PPS和PEEK的優(yōu)勢對比

近年來，特種工程塑料的應用已經(jīng)逐漸從之前的軍工和航空航天領域延伸到了越來越多的民用領域，例如汽車，裝備制造，高端消費品等。其中，聚苯硫醚（PPS）和聚醚醚酮（PEEK）是發(fā)展比較迅速、應用領域范圍較廣的兩種特種工程塑料。

PEEK在強度、韌性、最高工作溫度等方面都較PPS更優(yōu)異，在耐高溫方面，PEEK的耐溫性比PPS高出約50℃。而另一方面，PPS相對明顯的成本優(yōu)勢和更好的加工性能使其應用范圍更加廣泛。

PPS

PPS是結晶型(結晶度55%-65%)的高剛性白色粉末聚合物，耐熱性高(長期使用溫度為200℃-220℃,短期可承受260℃的高溫)，是一種機械強度、剛性、難燃性、耐化學藥品性、電氣特性、尺寸穩(wěn)定性都優(yōu)良的樹脂。

耐磨、抗蠕變性優(yōu)、阻燃性優(yōu)，有自熄性。高溫、高濕下仍保持良好的電性能。流動性好，易成型，成型時幾乎沒有縮孔凹斑。與各種無機填料有良好的親和性。它的開發(fā)縮短了標準熱塑性塑料材料（例如PA、POM、PET……）與高級工程塑料之間的差別。

PPS具有以下明顯的性能優(yōu)勢：

（1）本征阻燃

與PC和PA不同，PPS純樹脂及其玻纖/礦粉填充的復合材料在不添加任何阻燃劑的情況下，可以輕松達到V-0@0.8mm甚至更薄厚度的V-0阻燃級別。雖然PC和PA有著比PPS更便宜的價格和更好的力學強度(尤其是沖擊強度)，但是添加了無鹵阻燃配方(V-0@0.8mm級別)的PC和PA復合材料的成本卻會大幅上升，很多時候甚至高于具有同等力學強度的PPS材料。

（2）超高流動性

在筆記本蓋板應用領域，這個優(yōu)勢相對PC更加明顯。新一代超薄筆記本前蓋板(厚度0.8-1mm)對于彎曲模量的要求往往高達15000 – 17000 MPa(ASTM標準)。但是在3C行業(yè)嚴格的成本控制壓力下，配方設計師往往被要求選用成本更低廉的玻纖，而不是碳纖作為增強填料。而對于PC及其合金而言，其較差的流動性決定了玻纖添加量的上限一般不宜超過40 % (彎曲模量只可以達到10000 MPa，ASTM標準)。更高的添加量除了會嚴重影響材料的流動性造成加工困難外，還會產(chǎn)生表面浮纖，翹曲嚴重，力學性能變差等問題。而對于半結晶性的PPS而言，其非常高的流動性可以允許玻纖填充量輕松超過50 %，同時在高溫熔融共混擠出的過程中，PPS相較于PC更低的粘度可以使玻纖經(jīng)受較低程度的剪切和擠壓，從而在最終注塑成型的制品中具有更長的保留長度，達到進一步提升模量的效果。

（3）超低吸水率

這個優(yōu)勢主要是針對PA而言。就流動性而言，高填充的PA和PPS不相上下；而對于力學性能，同等填充量的PA復合材料還要更占優(yōu)勢。但是除了無鹵阻燃的限制外，另一個制約PA應用的因素就是其較高的吸水率：相比高溫尼龍PA6T 0.6%-1%的吸水率，PPS 0.03%的吸水率幾乎可以忽略不計。由此帶來的結果是PPS制品由于吸水變形而產(chǎn)生的產(chǎn)品不良率要比同等條件下的PA制品低得多。

（4）獨特的金屬質感和更高表面硬度

PPS注塑制件跌落桌面時，會發(fā)出PPS所獨有的非常清脆的碰撞聲。通過特制模具和合理模溫的搭配，PPS注塑制件在人手的觸碰下也會發(fā)出類似碰撞金屬的聲音，其表面也會如鏡面般光滑，有著金屬般的光澤。

PEEK

PEEK是一種綜合性能優(yōu)良的特種工程塑料，具有優(yōu)良的耐熱性能、耐化學腐蝕性能、耐輻射性能、電性能、阻燃性能等。其分子鏈是由苯環(huán)和相連的酮基、醚基構成的一種聚合物，由苯環(huán)保證了PEEK材料具有很好的剛性，由醚鍵保證了PEEK具有很好的韌性，所以說，PEEK是韌性與剛性兼?zhèn)涞囊豢罹C合性的材料。

PEEK具有如下突出的性能：

(1)極高的耐熱性。

可在250°C長期使用，瞬間使用溫度可達300°C,在400°C短時間內幾乎不分解。

(2)優(yōu)良的力學性能及尺寸穩(wěn)定性。

PEEK在高溫下能保持較高的強度，200°C時的彎曲強度仍可達24 MPa, 250°C時的彎曲強度和壓縮強度可達12～13 MPa，特別適于制造在高溫下能連續(xù)工作的構件。PEEK的剛性高、尺寸穩(wěn)定性好及線脹系數(shù)小，非常接近于金屬鋁。另外， PEEK還具有良好的耐蠕變性能，可以在使用期內承受極大的應力，不會因時間的延長而產(chǎn)生明顯延伸。

(3)優(yōu)良的耐化學藥品性。

即使在高溫下PEEK也能很好地抵抗大多數(shù)化學物質的腐蝕，耐腐蝕性與鎳鋼相近。在通常情況下唯一能溶解PEEK的是濃硫酸。

(4)耐水解性能好。

可以抵御水或高壓水蒸氣產(chǎn)生的化學破壞。在高溫和高壓條件下，PEEK構件可在水環(huán)境中連續(xù)工作而仍能保持良好的力學性能。如在100°C的水中連續(xù)浸泡200天，強度幾乎保持不變。

(5)阻燃性能好。

可達到UL 94 V-0級，有自熄性，在火焰條件下釋放的煙和有毒氣體少。

(6)電性能好。

在很寬的頻率和溫度范圍內，PEEK可保持電性能不變。

(7)耐輻射能力強。

PEEK具有非常穩(wěn)定的化學結構，在高劑量電離輻射下PEEK部件也可以正常工作。

(8)韌性好。

對交變應力的耐疲勞性是所有塑料中最出眾的，可與合金材料相媲美。

(9)優(yōu)良的耐摩擦和耐磨損性能。

可在250°C保持很高的耐磨性和低的摩擦系數(shù)。

(10)加工性能好。

易于擠出和注塑，且成型效率高。

長/短玻纖增強PPS性能大比拼

熱塑性復合材料的樹脂基體涉及通用和特種工程塑料，而PPS是特種工程塑料較為典型的代表，俗稱“塑料黃金”。性能優(yōu)勢包含以下幾方面：優(yōu)異的耐熱性能、良好的力學性能、耐腐蝕、自阻燃性達UL94 V–0級。由于PPS具有以上性能優(yōu)勢，且相較于其它高性能熱塑性工程塑料又具有易加工、成本低的特點，因此成為制造復合材料的優(yōu)良樹脂基體。

玻纖

PPS加短玻纖（SGF）復合材料具有強度高、耐熱高、阻燃、易加工、成本低等優(yōu)點，在汽車、電子、電氣、機械、儀器、航空、航天、軍事等領域取得了應用。

PPS加長玻纖（LGF）復合材料具有高韌性、低翹曲、耐疲勞、良好的制品外觀等優(yōu)點，可用于熱水器的葉輪、泵殼、接頭、閥門、化工泵葉輪與外殼、冷卻水葉輪與外殼、家電零部件等。

那么短玻纖（SGF）和長玻纖（LGF）增強PPS的復合材料的性能具體有何差異呢？

本文將PPS/SGF（短玻纖）復合材料和PPS/LGF（長玻纖）復合材料的綜合性能進行對比，其中PPS/LGF復合材料采用熔融浸漬工藝制備及PPS/SGF復合材料采用熔融共混雙螺桿造粒工藝制備，采用熔融浸漬工藝的原因在于浸漬模具內實現(xiàn)纖維束的浸漬，并且對纖維不造成損傷。最后，通過兩者力學性能的數(shù)據(jù)對比，為應用端科技人員在選擇材料時提供技術支撐。

• 力學性能分析

樹脂基體中增加的增強纖維可形成支撐骨架，當復合材料受到外力作用時，增強纖維可以有效地承擔外界載荷的作用；同時可以通過斷裂、變形等方式吸收能量，提高樹脂的力學性能。下圖分別是不同玻纖含量的PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸性能和彎曲性能。

PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸性能

PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的彎曲性能

可以看到，提高玻纖的加入量，復合材料的拉伸強度和彎曲強度都逐步地增加。主要原因在于玻纖含量增加時，復合材料中有更多的玻纖承受外力的作用，同時由于玻纖數(shù)量的增加，使得玻纖之間的樹脂基體變薄，更有利于玻纖增強框架的搭建；因此，玻纖含量提升使得復合材料在受到外加載荷情況下，應力更多的由樹脂傳遞至玻纖，有效地提高了復合材料的拉伸和彎曲性能。

PPS/LGF復合材料的拉伸和彎曲性能比PPS/SGF復合材料均更高，在玻纖質量分數(shù)為30%時，PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸強度分別為110MPa和122MPa；彎曲強度分別為175MPa和208MPa；彎曲彈性模量分別為8GPa和9GPa。

PPS/LGF復合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲彈性模量比PPS/SGF復合材料分別提高了11.0%，18.9%和11.3%。PPS/LGF復合材料中玻纖的長度保留率更高，在同樣玻纖含量條件下，復合材料的抗載荷能力更強，力學性能更佳。

下圖為PPS/LGF和PPS/SGF復合材料的缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度。

PPS/SGF和PPS/LGF復合材料沖擊性能

可見，在玻纖含量較低時，復合材料的沖擊強度降低，主要原因是較低的玻纖含量無法在復合材料中形成較好的應力傳遞網(wǎng)絡，使得玻纖在復合材料受到?jīng)_擊載荷下以缺陷的形式存在，導致復合材料的整體沖擊強度降低。

上述缺陷是指玻纖尖端或者裂紋尖端；熱塑性復合材料的失效的誘發(fā)點是玻纖尖端或者裂紋尖端，從此點開始蔓延至復合材料完全被破壞。玻纖質含量較少時，復合材料中增加了玻纖尖端，此時由于玻纖尖端引起復合材料斷裂的作用要大于玻纖增強的作用，所以沖擊性能會有一定程度的下降。

隨著玻纖含量的增加，復合材料中玻纖可以形成有效的空間網(wǎng)絡，且增強作用大于玻纖尖端的作用，在受到外加載荷作用下更好地將外加載荷傳遞給增強纖維，進而提升復合材料的整體性能，而在PPS/LGF體系中玻纖的長度更長，空間網(wǎng)絡更為密實，增強玻纖承載能力更強，其沖擊強度也更佳。玻纖質量分數(shù)為30%時PPS/LGF比PPS/SGF的沖擊強度提高19.4%，從31kJ/m2提升至37kJ/m2，缺口沖擊強度提高54.5%(從7.7kJ/m2提高至11.9kJ/m2)。

• PPS/SGF和PPS/LGF復合材料熱性能分析

下圖為PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的熱變形溫度。

PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的熱變形溫度

結果顯示，玻纖的引入大幅度地提高復合材料的耐熱性能，其中玻纖質量分數(shù)為30%時，PPS/SGF復合材料和PPS/LGF復合材料的熱變形溫度分別達到250℃和275℃，PPS/LGF復合材料的熱變形溫度比PPS/SGF復合材料的高10%。主要原因是玻纖的引入使復合材料內部形成增強纖維的網(wǎng)絡骨架，極大地提高復合材料的耐熱性能，PPS/LGF中玻纖尺寸更長，耐熱性能提高優(yōu)勢更加明顯。

• PPS/SGF和PPS/LGF復合材料斷面分析

下圖為PPS/SGF和PPS/LGF復合材料沖擊斷面的SEM照片。

PPS/SGF和PPS/LGF復合材料斷面

可見，玻纖在樹脂中較好的分散，隨著玻纖含量的增加，復合材料內部增強纖維網(wǎng)絡的構建更加完善；這也是復合材料整體力學性能隨著玻纖含量增加而提升的主要原因。對比PPS/SGF和PPS/LGF復合材料，PPS/LGF復合材料中的玻纖保留率更高，這也是PPS/LGF復合材料力學性能更為優(yōu)異的主要原因。

綜上，PPS/LGF復合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量、缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度比PPS/SGF復合材料均有提升。30%玻纖增強的PPS/SGF復合材料的熱變形溫度達到250℃，PPS/LGF復合材料的熱變形溫度達到275℃。

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