PEEK材料成型工藝探討

PEEK 聚醚醚酮是一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程塑料，可製造加工成各種機械零部件，如汽車齒輪、油篩、換檔啟動盤；飛機發動機零部件、自動洗衣機轉輪、醫療器械零部件等。

PEEK 聚醚醚酮是一種具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優異性能的特種工程塑料，可製造加工成各種機械零部件，如汽車齒輪、油篩、換檔啟動盤；飛機發動機零部件、自動洗衣機轉輪、醫療器械零部件等。PEEK材料由於一般的價格相對較高，相對較難以成型，成為眾多注塑企業重點關注的領域之一。

聚醚醚酮(PEEK) 是在主鏈結構中含有一個酮鍵和兩個醚鍵的重複單元所構成的高聚物，屬特種工程塑料。PEEK 具有力學強度高、耐高溫、耐衝擊、阻燃、耐酸鹼、質地堅硬、使用壽命長等優點，在汽車工業、航空航天、醫療器械等領域有大量應用。

PEEK樹脂最早在航空航天領域獲得應用，替代鋁和其他金屬材料製造各種飛機零部件。汽車工業中由於PEEK樹脂具有良好的耐摩擦性能和機械性能，作為製造發動機內罩的原材料，用其製造的軸承、墊片、密封件、離合器齒環等各種零部件在汽車的傳動、剎車和空調系統中被廣泛採用。

PEEK樹脂是理想的電絕緣體，在高溫、高壓和高溼度等惡劣的工作條件下，仍能保持良好的電絕緣性能，因此電子信息領域逐漸成為PEEK樹脂第二大應用領域，製造輸送超純水的管道、閥門和泵，在半導體工業中，常用來製造晶圓承載器、電子絕緣膜片以及各種連接器件。作為一種半結晶的工程塑料，PEEK不溶於濃硫酸外的幾乎所有溶劑，因而常用來製作壓縮機閥片、活塞環、密封件和各種化工用泵體、閥門部件。

PEEK樹脂還可在134℃下經受多達3000次的循環高壓滅菌，這一特性使其可用於生產滅菌要求高、需反覆使用的手術和牙科設備。PEEK成型溫度320度~390度烘料溫度160~1855H~8H模具溫度140~180這種材料成型溫度太高，對螺杆損傷比較嚴重，在設定螺杆轉速時速度不能太快，注射壓力在100~130MPa注射速度40~80。成型結束後應及時用PE蠟快速清洗螺杆，不能讓PEEK的材料停留在螺杆中。

PEEK 材料在很多方面都擁有極高的性能，其注塑件也有很大的發展前景。但PEEK 注塑件也會存在各種缺陷，包括冷料點、銀紋、氣孔、熔接痕、翹曲等。筆者以某航空用機艙調節環控的活門製件為例，圍繞PEEK 注塑件成型過程缺陷及工藝優化進行探討。

PEEK製品成型缺陷分析

下圖為黑色PEEK 帶嵌件活門製件製品，其使用Victrex PEEK 450G 注塑成型。製品直徑110mm，厚度15mm，帶有M6×1鋼製嵌件。

該製品在成型過程中，主要難點是產品存在外觀缺陷，包括冷料、銀紋、氣孔及熔接痕等，正面中間進料有澆口痕跡。外觀缺陷從人、機、料、法、環幾方面分析，並採取相應措施，收到良好效果。澆口痕跡採取成型後機加工去除的方法，保證正面平整和厚度尺寸滿足設計要求。

冷料問題

冷料問題主要有如下兩個原因：

在生產過程中沒有對模具冷料井規範設計或者移除了冷料井。使得處於熔融狀態的聚合物在生產中與溫度較低的模具接觸，處於熔融狀態前端的部分會因為熱傳遞而溫度迅速降低，等降低到PEEK 的熔點343℃時，本應處於熔融階段的PEEK會急速凝固變成冷料。在生產過程中如果沒有在流道末端處添設冷料井，那麼製品將會很容易流入冷料，造成注塑件的缺陷。

PEEK 材料製作工藝特殊。當製品厚度要求較大時，需要進行長時間冷卻。此時噴嘴的溫度高達400℃，但是物料周圍溫度並沒有達到該數值，極大的溫差導致熱量迅速散去。假如處於低溫中的澆口套與注塑機噴嘴接觸時間較長，在溫度降至PEEK 熔點後，熔融料非常容易凝固，從而幹擾注塑過程進度。所以，待物料注射、保壓完畢，應立即撤掉機筒，使模具與噴嘴保持距離( 前加料)。為防止噴嘴出現流延現象，應設置適當抽膠。熔體直接接觸空氣因溫差較大容易出現凝固現象，假如處理欠缺，已經凝固的PEEK 將會進入模具內，同時藉助泉湧出現在制品表面，造成冷料缺陷。

銀紋問題

對於部分PEEK 注塑件，澆口附近出現銀紋現象通常是因為水分或氣體的原因造成的。製品塑化過程中會伴有氣體生成，極易造成製品銀紋。當注塑機螺杆轉速較大時，氣體會藉機進入塑化過程，藉助噴泉流動流至注塑件表面，由於是在較高壓力下流經澆口，所以會在注塑件表面產生銀紋。成型中設定背壓可以有效避免塑化過程中熔融料夾裹氣體。

沒有經過充分乾燥處理的原料所產生的水分也易產生銀紋，PEEK 材料在放置期間會不斷吸收空氣中的水分，吸水率可達0.4%。在生產中吸收的水分通過熔體進入澆口，因模具型腔壁與熔融料溫差大，兩者相遇導致銀紋產生。為避免銀紋產生，在實際生產中應注意將水分控制在0.2% 以內。物料存放時應注意均勻放置不可堆放，控制材料層高度在20～30 mm。在使用前將PEEK 放入150～160℃乾燥箱內乾燥6～8 h。

翹曲問題

當收縮、冷卻不均時製品與模具型腔會有所偏差，此時便會產生翹曲現象。其實收縮自身不會產生太大影響，主要是在收縮過程中產生的差異。正常情況下當收縮均勻時，PEEK 注塑件只會在體積上發生改變。當收縮不均勻便會產生注塑件翹曲變形。

主要的因素有三個，分別為：

(1) 注塑件壁厚不均造成的翹曲。

(2) 注塑件彎曲角度尖銳造成的翹曲。

(3) 應力造成的翹曲變形開裂。

PEEK注塑工藝優化建議

模具溫度及冷卻速率建議

PEEK 在注射成型中，控制模具溫度及冷卻速率可以改變製品的力學性能。在大部分情況下，PEEK 成型的模具溫度應控制在175℃左右。當模具溫度高於140℃時，PEEK 晶體成長較好，更完整，結構相對穩定。

適當的冷卻速率，有利於提高製品的力學性能；緩慢冷卻和快速冷卻會降低製品的力學性能。PEEK 在一定溫度下的結晶形狀是均勻的形核，如果使用緩慢冷卻的方法，會很容易形成較大的不均勻晶體。然而，在產品表面快速冷卻時，內部冷卻速度還不夠快，容易產生內部應力，產生裂紋，導致材料的力學性能下降。

注塑壓力選擇

當採用高壓注射，材料填充緊實，成型效果會很好，有利於提高PEEK 的力學性能。但壓力過高，製品會出現脫模困難，導致製品表面擦傷，所以注射

壓力要適中。當注射壓力為9.5 MPa、保壓缸壓力為7.5 MPa、背壓為0.5～1.5 MPa 時，製品成型順暢。

溫度建議

PEEK 是一種特殊的熱塑性結晶型塑料。其玻璃化轉變溫度約143℃，熔點約343℃。機筒溫度最佳範圍為360～400℃，此時製品表面光滑，有光澤。PEEK 熱分解溫度為550℃。但在高溫(410℃以上) 成型時，由於機械作用和少量空氣存在，容易發生降解，並且產生交聯反應，這些反應直接導致其熔體黏度發生變化，從而使製品光澤不一。

時間建議

注射時間需要保證整個模腔充滿足夠的熔融材料，因加工製品厚度較大，選擇注射時間為6 s。保壓時間需要保證因模腔中熔體溫度降低而引起的體積縮小的材料補充，同時為避免澆道凝料去除後的氣孔產生，選擇時間為8 s。冷卻時間最佳值應該是模腔壓力接近大氣壓時打開模腔，這樣製品外觀不會有脫模擦傷。模腔壓力大於大氣壓或小於大氣壓開模，都對製品外觀有影響。根據製品外觀變化，經過調試，確定冷卻時間為35 s。