PEEK性能、优势、应用与制备工艺有哪些?

最佳答案 匿名用户编辑于2025/07/03 11:09

PEEK 性能优良,综合属性强于金属。

聚醚醚酮(PEEK)属特种工程塑料,具有较高的性能与附加值。聚醚醚酮(PEEK)是聚芳醚酮(PAEK)的一种,由芳基、醚基、酮基单体聚合制备而成,据威格斯中国官网,有文献记载的PAEK 有超过340种,主要分为非晶型和半晶体型,其中半晶体型因存在部分结晶,性能更优,PEEK 属于半结晶型PAEK的一种,属于特种工程塑料。据《特种工程塑料—我国拥有强势自主创新知识产权的新一代塑料急待产业化》(吴忠文,2007),塑料材料依据其性能与附加价值,从低到高可分为普通塑料、工程塑料、特种工程塑料,其中 PEEK 属于性能和附加值最高的特种工程塑料。

在 PAEK 中选择 PEEK 主要系临界温度适宜。高分子材料有两个重要的临界温度,玻璃化转变温度(Tg)和熔点温度(Tm),温度超过材料的 Tg 时,材料会从玻璃态转变为高弹态,强度有所降低,因此塑料材料会希望玻璃化转变温度尽量高,从而提高使用温度,同时当材料超过 Tm 时会转变为液态,用于加工成型,据威格斯中国官网,一般加工温度为比 Tm 高 30-60℃,建议加工温度在430℃以下,因此熔点不宜过高。对于 PAEK 材料,通过调节酮醚比,即酮基和醚基的摩尔比,可以调整材料的Tg 和Tm,随着酮醚比上升,Tg 和 Tm 均会有所提升。其中,酮醚比为 0.5:1 的 PEEK 兼具相对较高的Tg(143℃),同时其加工温度(373~403℃)不超 430℃,兼具较好的加工性能。

PEEK 在机械、物理、化学、生物特性上具备诸多优势。根据中研股份招股说明书,PEEK 具备优异的力学性能,体现为较好的刚性和韧性,同时具备较好的耐剥离性、耐磨性、易加工性能,在物理特性方面,PEEK 的耐热、阻燃、耐水解等特性表现良好,PEEK 还具有优异的耐腐蚀性,与镍钢相近,在生物相容性方面,可作为医疗器械植入人体,弹性模量与人骨接近,在医疗领域具有重要应用。同时,PEEK也因注塑成型过程内应力大,易形成各向异性的原因,难以制备大尺寸棒料,以及制备工艺的原材料价格较高,导致其成本较高。 性能对比:特种工程塑料优中选优,部分性能指标超越金属。性能指标方面,与其他典型特种工程塑料(聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚亚苯基砜等)对比来看,PEEK 具有最高的刚性,良好的耐热性、耐腐蚀性和绝缘性能,在特种工程塑料中性能指标突出;与结构金属材料(钢、铝合金)对比来看,其比强度达到 1500N·m/kg,是钢的 21.4 倍,是铝合金的 7.9 倍,其绝缘性能和耐腐蚀性能也优于钢和铝合金;与医用金属材料(锆、钛合金)对比来看,PEEK 密度 1.3g/cm3,更接近标准骨密度1.2g/cm3,弹性模量远小于锆和钛合金,更接近人体组织,低导热系数说明其耐热性能较好,因此从物理性能指标来看,PEEK 优于锆、钛合金等医用合金。

汽车领域,据威格斯公司公告,PEEK 可通过挤压的方式涂覆在电线上,适用于下一代800V 高压车型,现有燃油车的单车 PEEK 用量为 10 克,未来电动汽车有望增长至单车 200 克;航空航天领域,轻质易加工的 PEEK 复合材料具备巨大机遇,由于对轻质和高抗冲击性 PEEK 基材料取代传统金属部件的高需求,主要结构部件包括机翼、发动机壳体和机身,据威格斯公司公告,每架飞机的潜在PEEK 含量至少是当前水平的 10 倍,据 Mordor Intelligence,航空航天工业是 2022 年最大的 PEEK 消费行业;电子领域,PEEK 可用于消费电子、半导体等零部件,由于人工智能和物联网等新兴趋势,预计未来对电子设备的需求将增加,从而带来对 PEEK 的需求激增;据 Mordor Intelligence 预测,2023-2028 年,电子领域PEEK 消费价值复合年增长率为 9.01%,超过汽车、航空航天等领域;医疗领域,PEEK 因更接近人体组织的特性、优良的耐磨、耐腐蚀等性能、满足需求的生物相容性,广泛应用于医疗器械与人工组织关节等方面,据威格斯公司公告,使用 PEEK 复合材料创伤板替代钛基板能提高修复率,PEEK 膝关节也有望成为现有钴铬合金的替代方案,此外,据《PEEK 材料的研究与应用》(林永进,2023),PEEK 与3D 打印的结合,能够提供更高的精度水平,在医疗领域具有增长潜力。

PEEK 的制备总体可分为聚合、加工、成型三个过程。聚合过程是将原材料单体通过聚合反应获得高分子聚合物,再通过冷却、粉碎、提纯、萃取、干燥等工序分离出粗粉备用;加工过程主要是将粗粉进行进一步加工制成半成品,不同加工成型方式可分别获得细粉、纯料和复合增强料;成型过程是针对细粉、纯料和复合增强料,通过 3D 打印、喷涂、模压、挤出、注塑等工艺获得 PEEK 型材,供下游使用。聚合反应:以氟酮为核心原材料的亲核路线为主。据《聚醚醚酮(PEEK)合成研究》(任雯清,2011),PEEK 的聚合反应过程主要有亲核取代与亲电取代两条技术路线,其中,亲电路线以二苯醚和间苯二甲酰氯为原材料制备,其反应条件较为温和,原材料的获取成本较低,然而该路线存在聚合物支化、交联等副反应,难以控制,亲核路线以氟酮、对苯二酚、碳酸钠为核心原材料,以二苯砜为溶剂进行制备,其能够较好地控制支化、交联等副反应,缺点在于反应条件较为苛刻,合成工艺复杂,单体价格昂贵,体现为制备成本较高,现行主要的产业化路线是以氟酮为核心原材料的亲核取代路线。据中研股份招股说明书,其聚合反应过程为:将氟酮、对苯二酚、碳酸钠等原材料熔融混合后加入5000L 聚合釜,加热至280℃-340℃进行聚合反应,持续 8-12 小时至 PEEK 聚合分子量达到预定区间后,封端停止聚合,获得PEEK 粗粉和碱金属盐混合物,经冷却、粉碎、提纯、萃取、干燥等工艺分离出PEEK 粗粉。

加工过程:三种加工成型路径获得细粉、纯料、复合增强料 PEEK 产品。据中研股份招股说明书,PEEK的加工成型过程主要可分为三种路径,以 PEEK 粗料为半成品,分别通过磨粉、筛分、磁选,获得PEEK细粉;挤出、深度过滤、切粒等获得 PEEK 纯树脂颗粒;与碳纤维、玻璃纤维、PFTE(聚四氟乙烯)共混、挤出、切粒,获得复合增强 PEEK 颗粒。 成型过程:基于细粉料、纯料、复合增强料等初步产品进行进一步的成型,使粉状或颗粒状PEEK 产品成为涂层、型材等可直接用于下游领域的产成品,对于 PEEK 细粉料,可以采用3D 打印、模压、喷涂等形式,制备特定形状的产品或涂层,对于 PEEK 纯料和复合料,因其主要半成品为颗粒状,需要进一步熔融加工,采用注塑或挤出的形式获得特定形状或规则形状的型材产成品。