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高性能特種工程塑料的創(chuàng)新應(yīng)用
????????近十年以來(lái)，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(lái)越多的民用領(lǐng)域，例如汽車(chē)，裝備制造，高端消費(fèi)品等等。特別是其中我國(guó)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(jìn)口同類(lèi)型材料的同時(shí)，更是具有非常明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景十分看好。
圖1：以PEEK樹(shù)脂為原料制成的軟管，棒材以及耐磨軸承
????????PEEK和PPS可歸類(lèi)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(qiáng)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(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，如今PPS已被稱(chēng)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(lái)越多的運(yùn)用在汽車(chē)電子，制動(dòng)系統(tǒng)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)脂經(jīng)注塑和機(jī)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(guò)填充和共混改性后，還可以進(jìn)一步結(jié)合樹(shù)脂和填料的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹兩個(gè)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(duì)比，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM?
?筆記本前蓋板
????????傳統(tǒng)上，筆記本蓋板用料一直是高流動(dòng)增強(qiáng)阻燃PC或者PC/ABS合金的天下，后來(lái)隨著筆記本向輕薄便攜和大屏多功能兩個(gè)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(qiáng)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(dòng)性和結(jié)晶性，降低產(chǎn)品的注塑成型難度并提高強(qiáng)度和韌性。然而改性尼龍材料的缺點(diǎn)也很明顯的：高吸水率導(dǎo)致制件注塑后形變，以及尼龍無(wú)鹵阻燃體系的昂貴價(jià)格和對(duì)材料力學(xué)性能的負(fù)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(gè)問(wèn)題，近幾年來(lái)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(yuǎn)高于其他工程塑料，但筆者認(rèn)為PPS的以下突出特點(diǎn)，決定了它在筆記本前蓋板這個(gè)應(yīng)用上有著其他樹(shù)脂所不可比擬的獨(dú)到優(yōu)勢(shì)：
????????本征阻燃。與PC和PA不同，PPS純樹(shù)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(dá)到V-0@0.8mm甚至更薄厚度的V-0阻燃級(jí)別。雖然PC和PA有著比PPS更便宜的價(jià)格和更好的力學(xué)強(qiáng)度(尤其是沖擊強(qiáng)度)，但是添加了無(wú)鹵阻燃配方(V-0@0.8mm級(jí)別)的PC和PA復(fù)合材料的成本卻會(huì)大幅上升，很多時(shí)候甚至高于具有同等力學(xué)強(qiáng)度的PPS材料。
????????超高流動(dòng)性，這個(gè)優(yōu)勢(shì)主要是針對(duì)PC而言。新一代超薄筆記本前蓋板(厚度0.8-1mm)對(duì)于彎曲模量的要求往往高達(dá)15000 – 17000 MPa(ASTM標(biāo)準(zhǔn))。但是在3C行業(yè)嚴(yán)格的成本控制壓力下，配方設(shè)計(jì)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(qiáng)填料。而對(duì)于PC及其合金而言，其較差的流動(dòng)性決定了玻纖添加量的上限一般不宜超過(guò)40 % (彎曲模量只可以達(dá)到10000 MPa，ASTM標(biāo)準(zhǔn))。更高的添加量除了會(huì)嚴(yán)重影響材料的流動(dòng)性造成加工困難外，還會(huì)產(chǎn)生表面浮纖，翹曲嚴(yán)重，力學(xué)性能變差等問(wèn)題。而對(duì)于半結(jié)晶性的PPS而言，其非常高的流動(dòng)性可以允許玻纖填充量輕松超過(guò)50 %，同時(shí)在高溫熔融共混擠出的過(guò)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(zhǎng)的保留長(zhǎng)度，達(dá)到進(jìn)一步提升模量的效果。
????????超低吸水率，這個(gè)優(yōu)勢(shì)主要是針對(duì)PA而言。就流動(dòng)性而言，高填充的PA和PPS不相上下;而對(duì)于力學(xué)強(qiáng)度，同等填充量的PA復(fù)合材料還要更占優(yōu)勢(shì)。但是除了無(wú)鹵阻燃的限制外，另一個(gè)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(jì)。由此帶來(lái)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(dú)特的金屬質(zhì)感和更高表面硬度。接觸過(guò)PPS的材料工程師都知道，當(dāng)一塊PPS注塑制件跌落桌面時(shí)，會(huì)發(fā)出PPS所獨(dú)有的非常清脆的碰撞聲。通過(guò)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(huì)發(fā)出類(lèi)似碰撞金屬的聲音，其的表面也會(huì)如鏡面般光滑，有著金屬般的光澤。
????????大中型手持式電動(dòng)工具的傳動(dòng)連桿
????????凡是知道PEEK大名的材料配方和工藝工程師也多少會(huì)對(duì)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(diǎn)的也得是石油鉆井設(shè)備或者是高端汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)已然擴(kuò)展到了很多普通民用工具和裝置上。在一個(gè)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(lái)注塑成型一款手持電動(dòng)工具的傳動(dòng)連桿(應(yīng)制造商的保密要求，這里不便透露電動(dòng)工具的具體用途和型號(hào))。那么到底是什么樣的原因使得PEEK可以取代價(jià)格低廉的多且更為堅(jiān)固的金屬材料呢?且聽(tīng)筆者的詳細(xì)分析：
????????制造商經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算機(jī)輔助模擬分析和實(shí)際測(cè)試，證明了碳纖維增強(qiáng)的PEEK材料的力學(xué)強(qiáng)度(彎曲模量 > 12000 MPa，彎曲強(qiáng)度 > 200 MPa，無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度 300 - 400 J/m, ASTM 標(biāo)準(zhǔn))和耐高溫性能(連續(xù)工作溫度 > 200度)可以完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并且還留有一定的安全冗余。這也是所有以塑代鋼類(lèi)應(yīng)用的基本前提。其實(shí)在很多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，很多金屬部件的力學(xué)性能都是大大超過(guò)設(shè)計(jì)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(rùn)滑性能，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)連桿在無(wú)油潤(rùn)滑的條件下帶動(dòng)連接件連續(xù)高速運(yùn)動(dòng);同時(shí)在一段時(shí)間的高速運(yùn)動(dòng)后，在連桿和連接件接觸表面所積累的自潤(rùn)滑填料轉(zhuǎn)移層(例如PTFE)會(huì)使得界面間的摩擦系數(shù)進(jìn)一步降低，促使PEEK傳動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)更加自如順暢，以至于在電動(dòng)工具的全使用生命周期內(nèi)，都不必由于傳動(dòng)連桿磨損的原因而更換部件或者添加潤(rùn)滑油。而另一方面，傳統(tǒng)的金屬傳動(dòng)連桿則必需有潤(rùn)滑油或者滾動(dòng)軸承的配合才可以使用。隨著傳動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，需要不斷的添加潤(rùn)滑油或者更換磨損的軸承才能保證機(jī)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(jì)自由度。使用PEEK制造的輕量化傳動(dòng)連桿再結(jié)合上文中所提到的優(yōu)異自潤(rùn)滑性能，會(huì)使得產(chǎn)品的使用能耗有相當(dāng)程度的降低。同時(shí)一次性注塑成型工藝的運(yùn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)的快速修改和升級(jí)(通過(guò)模具的修改和組合)，極大的提高了產(chǎn)品的迭代速度，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
????????縱觀國(guó)內(nèi)的PPS和PEEK復(fù)合材料市場(chǎng)，大部分的國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品都是仿照國(guó)外類(lèi)似牌號(hào)而推出的不同比例的玻纖/礦粉增強(qiáng)規(guī)格，整體售價(jià)偏低，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。特別是在競(jìng)爭(zhēng)更為激烈的PPS市場(chǎng)，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(jìng)爭(zhēng)行為來(lái)?yè)寠Z市場(chǎng)份額，嚴(yán)重?cái)_亂了市場(chǎng)秩序，損害了下游客戶(hù)和最終消費(fèi)者的利益。通過(guò)以上兩個(gè)案例的具體分析我們可以清楚的看到，面對(duì)如此現(xiàn)狀，只有在充分了解產(chǎn)品應(yīng)用和客戶(hù)需求的基礎(chǔ)上通過(guò)創(chuàng)新的配方設(shè)計(jì)，并輔以成熟可靠加工制程工藝，才能最終殺出價(jià)格戰(zhàn)的紅海，真正實(shí)現(xiàn)特種工程塑料和的高附加值應(yīng)用。
