PEEK材料的研究与应用

林永进

（厦门宝太生物科技股份有限公司，福建 厦门 361000）

聚醚醚酮（PEEK）是英国原ICI公司于1977年开发成功，并于20世纪80年代初期由英国的威格斯（Victrex）公司实现工业化批量生产的一种高性能特种工程塑料 ，被称为塑料工业的金字塔尖。它具有耐热等级高、耐化学腐蚀性、耐冲击强度高、耐磨性和耐疲劳性、耐水解、电性能优异等特点，已经在航空航天电子电气、医疗能源电力、机械、汽车涂料等领域获得了广泛的应用并成为不可或缺的关键材料。

1 PEEK材料的特性

PEEK是一种耐高温、高性能的热塑性特种工程塑料。它有着良好的机械性能和耐化学品、耐磨损、耐水解等性能；它比重轻，自润滑性能好，由于具有非常好的流动性和加工性能，可以填充碳纤维、石墨、二硫化钼等进一步提高润滑性能和机械强度。PEEK材料的卓越性能主要表现在以下几方面：

①耐高温性：卓越的耐高温特性，材料的玻璃态转化温度介于143～162 ℃之间，熔点介于343～387℃之间。②机械强度和尺寸稳定性：优异的强度、刚性和长期耐蠕变和耐疲劳性能，使其可用以设计重量更轻、耐久性或强度更高的零部件，可与合金材料媲美。③耐磨性：PEEK在潮湿或干燥磨损环境中，具有低摩擦系数和优异的耐磨性，特别是碳纤、石墨各占一定比例混合改性的PEEK自润滑性能更佳。④耐化学腐蚀性：对多种酸、碱、烃类和有机溶剂具有优异的耐受性，甚至在高温下也具有耐腐蚀性。⑤电气性能：在极宽的频率和温度范围内可保持优异的电气性能，满足电气和电子工程应用的苛刻要求。⑥环保特性：重量轻，可完全回收再利用、无卤素、符合RoHS标准。⑦耐水解性：PEEK及其复合材料不会在水、蒸汽或海水中水解，用这种材料做成的制品在高温高湿的环境中连续使用仍可保持优异特性。⑧易加工性：可以采用注塑成型工艺直接加工出零件。可进行车削、铣、钻孔、攻丝、粘接及超声波焊接等后加工。

2 PEEK材料的成型工艺

2.1 成型前的准备

PEEK是一种线性芳香族半结晶态热塑性材料，被公认为是在可使用热塑设备加工的综合性能最佳的材料。在成型之前需要做好以下准备：

①高温性能：注塑PEEK所使用的注塑机，料筒须要能够在370～400 ℃稳定的工作 ，PEEK改性的注塑机料筒，需要配置高温加热圈和螺杆做CrN，温度可以达到400～450 ℃。模具表面实测温度必须达到170～200 ℃，注塑件产品才能达到的结晶度状态，从而获得预期的材料性能。②水分含量：PEEK材料在材料成型前必须进行干燥，最好使用除湿干燥机，干燥温度150 ℃/3H或120 ℃/5H，含水率测试≤0.02%。③清洁度：必须避免污染，建议采用专用干燥机干燥，干燥过程需要防范二次污染。④浇口和流道：PEEK流动指数一般，模具设计时需要重点考量，浇口和流道尺寸，需比一般工程塑料大。⑤包装：PEEK材料一般密封在聚乙烯袋中，再装入坚固的纸板箱或扁平箱里。在后续的运输和储存过程中，该材料一直密封保存在原包装中。需要使用时，应在清洁环境中打开箱子，并小心避免污染。⑥回收再利用：PEEK材料具有优异的热稳定性，可以回收再利用的，回收未添加其他的纯PEEK材料，一般不存在热降解副作用。对于纤维填充的材料来说，回收再利用将导致纤维长度缩短，对机械性能会造成相应的不利影响，PEEK回收料产品对比原料COC，降解率一般会30%内。⑦净化：PEEK材料对于注塑机需求，要求将料管和螺杆拆下，并进行螺杆和料管壁抛光处理。停机超过10 min，需要对注塑机料管内的料排除清洁，在逐渐地降低温度停机。清洁料管的塑料推荐，温度300～350 ℃时仍然保持性能稳定的材料。

2.2 成型设备要求

PEEK材料建议使用高速、高温、精密电动注塑机进行注塑，注塑机射出速度建议300 mm/s以上。

2.2.1 螺杆和料筒材料的选择

和其他工程热塑性材料一样，PEEK料螺杆容易磨损，当材料有添加纤维时，这个问题尤其严重。为了使磨损最小化，螺杆、模头和料简必须加以硬化和防腐蚀。建议螺杆一般选用双合金材质，螺杆表面进行涂层处理（CrN、TiN）。

2.2.2 料筒加热

PEEK加工成型，所使用的注塑机料筒须要能够在370～400 ℃稳定的工作 ，PEEK改性料，需要配置高温加热圈和螺杆做CrN，温度可以达到400～450℃。料筒下料口温度应保持在70～100 ℃，确保螺存料正常。

2.2.3 料筒容量

与所有聚合物加工一样，材料的停留时间必须尽可能短。一模产品的重量（包括浇口和流道）材料，在螺杆料管停留的时间不超过5 min，计算公式如下：

料筒停留时间计算：

2.2.4 喷嘴和闭锁系统

在正常操作过程中，整个循环周期的大部分时间内料筒的喷嘴和模具的主浇口套都会互相接触，而浇口套的温度明显低于熔融物和喷嘴。PEEK材料有一个很高的固化点Tc，如果温度下降到Tc以下，熔融物将很快固化。因此，注塑机射嘴加热圈功率选用特别重要（大功率加热圈），射嘴需要保持和料管计量段一样的温度，以防止降温和产生注塑冷料。

2.2.5 锁模力

制品和流道在分型面上的投影面积决定了在最大射出压力下，防止模具涨开所需的锁模力。加工薄壁部件时的注射压力可超过2 000 bar，特别是当使用的材料是PEEK添加改性材料时，推荐计算公式如下：锁模力=投影面积×模腔压力×黏度系数K÷安全系数K11、热塑性塑料流动特性的分组及粘度等级（流动能力）常数（K） 2、安全系数（K1）根据制品结构的不同，取80%～100%此方法既考虑了材料间的差异，又考虑了不同制品结构复杂程度的差异，同时考虑了模具设计这一因素

2.2.6 螺杆型号选择

大部分通用和尼龙类型螺杆均适用于加工PEEK材料。PEEK材料对螺杆的长径比要求，长径比（L/D）18∶1和24∶1之间的L/D比值比较合适。

2.3 模具所需材料

生产PEEK料模具钢材硬度通常要达到52～56 HRC。通常采用质量优良的工具钢8407或Unimax，它们具有良好的高温强度、优异的韧性、延展性和良好的可加工性。

2.3.1 排气

为了使PEEK材料注塑时容易流动，可以采用5～8μm深的排气槽，流动最远端可以采用10 ～15μm排气槽，这样就不会形成毛边。 排气槽的位置与部件设计密切相关。

2.3.2 加热

PEEK材料的模具生产时，模具表面实测温度需要170～220 ℃，模具一般配备电加热器或采用高温型油温机加热方式，为了实现快速加热，可以考虑将两者结合使用，并同时使用温度控制系统对模具进行温度控制。

2.3.3 浇口

模具浇口的尺寸和类型取决于注塑产品的体积、型腔数、制品的几何形状。为了减少收缩率和避免过多应力集中，浇口应尽可能大。

2.3.4 热流道

PEEK材料热流道系统一般选择，直通式喷嘴的热流道系统和针阀式热流道系统。通常情况下，使用针阀式热流道对于批量注塑生产，能够较好地节约料头，实现较好的经济价值。

2.4 成型参数设置

2.4.1 温度设定

注射成型机和模具的最佳加工条件取决于很多因素。料管温度设定需要在材料TDS的范围内（一般340～420 ℃），料斗需要保持在相对较低的温度（一般70～100 ℃），以确保颗粒可以正常送入螺杆。为了获得PEEK材料能够充分结晶（DSC），模具实测温度≥170 ℃，这是很重要关键的。模具温度越高（不超过TDS模具温度），越有助于填满模腔，对于填充牌号尤其如此，更高的模具温度可以提高部件的尺寸稳定性。

2.4.2 螺杆转速

PEEK聚合物具有优异的热稳定性，适合范围较广的螺杆转速，且聚合物不会损坏。加工未填充PEEK材料时，建议螺杆顶端转速为5～10 m/min。

2.4.3 注射压力

注射压力取决于系统，可以采用模流分析软件进行评估。具体取决于设计、熔体温度、注射速度和模具温度，最高可达2 000 bar。

2.4.4 保压压力

保压压力通常比注射压力低（射出压力的50%），在整个浇口凝固时间内必须保持背压，以避免缩痕和孔隙。

2.4.5 收缩率

PEEK材质的收缩率在实际成型中，存在非各向同性行为。以较高比例添加增强填充材料，通常会降低收缩率，还会显著提高非各向同性行为。（注：由于不同产品结构尺寸差异较大，造成材料收缩率还是会有所差异，所以建议先开样品模具进行收缩率确认，再进行量产模具开发）。

3 PEEK材料的应用

PEEK是一种有机热塑性聚合物，具高温性能、机械强度和优异的耐化学性等。这使其成为适用于各种增材制造技术的可行材料。在传统制造业中，PEEK的组件已经被许多行业所采用，主要应用方面如下：

3.1 航空航天

航空航天业需要安全可靠的材料。PEEK即使暴露在高温和腐蚀性燃料中，也保持其出色的材料性能。此外，PEEK的氟塑料摩擦系数低，适合在狭小空间内加工。

在航空航天领域中使用PEEK零件的范围很广，用于外部零件是因为它具有出色的抗雨水侵蚀性能，而在内部使用，则可降低火灾的危险，因为它的烟雾和有毒气体排放性低，且具有很好的阻燃性。

总体而言，聚醚醚酮正在替代飞机中越来越多的铝和金属零件。如夹子、高压软管或电线管等。这样可以节省高达70%的重量并大幅降低燃料成本。例如，在500架飞机的机队中，将飞机重量减少45 kg，每年便可节省高达500万美元的燃油成本。

3.2 汽车

PEEK具有优异的抗疲劳和耐化学性能，因此可用于汽车燃料管理系统。由于其轻量性，它正在取代传动、制动和空调系统中使用的各种活性金属或铝组件，包括活塞单元、密封件、垫圈或轴承等，这可使汽车重量和噪音显著降低。

此外，面向老爷车的3D打印定制零件是一个快速发展的领域。它们的成本比原始部件低90%，即便已经停产的零件，它们也仍然可以获得“老款式”的制造部件。

3.3 电气工程

PEEK优异的电气特性使其成为理想的绝缘体。凭借出色的热性能，PEEK聚合物部件能够承受传统绝缘体没有办法承受的高温。这些优势及它长期运行的可靠性，以及温度、压力和频率耐用性，使其可应用于海底环境控制设备或高压水泵的连接器销上。

此外，PEEK正在移动设备中使用。人们对更薄、更轻、更智能的移动设备的追求，使基于PEEK材料的组件大有用武之地，例如，为手机扬声器或耳机创造了超薄膜。

3.4 医疗

在医疗领域，PEEK则提供了具有优异耐磨性、耐热性、耐电性和耐化学性的经济型创新部件，更重要的是PEEK满足医疗领域的生物相容性。它在医疗保健领域的应用主要包括牙科器械、内窥镜、透析器等，主要用于骨科。

PEEK虽然比铝轻，但在3D打印时，它可以为解剖正确的假肢或植入物提供一个新的精度水平，这些假肢与植入物都是针对每个使用者的需求专门设计的。虽然还在研发期，但这一部分具有惊人的增长潜力。

例如，在牙科医学中， PEEK用于替换牙科注射器上的金属手柄或用于根管锉的无菌盒。 PEEK之所以适用于此，是因为该聚合物可承受高达3 000次高压釜灭菌循环（通常在130 ℃），并在热水、蒸汽、溶剂或化学品中保持优异的机械强度和水解稳定性。

4 结束语

综上所述，PEEK是一种具有耐高温、耐磨性、易加工和高机械强度等优异性能的特种工程塑料，在注塑成型过程中，做好相关的成型前准备工作，满足成型设备的要求，以及注塑成型参数的设置，确保制造出满足应用在航空航天、汽车制造、电子电气、医疗等领域的特种工程塑料。