特种工程塑料PEEK的改性和应用

时间：2021-10-7

       聚醚醚酮( PEEK) 作为一种典型的特种工程塑料，具有卓越的物理力学性能。与其它耐高温塑料相比，PEEK 是目前特种工程塑料中耐热等级最高、综合性能最好的品种，长期耐热温度超过 250℃。此外，PEEK 还具有出色的自润滑性、阻燃性和耐化学药品性等。PEEK 优异的综合性能使其广泛用于汽车、航空、电子信息、输送管道等领域。

       但PEEK 在实际应用过程存在如下问题：
       (1) 表面粘结性差，与填料的界面结合力不强，导热性较差，容易造成热膨胀、热变形和热疲劳; 
       (2) 耐磨性能仍然不能满足工程的需要，如支架材料、密封圈、阀门等;
       (3) 成型加工比较困难，PEEK 熔融温度为 334℃，熔融黏度大，加工温度高，加工工艺不稳定。

       随着各领域技术的发展，对材料的性能提出越来越高的要求，对 PEEK 进行改性研究，拓展其应用范围成为业界研究的热点。

       PEEK 的主要改性方法

       目前，PEEK 的主要改性方法包括聚合物共混改性、纤维增强改性、晶须改性、无机粒子填充改性及协同改性等。


       聚合物共混改性
       PEEK与其它工程塑料或者某些特种工程塑料共混，所得的共混复合材料虽然可以达到降低成本及优化某些性能如耐磨性的作用，但均会造成PEEK 的其它性能大幅降低。


       纤维增强改性
       常用于纤维增强改性 PEEK 的纤维材料是碳纤维( CF) 和玻璃纤维( GF) ，但随着材料科技的发展，出现了大量的其它纤维材料，如 PTFE 纤维、钢纤维等。


       在聚合物中添加纤维增强材料，可以有效改善 PEEK 复合材料的耐磨性能，降低生产成本。但是纤维增强 PEEK 复合材料在生产工艺上有一定的限制，如在热压工艺中，纤维与 PEEK 混合过程容易出现纤维团结现象，导致混合料的均匀性差。

       晶须增强改性
       晶须是具有一定长径比的盐类或金属氧化物，价格较低，宏观呈粉末状，而其微观结构为纤维状，填充聚合物时，与一般的粉末填料不同，具有显著的增强效果。

       但是，晶须的表面处理技术尚不成熟，仍需继续改进，因此工业化生产的实现性较低。除此之外，晶须增强 PEEK 材料虽然能改善复合材料的耐磨性，但会降低其它性能，如冲击性能等。

       无机粒子填充改性
       颗粒尺寸减小到纳米尺寸后，材料的各种性能表现行为将发生质的变化，耐磨性能显著提高。当前较多研究采用 Al2O3粒子填充增强 PEEK材料。

       此外，还有其它如 Si3N4、SiO2、MoS2、Cu 等粒子填充提高复合材料的加工性能和制造工艺性能。

       PEEK的应用
       油田领域
       由于经过增强改性后的PEEK在力学性能、耐化学腐蚀性、耐辐射性和耐高温性能等方面得到进一步的改善，因此被广泛应用于一些特殊领域。例如，经30% 玻璃纤维增强 的PEEK 能耐 200℃ 温度和140MPa 压力，对严酷环境具有优良的耐化学性、电气和辐射性能，被应用于石油勘探中的钻探材料。

       电子电器领域
       PEEK 在高温、高压和高湿度等恶劣的环境下，仍能保持良好的电绝缘性，并在很宽的温度范围内具有不易变形等特性，因此被作为理想的电绝缘材料而被逐渐应用在电子电器领域。

       PEEK 材料用于制作铝电解容器的外壳，可满足电子行业对无铅焊接技术的要求；采用 PEEK 材料制作的晶圆卡匣能够控制静电荷的耗散，保护晶圆免受损害，并通过减少和防止静电积聚保护晶圆免受由于静电吸引而造成的污染。

       汽车领域
       德国 Karcoma-Armaturen UmbH 公司用牌号为450 GL 30 的 30% GF增强 PEEK 复合材料生产载货车滤油网，在奔驰公司载货车上成功使用，而且因其在很宽的温度范围能保持突出的机械和疲劳性能，而被选做一级方程式赛车使用的发动机端盖，用其生产的赛车分配器齿轮，比青铜合金齿轮的质量减轻 81% 。 

       另外，Robert Bosch UmbH 公司用PEEK/CF代替金属作为 ABS 的功能部件，较轻的复合材料零件降低了转动惯性，从而使反应时间最小化，极大地增强了整个系统的反应性能，且与以前使用的金属零件相比成本降低。

       此外，经无机和有机等增强改性有的 PEEK 由于其摩擦性能优越而被广泛应用于汽车齿轮、轴承、活塞环、离合器齿环等汽车摩擦零部件。

       医疗领域
       PEEK 树脂具有无毒、质量轻、耐磨蚀等优点，是与人体骨骼最接近的材料，可与肌体有机结合，因此PEEK树脂及其复合材料近年作为骨科植入物被深入研究并应用于脊柱、关节等方面。

       索尔维推出一种名为 Solviva 的适用于植入式医疗器械的生物材料系列，提供与人体中的体液和组织长期接触及永久接触的产品，包括四类聚合物，其中 Zeniva PEEK 是生物稳定性最强的塑料之一，具有高的强度和刚度及优异的韧度和耐疲劳性，满足 ASTM F2026 -07 标准的对用于外科植入物 PEEK 的要求。

       航空航天领域
       由于 PEEK 材料的特殊优异性能，使得其在航空航天领域具有广泛的应用。采用轻质 PEEK 热塑性塑料，不仅能提高燃油效率，满足环保要求，还可使组装更快捷、可靠性更高，并降低运营商和制造成本，代表着未来性能发展趋势。

       目前，PEEK 材料已在雷达天线罩、燃料箱、盖板、管道以及紧固系统等部位广泛应用。2017年，欧空局已经推出了一项PEEK 材料的 3D 打印 CubeSat 立体小卫星项目，正逐步推动微型卫星投入商业应用。