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PEEK加工工艺全览传统与增材制造

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-11-18 16:55:17 浏览次数:0
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Ueda等人通过镍催化偶联聚合制备了可溶性无定形预聚物,该预聚物在甲苯的存在下通过TFMSA处理从而进一步水解,得到ηinh约为0.52 dL/g的PEEK。

综上所述,PEEK的合成路线有很多种,其中应用最广泛的是DFPB与HQ的亲核取代路线。但是从应用角度方面来看,目前还需要开发可溶于普通溶剂的PEEK,以便于后续进行溶液改性,从而优化其性能。

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PEEK的性能

  1. 基础特性:聚醚醚酮是一种新型的特种热塑性工程塑料。它的熔点334 - 343℃,玻璃化转变温度为143℃,其瞬时使用温度可达300℃。它的分子链结构使其具有优异的生物、机械和化学性能。
  2. 生物性能:生物相容性医用 PEEK 植入物的生物学特性包括生物相容性、生物活性和生物稳定性。可以在材料的生物界面处引起特殊的生理反应,使材料与组织之间能够有效地相互作用。
  3. 力学性能和摩擦磨损性能:皮质骨弹性模量的范围约为7 - 30 GPa,泊松比约为0.2 - 0.5。松质骨的弹性模量的范围约为0.01 - 10 GPa,泊松比约为0.01 - 0.35。PEEK具有类似于骨骼的弹性模量,约为2 - 6GPa、高屈服强度和抗疲劳性并具有优良的摩擦和抗磨损性能。
  4. 化学性能:金属材料在含有大量电解质和各种复杂有机化合物的环境下,发生化学侵蚀是不可避免的,这种腐蚀过程是电化学变化的过程。PEEK 具有优异的耐腐蚀性,这是优于金属的主要优点之一。
  5. 灭菌性能:PEEK材料具有良好的化学稳定性和抗辐射性,可以使用多种方式进行消毒,包括热蒸汽、环氧乙烷和γ射线。

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PEEK的加工工艺

尽管 PEEK 聚合物具有卓越的性能,但这些材料是通过传统的塑料加工方法加工的,PEEK也可以使用增材制造进行加工。PEEK材料的熔化温度约为340℃,可以在360℃和 400℃之间与大多数传统工艺设备一起使用。

  1. 注塑成型:为聚合物用作轴承元件提供了有利的优势。一方面,通过注塑成型可以显着降低生产成本,从而减少后加工步骤和加工时间。另一方面,聚合物将表现出更高水平的固有阻尼和更低的密度,从而降低在使用过程中产生的噪音,这使得这一成型技术对轻量化零件的设计更具吸引力。随着具有优异机械和耐化学性的高温工程聚合物的出现,在模具制造过程中的应用需要验证。Berer等人研究了PEEK作为轴承零件使用时出现的点蚀现象,发现这种现象只发生在润滑剂存在的情况下,这是因为在注塑过程中产生了小而不可见的表面裂纹,因此后续还需要对着以工艺进行优化。
  2. 替代加工方法:随着用于加工聚合物的新策略和技术的开发,提出了一种使用聚合物嵌件代替直接加工的金属型芯或型腔的替代方法,作为一种潜在的原型制作工艺。
  3. 熔融挤出:是生产长形坯料的制造工艺,例如棒材、片材和单丝纤维。加工工艺与注塑成型相似,首先将PEEK粒料倒入料斗中,该料斗将粒料送到加热的螺杆组件中进行熔化并加压熔融聚合物,然后将熔融聚合物挤出并缓慢冷却至室温。
  4. 压缩成型:PEEK的成型需要热压机、烘箱和模具,由于所涉及的应力、剪切和力的水平,这些模具通常为低级钢或金属。优选细粉级的PEEK聚合物用于压缩成型,以避免成型部件中出现颗粒状边界部分。尽管可以将纤维或填料混合到 PEEK中进行压缩成型,但由于难以确保均匀的纤维分布和最终组件性能的各向同性,这种做法很少实施。与注塑成型相比,它是一种相对便宜的工艺,但周期长,因此不适合大批量生产。
  5. 薄膜生产:PEEK 薄膜的薄片是通过使用合适的模具和牵引设备挤出聚合物来生产的,这些设备可控制地处理和储存薄膜以进行二次操作。通过控制牵引设备中流延鼓的温度,可以生产结晶或无定形的PEEK薄膜。然而,随着薄膜厚度的增加,全非晶 PEEK 薄膜的生产变得更具挑战性。
  6. 纤维生产:PEEK材料经挤出后进行拉伸来生产纤维。拉伸聚合物在热定形之前在纤维内提供定向。所得单丝坚韧、高度定向,并具有可控的直径,在材料的玻璃化转变温度以上将保持其凝固形态。
  7. 3D打印:为了制造具有复杂宏观或微观结构的PEEK零部件,人们采用新型的3D打印技术对这种材料进行加工,考虑到这种材料的熔体加工特性,通常采用SLS和FDM这两种3D打印技术进行PEEK零件的生产制造,但是SLS打印机设备昂贵、加工过程较复杂,并且伴有材料的回收,因此,人们倾向于使用FDM打印PEEK零部件,采用这一技术为实现轻质高强零件的制造带来了可能性,为了达到所需零件的物理和机械性能,必须考虑PEEK材料的结晶动力学和流变特性以及打印参数等。Tseng等人通过FDM打印的PEEK零件的抗拉强度和杨氏模量接近注塑成型的PEEK,其值分别为98.5MPa和2.55GPa。Wang等人通过FDM打印的PEEK零件的抗压强度为126.4MPa。因此,采用FDM可以开发复杂结构的窥视植入物、功能部件以及工具组件等,从而使得PEEK广泛应用于航空航天、医疗器械以及汽车制造等领域。

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PEEK的改性

  1. 磺化改性:PEEK不溶于普通有机溶剂,聚合后PEEK的改性主要限于PEEK的磺化,这种改性方法目前已被广泛采用。它可以使用硫酸、硫酸和甲烷磺酸的混合物、硫酸和发烟硫酸的混合物、三氧化硫 - 磷酸三乙酯络合物和氯磺酸进行,通过磺化改变化学结构,从而降低结晶度,同时提高了溶解度。
  2. 其他改性:研究人员还进行了PEEK的硝化和胺化,据报道,羟基化、胺化、氟化、羧化等表面改性的 PEEK可作为哺乳动物细胞培养的底物,已被报道为医学工程领域的生物相容、无毒和生物惰性材料,并且CF增强的PEEK复合材料表现出与骨组织的出色相容性。
  3. 复合材料构建:虽然PEEK具有优异的性能,但仍不能满足现代工业在机械、热和摩擦性能等方面提出的较高要求。因此,在PEEK中填充纤维、无机和有机纳米粒子构建复合材料已经成为一种趋势,常用的纤维包括玻璃纤维、碳纤维、钢纤维和聚四氟乙烯纤维等,此外还有氧化铝晶须和氧化锌晶须等;纳米颗粒包括二氧化硅、二氧化锆、氮化硅和氧化铝等。这些填料的加入显著提高了PEEK的摩擦磨损性能,目前PEEK基复合材料已经用于制造高速转子、活塞、齿轮和O型环等。Zalaznik通过热压的方法研究了加工温度对PEEK性能的影响。

标签:工艺

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