3D打印高性能塑料——PEEK

teamway

PEEK(聚醚醚酮)是一種半晶態(tài)聚合物，綜合性能優(yōu)良的特種工程塑料。具有高熔點(343°C)和優(yōu)異的力學(xué)性能。PEEK自1978年由ICI公司開發(fā)以來，一直被作為重要的戰(zhàn)略性國防軍工材料。近年來，隨著3D打印技術(shù)的興起與應(yīng)用，PEEK憑借高溫性能、機械強度、生物相容性以及優(yōu)異的耐化學(xué)性，使其成為適用3D打印技術(shù)的可行材料，亦是目前較為熱門的3D打印材料。

圖為：PEEK材料

什么是PEEK？

總部位于英國的帝國化學(xué)工業(yè)公司（ICI）在20世紀(jì)80年代推出了聚醚醚酮（PEEK）。該材料的基本形態(tài)為半結(jié)晶、高純度聚合物，其包含兩個醚基團和一個酮基的重復(fù)單體。

PEEK屬于聚酮聚合物（PAEK）家族，其家族成員還有PEK、PEEKK、PEKK或PEKEKK等。由于其優(yōu)異的性能和廣泛的可用性，它的光芒較家族其他成員更勝一籌，使其成為該特定聚合物群中應(yīng)用最廣泛的一種。

PEEK優(yōu)異性能

PEEK具有一些格外引人注目的性能，主要表現(xiàn)在：

耐高溫性：PEEK具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg=143℃）和熔點（Tm=334℃），其負(fù)載熱變形溫度高達(dá)316℃，長期使用溫度為260℃，瞬時使用溫度可達(dá)300℃。

自潤滑性：PEEK具有良好的滑動特性，適合于嚴(yán)格要求低摩擦系數(shù)和耐磨耗用途的場合，特別是用碳纖維、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常優(yōu)越。

耐腐蝕性：除濃硫酸外，PEEK不溶于任何溶劑，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。

阻燃性：PEEK具有自熄性，即使不加任何阻燃劑，可達(dá)到UL標(biāo)準(zhǔn)的94V-0級。

易加工性：由于PEEK具有較好的高溫流動性，且熱分解溫度高的特點，可采用多種加工方式，比如注塑成型、擠出成型、模壓成型及熔融紡絲等。

圖為：PEEK顆粒

機械特性：PEEK具有良好的韌性和剛性，它具備與合金材料媲美的優(yōu)良耐疲勞性。

電性能：PEEK有較高的體積電阻率和表面電阻率，在寬廣的溫度范圍及環(huán)境變化下可以承受各種頻率的交流電位場強，保持良好的絕緣性能。

耐水解性：樹脂及其復(fù)合材料不受水和高壓水蒸氣的化學(xué)影響，在高溫及高壓蒸汽或水環(huán)境下可以連續(xù)使用而保持良好的機械性能。

耐候性：優(yōu)良的耐候性能，聚合物可用于制造工作環(huán)境要求嚴(yán)格或需要經(jīng)常耐殺菌處理的組件。

PEEK的缺點

和其他材料一樣，PEEK也有一些不容忽視的缺點需要注意。

PEEK的熔點為343°C（649.4°F），決定了其必須在非常高的溫度下進(jìn)行處理，這也會導(dǎo)致變形出現(xiàn)。PEEK是半結(jié)晶聚合物，即結(jié)晶會導(dǎo)致進(jìn)一步的收縮，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致變形。為了避免收縮，材料從熔融狀態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時，減少部件內(nèi)的殘余應(yīng)力，擠出機、加熱室的溫度環(huán)境非常重要。

在耐化學(xué)性方面，PEEK難以抵抗氯/溴、濃硫酸和硝酸以及酮類和硝基苯。PEEK也會受到鹵素和鈉的侵蝕，限制了它在某些工業(yè)領(lǐng)域的使用。

此外，PEEK對紫外線的抵抗力較低。這可以通過添加一層由特殊煤煙顆粒組成的顏料層來解決。碳填充等級提供更好的紫外線穩(wěn)定性，可用于需要更高抗紫外線性質(zhì)的某些應(yīng)用。

PEEK發(fā)展歷程及性能提升

總體而言，PEEK材料經(jīng)過三個發(fā)展階段。

1978-1992年，是PEEK的初始孕育階段，英國ICI開發(fā)研制出PEEK，申請專利并將其工業(yè)化。此時，PEEK的主要性能體現(xiàn)在耐高溫性、自潤滑性、耐腐蝕性等，主要用于國防軍工領(lǐng)域。

1993-2004年，處于PEEK的壟斷發(fā)展及瓦解階段，英國威格斯（Victrex）公司從ICI收購PEEK業(yè)務(wù)，呈現(xiàn)壟斷式發(fā)展態(tài)勢，并不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模，應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的軍用拓展至工業(yè)及生物醫(yī)療等民用領(lǐng)域。

由于PEEK多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，威格斯對其進(jìn)行了技術(shù)封鎖。在我國政策大力扶持下，吉林大學(xué)吳忠文教授團隊自主研發(fā)出具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的PEEK專利技術(shù)，創(chuàng)建了吉大高新材料有限責(zé)任公司并投產(chǎn)。吉大高新成為第一個打破威格斯壟斷地位的公司，并進(jìn)一步提升了PEEK材料的性能，與碳纖維、玻璃纖維、晶須等復(fù)合增強，形成性能更優(yōu)越的復(fù)合材料。PEEK碳纖增強系列、PEEK玻纖增強系列以及按照客戶要求配方改性PEEK系列，這些改良后的PEEK力學(xué)性能優(yōu)異，耐磨、耐輻照、耐剝離性能更顯著。

2005年至今，PEEK進(jìn)入全面發(fā)展階段，業(yè)內(nèi)收購重組劃分市場。贏創(chuàng)（Evonik）收購了吉大高新，索爾維（Solvay）收購了印度Garda的PEEK業(yè)務(wù)。2009年，我國金發(fā)科技股份有限公司、盤錦中潤特塑有限公司等進(jìn)入該領(lǐng)域。這一階段PEEK的改性復(fù)合及加工技術(shù)逐步發(fā)展，PEEK與聚合物如聚四氟乙烯、聚醚砜、液晶聚合物、聚醚酰亞胺等共混，還可以填充微米、納米級無機顆粒，以改善其摩擦學(xué)性能，同時提高PEEK的剛性、尺寸穩(wěn)定性及沖擊強性等性能。

從最初的晶體聚合物，到融入碳纖維、玻璃纖維形成更優(yōu)越的復(fù)合材料，再到填充微米、納米級無機顆粒，PEEK的性能隨著與其他材料的融合進(jìn)一步提升，應(yīng)用范圍也在進(jìn)一步擴大。

PEEK的應(yīng)用領(lǐng)域

瑕不掩瑜，基于PEEK制造的物體和零部件，其性能和可塑性早已超過材料本身的局限性，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。在許多特殊領(lǐng)域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料，使之成為當(dāng)今最熱門的高性能工程塑料之一，在航空航天、汽車工業(yè)、電子電氣和醫(yī)療機械等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

數(shù)顯顯示，汽車等（包括航空）運輸業(yè)市場約占PEEK樹脂消費量的50%，半導(dǎo)體制造設(shè)備占20%，壓縮機閥片等一般機械零部件制品占30%，醫(yī)療器械和分析儀器等其他市場占10%。

汽車等運輸機械領(lǐng)域

PEEK樹脂在歐洲市場的增長尤以汽車零部件制品市場的增長最為迅速，特別是發(fā)動機周圍零部件、變速傳動部件、轉(zhuǎn)向零部件等都選用了PEEK塑料代替一些傳統(tǒng)的高價金屬作為制造材料。隨著汽車行業(yè)適應(yīng)微型化、輕量化以及降低成本的要求，PEEK樹脂的需求仍將不斷增長。

PEEK(聚醚醚酮)是一種半晶態(tài)聚合物，綜合性能優(yōu)良的特種工程塑料。具有高熔點(343°C)和優(yōu)異的力學(xué)性能。PEEK自1978年由ICI公司開發(fā)以來，一直被作為重要的戰(zhàn)略性國防軍工材料。近年來，隨著3D打印技術(shù)的興起與應(yīng)用，PEEK憑借高溫性能、機械強度、生物相容性以及優(yōu)異的耐化學(xué)性，使其成為適用3D打印技術(shù)的可行材料，亦是目前較為熱門的3D打印材料。

圖為：PEEK材料制造的汽車周邊零部件

半導(dǎo)體制造以及電子電器行業(yè)有望成為PEEK樹脂應(yīng)用的另一個增長點。在半導(dǎo)體行業(yè)，為了達(dá)到高功能化、低成本，要求硅片的尺寸更大，制造技術(shù)更先進(jìn)，低粉塵、低氣體放出、低離子溶出、低吸水性是對半導(dǎo)體制造工藝中各種設(shè)備材質(zhì)的特殊要求，這將是PEEK樹脂大顯身手的地方。

辦公用機械零部件領(lǐng)域

圖為：peek材料的齒輪

對于復(fù)印機的分離爪、特殊耐熱軸承、鏈條、齒輪等，用PEEK樹脂代替金屬作為它們的材料時，可以使部件輕量化、耐疲勞，并能夠做到無油潤滑。

電線包覆領(lǐng)域

圖為：PEEK材料應(yīng)用于電線包覆

PEEK包覆層有很好的阻燃性，不加任何阻燃劑，其阻燃級別即可達(dá)UL94 V-0級。PEEK樹脂也具有耐剝離性、耐輻照性（109拉德）等優(yōu)點，因此用在軍工以及核能等相關(guān)領(lǐng)域的特種電線。

纖維領(lǐng)域

圖為：PEEK應(yīng)用于工業(yè)濾布

PEEK纖維（包括單絲）可用于工業(yè)濾布、工業(yè)用刷等制品中。在復(fù)合材料領(lǐng)域，PEEK纖維的魅力在于其熱塑性且耐高溫。在工業(yè)濾布和工業(yè)用刷方面除耐熱性外，其魅力還在于它的耐化學(xué)藥品性和耐磨性。

醫(yī)療分析器械領(lǐng)域

圖為：PEEK應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域

由于PEEK可耐反復(fù)的高壓滅菌，在醫(yī)療器械中可用于制造內(nèi)窺鏡零件、牙科用的去垢器等。另外，由于PEEK的高強度和低溶出性，已用在儀器分析的液相色譜柱、管、附件等。而且，由于PEEK與人體具有很好的相融性，作為人工骨材料已經(jīng)成功地替代了傳統(tǒng)的鈦金屬。

PEEK材料廠商

作為重要的特種工程塑料，其對生產(chǎn)過程和材料性能有著嚴(yán)格的要求。英國威格斯（Victrex）、比利時索爾維(Solvay)、德國贏創(chuàng)(Evonik)是全球三大PEEK生產(chǎn)商。

英國威格斯（Victrex）

圖為：Victrex品牌標(biāo)識

英國威格斯公司(Victrex plc)，原為英國ICI高級材料公司的分公司，于1993年被管理層收購并獨立發(fā)展，如今為全球領(lǐng)先創(chuàng)新型高性能聚芳醚酮材料制造商。威格斯是全世界最早生產(chǎn)PEEK的廠家，從事PEEK研發(fā)生產(chǎn)銷售30多年。威格斯公司的材料重點應(yīng)用于國防軍工、汽車運輸、航空航天、電子電氣、醫(yī)療設(shè)備、核能核電等高端領(lǐng)域發(fā)展。威格斯聚合物事業(yè)部專門從事高性能聚芳醚酮的開發(fā)和生產(chǎn)。

威格斯的PEEK聚合物已經(jīng)在長絲熔融和粉料激光燒結(jié)的3D打印零件中得到應(yīng)用，同時該公司還在積極開發(fā)新的解決方案。

比利時索爾維(Solvay)

圖為:索爾維(Solvay)品牌標(biāo)識

索爾維是一家總部位于比利時首都布魯塞爾的跨國性化工集團。索爾維集團的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，旗下90%的銷售產(chǎn)品位居全球前三甲。索爾維在稀土、白炭黑、工程塑料、聚酰胺和中間體、香料及功能化學(xué)品、基礎(chǔ)化學(xué)品、特種化學(xué)品、特種聚合物、新興生物化學(xué)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。

索爾維的PEEK材料用于3D打印已經(jīng)獲得了一系列的成功案例，其中，傳奇性汽車創(chuàng)新者M(jìn)atti Holtzberg領(lǐng)導(dǎo)的Polimotor 2項目，配備了索爾維KetaSpire® 聚醚醚酮增強等級生產(chǎn)的3D打印燃油進(jìn)氣歧管。

德國贏創(chuàng)(Evonik)

圖為：德國贏創(chuàng)(Evonik)品牌標(biāo)識

贏創(chuàng)在高性能聚合物開發(fā)與生產(chǎn)方面擁有超過40年的豐富經(jīng)驗。其多元化的產(chǎn)品組合包含幾乎所有工業(yè)應(yīng)用的解決方案。

憑借極為出色的耐熱性與耐化學(xué)性，贏創(chuàng)VESTAKEEP®特殊聚合物可替代金屬部件，滿足輕量化結(jié)構(gòu)件應(yīng)用的需求。VESTAKEEP® Easy Slide I是一款PEEK改性產(chǎn)品，具有優(yōu)越的耐磨性與較低的滑動摩擦，能夠用于生產(chǎn)體積更小且更為強韌的結(jié)構(gòu)部件，例如真空泵。而VESTAKEEP® 5000 HCM（熱壓成型）級產(chǎn)品能夠提高定制PEEK密封件的生產(chǎn)效率，使這些應(yīng)用于石油天然氣行業(yè)的密封件具有出色的機械特性和卓越的表現(xiàn)。

國內(nèi)PEEK主要生產(chǎn)企業(yè)

中研高性能工程塑料有限公司

圖為：中研高性能工程塑料有限公司

吉林中研高性能工程塑料有限公司成立于2006年，公司現(xiàn)有生產(chǎn)能力為年產(chǎn)PEEK樹脂1000噸，是目前全球范圍內(nèi)第二家采用5000升反應(yīng)釜進(jìn)行生產(chǎn)的PEEK專利企業(yè)，是集PEEK研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的現(xiàn)代化高端的科技企業(yè)。

吉大特塑工程研究有限公司

圖為：吉大特塑工程研究有限公司

長春吉大特塑工程研究有限公司成立于2002年，是一家從事特種工程塑料及高性能改性專用料研發(fā)、生產(chǎn)和銷售及相關(guān)的二次制品生產(chǎn)和銷售的高科技股份制企業(yè)。公司具備年產(chǎn)100噸PEEK、100噸聚芳砜等專用材料生產(chǎn)及其改性塑料的生產(chǎn)能力，擁有高耐熱等級特種工程塑料、特種工程塑料基增強材料、特種工程塑料專用樹脂等4大系列60多個牌號的產(chǎn)品。

盤錦中潤特塑有限公司

圖為：盤錦中潤特塑有限公司

遼寧盤錦中潤特塑有限公司成立于2009年，擁有4項特種工程塑料合成專利權(quán)，涉及到不同方法生產(chǎn)聚砜、聚醚砜、聚醚醚砜、聯(lián)苯聚醚醚砜及共聚醚醚酮的合成技術(shù)。公司一期工程建設(shè)1000噸/年P(guān)EEK的生產(chǎn)裝置。

金發(fā)科技股份有限公司

圖為：金發(fā)科技股份有限公司

金發(fā)科技股份有限公司是國內(nèi)改性塑料龍頭企業(yè)，采用了獨特的技術(shù)生產(chǎn)PEEK樹脂，牌號為VisPEEK，目前已建成百噸級中試線，年產(chǎn)能在300噸左右，在建設(shè)千噸級生產(chǎn)線。

江蘇君華特種工程塑料制品有限公司

圖為：江蘇君華特種工程塑料制品有限公司產(chǎn)品展示

江蘇君華特種工程塑料制品有限公司是國內(nèi)領(lǐng)先行業(yè)的PEEK型材批量擠出企業(yè)。其從在2007年首次擠出PEEK型材至今，已有12年P(guān)EEK生產(chǎn)及研發(fā)經(jīng)驗，開發(fā)及和生產(chǎn)的PEEK零件達(dá)兩千余種。

適用PEEK材料的3D打印設(shè)備

343°C的熔點，對于能夠打印PEEK這種超高溫材料的3D打印設(shè)備提出了要求。業(yè)內(nèi)很多企業(yè)專門針對PEEK材料推出專業(yè)3D打印設(shè)備，如德國EOS、意大利Roboze、荷蘭Tractus 3D等企業(yè)。

圖為：EOS公司的P800 3D打印機

EOS公司的P800工業(yè)級3D打印機是基于激光燒結(jié)技術(shù)的快速制造，公司還推出基于聚芳醚酮的PEEK HP3高性能聚合物材料，利用激光燒結(jié)技術(shù)制造PEEK HP3材料的部件和產(chǎn)品，提供高效、低成本PEEK復(fù)雜產(chǎn)品制造方案。EOS P800工業(yè)級3D打印機系統(tǒng)內(nèi)部操作溫度為385攝氏度，在此溫度下，PEEK HP3材料所成型的部件與產(chǎn)品性能佳。由于不同的溫度、新舊粉末混合比例以及冷卻過程都會導(dǎo)致燒結(jié)部件與產(chǎn)品的性能不同。

圖為：oboze One+400 3D打印機

總部設(shè)在意大利Bari的Roboze公司，其Roboze One+400 3D打印機可以支持12種不同的材料，包括PEEK、PEI、PC/ABS、TPU、碳-PA等。Roboze的機器特點在于耐用、穩(wěn)定性高，擠出嘴可達(dá)到400℃度的高溫，關(guān)鍵的打印部件是通過機加工來獲得極高的精度的，棄用皮帶傳輸動力，Roboze的桌面機X軸和Y軸采用引入調(diào)質(zhì)鋼架和斜齒輪，從而達(dá)到25微米的精度，確保了高速進(jìn)給所需要的順暢和低摩擦系數(shù)。

圖為：Tractus T3500 3D打印機

Tractus 3D建造了一個高達(dá)3.5米的大型3D打印機——T3500，該打印機能夠滿足各個行業(yè)的特定需求，在改進(jìn)后，該打印機的打印溫度可以達(dá)到450攝氏度，可以打印PEEK滿足醫(yī)療甚至航空航天領(lǐng)域的要求。T3500的分辨率可以達(dá)到3微米，而且根據(jù)所打印的材料不同，該3D打印機的速度可以達(dá)到最高每秒400毫米。

圖為:恒通peek 耐高溫3D打印機

在國內(nèi)，陜西恒通智能機器有限公司于2016年推出國內(nèi)首臺PEEK材料耐高溫3D打印機,噴頭溫度可達(dá)400℃,使用PEEK材料打印出機械、核工程和航空等科技領(lǐng)域需要的零部件。

圖為：FUNMAT HT 3D打印機

FUNMAT HT是遠(yuǎn)鑄智能公司針對PEEK推出的3D打印設(shè)備，F(xiàn)UNMAT HT 3D打印機擁有一個設(shè)備齊全的加熱腔室，并配置一個超過400度的高溫打印噴嘴，除PEEK材料外，該機器還可以處理幾乎所有高性能熱塑性材料，成型尺寸高達(dá)260x260x260mm，可以滿足大部分的產(chǎn)品研發(fā)和小批量生產(chǎn)應(yīng)用需求。

結(jié)束語：PEEK是公認(rèn)的性能最高的熱塑性材料之一，2018年全球PEEK材料市場規(guī)模突破8億美元。隨著3D打印技術(shù)的興起及應(yīng)用擴展，作為重要耗材的PEEK，將會迎來更廣闊的應(yīng)用空間。

ygcygx

peek在摩擦環(huán)境下容易掉粉，怎么解決

曉昀

這個文章里的贏創(chuàng)是不是做天然氣提純分離膜的那個“贏創(chuàng)”？

遠(yuǎn)祥

這個需要在材料模塊下動腦筋想辦法解決！