聚醚醚酮（PEEK）：高性能聚合物为加工方法和创新应用带来全新可能

 

 

首批聚醚醚酮（PEEK）于1978年11月19日由英国大型化工公司ICI生产面世。仅仅三年后，随着第一批聚醚醚酮聚合物的商业化，包括玻纤和碳纤填充产品在内的威格斯聚醚醚酮系列进入了市场。PEEK融合了多项出色的性能，比如可以替代金属，这让那些起初看似不宜使用热塑性材料的苛刻应用也乐于选择PEEK。

 

PEEK作为聚芳醚酮（PAEK）家族中的一员，位于聚合物金字塔的顶端，可以满足多种需求。其特性包括重量轻、强度高、耐磨性、耐高温、耐疲劳和耐腐蚀性强的化学物质。在这些性能的共同作用下，PEEK能够提高燃油效率，延长部件寿命，改善舒适性（平稳运行，降低噪音），增加设计自由度和成本效益。

 

总部位于英国ThorntonCleveleys地区的威格斯公司是PEEK材料的全球领先供应商，其PEEK产能超过每年7000吨。威格斯专注于PAEK和PEEK，不仅开创了新的产品牌号，更为特定行业和应用开发出了高品质的产品形态和部件。

 

在增材制造（AM）领域的进展

 

现今支持增材制造（3D打印）的材料和工艺技术不断涌现。威格斯已经对外公布了两种新的增材制造定制PAEK产品的相关研发进展。一种是高强度激光烧结（LS）材料，其粉末更新比率更低，因而提高了未烧结粉末的回收率；另一种是细丝，其z轴强度优于现有PAEK材料，且更适合进行丝材熔融（FF）加工（标题图）。

 

BondHighPerformance3DTechnology（位于荷兰恩斯赫德）凭借其开发的3D打印设备和增材制造软件，能够利用现有PEEK牌号打印出复杂的功能性部件，并实现出色的机械性能（包括z轴-打印方向）。凭借此优势，增材制造打印的高强度各向同性部件的性能能够与传统模制或机加工PEEK部件相匹敌（图1）。

 

 

复合材料助力航空航天发展

 

在航空航天行业内，人们越来越关注热塑性材料（如威格斯AE250PAEK复合材料）。旨在更快交付成本效益更高、更环保的飞机。为了减轻重量和节约成本，SFSintecGmbH（总部位于德国Althengstett）与TxVAeroComposites建立了合作关系。美国罗得岛州Bristol公司在重新设计一个飞机行李舱支架（图2）。起初，支架是由铝制成的，而新型支架将采用威格斯AE250复合材料与VICTREX™PEEK聚合物二次注塑而成的。考虑到舱顶行李舱托架的重量、尺寸、复杂的几何结构和高承载规格，SFS零件成为了TxV开创的混合二次成型技术的合适部件。

 

传统PAEK聚合物复合材料（如PEEK和相关聚合物）需要的加工温度为360°C-400°C。在305℃的熔融温度下，威格斯开发了一种加工温度在340℃-360℃之间的聚合物。凭借性能和加工性的完美结合，材料的机械性能能够满足结构航空航天应用的要求，进而缩短加工时间、减少能耗。为了突破热塑性单向带（TP-UDT）预浸料的铺放和固化边界，提高复合材料零件的生产效率，威格斯与CoriolisComposites（法国奎文公司）进行了合作。其早期研究结果表明，威格斯AE250UDT可能会帮助制造商超越现有TPUDT用于相同应用的制造速度，并赶上热固性塑料的自动纤维铺放（AFP/ATL）沉积速率。热固性UDT（TSUDT）通常需要较长的热压罐固化时间，如今此需求已不复存在。

 

 

单向热塑性塑料带具有很高的减重潜力，并且可以用较短的时间和较低的成本生产复杂的飞机部件。另一个相关案例是全热塑性驱动轴系统，它采用德国HeroneGmbH（德国德累斯顿）的整体齿轮包覆成型（图3）。该驱动轴由“有机管”构成，有机管是由完全固化的热塑性UD带制成的编织预制件，该产品采用了一种碳纤维PAEK复合材料——VictrexAE250单向带（UDT）。为了将由PEEK制成的各齿轮结合在一起，通过注塑成型在轴和齿轮之间建立了内聚分子键。同时对驱动轴进行热成型，在齿轮和驱动轴之间形成锁形结构，从而进一步增强界面的强度。

 

 

能源：适用于高温高压的PEEK

 

在石油和天然气行业，MagmaGlobalLtd的m-pipe®仍然是该行业使用热塑性复合材料的主要范例之一。M-管在海底性能出众、经济实惠，可以代替传统钢管与非粘结柔性管。M-pipe不会被腐蚀，因此几乎无需维护。此外，其使用寿命也长于钢管。

 

另外，低温VICTREXCT200也刚刚问世。该产品专门用于动态密封——在-150°C到-200°C的温度下储存和运输液化天然气（LNG）等气体。与常用密封材料（如聚三氟氯乙烯PCTFE）相比，该系列产品的密封适用温度范围更广泛。该产品在低温下具有更好的延展性，在高温下具有优异的抗蠕变性。

 

PEEK还促进了油气行业电气连接器专家Rampart产品公司（位于美国德克萨斯州休斯顿）的一项应用升级。该公司为一种新型高压高温旋转电器连接件（图4）指定了一种威格斯共混聚合物，以在油田钻井过程中提供高效和安全的动力及数据传输。该产品可在400°F（200°C）的温度和20000+psi（1380bar）的压力下提供可靠的电气连接，同时保护昂贵的传感器和电子设备。

 

 

实验室应用也可能受到极端条件的限制，因此需要高性能材料。例如，过去五年中液相色谱所需的压力一直在逐步上升。VICIAGInternational（位于瑞士Schenkon）推出了一种由威格斯高温高性能聚合物制成的新型一体式配件（图5）。根据测试，VICI已经证明并记录了新配件能够承受高达500bar（7250psi）的手动拧紧压力。通过比较得出，350bar（5000psi）是传统PEEK配件的极限。如果使用适当的工具拧紧碳纤维增强型VICTREXHT接头，它们可以承受高达1000bar（14500psi）的高压。

 

 

食品和饮料（F&B）制造设备公司必须满足监管机构、行业和消费者制定的健康、安全和卫生要求。针对此类应用，威格斯于去年10月推出了一个专用PEEK材料食品级产品组合。与金属相比，新型VICTREXFG™高性能热塑性塑料系列为原始设备制造商带来了成本效益、生产力和性能方面的额外优势。

 

推进可植入器械发展

 

全球首例植入式PEEK聚合物——PEEKOPTIMA于1999年问世。今天，基于PEEK-OPTIMA材料的植入装置数量已经迅速增长到约900万个，包括牙科、脊柱、创伤和整形外科植入物（图9）。InvibioBiomaterialSolutions的新一代生物相容性材料——PEEK-OPIMA™HA增强型材料可以促进早期骨骼生长。它能够提供与皮质骨相似的弹性模量，减少应力遮挡，同时能够实现无伪影成像。

 

2017年底，医疗器械公司OmniaMedicalLLC（位于美国西佛吉尼亚州摩根敦）获得了美国食品药品管理局（FDA）的第一个510（k）许可，可以在胸腰段脊柱中使用Invibio提供的由PEEK-OPTIMA™HA增强型颈椎椎体置换系统（VBR），以替换塌陷、损坏或不稳定的椎体。

 

 

同年，英国奥运会短跑运动员JamesEllington成为了第一位选择用PEEK碳纤维复合髓内钉严重胫骨骨折的职业运动员。他之所以选择该产品，是因为它重量轻、愈合快，而且比金属硬度低。2019年，FDA首次批准了由先进的生物相容性PEEK-OPTIMA™HA增强型材料制成的足踝植入物。它就是创新型Vector™槌状趾矫正系统（图6），一种由NvisionBiomedicalTechnologies研发的生物植入物，有了它医生就能够用100%可翻修的的植入物矫正槌状趾。

 

车辆电气化

 

由于汽车的电气化，汽车对制造材料的需求日益增长。为改善驾驶体验，这些已经很安静的汽车中的齿轮不仅要轻量、耐用和经济高效，还必须有卓越的NVH（噪音、振动、平顺性）性能。电驱动装置、执行机构和泵需要满足上述要求，而衬套、轴承和止推垫圈也需满足相应的要求，还必须有极高的RPM和优异的摩擦学性能。传统汽车的相关应用有望在电动汽车上得到应用和推广。尽管电动机（如电线绝缘、电池）中的应用仍在评估中，动力传动系统和制动系统中的应用却已发挥了不容忽视的实用价值。

 

本文曾刊登于Kunststoffe杂志