聚醚醚酮的综合性能与应用领域

聚醚醚酮，简称PEEK，是线型半结晶型，低极性热塑性塑料，有优异综合性能，目前通常采用填充或增强塑料的形式用于加工制品，且多数是玻璃纤维或碳纤维增强PEEK。

目前PEEK的主要生产厂有吉林大学、英国ICI公司、美国阿莫科公司、日本东压化学公司、美国杜邦公司和德国巴斯夫公司等。

PEEK主要性能特点是耐高温（240℃）、耐热水及蒸汽（200℃）、抗冲击、韧性和伸长率高、耐腐蚀、耐辐射、阻燃及低发烟性，电性能也优良，主要用于航空航天工业、原子能工业、武器装备等高尖端技术领域。

1.基本性能

（1）一般性能 PEEK为半结晶低极性聚合物，外观呈白色或乳白色半透明或不透明状，但薄膜透明性好，透光率为85%（45μm厚膜）；结晶度一般为20%～30%，最高达48%；密度高，一般为1.265～1.32g/cm³；吸水率高达0.5%，但耐水解，尤其耐热水及蒸汽性好，质地坚韧。

PEEK本性无毒，生理相容性好，阻气透水，是良好的气体密封和离子交换膜材料。

成型收缩率为1.1%（未改性），可制作MT3级精度制品。此外，粘接性、电镀性、焊接性、机械加工性良好。

（2）力学性能 PEEK具有较高的强度及模量，指标优于PC、POM的，与PI的相似，增强PEEK的性能指标更高。虽然当温度高于玻璃化温度（143℃）时强度及模量会迅速下降，但高温时仍能保持足够强度及模量，如在200℃时其拉伸强度仍可达50MPa，弯曲弹性模量也可达1.5GPa；GFPEEK（20%，质量分数）200℃时的拉伸强度>60MPa，弯曲弹性模量为4～5GPa；CFPEEK（30%，质量分数）200℃时的拉伸强度>70MPa，弯曲弹性模量为8GPa左右。

PEEK抗蠕变性、抗疲劳性和抗冲击性优良，在大多数工程塑料中为佼佼者，可与金属合金材料媲美。此外，耐应力开裂性也优于PSF、PES、PC及POM。

PEEK在较宽温度范围内也能保持优良的耐磨性和自润滑性，耐磨性相当于PI。在较高负载反复作用下都能保持较低的摩擦因数和磨损量，尤其是改性耐磨级PEEK，其动摩擦因数可达0.17～0.24，磨痕宽度为3～4mm，极限pv值达4MPa·m/s（在p=0.5MPa、v=8m/s时），可用作精密、无润滑、耐蚀、耐高温、交变负载场合下的摩擦制品。

增强或未增强PEEK的悬臂缺口冲击强度可达70～100J/m，虽低于PC、POM的，但韧性是耐热塑料中最好的。

（3）热性能 PEEK耐热性优良，其玻璃化温度为143℃；熔点为334℃；热变形温度（1.82MPa）为152℃；连续使用温度为240℃；短期使用温度为300℃；增强料连续使用温度为250～260℃；短期使用温度可达400℃。

热稳定性好，500℃以上才发生热老化和拉伸强度下降。耐热水性和耐蒸汽性能优良，在80℃热水中浸泡800h，在200℃蒸汽中蒸煮后，拉伸强度及外观均无变化，是所有工程塑料中耐蒸汽性最好的品种，可在200℃以上的蒸汽及300℃加压热水中工作。

PEEK具有自熄性，OI值>24%，不加阻燃剂厚度为0.8～1.5mm的试样也可达到UL94V-0级水平，且强制燃烧时发烟量很小，烟气中不含毒气，发烟度比PC、PSF、PTFE、PF及PES等小得多。

此外，PEEK的线胀系数小，增强料的线胀系数为1.5～2.4×10^-5K^-1，未增强料的线胀系数为4.7×10^-5K^-1左右。尺寸稳定好，接近于金属铝的。

（4）电性能 PEEK为低极性聚合物，具有良好的电绝缘性，介电常数及介质损耗因数小，介电强度中等。而且在高频范围内仍具有较好的介电性能，介电常数在60Hz到10⁴Hz范围内保持3.2～3.3，介质损耗因数在10Hz到10⁶Hz范围内保持1×10^-3～3.5×10^-3。其体积电阻率大于10¹⁶Ω·cm，而且经改性后还可制成为表面电阻率达10⁸～10¹⁰Ω的导电塑料。PEEK在高温下也能保持良好电性能，耐热等级为C级。

（5）耐蚀性及耐候性 PEEK具有优异的耐蚀性，除浓硫酸外，几乎可耐任何化学试剂和大多数常见的有机溶剂，即使在较高温度下也能保持良好的耐蚀性，高温耐酸、碱性优于PI，耐蚀性接近于镍钢，优于PC、MPPO、PES等品种。

它不溶于质量分数30%的硝酸、盐酸、氢氧化钠、乙酸和草酸等溶液，不溶于环己酮、二甲苯、三氯乙烯（乙烷）、乙醇、汽油等溶剂，在氯仿、醋酸乙酯、丙酮、甲苯中会发生轻微龟裂或应力开裂，但经200℃×1h的退火处理提高其结晶度后，可显著改善耐蚀性。

PEEK具有很强的耐辐射能力，是工程塑料中耐辐射性最好的品种，优于耐辐射性优良的PS，它仅在吸收（1.0～1.2）×10⁷Gy剂量的γ射线照射后才会变脆，（0.1～12）×10⁶Gy剂量的β射线照射对其无影响，故可作耐辐射制品。同时，PEEK的耐剥离性很好，故可作在苛刻条件下使用的耐辐射、耐剥离的电线、电磁线的薄层包覆。

PEEK耐候性优良，可用作飞机机舱、机翼及宇航站中的各种外包装材料。

部分PEEK的性能数据见表10-75和表10-76。

表10-75 国产PEEK及日本PEEK薄膜的性能

表10-76 英国帝国化学公司PEEK（Victrex）系列的性能

（续）

2.加工性

PEEK是高熔点热塑性塑料，当熔体温度在380℃以下时，粘度对温度变化敏感，大于380℃时对剪切速率变化敏感，可用注射、挤出、模压、吹塑、层压、静电涂覆及二次加工等方法加工各类制品。

其熔体粘度大，加工温度高，但热稳定性好，不易分解。由于制品性能与结晶度及结晶结构有密切关系，所以加工时应尽可能采用有利于提高结晶度的工艺条件。如注射成型时采用较高的模温，当模温为180℃时可能得到较高结晶度的制品，模温在150～160℃时制品表面层可能是透明低结晶度的，因此模温低时制品应退火处理，去除内应力，提高结晶度，热处理工艺为200℃×1h或300℃×20min。此外，加工前原料需烘干处理，烘干工艺为150℃×3h。其主要工艺成型条件如下：

（1）注射成型 可采用螺杆式注射机，加工大型或薄壁、复杂形状制品时应选用高长径比、小压缩比螺杆。其成型工艺条件见表10-77。

表10-77 PEEK注射成型工艺条件

（2）挤出成型 PEEK可用挤出成型加工薄膜、单丝、棒材、管材和电线、电缆包覆。加工直径大于63mm制品及大型制品时，制品内外层结晶度不同，会产生较大的内应力导致制品开裂，故需高温退火处理，要在300℃退火数小时。PEEK挤出成型工艺条件见表10-78。

表10-78 PEEK挤出成型工艺条件

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（3）其他成型 PEEK与玻璃纤维、碳纤维或混合纤维混合体用层压成型工艺制作高性能复合层压板，如70%单向碳纤维层压板在23℃时拉伸强度可达1540MPa，拉伸弹性模量为130GPa。

PEEK可采用静电喷涂法或流化床喷涂法，对金属制品进行粉末涂覆成型，涂层具有耐热、耐蚀、耐水及优良的电绝缘性。

PEEK可采用机械加工、超声波焊接、电镀、溅射等方法进行二次加工，还可用环氧树脂、聚氨酯、有机硅等粘结剂进行粘接。

PEEK可用旋转成型法、吹塑成型法加工大型容器或盛装核废料的特殊容器。PEEK薄膜还可与金属加压粘接制作耐高温增强复合材料。

3.制品应用

由于PEEK性能高，价格贵，所以它主要用于耐高温、耐腐蚀、耐辐射、高强度、高电性能场合作高性能要求的制品，用其代替不锈钢、有色金属、陶瓷和热固性塑料等材料。PEEK及其改性、增强品种的主要用途如下：

1）在电子电气工业中，利用其耐焊锡性、阻燃性、韧性好等特点制作耐高温焊接电气制品，如镶嵌插头、高可靠性接插件、电缆插头、晶片笼型线圈、电池外壳和IC封装材料等。

用作航空、航天、原子能、油气井、船舶及海洋作业装置、化工设备、高温工作设备上所用的电线电缆包覆层、接线盒、配线引出头等耐蚀、耐辐射、阻燃低发烟的电绝缘制品。

可作耐高温、耐高频、C级绝缘材料，电动机、发电机槽绝缘，电容器、变压器薄膜，高温接线柱、连接器、终接器，可挠性印制电路板及集成电路基材、载波带等。

2）在机械、化工设备中，利用其耐磨、耐蚀、耐高温（260℃）、自润滑、耐油、抗疲劳、韧性好、强度高等特点，可用作轴承、齿轮、活塞环、轴承保持架、金属轴承护衬、汽油密封圈（片）、真空密封圈、离合器零件、复印机零件、高强度及刚性、耐蚀螺栓；可作耐热水、耐蒸汽高强度零件，如涡轮加载器叶片，热水及化学泵的泵体、叶轮、蒸汽阀门、蒸汽密封圈，采油用接插件，锅炉pH计护套，锅炉检测传感器零件，化工设备中耐热、防腐零件、涂层，高纯度介质输送管道、管件和阀门等。

3）在航空、航天、原子能发电站中可作发动机零件、密封材料、外装材料、机翼舱面包装材料、点火器管、接插件、阀门、涡轮叶片、电动机周围支架、火箭用电池槽、紧固件等。

4）在汽车上，利用其高强度、高刚性、耐热性、抗疲劳、低磨损和耐油高润滑性等，制作活塞裙、转子支架、轴承、轴承保持器、齿轮、密封垫片、支撑座、轮胎内压传感器壳体、离合齿环、制动系统、滤油网等。

5）在医疗器材中，可作耐灭菌消毒反复使用的手术和牙科器械。由于它质轻，无毒，可与肌体有机结合，故可代替金属作人造骨。还可作血液透析机中的加热器和压力传感器外壳，薄膜还是离子交换的优良材料。

6）其他方面，PEEK纤维、单丝具有比聚酯、尼龙纤维更好的耐热性、耐蒸汽、耐药品、耐磨性、抗蠕变及韧性，可常用作耐热滤布、造纸机干燥帆布、球拍的网线，增强塑料纤维可作耐热、耐药品的纺织带及织物。

PEEK吹塑制品可作核废料容器，也可作显微镜灯罩，实验室用镊子等。

4.改性聚醚醚酮

未改性聚醚醚酮的力学性能随温度升高到玻璃化温度时会迅速下降，而PEEK的玻璃化温度值还不能满足高性能制品的要求，且在无润滑状态下摩擦性能也难以满足高温工作轴承、齿轮、各种滑动部件和发动机零部件的要求。另外，材料价格也较高，所以进一步提高PEEK高温工作性能成为改性的主要目标。GFPEEK和CFPEEK可显著提高PEEK的强度、刚性、耐热性及高温工作性能，已成为PEEK的主要改性品种。现将常用改性PEEK介绍如下：

（1）增强PEEK 通常用20%～30%（质量分数）的玻璃纤维或碳纤维为增强材料，增强后可提高拉伸强度、弯曲强度、抗蠕变、抗湿热老化性、热变形温度、抗冲击性和耐磨性，同时可降低PEEK力学性能随温度升高而下降的缺点，且碳纤维增强料的性能优于玻璃纤维料；增强PEEK热变形温度可达300℃，连续使用温度为260℃；弯曲模量为8GPa。而CFPEEK（30%，质量分数）的拉伸强度可达100MPa，弯曲模量为15.40GPa，耐磨性也优于GF-PEEK、UHMWPE，且可提高高温承载能力，力学性能优于GFPAI（30%，质量分数）、GFPPS（30%，质量分数）和GFPEEK（30%，质量分数）。

（2）填充改性PEEK 通常采用石墨、MoS₂、铜粉、F4、无机纳米填料作填充料，可提高耐磨性，改善加工性及冲击强度，降低成本。纳米填料还可配制高强度PEEK，如用纳米Si₃N₄+氧化锆（1%～3%）+PTFE（或石墨）+GFPEEK组成的填充改性PEEK，摩擦因数可降至0.18，磨损率为0.16×10^-6 mm³/（N·m），无缺口冲击强度可达27～41kJ/m²，弯曲强度可达184～219MPa，具有优异的韧性，且改善了加工性。

（3）高强度PEEK 主要包括CFPEEK、GF/CF混杂增强PEEK和纳米材料增强PEEK等。

1）CFPEEK是由PEEK与经特殊处理的碳纤维共混的增强PEEK，由日本三井东压化学公司开发，商品名称为PKU-CF30。它有优异的强度和刚性，可与铝合金媲美，且可采用注射成型加工，价格适中。可作汽车涡轮增压器叶轮等高温工作零件，质量轻，强度高，耐热，抗疲劳，现已用于日产汽车上。PKU-CF30与其他材料的性能对比见表10-79。

2）玻璃纤维/碳纤维混合纤维增强PEEK是用PEEK粉料、粒径为3～5μmPTFE超细粉料（含量为10%～20%，质量分数）、GF/CF混杂纤维（含量为30%，质量分数）及其他助剂共混而成的增强PEEK，具有较高的强度、刚性及优良的耐磨损及摩擦性能，可用注射成型加工制品。其成型工艺条件：料筒温度为340～370℃；注射压力为110MPa，保压压力为90MPa；冷却时间为2min。其与GFPEEK的性能对比见表10-80。

表10-79 PKU-CF30与其他材料性能对比

表10-80 GF/CF混杂增强PEEK/PTFE与GFPEEK性能对比

（4）PEEK合金 PEEK合金改性的目的，常为提高PEEK的玻璃化温度，提高高温时的强度及刚性，降低成本。这里只介绍几个典型的PEEK合金品种。

1）PEEK/PSF、PEI、PES合金是PEEK与这些非结晶型高玻璃化温度聚合物的共混物，可提高玻璃化温度，如PEEK/PEI（50%，质量分数）的玻璃化温度达180℃，比PEEK的高37℃；PEEK/PPS合金不仅可提高玻璃化温度，还可提高流动性，降低成本。

2）PEEK/PAEK合金是指PEEK与不同PAEK品种的共混物，利用不同PAEK品种（如PEK等）的熔点和玻璃化温度来调节PEEK的热性能。

3）PEEK/PTFE合金与PEEK/POB/MoS₂合金，主要目的是降低摩擦因数，提高耐磨性及pv值。GF-PEEK/PTFE合金的热变形温度（1.82MPa）>300℃，摩擦因数为0.3，磨痕宽度为4mm。PEEK/POB/MoS₂合金还具有提高力学性能的效果。

4）PEEK/LCP合金。LCP可明显控制PEEK在高温（玻璃化温度以上）时的强度及刚性下降的幅度，如PEEK在200℃时弯曲模量会迅速下降至0.5GPa，而合金可保持在1.5GPa，并且可提高熔体流动性，改善加工性。

（5）导电PEEK 导电PEEK是由日本三井东压化学公司开发的改性PEEK品种，商品名称为KNE5010。它不仅保留了PEEK的一系列优良性能，且表面电阻率可控制在10⁸～10¹⁰Ω内，具有质轻、强韧、尺寸稳定及高温处理时具有防静电性等特性，适用于作半导体、液晶玻璃基板、集成电路晶片支架用料。其与未改性PEEK的性能对比见表10-81。

表10-81 导电PEEK（KNE5010）与未改性PEEK（450G）的性能对比