高性能特種工程塑料的創(chuàng)新應(yīng)用
2016/8/8 9:54:18點擊：
近十年以來，特種工程塑料(high performance polymers/Ultra polymers)的應(yīng)用已經(jīng)逐漸從之前的軍工和航空航天延伸到了越來越多的民用領(lǐng)域，例如汽車，裝備制造，高端消費品等等。特別是其中我國具有完全自主工業(yè)化生產(chǎn)能力的聚醚醚酮PEEK和聚苯硫醚PPS，在產(chǎn)品質(zhì)量可以媲美進口同類型材料的同時，更是具有非常明顯的價格優(yōu)勢，市場前景十分看好。
圖1：以PEEK樹脂為原料制成的軟管，棒材以及耐磨軸承
PEEK和PPS可歸類于結(jié)晶性熱塑性塑料，表1歸納了這兩種工程塑料的基本物理和力學(xué)性能。從中可以看到PEEK在強度，韌性，最高工作溫度等等方面都較PPS更優(yōu)異;而另一方面，PPS非常明顯的成本優(yōu)勢和更好的加工性能使其應(yīng)用范圍更加廣泛，其全球產(chǎn)能和年復(fù)合增長率在熱塑性特種工程塑料中都位列前茅。由于用量的不斷增長和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，如今PPS已被稱為繼PA，PC，PBT/PET，POM和PPO之后的第六大工程塑料。
圖2：PPS已經(jīng)越來越多的運用在汽車電子，制動系統(tǒng)，以及發(fā)動機內(nèi)部及周邊
由于PEEK和PPS非常優(yōu)異的理化性能，非填充的純樹脂經(jīng)注塑和機械加工后就可以勝任很多苛刻條件下的復(fù)雜應(yīng)用。而PPS和PEEK經(jīng)過填充和共混改性后，還可以進一步結(jié)合樹脂和填料的優(yōu)點，拓展附加值更為廣闊的應(yīng)用。下面筆者就結(jié)合自己多年的改性工程塑料配方設(shè)計經(jīng)驗，介紹兩個PPS和PEEK復(fù)合材料在民用新領(lǐng)域的全新探索。
表1：PEEK和PPS基本物理和力學(xué)性能對比，測試標準ASTM
筆記本前蓋板
傳統(tǒng)上，筆記本蓋板用料一直是高流動增強阻燃PC或者PC/ABS合金的天下，后來隨著筆記本向輕薄便攜和大屏多功能兩個方向的發(fā)展，筆記本蓋板用料也有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)向了阻燃增強PA，這樣做的一大好處就是可以在不增加纖維添加量的情況下，利用尼龍自身的高流動性和結(jié)晶性，降低產(chǎn)品的注塑成型難度并提高強度和韌性。然而改性尼龍材料的缺點也很明顯的：高吸水率導(dǎo)致制件注塑后形變，以及尼龍無鹵阻燃體系的昂貴價格和對材料力學(xué)性能的負面影響，限制了改性尼龍材料應(yīng)用在更薄，更大的筆記本前蓋板上。為了解決這個問題，近幾年來改性材料界和各筆記本大廠都不約而同的把目光聚焦在了PPS上。雖然原材料成本遠高于其他工程塑料，但筆者認為PPS的以下突出特點，決定了它在筆記本前蓋板這個應(yīng)用上有著其他樹脂所不可比擬的獨到優(yōu)勢：
本征阻燃。與PC和PA不同，PPS純樹脂及其玻纖/礦粉填充的復(fù)合材料在不添加任何阻燃劑的情況下，可以輕松達到[email protected]甚至更薄厚度的V-0阻燃級別。雖然PC和PA有著比PPS更便宜的價格和更好的力學(xué)強度(尤其是沖擊強度)，但是添加了無鹵阻燃配方([email protected]級別)的PC和PA復(fù)合材料的成本卻會大幅上升，很多時候甚至高于具有同等力學(xué)強度的PPS材料。
超高流動性，這個優(yōu)勢主要是針對PC而言。新一代超薄筆記本前蓋板(厚度0.8-1mm)對于彎曲模量的要求往往高達15000 – 17000 MPa(ASTM標準)。但是在3C行業(yè)嚴格的成本控制壓力下，配方設(shè)計師往往被要求選用成本更低廉的玻纖，而不是碳纖作為增強填料。而對于PC及其合金而言，其較差的流動性決定了玻纖添加量的上限一般不宜超過40 % (彎曲模量只可以達到10000 MPa，ASTM標準)。更高的添加量除了會嚴重影響材料的流動性造成加工困難外，還會產(chǎn)生表面浮纖，翹曲嚴重，力學(xué)性能變差等問題。而對于半結(jié)晶性的PPS而言，其非常高的流動性可以允許玻纖填充量輕松超過50 %，同時在高溫熔融共混擠出的過程中，PPS相較于PC更低的粘度可以使玻纖經(jīng)受較低程度的剪切和擠壓，從而在最終注塑成型的制品中具有更長的保留長度，達到進一步提升模量的效果。
超低吸水率，這個優(yōu)勢主要是針對PA而言。就流動性而言，高填充的PA和PPS不相上下;而對于力學(xué)強度，同等填充量的PA復(fù)合材料還要更占優(yōu)勢。但是除了無鹵阻燃的限制外，另一個PA應(yīng)用于新一代筆記本蓋板的制約因素就是其較高的吸水率：相比高溫尼龍PA6T 0.6-1 % 的吸水率，PPS 0.03 % 的吸水率幾乎可以忽略不計。由此帶來的后果是PPS制品由于吸水變形而產(chǎn)生的產(chǎn)品不良率要比同等條件下的PA制品低得多。
獨特的金屬質(zhì)感和更高表面硬度。接觸過PPS的材料工程師都知道，當(dāng)一塊PPS注塑制件跌落桌面時，會發(fā)出PPS所獨有的非常清脆的碰撞聲。通過特制模具和合理模溫的搭配，PPS注塑制件在人手的觸碰下也會發(fā)出類似碰撞金屬的聲音，其的表面也會如鏡面般光滑，有著金屬般的光澤。
大中型手持式電動工具的傳動連桿
凡是知道PEEK大名的材料配方和工藝工程師也多少會對它的應(yīng)用有一些了解：高高在上的軍工，航空航天，核電裝備，就算低端一點的也得是石油鉆井設(shè)備或者是高端汽車的發(fā)動機內(nèi)部及其周邊的耐溫部件。然而除了這些高大上的領(lǐng)域，PEEK的應(yīng)用其實已然擴展到了很多普通民用工具和裝置上。在一個筆者非常熟悉的案例中，一款特殊定制的PEEK復(fù)合材料就被成功的用來注塑成型一款手持電動工具的傳動連桿(應(yīng)制造商的保密要求，這里不便透露電動工具的具體用途和型號)。那么到底是什么樣的原因使得PEEK可以取代價格低廉的多且更為堅固的金屬材料呢?且聽筆者的詳細分析：
制造商經(jīng)過詳細的計算機輔助模擬分析和實際測試，證明了碳纖維增強的PEEK材料的力學(xué)強度(彎曲模量 > 12000 MPa，彎曲強度 > 200 MPa，無缺口沖擊強度 300 - 400 J/m, ASTM 標準)和耐高溫性能(連續(xù)工作溫度 > 200度)可以完全滿足設(shè)計要求，并且還留有一定的安全冗余。這也是所有以塑代鋼類應(yīng)用的基本前提。其實在很多現(xiàn)實應(yīng)用中，很多金屬部件的力學(xué)性能都是大大超過設(shè)計需求的。
此款PEEK復(fù)合材料的一大卓越特性是其優(yōu)異的耐磨和自潤滑性能，可以實現(xiàn)傳動連桿在無油潤滑的條件下帶動連接件連續(xù)高速運動;同時在一段時間的高速運動后，在連桿和連接件接觸表面所積累的自潤滑填料轉(zhuǎn)移層(例如PTFE)會使得界面間的摩擦系數(shù)進一步降低，促使PEEK傳動連桿的運動更加自如順暢，以至于在電動工具的全使用生命周期內(nèi)，都不必由于傳動連桿磨損的原因而更換部件或者添加潤滑油。而另一方面，傳統(tǒng)的金屬傳動連桿則必需有潤滑油或者滾動軸承的配合才可以使用。隨著傳動連桿運動時間的增加，需要不斷的添加潤滑油或者更換磨損的軸承才能保證機器的正常使用，大大降低了使用效率并增加了工具使用成本。
節(jié)能環(huán)保以及更高的設(shè)計自由度。使用PEEK制造的輕量化傳動連桿再結(jié)合上文中所提到的優(yōu)異自潤滑性能，會使得產(chǎn)品的使用能耗有相當(dāng)程度的降低。同時一次性注塑成型工藝的運用不僅相較于金屬澆筑工藝大大降低了單件加工成本;還可以實現(xiàn)產(chǎn)品外形設(shè)計的快速修改和升級(通過模具的修改和組合)，極大的提高了產(chǎn)品的迭代速度，增強了企業(yè)的競爭力。
縱觀國內(nèi)的PPS和PEEK復(fù)合材料市場，大部分的國產(chǎn)產(chǎn)品都是仿照國外類似牌號而推出的不同比例的玻纖/礦粉增強規(guī)格，整體售價偏低，競爭力不強。特別是在競爭更為激烈的PPS市場，部分廠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的不正當(dāng)競爭行為來搶奪市場份額，嚴重擾亂了市場秩序，損害了下游客戶和最終消費者的利益。通過以上兩個案例的具體分析我們可以清楚的看到，面對如此現(xiàn)狀，只有在充分了解產(chǎn)品應(yīng)用和客戶需求的基礎(chǔ)上通過創(chuàng)新的配方設(shè)計，并輔以成熟可靠加工制程工藝，才能最終殺出價格戰(zhàn)的紅海，真正實現(xiàn)特種工程塑料和的高附加值應(yīng)用。
文章鏈接：中塑在線 http://info.21cp.com/industry/News/201608/1173222.htm
圖1：以PEEK樹脂為原料制成的軟管，棒材以及耐磨軸承
PEEK和PPS可歸類于結(jié)晶性熱塑性塑料，表1歸納了這兩種工程塑料的基本物理和力學(xué)性能。從中可以看到PEEK在強度，韌性，最高工作溫度等等方面都較PPS更優(yōu)異;而另一方面，PPS非常明顯的成本優(yōu)勢和更好的加工性能使其應(yīng)用范圍更加廣泛，其全球產(chǎn)能和年復(fù)合增長率在熱塑性特種工程塑料中都位列前茅。由于用量的不斷增長和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，如今PPS已被稱為繼PA，PC，PBT/PET，POM和PPO之后的第六大工程塑料。
圖2：PPS已經(jīng)越來越多的運用在汽車電子，制動系統(tǒng)，以及發(fā)動機內(nèi)部及周邊
由于PEEK和PPS非常優(yōu)異的理化性能，非填充的純樹脂經(jīng)注塑和機械加工后就可以勝任很多苛刻條件下的復(fù)雜應(yīng)用。而PPS和PEEK經(jīng)過填充和共混改性后，還可以進一步結(jié)合樹脂和填料的優(yōu)點，拓展附加值更為廣闊的應(yīng)用。下面筆者就結(jié)合自己多年的改性工程塑料配方設(shè)計經(jīng)驗，介紹兩個PPS和PEEK復(fù)合材料在民用新領(lǐng)域的全新探索。
表1：PEEK和PPS基本物理和力學(xué)性能對比，測試標準ASTM
筆記本前蓋板
傳統(tǒng)上，筆記本蓋板用料一直是高流動增強阻燃PC或者PC/ABS合金的天下，后來隨著筆記本向輕薄便攜和大屏多功能兩個方向的發(fā)展，筆記本蓋板用料也有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)向了阻燃增強PA，這樣做的一大好處就是可以在不增加纖維添加量的情況下，利用尼龍自身的高流動性和結(jié)晶性，降低產(chǎn)品的注塑成型難度并提高強度和韌性。然而改性尼龍材料的缺點也很明顯的：高吸水率導(dǎo)致制件注塑后形變，以及尼龍無鹵阻燃體系的昂貴價格和對材料力學(xué)性能的負面影響，限制了改性尼龍材料應(yīng)用在更薄，更大的筆記本前蓋板上。為了解決這個問題，近幾年來改性材料界和各筆記本大廠都不約而同的把目光聚焦在了PPS上。雖然原材料成本遠高于其他工程塑料，但筆者認為PPS的以下突出特點，決定了它在筆記本前蓋板這個應(yīng)用上有著其他樹脂所不可比擬的獨到優(yōu)勢：
本征阻燃。與PC和PA不同，PPS純樹脂及其玻纖/礦粉填充的復(fù)合材料在不添加任何阻燃劑的情況下，可以輕松達到[email protected]甚至更薄厚度的V-0阻燃級別。雖然PC和PA有著比PPS更便宜的價格和更好的力學(xué)強度(尤其是沖擊強度)，但是添加了無鹵阻燃配方([email protected]級別)的PC和PA復(fù)合材料的成本卻會大幅上升，很多時候甚至高于具有同等力學(xué)強度的PPS材料。
超高流動性，這個優(yōu)勢主要是針對PC而言。新一代超薄筆記本前蓋板(厚度0.8-1mm)對于彎曲模量的要求往往高達15000 – 17000 MPa(ASTM標準)。但是在3C行業(yè)嚴格的成本控制壓力下，配方設(shè)計師往往被要求選用成本更低廉的玻纖，而不是碳纖作為增強填料。而對于PC及其合金而言，其較差的流動性決定了玻纖添加量的上限一般不宜超過40 % (彎曲模量只可以達到10000 MPa，ASTM標準)。更高的添加量除了會嚴重影響材料的流動性造成加工困難外，還會產(chǎn)生表面浮纖，翹曲嚴重，力學(xué)性能變差等問題。而對于半結(jié)晶性的PPS而言，其非常高的流動性可以允許玻纖填充量輕松超過50 %，同時在高溫熔融共混擠出的過程中，PPS相較于PC更低的粘度可以使玻纖經(jīng)受較低程度的剪切和擠壓，從而在最終注塑成型的制品中具有更長的保留長度，達到進一步提升模量的效果。
超低吸水率，這個優(yōu)勢主要是針對PA而言。就流動性而言，高填充的PA和PPS不相上下;而對于力學(xué)強度，同等填充量的PA復(fù)合材料還要更占優(yōu)勢。但是除了無鹵阻燃的限制外，另一個PA應(yīng)用于新一代筆記本蓋板的制約因素就是其較高的吸水率：相比高溫尼龍PA6T 0.6-1 % 的吸水率，PPS 0.03 % 的吸水率幾乎可以忽略不計。由此帶來的后果是PPS制品由于吸水變形而產(chǎn)生的產(chǎn)品不良率要比同等條件下的PA制品低得多。
獨特的金屬質(zhì)感和更高表面硬度。接觸過PPS的材料工程師都知道，當(dāng)一塊PPS注塑制件跌落桌面時，會發(fā)出PPS所獨有的非常清脆的碰撞聲。通過特制模具和合理模溫的搭配，PPS注塑制件在人手的觸碰下也會發(fā)出類似碰撞金屬的聲音，其的表面也會如鏡面般光滑，有著金屬般的光澤。
大中型手持式電動工具的傳動連桿
凡是知道PEEK大名的材料配方和工藝工程師也多少會對它的應(yīng)用有一些了解：高高在上的軍工，航空航天，核電裝備，就算低端一點的也得是石油鉆井設(shè)備或者是高端汽車的發(fā)動機內(nèi)部及其周邊的耐溫部件。然而除了這些高大上的領(lǐng)域，PEEK的應(yīng)用其實已然擴展到了很多普通民用工具和裝置上。在一個筆者非常熟悉的案例中，一款特殊定制的PEEK復(fù)合材料就被成功的用來注塑成型一款手持電動工具的傳動連桿(應(yīng)制造商的保密要求，這里不便透露電動工具的具體用途和型號)。那么到底是什么樣的原因使得PEEK可以取代價格低廉的多且更為堅固的金屬材料呢?且聽筆者的詳細分析：
制造商經(jīng)過詳細的計算機輔助模擬分析和實際測試，證明了碳纖維增強的PEEK材料的力學(xué)強度(彎曲模量 > 12000 MPa，彎曲強度 > 200 MPa，無缺口沖擊強度 300 - 400 J/m, ASTM 標準)和耐高溫性能(連續(xù)工作溫度 > 200度)可以完全滿足設(shè)計要求，并且還留有一定的安全冗余。這也是所有以塑代鋼類應(yīng)用的基本前提。其實在很多現(xiàn)實應(yīng)用中，很多金屬部件的力學(xué)性能都是大大超過設(shè)計需求的。
此款PEEK復(fù)合材料的一大卓越特性是其優(yōu)異的耐磨和自潤滑性能，可以實現(xiàn)傳動連桿在無油潤滑的條件下帶動連接件連續(xù)高速運動;同時在一段時間的高速運動后，在連桿和連接件接觸表面所積累的自潤滑填料轉(zhuǎn)移層(例如PTFE)會使得界面間的摩擦系數(shù)進一步降低，促使PEEK傳動連桿的運動更加自如順暢，以至于在電動工具的全使用生命周期內(nèi)，都不必由于傳動連桿磨損的原因而更換部件或者添加潤滑油。而另一方面，傳統(tǒng)的金屬傳動連桿則必需有潤滑油或者滾動軸承的配合才可以使用。隨著傳動連桿運動時間的增加，需要不斷的添加潤滑油或者更換磨損的軸承才能保證機器的正常使用，大大降低了使用效率并增加了工具使用成本。
節(jié)能環(huán)保以及更高的設(shè)計自由度。使用PEEK制造的輕量化傳動連桿再結(jié)合上文中所提到的優(yōu)異自潤滑性能，會使得產(chǎn)品的使用能耗有相當(dāng)程度的降低。同時一次性注塑成型工藝的運用不僅相較于金屬澆筑工藝大大降低了單件加工成本;還可以實現(xiàn)產(chǎn)品外形設(shè)計的快速修改和升級(通過模具的修改和組合)，極大的提高了產(chǎn)品的迭代速度，增強了企業(yè)的競爭力。
縱觀國內(nèi)的PPS和PEEK復(fù)合材料市場，大部分的國產(chǎn)產(chǎn)品都是仿照國外類似牌號而推出的不同比例的玻纖/礦粉增強規(guī)格，整體售價偏低，競爭力不強。特別是在競爭更為激烈的PPS市場，部分廠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的不正當(dāng)競爭行為來搶奪市場份額，嚴重擾亂了市場秩序，損害了下游客戶和最終消費者的利益。通過以上兩個案例的具體分析我們可以清楚的看到，面對如此現(xiàn)狀，只有在充分了解產(chǎn)品應(yīng)用和客戶需求的基礎(chǔ)上通過創(chuàng)新的配方設(shè)計，并輔以成熟可靠加工制程工藝，才能最終殺出價格戰(zhàn)的紅海，真正實現(xiàn)特種工程塑料和的高附加值應(yīng)用。
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