聚醚醚酮阀片的特点和应用

聚醚醚酮（PEEK）是一种新型耐高温的热塑性工程塑料。该塑料在20世纪70年代末开发成功，20世纪80年代中期才在美、英等发达国家的航天航空尖端工程上得到应用。20世纪90年代以来，PEEK作为最热门的新型高性能工程塑料之一，受到材料应用研究人员的广泛关注，逐步在通用机械、化工、纺织、石油等工程中有所应用。与通常的耐高温工程塑料聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）等相比，PEEK具有更高的耐热性，长期使用温度达到250℃，短期使用温度可达300℃，在400℃下短时间几乎不分解；同时耐蚀性优于PI、PPS，且接近PTFE；在力学性能方面不仅强度、弹性模量和断裂韧度高，而且高温下的强度损失较小，尺寸稳定性较好；在摩擦学性能方面耐滑动磨损和抗微动磨损特性，尤其是耐高温磨损特性均较为突出；在成型加工方面，不仅能模压成型，而且也能挤出和注射成型，加工性能优于其他一般只能模压成型的耐高温塑料。因此，发挥PEEK高性能的优势，制造高精度、耐热耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳或耐冲击的工程零部件，代替传统的金属材料势在必行，其应用前景十分广阔。

郭强等人针对气体压缩机阀片、高温动密封环等典型易损耗件的使用场合研究了PEEK经填充增强改性的配方材料及注射成型加工工艺；对试制材料的物理、力学和摩擦学性能进行试验评价；研制成功多种规格的PEEK阀片、PEEK动密封环等产品，得到满意的应用效果。表5-35列出了PEEK材料的基本组成。

表5-35 PEEK材料的基本组成

PEEK配方设计的目的是获得高强度、高弹性模量、高断裂韧度、高尺寸稳定性等力学性能和耐滑动磨损、抗接触疲劳、抗微动磨损等摩擦学性能优异的材料。成型加工分为挤出造粒和注射成型两个阶段。首先将粉末状PEEK与填料及晶须等进行机械混合，尽量分散均匀；然后进入高温双螺杆挤出机进行造粒，使各组分在树脂熔融塑化过程中充分捏合。用于增强的纤维也在双螺杆挤出塑化过程中，与树脂及其他填料捏合。注射成型是在高温注射机上进行的。模具设计要达到产品相近尺寸的坯料成型要求，一些非配合性尺寸也要一次性注射成型到位，而配合性尺寸则需机械加工。这样既节省较昂贵的PEEK，又减少精密机械加工的成本。表5-36列出了PEEK材料的性能试验结果。

表5-36 PEEK材料的性能试验结果

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从试验结果可知，PEEK的拉伸强度以碳纤维增强PEEK-4效果最佳，玻璃纤维、晶须增强效果依次下降，但断裂伸长率依次增加，经纤维增强的PEEK-3 PEEK-4的拉伸强度较高，表明纤维与PEEK有较好的相容性；其余填充改性配方材料的拉伸强度与纯PEEK的拉伸强度（95MPa）相比有所提高，也说明该填料与PEEK有较好的相容性。因此，可以认为PEEK具有较宽范围的复合增强改性条件。由材料的弯曲强度和球压痕硬度可见，晶须或碳纤维增强的配方有利于材料的尺寸稳定性、刚性和抗变形能力的提高。但从冲击强度和压缩强度来看晶须填充改性使冲击强度有所损失，压缩强度也不如纤维增强的，表明脆性增加，不过二者仍处于较高水平。碳纤维增强PEEK-4的力学性能最佳，但考虑碳纤维价格因素，在许多场合可采用刚性突出的晶须增强的PEEK-2。

摩擦试验表明，PEEK-4的摩擦因数最低，其余配方材料的摩擦因数均为0.31～0.32，固体润滑剂改性的PEEK-1的摩擦因数最稳定；耐滑动磨损性能优劣次序为PEEK-4、PEEK-1、PEEK-2、PEEK-3，PEEK-1的抗微动磨损性能优于PEEK-2。

PEEK在机械工程中具有广阔的应用前景，尤其是制造的自润滑耐磨耐腐蚀的轴承、密封件、活塞环、滑块等零部件，使用寿命长，维护方便，减轻了件重，降低了噪声。

采用PEEK-2和PEEK-1两种配方材料，经高温注射成型大型石油化工生产线HHE-1型氢气压缩机的三环分立式阀片与弹环帽，代替不锈钢等金属材料阀片。使用工况为：压缩介质为含硫化氢的氢气，温度为135℃，最高压力为8MPa，低压段压差为3MPa，高压段压差为2.1MPa，阀片开启频率为5Hz。阀片装机使用证明，PEEK阀片使用可靠性提高，使用寿命延长，压缩效率提高，使用成本降低，还能明显降低机械噪声。PEEK-2还可用来制造化工、采油、矿山、燃气等领域的各种气体压缩机的网状阀片、菌状阀芯等零部件，使用效果显著。

用PEEK-4配方材料经高温注射成型，制造了发电成套设备中的一种大直径（Φ700mm）高温（200℃）气动密封环。装机使用证明，材料耐温性、耐磨性及尺寸稳定性均达到技术指标要求，产品成型加工工艺简便，密封可靠，使用寿命超过设计要求的10000h，取得了良好的使用效益。

石油化工行业高温场合使用的阀门工作条件更为苛刻。根据材料硬度的要求，分别选用PEEK-1和PEEK-4两种配方材料，先通过高温注射成型近尺寸动密封环坯料，再经机加工和研磨制成动密封产品。经装配使用表明，其材料具有优异的耐高温蠕变性、耐蚀性及耐磨性等性能，密封适配性更为突出，使用寿命长。