PEEK材料成型解決方案
你需要了解哪些PEEK材料知識？
目錄
介紹
在醫療及其他行業的許多應用中，聚合物已取代金屬。這顯著改善了多種疾病的治療和管理。儘管聚合物領域仍在不斷擴展，但一些聚合物的應用已相當成熟。聚醚醚酮（PEEK）就是其中之一。它具有生物相容性、消毒且經久耐用，應用範圍涵蓋組織替代和醫療器材等。 PEEK 是一種高性能聚合物。除了醫療產業，PEEK 還應用於更複雜的領域，例如航空航太和機械零件的製造。 PEEK 的射出成型製程使其應用範圍擴展到更複雜的大量生產產品。 PEEK 的射出成型與其他塑膠的射出成型有所不同。本文將探討其一些特殊之處，並深入研究其效能、應用和一些特殊功能。透過本文，您將深入了解 PEEK 射出成型與其他塑膠射出成型的差異。
PEEK 技術有哪些優勢？
許多聚合物都具有某些獨特的性能，使其在眾多聚合物中脫穎而出。事實上，聚合物可能是種類最繁多的材料。有些聚合物擁有卓越的性能，值得我們進一步研究，無論是在加工或應用方面。 PEEK 就是其中之一。讓我們先來看看它的一些特性，正是這些特性使其在應用中表現出色。
優異的機械性質
PEEK 被歸類為高性能材料。這類塑膠在各種極端應用環境中都能保持其完整性。 PEEK 的高性能特性源自於其優異的機械性質。從 PEEK 的化學結構可以看出其卓越的性能。其重複單元由三個苯環組成，這些苯環透過酮基和醚基連接。這種結構是由酮基和醚基連接的苯環重複序列所構成，使其具有堅固且穩定的半結晶結構。優異的機械性質也使得 PEEK 易於加工。這在需要去除射出成型 PEEK 產品上的流道或飛邊時尤其有利。 PEEK 優異的機械性質與其輕質低密度相得益彰。舉例來說，PEEK 的密度為 1.32 g/cm³。相比之下，PTFE 的密度為 2.2 g/cm³，PET 的密度為 1.38 g/cm³。這意味著 PEEK 是一種強度高、能夠承受沸水高溫的材料，同時又比飲用水瓶常用的塑膠更輕。業界對這種材料趨之若鶓。
輻射耐受性
輻射常用於醫療器材的消毒。用於生產這些產品的材料必須能夠耐受輻射。用於消毒的輻射包括伽馬射線和紫外線。 PEEK材料能夠耐受這些輻射，而不會改變其化學或物理完整性。
耐高溫性
金屬在許多醫療器材和設備中佔據主導地位。這部分歸功於金屬易於清潔和消毒。聚乙烯等塑膠無法承受高溫，即使是接近水沸點的溫度也不行。您可以嘗試將沸水倒入PET瓶中，觀察其軟化過程。消毒需要在180℃以上的溫度下進行。消毒是醫療實務中至關重要的一環。因此，所用材料必須經過無菌處理，否則可能導致致命的後果。可重複使用的產品在使用前後都會進行消毒。一次性產品則在無菌生產條件下製造。
無菌生產會大幅增加生產成本。如果能在生產完成後對產品進行滅菌，則生產流程會更加簡單。此外，還能確保產品在保持無菌狀態的同時安全地重複使用。熱力滅菌是最簡單有效的滅菌方式之一。 PEEK材料耐高溫的特性也使其具有很高的應用價值。
耐化學品和耐溶劑性
這包括耐水性。在醫療應用中，器械或植入物會長時間暴露在潮濕環境中，而且可能處於各種不同的環境中。尤其是在與人體組織、血清、血液或內臟器官接觸的材料中，情況更是如此。這些環境條件各不相同，例如酸性、鹼性、鹽性等等，從胃部的酸性環境到接近中性的血液環境。 PEEK 的優點在於它能保持耐化學品和耐溶劑性能，即使在高溫下也能如此。這在例如因加熱或摩擦而導致流體溫度升高的機器中尤其重要。
射出成型PEEK時需要考慮的一些因素
雖然PEEK在某些高階應用領域表現出色，但它的加工卻並非易事。如果您是第一次使用PEEK，則需要特別注意一些事項。無論您是否已有其他塑膠射出成型的經驗，PEEK都存在著一些其他塑膠所不具備的挑戰。這些挑戰如下。
射出成型溫度
PEEK注塑成型製程面臨的首要挑戰是其高熔點。雖然高熔點在應用上具有優勢，但也增加了射出成型的難度。儘管如此，注塑成型仍然是最具成本效益的塑膠製造方式，尤其對於PEEK而言更是如此。加工PEEK意味著機器必須在溫度範圍的極限下運作。因此，保護設備零件免受熱損傷或應力至關重要。這意味著在必要時使用高等級金屬和絕緣材料。 PEEK的注塑機與用於其他常見塑膠的注塑機類型相同，但這些機器必須經過專門改造才能滿足PEEK的特殊要求。因此，任何舊機器都無法勝任。一台適合加工PEEK的注塑機必須達到約400℃±50℃的溫度。如果達不到，則需要進行改造。改造的目的是提高熱電偶的加熱能力，並將加熱帶更換為陶瓷加熱帶。為了更好地保持熱量並更快地達到更高的溫度，可以使用隔熱毯。隔熱毯可以隔絕料筒，使產生的熱量得以保留，加速溫度上升。這樣可以降低能源消耗，進而降低成本。
料筒內的溫度分佈也至關重要。熔體流經流道進入模具時的溫度同樣重要。料筒內的溫度分佈從進料口開始。進料口應保持足夠低的溫度，以避免形成橋接。橋接是由於聚合物在進料區過早熔化造成的流動受阻。如果發生這種情況，顆粒會黏附在進料口，而不是向前輸送。
在料筒下游，熔體的溫度需要保持在攝氏 170 至 200 度左右。但在模具中情況則不同，因為冷卻過程就發生在這裡。我們不希望零件冷卻不均勻，即部分零件冷卻速度快，而其他零件冷卻速度慢。冷卻速度會影響結晶度，導致同一產品中出現非晶態和晶態區域的混合。這通常表現為產品顏色不均。下圖展示了這種變色現象的範例。
就大門而言，越大越好。
熔體透過澆口進入模具。澆口常常被忽視，但它在產品成型過程中扮演至關重要的角色。澆口決定了熔體流入模具的流量，進而影響冷卻模式。這對於像PEEK這樣收縮率高的聚合物尤其重要。更大的澆口可以讓更多的熔體在給定時間內進入模具，從而有助於更均勻的溫度下降，進而實現更均勻的收縮，最終獲得更好的零件成型效果。雖然潛水式澆口據說適用於許多應用，但它並不太適合PEEK。對於PEEK的射出成型，凸耳式、扇形澆口或邊緣澆口的效果較好。此外，還應考慮影響澆口規格的其他因素，例如模腔數量和流道系統類型。
收縮
大多數塑膠在冷卻時都會發生一定程度的收縮。這種從熔融狀態到固態的體積變化通常會在模具設計中加以考慮。當收縮具有各向異性時，情況會變得更加複雜。換句話說，材料在不同方向上的收縮方式不同。冷卻過程中，透過對模具施加壓力來控制收縮，從而確保模具表面和幾何形狀的均勻性。對於各向異性收縮，施加壓力時需要考慮收縮方向。因此，在設計PEEK模具時，必須考慮這種各向異性收縮。
機械製造材料
在如此高的溫度下操作時，與熔體接觸的零件必須採用高品質材料。 PEEK注塑成型中不使用銅或銅合金，儘管它們可以用於加工熔點較低的聚合物，例如聚乙烯。但它們在高溫下容易腐蝕。高品質不銹鋼適用於PEEK注塑成型。這一點對於螺桿和料筒尤其重要，因為它們與熱熔體的接觸時間比機器的任何其他部件都長。保持光滑拋光的表面也至關重要。這可以確保熔體順暢流動並形成良好的流動模式。對於這種熔點高的韌性聚合物，其黏度往往較低。這與熔點較低的聚合物不同，後者只需較少的熱量即可降低黏度。對於黏度較高的材料，光滑的壁面可以提供最小的流動阻力。
烘乾
PEEK具有極佳的耐水性和耐溶劑性。但環境中的水分會沉積在其表面。儲存過程中積聚的水分會在加工過程中汽化。在如此高的溫度下，熔體中出現氣泡是不利的。建議將PEEK乾燥至含水量低於0.02%。這可以透過在循環烘箱中於約160℃的溫度下乾燥2至3小時來實現。
殘留物和污染物
在高溫下，非PEEK材料會發生降解。如果機器加工其他塑料，這些降解物可能是其他塑料的殘留物。熔點較低的塑膠也會降解，導致塑膠表面出現黑色斑點。這會影響外觀和質量，甚至可能導致零件報廢。為避免這種情況，在開始PEEK注塑前，應徹底清潔設備的每個零件。這包括拆卸螺桿並清潔螺桿和料筒。這些部件溫度最高，因此需要格外注意。其他部件，例如噴嘴、流道和模具，也需要清潔。如果條件允許，最好將注塑機專門用於PEEK注塑。其他輔助加工設備，例如再生料機，也應如此。整條生產線專門用於PEEK注塑可以最大程度地降低污染風險。
PEEK包覆成型
PEEK 在其使用溫度下是一種剛性塑料，是包覆成型製程的首選材料之一，也是一種優良的基材。它能形成堅固的芯材，然後在其上包覆較軟或熔點較低的材料。較高的軟化溫度使其適用於更廣泛的塑膠包覆成型，熔點溫度範圍也更廣。這意味著更多材料將適合用作包覆成型材料。
一些注塑成型的PEEK產品
PEEK的應用範圍非常廣泛，涵蓋醫療、航空航太和機械等領域。以下列舉了它的一些應用。其中大部分採用射出成型製程（管材和型材多採用擠出成型）。
- 骨科植入物
- 植牙
- 外科器械
- 醫療器材
- 髖關節置換
- 脊椎植入物
- 手指關節置換/修復
- 管材
- 電氣絕緣
- 簡介
結論
PEEK的加工是在傳統的射出成型機上進行的。但這些注塑機需要進行改造才能適應PEEK的加工。一些額外的預防措施可以確保加工順利進行。例如，良好的溫度控制、大澆口和清潔乾燥的原料。要注意的是，加工需求也取決於所用PEEK的牌號。
參考連結
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