聚醚醚酮 是由帝國化學( I CI ) 公司在 1977年首先開發成功 , 1982年正式以 VICTREX®PEEK銷售, 1993年VICTREX( 威格斯)收購ICI生產工廠成為獨立公司. 威格斯擁有市場上最廣泛的聚芳醚酮類產品, 目前每年產能4250t, 此外 , VICTREX®聚芳醚酮第3個工廠年產2900t也於2015年年初投產, 屆時產能將超過7000 t/a .
一, 性能簡介
PEEK作為聚芳醚酮類最重要的產品, 其特殊的分子結構賦予聚合物耐高溫, 機械性能優異, 自潤滑性好, 易加工, 耐化學品腐蝕, 阻燃 , 耐剝離性 , 耐輻照性, 絕緣性穩定, 耐水解和易加工等優異性能, 是目前公認為最佳的熱塑性工程塑料.
表 1 VICTREX PEEK聚合物的常規性能
1. 耐高溫性
VICTREX PEEK聚合材料和共混材料的玻璃化轉變溫 度通常為143℃, 熔點為 343 ℃, 熱變性溫度高達 335 ℃(ISO75Af, 碳纖填充), 連續使用溫度 260℃(UL746B, 無填充 ).
2. 耐磨性
VICTREX PEEK聚合材料具有優異的耐摩擦和耐磨損 性, 特別是耐磨改性的摩擦級牌號, 在寬廣的壓力, 速度, 溫度和接觸面粗糙度範圍內都表現出極好的耐磨損性.
3. 耐化學腐蝕性
VICTREX PEEK聚合材料耐腐蝕性與鎳鋼相近, 在大多數化學環境下具有極佳的耐腐蝕性, 即便在高溫的環境下耐化學腐蝕性也非常優異.
4. 防火輕煙和無毒性
VICTREX PEEK聚合材料非常穩定, 1.5mm的樣品, 不加阻燃劑即可達到UL94 -V0等級. 此材料的成分和固有純度使其在火災情況下只會產生極少量的煙霧和毒氣.
5. 耐水解性
VICTREX PEEK聚合材料和共混材料可以抵禦水或高壓蒸汽的化學侵蝕. 採用該材料製成的零部件高溫和高壓下在水 中連續使用仍可保持高水平的機械性能.
6. 優異電氣性
VICTREX PEEK聚合材料可在寬廣的頻率和溫度範圍 內保持良好的電器性能.
此外, VICTREX PEEK聚合材料還具有高純度, 環保, 易於加工等特性 .
二, 研究生產現狀
PEEK 自研製成功以來, 以其自身的各項優異性能, 受到人們廣泛青睞, 並迅速成為一個新的研究熱點, 對 PEEK進行 一 系列化學, 物理改性增強 , 進一步拓寬了 PEEK的應用領域 .
1. 化學改性
化學改性是通過引入特殊官能團或小分子來改變聚合物的分子結構和規整性 , 例如: 改變主鏈上的醚酮基團比例或在主鏈上引入其它基團, 支化交聯, 引入側鏈基團, 嵌段共聚和 無規共聚等進 而改變其熱力 學性能.
VICTREX®HT™, VICTREX®ST™分別是 PEK, PEKEKK, 通過改變 E/K比值 來提高聚合物的耐高溫性能.
2. 物理改性
相對於化學改性 , 物理改性在實際應用中更為廣泛, 分為填充增強, 共混改性, 表面改性等.
1) 填充增強
填充增強最常見的是纖維增強, 包括玻纖, 碳纖增強和芳綸纖維增強. 實驗證 明, 玻璃纖維, 碳纖維 和芳綸纖維 與 PEEK有很好的親和性 , 因此常被選為填料增強 PEEK, 製成高性能 的複合材料 , 提高 PEEK樹脂的強度和使用溫度. HMF-Grades是VICTREX推出的新型碳纖維填充複合材料, 這種材料與 目前的高強度碳纖維填充 VICTREX PEEK系列相比, 具有更好的耐疲勞性能, 集易加工性和優異的機械性能於一體.
為減小摩擦, 降低磨損等, 常通過添加 PTFE, 石墨等小分 子來改善增強. Wear Grades是 VICTREX針對於軸承等耐磨要求高的環境特別改性增強而來的.
2) 共混改性
PEEK與具有較高玻璃化轉變溫度的有機高分子材料共混, 不僅可以提高複合材料的熱性能和降低生產成本, 而且對其力學性能也有很大影響.
VICTREX®MAX-Series™是VICTREX PEEK聚合物材料和基於沙伯基礎創新塑料( SABIC Innovative Plastics ) 生產的正宗 EXTEM®UH熱塑性聚醯亞胺 (TPI)樹脂共混而成. 高性能 MAX Series™聚合材料具有優異的耐熱性, 專為滿足對更加耐高溫的 PEEK聚合材料 日益增長的需求而設計 .
VICTREX® T Series是基於VICTREX PEEK聚合材料和 Celazole®聚苯並咪唑(PBI )的專利共混產 品. 可熔融加工, 並在最嚴苛的高溫條件下仍能滿足所需的優異強度, 耐磨性 , 硬度 , 蠕變性和熱性能 .
3) 表面改性
VICTREX與瓦克公司( Wacker, 液體有機矽領先生產商)合作進行的研究表明, VICTREX PEEK聚合材料和有機矽剛柔相濟, 既結合了兩者的優勢, 同時還兼具其他工程塑料所具有的附著力. 以 PEEK組件作為嵌件 , 用液體矽橡膠包覆成型, 或採用雙組件注塑成型技術, 都能得到優異的附著力. VICTREX PEEK注塑的模具溫度為180℃, 利用其潛熱可以使矽橡膠快速固化, 因此可以減少整體注塑周期, 雙組件注塑成型技術的優勢正在於此.
3. 其他
1) VICOTE™塗料
為彌補當今多種塗料技術中存在的性能不足, VICTREX推出了一款 PEEK為基體的塗料一 VICOTE™塗料. 對於暴露在高溫, 化學腐蝕及磨損等極端條件下的嚴苛應用, VICOTE™塗料具有優異的耐高溫, 耐磨性, 強度 , 耐久性和抗劃傷性以 及眾多高性能優點, 不論是應用於工業, 汽車, 食品加工 , 半導體, 電子還是製藥行業的零件, 採用 VICOTE™塗料 , 既可以延長應用壽命 , 改善產品的性能與功能, 降低整體系統成本, 還有助於提高設計自由度, 進而實現產品差異化.
2) APTIV™薄膜
APTIV™薄膜具有獨一無二綜合性能, 擁有VICTREX PEEK聚合材料固有的一系列傑出特性 , 是目前用途最廣的高性能薄膜產品之一. 新型 APTIV薄膜用途廣泛, 適用於各種應用, 包括手機用揚聲器和消費類揚聲器振動膜 , 電線電纜絕緣與纏繞護套, 壓力變換器與感測器隔膜, 工業與電子產品耐磨表面, 電氣基板及航空絕緣氈等.
三, 應用領域
PEEK投放市場以來 , 被廣泛應用於航空航天, 汽車, 電子, 能源, 工業, 半導體和醫學等領域.
1. 航空航天
航空航天是 PEEK最早開發的應用領域 , 航空領域的特殊性, 通常要求加工靈活, 加工成本低且耐受惡劣環境的輕質材料. PEEK因為異常堅固, 具有化學惰性和阻燃特性, 並容易加工成公差極小的零部件等優點, 可以替代鋁和其它金屬 材料製造各種飛機零部件.
在航空器內部 , 已成功的案例有電線束夾和管夾, 葉輪片, 機艙門把手, 絕緣覆蓋膜, 複合緊韌體, 紮線帶, 線束, 波紋套管等;外部有雷達天線罩, 起落架輪轂罩, 人孔蓋, 整流罩支架等.
此外 , PEEK樹脂還可用於製作火箭用 電池槽, 螺栓, 螺母以及火箭發動機的零部件等.
2. 汽車行業
目前, 汽車產業越來越要求車輛重量, 成本的最小化和產品性能最大化的雙重性能, 特別是人們對汽車舒適性和穩定性的追求, 相應的冷氣, 電動窗, 安全氣囊及ABS刹車系統等設備的重量也日益增加 . 利用 PEEK 樹脂良好的熱力學性能, 耐摩擦 , 密度小和易加工等優點製作汽車零部件, 加工成本大大降低的同時, 不僅可以減重多達 90%, 而且能保證長時間的使用壽命所以 PEEK作為金屬不鏽鋼和鈦的替代品用 於製造發動機內罩的材料 , 製造汽車軸承, 墊片, 密封件, 離合器齒環等各種零部件 , 另外在汽車的傳動, 刹車和空調系統 中應用也很多.
3. 電子行業
VICTREX PEEK的耐高溫, 耐磨 , 耐腐蝕, 低揮發 , 低析 出, 低吸濕, 環保阻燃 , 尺寸穩定, 加工靈活等特點, 在計算機 , 手機, 線路板, 印表機, 發光二極體, 電池, 開關, 連接插頭, 硬碟驅動器等電子器件上廣泛應用.
4. 能源行業
選擇正確的材料經常被看作能源行業開發成功的關鍵因素之一, 近年來 VICTREX PEEK越來越受到能源領域的青 睞, 以改善運行性能, 並能降低與部件失效相關的停機風險.
VICTREX PEEK自身的高耐熱, 耐輻射, 耐水解, 自潤滑, 耐化學腐蝕及優異 的電性能等, 日益被能源行業所採用, 例如海底整合線束管道, 電線電纜, 電連接器, 井下感測器, 軸承, 襯套, 齒輪, 支承環等產品, 在石油天然氣, 水力發電, 地熱, 風電 , 核能 , 太陽能領域均有應用 .
APTIV™薄膜 和VICOTE™塗料在該行業也得到了廣泛的應用 .
5. 其他
在機械工業方面, PEEK樹脂常用來製作壓縮機閥片, 活塞環, 密封件和各種化工用泵體, 閥門部件. 用該樹脂代替不鏽鋼製作渦流泵的葉輪, 可明顯降低磨損程度和噪音級別 , 延長其使用壽命. 除此之外 , 由於 PEEK樹脂符合管組工件材料的規格要求, 在高溫下仍可使用各種粘合劑進行粘接 , 所以 現代連接器將是其另一個潛在的應用市場.
半導體行業正朝著較大晶圓, 較小晶片, 更窄的線路與線寬尺寸等趨勢發展, VI CTREx PEEK聚合材料在圓晶製造, 前端處理, 加工和檢驗及後端處理中都有明顯的優勢.
醫療行業, PEEK樹脂可在 134℃下經受多達3000次的迴圈高壓滅菌, 這一特性使其可用於生產滅菌要求高, 需反覆使用的手術和牙科設備備. PEEK樹脂在熱水, 蒸汽, 溶劑和化學試劑等條件下可表現出較高的機械強度, 良好的抗應力性能和水解穩定性, 用它可製造需要高溫蒸汽消毒的各種醫療器械. PEEK不僅具有質量輕, 無毒, 耐腐蝕等優點, 還是與人體骨骼最接近的材料, 可與肌體有機結合, 所以用PEK樹脂代替金屬製造人體骨骼是其在醫療領域的又一重要應用.
四, 前景展望
隨著科學技術的發展, 人們對材料的要求必將越來越高, 特別是在能源緊缺的當下, 減重降本是每個企業必須考慮的問題, 以塑代鋼是未來材料發展的必然趨勢, 對於PEEK這種 '全能型' 的特種工程塑料的需求也必將會越來越多, 應用領域也會越來越廣.