其如此，更高的模具溫度可以提高部件的尺寸穩定性。

2.4.2 螺桿轉速

PEEK聚合物具有優異的熱穩定性，適合范圍較廣的螺桿轉速，且聚合物不會損壞。加工未填充PEEK材料時，建議螺桿頂端轉速為5～10 m/min。

2.4.3 注射壓力

注射壓力取決于系統，可以采用模流分析軟件進行評估。具體取決于設計、熔體溫度、注射速度和模具溫度，最高可達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%），在整個澆口凝固時間內必須保持背壓，以避免縮痕和孔隙。

2.4.5 收縮率

PEEK材質的收縮率在實際成型中，存在非各向同性行為。以較高比例添加增強填充材料，通常會降低收縮率，還會顯著提高非各向同性行為。（注：由于不同產品結構尺寸差異較大，造成材料收縮率還是會有所差異，所以建議先開樣品模具進行收縮率確認，再進行量產模具開發）。

3 PEEK材料的應用

PEEK是一種有機熱塑性聚合物，具高溫性能、機械強度和優異的耐化學性等。這使其成為適用于各種增材制造技術的可行材料。在傳統制造業中，PEEK的組件已經被許多行業所采用，主要應用方面如下：

3.1 航空航天

航空航天業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的氟塑料摩擦系數低，適合在狹小空間內加工。

在航空航天領域中使用PEEK零件的范圍很廣，用于外部零件是因為它具有出色的抗雨水侵蝕性能，而在內部使用，則可降低火災的危險，因為它的煙霧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。這樣可以節省高達70%的重量并大幅降低燃料成本。例如，在500架飛機的機隊中，將飛機重量減少45 kg，每年便可節省高達500萬美元的燃油成本。

3.2 汽車

PEEK具有優異的抗疲勞和耐化學性能，因此可用于汽車燃料管理系統。由于其輕量性，它正在取代傳動、制動和空調系統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快速發展的領域。它們的成本比原始部件低90%，即便已經停產的零件，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絕緣體沒有辦法承受的高溫。這些優勢及它長期運行的可靠性，以及溫度、壓力和頻率耐用性，使其可應用于海底環境控制設備或高壓水泵的連接器銷上。

此外，PEEK正在移動設備中使用。人們對更薄、更輕、更智能的移動設備的追求，使基于PEEK材料的組件大有用武之地，例如，為手機揚聲器或耳機創造了超薄膜。

3.4 醫療

在醫療領域，PEEK則提供了具有優異耐磨性、耐熱性、耐電性和耐化學性的經濟型創新部件，更重要的是PEEK滿足醫療領域的生物相容性。它在醫療保健領域的應用主要包括牙科器械、內窺鏡、透析器等，主要用于骨科。

PEEK雖然比鋁輕，但在3D打印時，它可以為解剖正確的假肢或植入物提供一個新的精度水平，這些假肢與植入物都是針對每個使用者的需求專門設計的。雖然還在研發期，但這一部分具有驚人的增長潛力。

例如，在牙科醫學中， 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，是因為該聚合物可承受高達3 000次高壓釜滅菌循環（通常在130 ℃），并在熱水、蒸汽、溶劑或化學品中保持優異的機械強度和水解穩定性。

4 結束語

綜上所述，PEEK是一種具有耐高溫、耐磨性、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程塑料，在注塑成型過程中，做好相關的成型前準備工作，滿足成型設備的要求，以及注塑成型參數的設置，確保制造出滿足應用在航空航天、汽車制造、電子電氣、醫療等領域的特種工程塑料。