多功能PEEK推动实现跨行业性能

在许多行业中，企业在选择材料时需要不断做出重要的决策。传统金属和其他材料能否达到他们期望的结果？还是应该研究新的高性能材料和解决方案？在多个重要的行业领域中，具有多功能性的聚醚醚酮(PEEK)聚合物越来越多地被认为是能够实现更强大性能的材料。

聚醚醚酮(PEEK)是高性能聚芳醚酮 (PAEK)家族的300多个成员之一，是聚合物中的佼佼者。这些PAEK聚合物中，只有少数已经商品化；除了PEEK外，其他成员还包括PEK、PEKK和PEKEKK。

在结构上，线性芳香族PEEK聚合物由重复的被芳基分隔的醚、醚和酮键组成，它有多种(聚)醚醚酮排列，成为这些半结晶聚合物的名称来由，其卓越的机械和化学特性意味着它们可独特地支持多种要求的组合。例如，轻质高强度聚醚醚酮(PEEK)聚合物具有很高的耐磨性、耐高温性、耐疲劳性和耐腐蚀性流体/化学品的性能，有助于：

•提高燃油效率；

•提高安全性；

•延长部件寿命；

•更大的舒适度(运行平稳，噪音更小)；

•更高的设计自由度；

•高生产成本效率。

用PEEK-optima超增强聚合物制成的不含金属的远端股骨骨折固定板（所示的医疗创伤板不可用于分散或植入。

与金属相比，基于PEEK的材料重量很轻、易成型、耐腐蚀，并且具有很高的比强度(每单位重量强度)，自从二十世纪八十年代位于英国Thornton-Cleveleys地区的威格斯(Victrex) 公司首次把威格斯聚醚醚酮“Victrex PEEK”商业化以来， 此后一直不断地改进，带来了材料和技术的革新，使聚合物的使用发生了革命性的变化，并不断推进材料可能达到的性能极限。

迎接市场和应用挑战

今天，包括汽车、航空航天、电子、能源和制造以及医疗行业在内的广泛行业都得益于这种多功能、高性能PEEK热塑性塑料的使用。通过替代金属或其他材料，PEEK通常能够促成客户开发具有竞争力的创新应用。

通常在材料的选择方面需要考虑两个关键需求：

-在制造和装配、运营和降低总体成本方面具有更高的性价比；

-提高性能，达到可靠性目标并减少停机时间

汽车和航空航天工业：提高效率

在汽车领域，“Victrex PEEK”已经在一些要求严苛的应用中发挥了巨大作用，例如提高齿轮效率(见图1)。与金属齿轮相比，PEEK齿轮减轻了68%的重量，同时改善了50%(3dB)震动噪音。此外，转动惯量可以减少多达78%。这意味着应用PEEK可改善响应能力，从而降低功耗，有助于降低二氧化碳排放量。

图1. 汽车等行业是PEEK机械阻力精密齿轮的重要应用领域

航空航天制造商面临着需要提高新飞机组装速度的挑战，同时不能够影响功能、成本或重量(图2)。PAEK处于材料发展的最前沿，应用这种材料可以设计和生产高性能的注塑成型PEEK零件，从而减少飞机部件的数量，同时简化和加快生产流程。最近一个重要的发展是引入新的材料，比如“Victrex AE 250”复合材料(图3)，它能够结合共混成型加工技术来开发新部件。这可以实现连续制造工艺，其循环周期只有几分钟，可以替代循环周期为数小时的热固塑料。结构支架一直是一个重要的发展领域，除了能够加速部件的制造和随后的飞机组装以外，新的支架还可以减轻多达60%的重量，同时满足所需的组件强度。

图2. 威格斯PAEK热塑性复合材料包覆在威格斯PEEK材料之上，可以制成格栅加筋面板，同时结合了高强度和轻量化优势。

能源行业：满足可靠性目标要求，减少停机时间

与玻璃陶瓷连接器相比，Victrex PEEK材料能够使电连接器的使用寿命增加一倍。与其他PEEK密封系统相比，Victrex PEEK材料则具有高两倍的承载能力，因而“Victrex PEEK”在能源行业得到高度评价。这种高性能聚合物能够满足石油和天然气行业的需求，使得它们可以新的非常规石油储藏中进行更深入的钻探。其承受极高压力、高温、腐蚀性化学品和腐蚀性环境的能力，有助于避免代价高昂的停机时间。

图 3. victrex AE250复合材料，如单向带（UDT）和层压板，在组件制造速度和经济高效的安装方面提供了优势。

“Victrex PEEK”还能够为石油和天然气或化工行业广泛使用的往复式压缩机提供效率和可靠性方面的优势。例如，在天然气压缩机中，由PEEK制成的阀已经被证明可连续工作十二个月，而钢质阀通常在大约一个月后便会断裂。除了使用寿命显着延长之外，由PEEK制成的阀还具有节约能源的潜力，这是由于它带有更好的磨损特性、表面匹配性、弹性和密封性，因而减少了流体损失。有趣的是，聚合物阀的噪音水平也低于钢质阀板。

图4. Magma和victrex为海底应用开发了“碳复合管m管” 。

在利用“Victrex PEEK”与Magma共同开发碳复合材料“m管”(图4)之后，威格斯最近与Magma再度合作，进一步促进其管道在海底的应用。预计这项创新技术将降低勘探和生产成本，以及减轻要求严苛的海底应用的风险。

医疗：加速实现医疗创新

第一个商品化的植入式PEEK级别“PEEK-OPTIMA”是在15年前推出，从那以后，医学领域快速接受使用生物兼容PEEK的假体和植入物来取代金属等同物 ，并且在此过程中为从业人员和患者提供了相当大的优势，使用范围包括脊柱植入物、长骨骨折和其他创伤损伤(人体概览图像)（hero image），以及具备CAD / CAM便利设计和临床准确度优势的假牙。医学专业机构与Invibio Biomaterial Solutions这样的制造商和解决方案提供商合作，证实了这些物料的可行性：全球约有900万例使用Invibio“PEEK-OPTIMA”材料生产的医疗器械，现已使用于人体医学领域快速接受使用生物兼容PEEK的假体和植入物来取代金属等同物，目前欧盟、美国和亚洲监管机构已经准许使用PEEK植入物。

这种生物材料适合用作制造医疗植入物，得益于许多因素。PEEK的弹性模量接近于骨，此外，不同的PEEK等级为种植体制造商提供足够好的磨损[1,2]和耐疲劳性能[3]以及完全生物兼容性的化学惰性，并且避免了将金属引入人体生物环境时可能产生的生化副作用。它还可以安全消毒，能够耐受蒸汽消毒或高剂量伽玛辐射的多次循环[4]。

PEEK医疗应用的一个典型“定制”示例是在未填充的PEEK中添加碳纤维，从而获得生物兼容的碳纤维增强PEEK(CFR-PEEK)，其优化的强度和刚度与金属相当，Invibio的“PEEK-OPTIMA Ultra-Reinforced”就是如此。在许多情况下，CFR-PEEK的使用还允许开发更薄、更小、更微创的器械设计[5]。

在医疗领域，一旦植入到位，不管是否出现破损等并发症，还是脊柱融合的骨生长进展，都必须对其状态进行监测。诸如钛之类的金属由于其射线不透性和产生伪影的可能性，会在使用X射线、MRI和CT成像成为挑战。然而， PEEK植入物的射线可穿透特性已经改变了这种状况。它们易于成像，允许医生监测脊柱融合进展或进行其他诊断性检查。这种能够准确评估治疗进展和患者效果的能力，最终有可能提高患者的生活质量。

制造业进步和伙伴关系扩展

威格斯公司是PAEK的领先制造商，在英国Thornton Cleveleys地区具有世界一流的运营设施，其PAEK产能超过每年7000吨。威格斯公司2017年秋季建成运行了全新的聚合物创新中心，为未来的发展提供更多的资源，并且作为威格斯全球网络的一部分，帮助世界各地的客户进行技术开发。

最近，PEEK发展覆盖了广泛的应用范围，从新的聚合物牌号到不同产品形态，以及用于特定应用的部件。新开发的形态以单向(UD)卷带、复合材料(“Victrex AE 250”)或薄膜为中心，部件开发包括医疗创伤板、航空航天支架和汽车齿轮。此外，目前正在开发用于3D打印的特定等级PEEK材料，以及其他客户特定的PEEK材料解决方案。

最近推出的材料牌号包括用于石油和天然气设备的“Victrex OGS 125”、“Victrex CT 100”，以及用于增强骨长上的新一代植入材料“PEEK Optima HA Enhanced”。

为了满足特定市场的需求，威格斯也建立了新的商业伙伴关系，包括上文提到与Magma的合作关系，以及2017年与Tri-Mack Plastics Manufacturing Corporation成立合资公司TxV Aero Composites，目的是加速 PAEK复合材料解决方案在航空航天工业中的商业应用。威格斯于2017年4月收购英国单丝专业厂商ZYEX，也加快了PEEK单丝在现有和新兴市场的应用。2015年，威格斯收购了Kleiss Gears，使得威格斯在开发用于极端环境和严苛环境下的齿轮解决方案时，能够满足汽车合作伙伴的需求。

专心致志是未来发展的基础

自2014年以来，聚醚醚酮(PEEK)在数个关键行业的新应用取得了重大进展。Victrex PEEK在1978年首先获得专利，在这一领域拥有最长的历史。这种材料拥有出色的多功能性，加上从源远流长的发展历史中获得的技术积累，可以确保威格斯能够不断突破性能极限，进入全球范围的更多新兴应用领域。