高性能特种工程塑料的创新应用

发布时间：2016/10/12 9:09:52

    近十年以来，特种工程塑料(high performance polymers/Ultra polymers)的应用已经逐渐从之前的军工和航空航天延伸到了越来越多的民用领域，例如汽车，装备制造，高端消费品等等。特别是其中我国具有完全自主工业化生产能力的聚醚醚酮PEEK和聚苯硫醚PPS，在产品质量可以媲美进口同类型材料的同时，更是具有非常明显的价格优势，市场前景十分看好。

图1：以PEEK树脂为原料制成的软管，棒材以及耐磨轴承

    PEEK和PPS可归类于结晶性热塑性塑料，表1归纳了这两种工程塑料的基本物理和力学性能。从中可以看到PEEK在强度，韧性，工作温度等等方面都较PPS更优异;而另一方面，PPS非常明显的成本优势和更好的加工性能使其应用范围更加广泛，其全球产能和年复合增长率在热塑性特种工程塑料中都位列前茅。由于用量的不断增长和应用领域的不断扩展，如今PPS已被称为继PA，PC，PBT/PET，POM和PPO之后的第六大工程塑料。

图2：PPS已经越来越多的运用在汽车电子，制动系统，以及发动机内部及周边

    由于PEEK和PPS非常优异的理化性能，非填充的纯树脂经注塑和机械加工后就可以胜任很多苛刻条件下的复杂应用。而PPS和PEEK经过填充和共混改性后，还可以进一步结合树脂和填料的优点，拓展附加值更为广阔的应用。下面笔者就结合自己多年的改性工程塑料配方设计经验，介绍两个PPS和PEEK复合材料在民用新领域的全新探索。

表1：PEEK和PPS基本物理和力学性能对比，测试标准ASTM



     笔记本前盖板传统上，笔记本盖板用料一直是高流动增强阻燃PC或者PC/ABS合金的天下，后来随着笔记本向轻薄便携和大屏多功能两个方向的发展，笔记本盖板用料也有相当一部分转向了阻燃增强PA，这样做的一大好处就是可以在不增加纤维添加量的情况下，利用尼龙自身的高流动性和结晶性，降低产品的注塑成型难度并提高强度和韧性。然而改性尼龙材料的缺点也很明显的：高吸水率导致制件注塑后形变，以及尼龙无卤阻燃体系的昂贵价格和对材料力学性能的负面影响，限制了改性尼龙材料应用在更薄，更大的笔记本前盖板上。为了解决这个问题，近几年来改性材料界和各笔记本大厂都不约而同的把目光聚焦在了PPS上。虽然原材料成本远高于其他工程塑料，但笔者认为PPS的以下突出特点，决定了它在笔记本前盖板这个应用上有着其他树脂所不可比拟的独到优势：本征阻燃。

    与PC和PA不同，PPS纯树脂及其玻纤/矿粉填充的复合材料在不添加任何阻燃剂的情况下，可以轻松达到V-0@0.8mm甚至更薄厚度的V-0阻燃级别。虽然PC和PA有着比PPS更便宜的价格和更好的力学强度(尤其是冲击强度)，但是添加了无卤阻燃配方(V-0@0.8mm级别)的PC和PA复合材料的成本却会大幅上升，很多时候甚至高于具有同等力学强度的PPS材料。

    超高流动性，这个优势主要是针对PC而言。新一代超薄笔记本前盖板(厚度0.8-1mm)对于弯曲模量的要求往往高达15000 – 17000 MPa(ASTM标准)。但是在3C行业严格的成本控制压力下，配方设计师往往被要求选用成本更低廉的玻纤，而不是碳纤作为增强填料。而对于PC及其合金而言，其较差的流动性决定了玻纤添加量的上限一般不宜超过40 % (弯曲模量只可以达到10000 MPa，ASTM标准)。更高的添加量除了会严重影响材料的流动性造成加工困难外，还会产生表面浮纤，翘曲严重，力学性能变差等问题。而对于半结晶性的PPS而言，其非常高的流动性可以允许玻纤填充量轻松超过50 %，同时在高温熔融共混挤出的过程中，PPS相较于PC更低的粘度可以使玻纤经受较低程度的剪切和挤压，从而在注塑成型的制品中具有更长的保留长度，达到进一步提升模量的效果。

    超低吸水率，这个优势主要是针对PA而言。就流动性而言，高填充的PA和PPS不相上下;而对于力学强度，同等填充量的PA复合材料还要更占优势。但是除了无卤阻燃的限制外，另一个PA应用于新一代笔记本盖板的制约因素就是其较高的吸水率：相比高温尼龙PA6T 0.6-1 % 的吸水率，PPS 0.03 % 的吸水率几乎可以忽略不计。由此带来的后果是PPS制品由于吸水变形而产生的产品不良率要比同等条件下的PA制品低得多。

    独特的金属质感和更高表面硬度。接触过PPS的材料工程师都知道，当一块PPS注塑制件跌落桌面时，会发出PPS所独有的非常清脆的碰撞声。通过特制模具和合理模温的搭配，PPS注塑制件在人手的触碰下也会发出类似碰撞金属的声音，其的表面也会如镜面般光滑，有着金属般的光泽。

    大中型手持式电动工具的传动连杆

    凡是知道PEEK大名的材料配方和工艺工程师也多少会对它的应用有一些了解：高高在上的军工，航空航天，核电装备，就算低端一点的也得是石油钻井设备或者是高端汽车的发动机内部及其周边的耐温部件。然而除了这些高大上的领域，PEEK的应用其实已然扩展到了很多普通民用工具和装置上。在一个笔者非常熟悉的案例中，一款特殊定制的PEEK复合材料就被成功的用来注塑成型一款手持电动工具的传动连杆(应制造商的保密要求，这里不便透露电动工具的具体用途和型号)。那么到底是什么样的原因使得PEEK可以取代价格低廉的多且更为坚固的金属材料呢?且听笔者的详细分析：

    制造商经过详细的计算机辅助模拟分析和实际测试，证明了碳纤维增强的PEEK材料的力学强度(弯曲模量> 12000 MPa，弯曲强度> 200 MPa，无缺口冲击强度300 - 400 J/m, ASTM 标准)和耐高温性能(连续工作温度> 200度)可以完全满足设计要求，并且还留有一定的安全冗余。这也是所有以塑代钢类应用的基本前提。其实在很多现实应用中，很多金属部件的力学性能都是大大超过设计需求的。

    此款PEEK复合材料的一大特性是其优异的耐磨和自润滑性能，可以实现传动连杆在无油润滑的条件下带动连接件连续高速运动;同时在一段时间的高速运动后，在连杆和连接件接触表面所积累的自润滑填料转移层(例如PTFE)会使得界面间的摩擦系数进一步降低，促使PEEK传动连杆的运动更加自如顺畅，以至于在电动工具的全使用生命周期内，都不必由于传动连杆磨损的原因而更换部件或者添加润滑油。而另一方面，传统的金属传动连杆则必需有润滑油或者滚动轴承的配合才可以使用。随着传动连杆运动时间的增加，需要不断的添加润滑油或者更换磨损的轴承才能保证机器的正常使用，大大降低了使用效率并增加了工具使用成本。

    节能环保以及更高的设计自由度。使用PEEK制造的轻量化传动连杆再结合上文中所提到的优异自润滑性能，会使得产品的使用能耗有相当程度的降低。同时一次性注塑成型工艺的运用不仅相较于金属浇筑工艺大大降低了单件加工成本;还可以实现产品外形设计的快速修改和升级(通过模具的修改和组合)，极大的提高了产品的迭代速度，增强了企业的竞争力。

    纵观国内的PPS和PEEK复合材料市场，大部分的国产产品都是仿照国外类似牌号而推出的不同比例的玻纤/矿粉增强规格，整体售价偏低，竞争力不强。特别是在竞争更为激烈的PPS市场，部分厂家甚至采取以回收料/水口料再加工冒充新料，或者以PPS/PA合金冒充PPS的不正当竞争行为来抢夺市场份额，严重扰乱了市场秩序，损害了下游客户和消费者的利益。通过以上两个案例的具体分析我们可以清楚的看到，面对如此现状，只有在充分了解产品应用和客户需求的基础上通过创新的配方设计，并辅以成熟可靠加工制程工艺，才能杀出价格战的红海，真正实现特种工程塑料和的高附加值应用。

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