聚醚醚酮在电缆上的应用

闫春子，关 鹏

(1.天水铁路电缆有限责任公司，甘肃 天水741000;2.上海通号轨道交通工程技术研究中心有限公司，上海200072)

0 引言

随着我国经济的快速发展，对电线电缆的要求越来越高，传统普通材料已不能满足现有需求。为了满足不同使用环境对电缆的要求，对于电缆制造企业来说，材料的选择和使用是至关重要的。

聚醚醚酮(英文Poly ether ether Ketone，简称PEEK)聚合物是一种线性芳香族半结晶态热塑性材料，具有包覆加工性好(可熔融挤出，而不用溶剂)、燃烧时发烟量低且产生腐蚀性气体少、耐剥离性好、耐磨耗性好、耐辐照性强、易着色等特点，是一种可用于制作电线电缆绝缘的新型特种工程塑料。

1 PEEK简介

PEEK由Victrex公司(早期为ICI)在1977年首先开发，经过多年的研究和试验，到2009年底第三代产品已上市，其基本力学性能、耐热性能、加工性能等都有不同程度的提高。目前，国内外已有多家企业研究生产，如国外的英国Victrex、德国Degussa、比利时Solvay、美国LNP、荷兰DSM、美国RTP公司、日本住友共混公司等，国内吉林大学特种工程塑料、金发科技股份有限公司等，但国产的稳定性较差，不能用于电线电缆。

1.1 无卤性能

PEEK材料分子中不含有卤素原子，材料燃烧后不产生酸性气体和有毒气体，并完全符合欧盟RoSH等环保要求，是环保材料。

1.2 体积电阻

在极广的温度范围内，普通PEEK聚合物仍能保持很高的体积电阻系数数值，在23℃，PEEK体积电阻率为6×1013Ωm以上，在140℃，其体积电阻率为8×1012Ωm以上，而温度在200℃，其体积电阻率为6×109Ωm以上，仍具有优良的绝缘性能。如图1、图2。

图1 PEEKTM 450G的体积电阻对数值随充电时间的变化曲线

1.3 表面电阻

PEEK在25℃、50%湿度条件下表面电阻系数达到2.0×1016Ω，优于氟塑料、聚酰胺、聚酰亚胺等塑料(如图3)。

图2 PEEKTM 450G的体积电阻对数值随温度的变化曲线

图3 在25℃、50%湿度条件下测试的各种工程聚合物的表面电阻系数

1.4 介电常数和介电损耗因子

PEEKTM450G的介电常数只有2.7，略高于聚乙烯(PE)和氟塑料，但比聚氯乙烯(PVC)低很多。

图4、图5的比较曲线显示:在109Hz的频率范围内，普通PEEK聚合物具有良好的电气性能。该材料的很多电气性能符合热塑材料的典型性能，同时PEEK聚合物在极广的温度和频率范围内也保持这些优良的绝缘性能。从图4可以看出，PEEK材料在140℃以下，其tanδ损耗较小。图4和图5中，PPS为聚苯硫醚，PES为聚醚砜，PC为聚碳酸酯，PSU为双酚A型聚砜。

1.5 耐热性

PEEK聚合物具有143℃的玻璃态转化温度，由于它是一种半结晶态热塑材料，所以在熔点温度343℃附近仍可保持优良的机械性能。耐疲劳及耐蠕变性是热塑性塑料中最高的。

1.6 阻燃性

PEEK有自熄性，不加任何阻燃剂用UL标准测定分别达到94V-1(厚度为0.3 mm)、94V-0(厚度为1.5 mm)、94V-5(厚度为3.2 mm)。另外燃烧时的发烟量也非常少。

图4 各种工程热塑材料的tanδ(60 Hz条件下)随温度变化的比较曲线

图5 23℃条件下，各种工程热塑材料的tanδ随频率变化的比较曲线

1.7 耐环境

PEEK只溶解于浓硫酸中，有良好的耐化学药品性，特别是在高温下耐酸碱性方面比聚酰亚胺好得多。同时PEEK的吸水率很小，23℃的饱和吸水率只有0.5%。而且耐热水性好，可以在300℃的加压热水或蒸气中使用。

1.8 耐辐照性

耐γ辐照的能力很强，超过了通用树脂中耐辐照性最好的聚苯乙烯。可做成γ辐照剂量达1 100 Mrad时仍能保持良好绝缘性能的电线。

2 PEEK的加工设备

PEEK具有很好的机械性能，对加工设备的要求较高，在选择设备时要充分考虑以下因素。

2.1 挤出设备的选择

因PEEK材料较硬，易磨损设备，故加工PEEK材料的设备的螺杆、机筒、机头必须加以硬化(如氮化法)，此技术可提供必需的表面强度，以防止熔融物引起过度磨损。

同时挤出机应满足下述基本条件:料筒温度可升到400℃，设定温度变动不超过±2℃;料筒内应没有形成熔融料死角的地方。

2.2 螺杆的选择

挤出PEEK时会出现出料不均匀、挤出压力过大等问题，主要是由于PEEK熔体黏度大、流动相对较慢。如果只通过调节温度来改善上述挤出时发生的问题，会导致经常出现预交联现象，造成塑化不均匀。此时，应对挤出螺杆进行改进，采用等距不等深的螺杆挤出(如图6所示)，以避免未熔融的颗粒传送到螺杆的压缩段。同时，还应适当延长螺杆的进料段，而为了提高剪切力，应增加机腔内塑料的温度，要求螺杆与机腔套筒的间隙要小于0.30 mm。

图6 PEEK专用螺杆(等距不等深螺杆)

3 PEEK的加工工艺及注意事项

PEEK具有很好的机械性能和电气性能，由于它具有硬度高、耐高温等特性，因此其加工工艺与以往的普通塑料也有所不同。

3.1 模具温度

PEEK的熔点温度是343℃，且因其结晶性，故343℃附近仍可保持一定的机械性能，所以PEEK的加工温度要远高于熔点温度。根据经验，模具温度一般为380～390℃，一般设计为400～500℃的模具和机头。

3.2 PEEK材料的干燥处理

PEEK的吸水率很低，饱和吸水率只有0.5%，但是要在高温下成型，所以加工成型之前要在150℃的环境中干燥3 h以上，或在160℃的环境中干燥2 h以上，以确保挤出电缆的均匀一致性。

3.3 挤出成型条件

PEEK的标准挤出成型条件如表1所示。

表1 PEEK的标准挤出成型条件

3.4 注意事项

(1)不要使用连续压缩PVC螺杆，因其实际上没有进料部分，使聚合物紧缩，导致转矩过大。

(2)先加热导体再进入机头生产。PEEK优良的物理性能源于半结晶态特性，导体的温度低会阻碍PEEK结晶过程。

(3)使用过滤网。PEEK在加工设备中停留时间长，会产生凝胶，最终会影响线缆表面品质，使用过滤网可有效地分散这些凝胶，且将凝胶留在加工设备中。

(4)清洗设备时最好使用清洗料，因清洗时必须保证PEEK没有冷却和固化，反之PEEK将与氮化涂层粘的很牢固，会将涂层从金属表面剥落。

4 结束语

PEEK绝缘电线突出的耐高温性、阻燃性、耐辐射性以及良好的机械性能，使其在航空工业中可作为超高温导线，在石油工业中可作为潜油泵电机绕组线及连接线，在原子能发电站中可作为核岛驱动机构的绕组线圈长期在辐照条件下使用;PEEK绝缘电线的耐海水性、重量轻、体积小、阻燃性等优异性能，使其可在舰船中使用。因此，PEEK绝缘电线具有十分广阔的推广前景和应用价值。

［1］左 卫，许德玲，包 明，等.PEEK绝缘电线的挤出工艺［J］.光纤与电缆及其应用技术，2012(3):36-38.