多功能PEEK推動實現跨行業性能

多功能PEEK推動實現跨行業性能

用PEEK-optima超增強聚合物製成的不含金屬的遠端股骨骨折固定板（所示的醫療創傷板不可用於分散或植入。

在許多行業中，企業在選擇材料時需要不斷做出重要的決策。傳統金屬和其他材料能否達到他們期望的結果？還是應該研究新的高性能材料和解決方案？在多個重要的行業領域中，具有多功能性的聚醚醚酮(PEEK)聚合物越來越多地被認為是能夠實現更強大性能的材料。

聚醚醚酮(PEEK)是高性能聚芳醚酮 (PAEK)家族的300多個成員之一，是聚合物中的佼佼者。這些PAEK聚合物中，只有少數已經商品化；除了PEEK外，其他成員還包括PEK、PEKK和PEKEKK。

在結構上，線性芳香族PEEK聚合物由重複的被芳基分隔的醚、醚和酮鍵組成，它有多種(聚)醚醚酮排列，成為這些半結晶聚合物的名稱來由，其卓越的機械和化學特性意味著它們可獨特地支持多種要求的組合。例如，輕質高強度聚醚醚酮(PEEK)聚合物具有很高的耐磨性、耐高溫性、耐疲勞性和耐腐蝕性流體/化學品的性能，有助於：

?提高燃油效率；

?提高安全性；

?延長部件壽命；

?更大的舒適度(運行平穩，噪音更小)；

?更高的設計自由度；

?高生產成本效率。

與金屬相比，基於PEEK的材料重量很輕、易成型、耐腐蝕，並且具有很高的比強度(每單位重量強度)，自從二十世紀八十年代位於英國Thornton-Cleveleys地區的威格斯(Victrex) 公司首次把威格斯聚醚醚酮「Victrex PEEK」商業化以來， 此後一直不斷地改進，帶來了材料和技術的革新，使聚合物的使用發生了革命性的變化，並不斷推進材料可能達到的性能極限。

迎接市場和應用挑戰

今天，包括汽車、航空航天、電子、能源和製造以及醫療行業在內的廣泛行業都得益於這種多功能、高性能PEEK熱塑性塑料的使用。通過替代金屬或其他材料，PEEK通常能夠促成客戶開發具有競爭力的創新應用。

通常在材料的選擇方面需要考慮兩個關鍵需求：

-在製造和裝配、運營和降低總體成本方面具有更高的性價比；

-提高性能，達到可靠性目標並減少停機時間

汽車和航空航天工業：提高效率

在汽車領域，「Victrex PEEK」已經在一些要求嚴苛的應用中發揮了巨大作用，例如提高齒輪效率(見圖1)。與金屬齒輪相比，PEEK齒輪減輕了68%的重量，同時改善了50%(3dB)震動噪音。此外，轉動慣量可以減少多達78%。這意味著應用PEEK可改善響應能力，從而降低功耗，有助於降低二氧化碳排放量。

圖1. 汽車等行業是PEEK機械阻力精密齒輪的重要應用領域

航空航天製造商面臨著需要提高新飛機組裝速度的挑戰，同時不能夠影響功能、成本或重量(圖2)。PAEK處於材料發展的最前沿，應用這種材料可以設計和生產高性能的注塑成型PEEK零件，從而減少飛機部件的數量，同時簡化和加快生產流程。最近一個重要的發展是引入新的材料，比如「Victrex AE 250」複合材料(圖3)，它能夠結合共混成型加工技術來開發新部件。這可以實現連續製造工藝，其循環周期只有幾分鐘，可以替代循環周期為數小時的熱固塑料。結構支架一直是一個重要的發展領域，除了能夠加速部件的製造和隨後的飛機組裝以外，新的支架還可以減輕多達60%的重量，同時滿足所需的組件強度。

圖2. 威格斯PAEK熱塑性複合材料包覆在威格斯PEEK材料之上，可以製成格柵加筋面板，同時結合了高強度和輕量化優勢。

能源行業：滿足可靠性目標要求，減少停機時間

與玻璃陶瓷連接器相比，Victrex PEEK材料能夠使電連接器的使用壽命增加一倍。與其他PEEK密封系統相比，Victrex PEEK材料則具有高兩倍的承載能力，因而「Victrex PEEK」在能源行業得到高度評價。這種高性能聚合物能夠滿足石油和天然氣行業的需求，使得它們可以新的非常規石油儲藏中進行更深入的鑽探。其承受極高壓力、高溫、腐蝕性化學品和腐蝕性環境的能力，有助於避免代價高昂的停機時間。

圖 3. victrex AE250複合材料，如單向帶（UDT）和層壓板，在組件製造速度和經濟高效的安裝方面提供了優勢。

「Victrex PEEK」還能夠為石油和天然氣或化工行業廣泛使用的往複式壓縮機提供效率和可靠性方面的優勢。例如，在天然氣壓縮機中，由PEEK製成的閥已經被證明可連續工作十二個月，而鋼質閥通常在大約一個月後便會斷裂。除了使用壽命顯著延長之外，由PEEK製成的閥還具有節約能源的潛力，這是由於它帶有更好的磨損特性、表面匹配性、彈性和密封性，因而減少了流體損失。有趣的是，聚合物閥的噪音水平也低於鋼質閥板。

圖4. Magma和victrex為海底應用開發了「碳複合管m管」 。

在利用「Victrex PEEK」與Magma共同開發碳複合材料「m管」(圖4)之後，威格斯最近與Magma再度合作，進一步促進其管道在海底的應用。預計這項創新技術將降低勘探和生產成本，以及減輕要求嚴苛的海底應用的風險。

醫療：加速實現醫療創新

第一個商品化的植入式PEEK級別「PEEK-OPTIMA」是在15年前推出，從那以後，醫學領域快速接受使用生物兼容PEEK的假體和植入物來取代金屬等同物 ，並且在此過程中為從業人員和患者提供了相當大的優勢，使用範圍包括脊柱植入物、長骨骨折和其他創傷損傷(人體概覽圖像)（hero image），以及具備CAD / CAM便利設計和臨床準確度優勢的假牙。

醫學專業機構與Invibio Biomaterial Solutions這樣的製造商和解決方案提供商合作，證實了這些物料的可行性：全球約有900萬例使用Invibio「PEEK-OPTIMA」材料生產的醫療器械，現已使用於人體醫學領域快速接受使用生物兼容PEEK的假體和植入物來取代金屬等同物，目前歐盟、美國和亞洲監管機構已經准許使用PEEK植入物。

這種生物材料適合用作製造醫療植入物，得益於許多因素。PEEK的彈性模量接近於骨，此外，不同的PEEK等級為種植體製造商提供足夠好的磨損和耐疲勞性能以及完全生物兼容性的化學惰性，並且避免了將金屬引入人體生物環境時可能產生的生化副作用。它還可以安全消毒，能夠耐受蒸汽消毒或高劑量伽瑪輻射的多次循環。

PEEK醫療應用的一個典型「定製」示例是在未填充的PEEK中添加碳纖維，從而獲得生物兼容的碳纖維增強PEEK(CFR-PEEK)，其優化的強度和剛度與金屬相當，Invibio的「PEEK-OPTIMA Ultra-Reinforced」就是如此。在許多情況下，CFR-PEEK的使用還允許開發更薄、更小、更微創的器械設計。

在醫療領域，一旦植入到位，不管是否出現破損等併發症，還是脊柱融合的骨生長進展，都必須對其狀態進行監測。諸如鈦之類的金屬由於其射線不透性和產生偽影的可能性，會在使用X射線、MRI和CT成像成為挑戰。然而， PEEK植入物的射線可穿透特性已經改變了這種狀況。它們易於成像，允許醫生監測脊柱融合進展或進行其他診斷性檢查。這種能夠準確評估治療進展和患者效果的能力，最終有可能提高患者的生活質量。

製造業進步和夥伴關係擴展

威格斯公司是PAEK的領先製造商，在英國Thornton Cleveleys地區具有世界一流的運營設施，其PAEK產能超過每年7000噸。威格斯公司2017年秋季建成運行了全新的聚合物創新中心，為未來的發展提供更多的資源，並且作為威格斯全球網路的一部分，幫助世界各地的客戶進行技術開發。

最近，PEEK發展覆蓋了廣泛的應用範圍，從新的聚合物牌號到不同產品形態，以及用於特定應用的部件。新開發的形態以單向(UD)卷帶、複合材料(「Victrex AE 250」)或薄膜為中心，部件開發包括醫療創傷板、航空航天支架和汽車齒輪。此外，目前正在開發用於3D列印的特定等級PEEK材料，以及其他客戶特定的PEEK材料解決方案。

最近推出的材料牌號包括用於石油和天然氣設備的「Victrex OGS 125」、「Victrex CT 100」，以及用於增強骨長上的新一代植入材料「PEEK Optima HA Enhanced」。

為了滿足特定市場的需求，威格斯也建立了新的商業夥伴關係，包括上文提到與Magma的合作關係，以及2017年與Tri-Mack Plastics Manufacturing Corporation成立合資公司TxV Aero Composites，目的是加速 PAEK複合材料解決方案在航空航天工業中的商業應用。威格斯於2017年4月收購英國單絲專業廠商ZYEX，也加快了PEEK單絲在現有和新興市場的應用。2015年，威格斯收購了Kleiss Gears，使得威格斯在開發用於極端環境和嚴苛環境下的齒輪解決方案時，能夠滿足汽車合作夥伴的需求。

專心致志是未來發展的基礎

自2014年以來，聚醚醚酮(PEEK)在數個關鍵行業的新應用取得了重大進展。Victrex PEEK在1978年首先獲得專利，在這一領域擁有最長的歷史。這種材料擁有出色的多功能性，加上從源遠流長的發展歷史中獲得的技術積累，可以確保威格斯能夠不斷突破性能極限，進入全球範圍的更多新興應用領域。

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