PEEK材料成型解决方案
你需要了解哪些PEEK材料知识？
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介绍
在医疗及其他行业的许多应用中，聚合物已取代金属。这显著改善了多种疾病的治疗和管理。尽管聚合物领域仍在不断扩展，但一些聚合物的应用已相当成熟。聚醚醚酮（PEEK）就是其中之一。它具有生物相容性、可消毒且经久耐用，应用范围涵盖组织替代和医疗器械等。PEEK 是一种高性能聚合物。除了医疗行业，PEEK 还应用于更复杂的领域，例如航空航天和机械零件的制造。PEEK 的注塑成型工艺使其应用范围扩展到更复杂的批量生产产品。PEEK 的注塑成型与其他塑料的注塑成型有所不同。本文将探讨其一些特殊之处，并深入研究其性能、应用和一些特殊功能。通过本文，您将深入了解 PEEK 注塑成型与其他塑料注塑成型的区别。
PEEK 技术有哪些优势？
许多聚合物都具有某些独特的性能，使其在众多聚合物中脱颖而出。事实上，聚合物可能是种类最繁多的材料。有些聚合物拥有卓越的性能，值得我们进一步研究，无论是在加工还是应用方面。PEEK 就是其中之一。让我们先来看看它的一些特性，正是这些特性使其在应用中表现出色。
优异的机械性能
PEEK 被归类为高性能材料。这类塑料在各种极端应用环境中都能保持其完整性。PEEK 的高性能特性源于其优异的机械性能。从 PEEK 的化学结构可以看出其卓越的性能。其重复单元由三个苯环组成，这些苯环通过酮基和醚基连接。这种结构是由酮基和醚基连接的苯环重复序列构成，使其具有坚固稳定的半结晶结构。优异的机械性能也使得 PEEK 易于加工。这在需要去除注塑成型 PEEK 产品上的流道或飞边时尤为有利。PEEK 优异的机械性能与其轻质低密度相得益彰。举例来说，PEEK 的密度为 1.32 g/cm³。相比之下，PTFE 的密度为 2.2 g/cm³，PET 的密度为 1.38 g/cm³。这意味着 PEEK 是一种强度高、能够承受沸水高温的材料，同时又比饮用水瓶常用的塑料更轻。业界对这种材料趋之若鹜。
辐射耐受性
辐射常用于医疗器械的消毒。用于生产这些产品的材料必须能够耐受辐射。用于消毒的辐射包括伽马射线和紫外线。PEEK材料能够耐受这些辐射，而不会改变其化学或物理完整性。
耐高温性
金属在许多医疗器械和设备中占据主导地位。这部分归功于金属易于清洁和消毒。聚乙烯等塑料无法承受高温，即使是接近水沸点的温度也不行。您可以尝试将沸水倒入PET瓶中，观察其软化过程。消毒需要在180℃以上的温度下进行。消毒是医疗实践中至关重要的一环。因此，所用材料必须经过无菌处理，否则可能导致致命的后果。可重复使用的产品在使用前后都会进行消毒。一次性产品则在无菌生产条件下制造。
无菌生产会大幅增加生产成本。如果能在生产完成后对产品进行灭菌，则生产流程会更加简便。此外，还能确保产品在保持无菌状态的同时安全地重复使用。热力灭菌是最简单有效的灭菌方式之一。PEEK材料耐高温的特性也使其具有很高的应用价值。
耐化学品和耐溶剂性
这包括耐水性。在医疗应用中，器械或植入物会长时间暴露在潮湿环境中，而且可能处于各种不同的环境中。尤其是在与人体组织、血清、血液或内脏器官接触的材料中，情况更是如此。这些环境条件各不相同，例如酸性、碱性、盐性等等，从胃部的酸性环境到接近中性的血液环境。PEEK 的优势在于它能保持耐化学品和耐溶剂性能，即使在高温下也能如此。这在例如因加热或摩擦而导致流体温度升高的机器中尤为重要。
注塑成型PEEK时需要考虑的一些因素
虽然PEEK在某些高端应用领域表现出色，但它的加工却并非易事。如果您是第一次使用PEEK，则需要特别注意一些事项。无论您是否已有其他塑料注塑成型的经验，PEEK都存在一些其他塑料所不具备的挑战。这些挑战如下。
注塑成型温度
PEEK注塑成型工艺面临的首要挑战是其高熔点。虽然高熔点在应用中具有优势，但也增加了注塑成型的难度。尽管如此，注塑成型仍然是最具成本效益的塑料制造方式，尤其对于PEEK而言更是如此。加工PEEK意味着机器必须在温度范围的极限下运行。因此，保护设备部件免受热损伤或应力至关重要。这意味着在必要时使用高等级金属和绝缘材料。PEEK的注塑机与用于其他常见塑料的注塑机类型相同，但这些机器必须经过专门改造才能满足PEEK的特殊要求。因此，任何旧机器都无法胜任。一台适合加工PEEK的注塑机必须达到约400℃±50℃的温度。如果达不到，则需要进行改造。改造的目的是提高热电偶的加热能力，并将加热带更换为陶瓷加热带。为了更好地保持热量并更快地达到更高的温度，可以使用隔热毯。隔热毯可以隔绝料筒，使产生的热量得以保留，从而加快温度上升速度。这样可以降低能源消耗，从而降低成本。
料筒内的温度分布也至关重要。熔体流经流道进入模具时的温度同样重要。料筒内的温度分布从进料口开始。进料口应保持足够低的温度，以避免形成桥接。桥接是由于聚合物在进料区过早熔化造成的流动受阻。如果发生这种情况，颗粒会粘附在进料口，而不是向前输送。
在料筒下游，熔体的温度需要保持在 170 至 200 摄氏度左右。但在模具中情况则不同，因为冷却过程就发生在这里。我们不希望零件冷却不均匀，即部分零件冷却速度快，而其他零件冷却速度慢。冷却速度会影响结晶度，导致同一产品中出现非晶态和晶态区域的混合。这通常表现为产品颜色不均。下图展示了这种变色现象的示例。
就大门而言，越大越好。
熔体通过浇口进入模具。浇口常常被忽视，但它在产品成型过程中起着至关重要的作用。浇口决定了熔体流入模具的流量，进而影响冷却模式。这对于像PEEK这样收缩率高的聚合物尤为重要。更大的浇口可以让更多的熔体在给定时间内进入模具，从而有助于更均匀的温度下降，进而实现更均匀的收缩，最终获得更好的零件成型效果。虽然潜水式浇口据说适用于许多应用，但它并不太适合PEEK。对于PEEK的注塑成型，凸耳式、扇形浇口或边缘浇口的效果更好。此外，还应考虑影响浇口规格的其他因素，例如模腔数量和流道系统类型。
收缩
大多数塑料在冷却时都会发生一定程度的收缩。这种从熔融状态到固态的体积变化通常会在模具设计中加以考虑。当收缩具有各向异性时，情况会变得更加复杂。换句话说，材料在不同方向上的收缩方式不同。冷却过程中，通过对模具施加压力来控制收缩，从而确保模具表面和几何形状的均匀性。对于各向异性收缩，施加压力时需要考虑收缩方向。因此，在设计PEEK模具时，必须考虑这种各向异性收缩。
机械制造材料
在如此高的温度下操作时，与熔体接触的部件必须采用高品质材料。PEEK注塑成型中不使用铜或铜合金，尽管它们可以用于加工熔点较低的聚合物，例如聚乙烯。但它们在高温下容易腐蚀。高品质不锈钢适用于PEEK注塑成型。这一点对于螺杆和料筒尤为重要，因为它们与热熔体的接触时间比机器的任何其他部件都长。保持光滑抛光的表面也至关重要。这可以确保熔体顺畅流动并形成良好的流动模式。对于这种熔点高的韧性聚合物，其粘度往往较低。这与熔点较低的聚合物不同，后者只需较少的热量即可降低粘度。对于粘度较高的材料，光滑的壁面可以提供最小的流动阻力。
烘干
PEEK具有极佳的耐水性和耐溶剂性。但环境中的水分会沉积在其表面。储存过程中积聚的水分会在加工过程中汽化。在如此高的温度下，熔体中出现气泡是不利的。建议将PEEK干燥至含水量低于0.02%。这可以通过在循环烘箱中于约160℃的温度下干燥2至3小时来实现。
残留物和污染物
在高温下，非PEEK材料会发生降解。如果机器加工其他塑料，这些降解物可能是其他塑料的残留物。熔点较低的塑料也会降解，导致塑料表面出现黑色斑点。这会影响外观和质量，甚至可能导致零件报废。为避免这种情况，在开始PEEK注塑前，应彻底清洁设备的每个部件。这包括拆卸螺杆并清洁螺杆和料筒。这些部件温度最高，因此需要格外注意。其他部件，例如喷嘴、流道和模具，也需要清洁。如果条件允许，最好将注塑机专门用于PEEK注塑。其他辅助加工设备，例如再生料机，也应如此。整条生产线专门用于PEEK注塑可以最大程度地降低污染风险。
PEEK包覆成型
PEEK 在其使用温度下是一种刚性塑料，是包覆成型工艺的首选材料之一，也是一种优良的基材。它能形成坚固的芯材，然后在其上包覆较软或熔点较低的材料。较高的软化温度使其适用于更广泛的塑料包覆成型，熔点温度范围也更广。这意味着更多材料将适合用作包覆成型材料。
一些注塑成型的PEEK产品
PEEK的应用范围非常广泛，涵盖医疗、航空航天和机械等领域。以下列举了它的一些应用。其中大部分采用注塑成型工艺（管材和型材大多采用挤出成型）。
- 骨科植入物
- 种植牙
- 外科器械
- 医疗器械
- 髋关节置换
- 脊柱植入物
- 手指关节置换/修复
- 管材
- 电气绝缘
- 简介
结论
PEEK的加工是在传统的注塑机上进行的。但这些注塑机需要进行改造才能适应PEEK的加工。一些额外的预防措施可以确保加工顺利进行。例如，良好的温度控制、大浇口和清洁干燥的原材料。需要注意的是，加工要求也取决于所用PEEK的牌号。
参考链接
https://www.victrex.com/en/victrex-peek
https://www.plasticstoday.com/materials/new-peek-material-takes-performance-another-level
https://www.plasticstoday.com/medical/solvays-peek-polymer-gets-nod-spinal-implant-device