聚醚醚酮在電纜上的應(yīng)用

閆春子，關(guān) 鵬

(1.天水鐵路電纜有限責(zé)任公司，甘肅 天水741000;2.上海通號(hào)軌道交通工程技術(shù)研究中心有限公司，上海200072)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電線電纜的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)普通材料已不能滿足現(xiàn)有需求。為了滿足不同使用環(huán)境對(duì)電纜的要求，對(duì)于電纜制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，材料的選擇和使用是至關(guān)重要的。

聚醚醚酮(英文Poly ether ether Ketone，簡(jiǎn)稱PEEK)聚合物是一種線性芳香族半結(jié)晶態(tài)熱塑性材料，具有包覆加工性好(可熔融擠出，而不用溶劑)、燃燒時(shí)發(fā)煙量低且產(chǎn)生腐蝕性氣體少、耐剝離性好、耐磨耗性好、耐輻照性強(qiáng)、易著色等特點(diǎn)，是一種可用于制作電線電纜絕緣的新型特種工程塑料。

1 PEEK簡(jiǎn)介

PEEK由Victrex公司(早期為ICI)在1977年首先開發(fā)，經(jīng)過(guò)多年的研究和試驗(yàn)，到2009年底第三代產(chǎn)品已上市，其基本力學(xué)性能、耐熱性能、加工性能等都有不同程度的提高。目前，國(guó)內(nèi)外已有多家企業(yè)研究生產(chǎn)，如國(guó)外的英國(guó)Victrex、德國(guó)Degussa、比利時(shí)Solvay、美國(guó)LNP、荷蘭DSM、美國(guó)RTP公司、日本住友共混公司等，國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)特種工程塑料、金發(fā)科技股份有限公司等，但國(guó)產(chǎn)的穩(wěn)定性較差，不能用于電線電纜。

1.1 無(wú)鹵性能

PEEK材料分子中不含有鹵素原子，材料燃燒后不產(chǎn)生酸性氣體和有毒氣體，并完全符合歐盟RoSH等環(huán)保要求，是環(huán)保材料。

1.2 體積電阻

在極廣的溫度范圍內(nèi)，普通PEEK聚合物仍能保持很高的體積電阻系數(shù)數(shù)值，在23℃，PEEK體積電阻率為6×1013Ωm以上，在140℃，其體積電阻率為8×1012Ωm以上，而溫度在200℃，其體積電阻率為6×109Ωm以上，仍具有優(yōu)良的絕緣性能。如圖1、圖2。

圖1 PEEKTM 450G的體積電阻對(duì)數(shù)值隨充電時(shí)間的變化曲線

1.3 表面電阻

PEEK在25℃、50%濕度條件下表面電阻系數(shù)達(dá)到2.0×1016Ω，優(yōu)于氟塑料、聚酰胺、聚酰亞胺等塑料(如圖3)。

圖2 PEEKTM 450G的體積電阻對(duì)數(shù)值隨溫度的變化曲線

圖3 在25℃、50%濕度條件下測(cè)試的各種工程聚合物的表面電阻系數(shù)

1.4 介電常數(shù)和介電損耗因子

PEEKTM450G的介電常數(shù)只有2.7，略高于聚乙烯(PE)和氟塑料，但比聚氯乙烯(PVC)低很多。

圖4、圖5的比較曲線顯示:在109Hz的頻率范圍內(nèi)，普通PEEK聚合物具有良好的電氣性能。該材料的很多電氣性能符合熱塑材料的典型性能，同時(shí)PEEK聚合物在極廣的溫度和頻率范圍內(nèi)也保持這些優(yōu)良的絕緣性能。從圖4可以看出，PEEK材料在140℃以下，其tanδ損耗較小。圖4和圖5中，PPS為聚苯硫醚，PES為聚醚砜，PC為聚碳酸酯，PSU為雙酚A型聚砜。

1.5 耐熱性

PEEK聚合物具有143℃的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，由于它是一種半結(jié)晶態(tài)熱塑材料，所以在熔點(diǎn)溫度343℃附近仍可保持優(yōu)良的機(jī)械性能。耐疲勞及耐蠕變性是熱塑性塑料中最高的。

1.6 阻燃性

PEEK有自熄性，不加任何阻燃劑用UL標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定分別達(dá)到94V-1(厚度為0.3 mm)、94V-0(厚度為1.5 mm)、94V-5(厚度為3.2 mm)。另外燃燒時(shí)的發(fā)煙量也非常少。

圖4 各種工程熱塑材料的tanδ(60 Hz條件下)隨溫度變化的比較曲線

圖5 23℃條件下，各種工程熱塑材料的tanδ隨頻率變化的比較曲線

1.7 耐環(huán)境

PEEK只溶解于濃硫酸中，有良好的耐化學(xué)藥品性，特別是在高溫下耐酸堿性方面比聚酰亞胺好得多。同時(shí)PEEK的吸水率很小，23℃的飽和吸水率只有0.5%。而且耐熱水性好，可以在300℃的加壓熱水或蒸氣中使用。

1.8 耐輻照性

耐γ輻照的能力很強(qiáng)，超過(guò)了通用樹脂中耐輻照性最好的聚苯乙烯?？勺龀搔幂椪談┝窟_(dá)1 100 Mrad時(shí)仍能保持良好絕緣性能的電線。

2 PEEK的加工設(shè)備

PEEK具有很好的機(jī)械性能，對(duì)加工設(shè)備的要求較高，在選擇設(shè)備時(shí)要充分考慮以下因素。

2.1 擠出設(shè)備的選擇

因PEEK材料較硬，易磨損設(shè)備，故加工PEEK材料的設(shè)備的螺桿、機(jī)筒、機(jī)頭必須加以硬化(如氮化法)，此技術(shù)可提供必需的表面強(qiáng)度，以防止熔融物引起過(guò)度磨損。

同時(shí)擠出機(jī)應(yīng)滿足下述基本條件:料筒溫度可升到400℃，設(shè)定溫度變動(dòng)不超過(guò)±2℃;料筒內(nèi)應(yīng)沒有形成熔融料死角的地方。

2.2 螺桿的選擇

擠出PEEK時(shí)會(huì)出現(xiàn)出料不均勻、擠出壓力過(guò)大等問(wèn)題，主要是由于PEEK熔體黏度大、流動(dòng)相對(duì)較慢。如果只通過(guò)調(diào)節(jié)溫度來(lái)改善上述擠出時(shí)發(fā)生的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)交聯(lián)現(xiàn)象，造成塑化不均勻。此時(shí)，應(yīng)對(duì)擠出螺桿進(jìn)行改進(jìn)，采用等距不等深的螺桿擠出(如圖6所示)，以避免未熔融的顆粒傳送到螺桿的壓縮段。同時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)螺桿的進(jìn)料段，而為了提高剪切力，應(yīng)增加機(jī)腔內(nèi)塑料的溫度，要求螺桿與機(jī)腔套筒的間隙要小于0.30 mm。

圖6 PEEK專用螺桿(等距不等深螺桿)

3 PEEK的加工工藝及注意事項(xiàng)

PEEK具有很好的機(jī)械性能和電氣性能，由于它具有硬度高、耐高溫等特性，因此其加工工藝與以往的普通塑料也有所不同。

3.1 模具溫度

PEEK的熔點(diǎn)溫度是343℃，且因其結(jié)晶性，故343℃附近仍可保持一定的機(jī)械性能，所以PEEK的加工溫度要遠(yuǎn)高于熔點(diǎn)溫度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模具溫度一般為380～390℃，一般設(shè)計(jì)為400～500℃的模具和機(jī)頭。

3.2 PEEK材料的干燥處理

PEEK的吸水率很低，飽和吸水率只有0.5%，但是要在高溫下成型，所以加工成型之前要在150℃的環(huán)境中干燥3 h以上，或在160℃的環(huán)境中干燥2 h以上，以確保擠出電纜的均勻一致性。

3.3 擠出成型條件

PEEK的標(biāo)準(zhǔn)擠出成型條件如表1所示。

表1 PEEK的標(biāo)準(zhǔn)擠出成型條件

3.4 注意事項(xiàng)

(1)不要使用連續(xù)壓縮PVC螺桿，因其實(shí)際上沒有進(jìn)料部分，使聚合物緊縮，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩過(guò)大。

(2)先加熱導(dǎo)體再進(jìn)入機(jī)頭生產(chǎn)。PEEK優(yōu)良的物理性能源于半結(jié)晶態(tài)特性，導(dǎo)體的溫度低會(huì)阻礙PEEK結(jié)晶過(guò)程。

(3)使用過(guò)濾網(wǎng)。PEEK在加工設(shè)備中停留時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生凝膠，最終會(huì)影響線纜表面品質(zhì)，使用過(guò)濾網(wǎng)可有效地分散這些凝膠，且將凝膠留在加工設(shè)備中。

(4)清洗設(shè)備時(shí)最好使用清洗料，因清洗時(shí)必須保證PEEK沒有冷卻和固化，反之PEEK將與氮化涂層粘的很牢固，會(huì)將涂層從金屬表面剝落。

4 結(jié)束語(yǔ)

PEEK絕緣電線突出的耐高溫性、阻燃性、耐輻射性以及良好的機(jī)械性能，使其在航空工業(yè)中可作為超高溫導(dǎo)線，在石油工業(yè)中可作為潛油泵電機(jī)繞組線及連接線，在原子能發(fā)電站中可作為核島驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的繞組線圈長(zhǎng)期在輻照條件下使用;PEEK絕緣電線的耐海水性、重量輕、體積小、阻燃性等優(yōu)異性能，使其可在艦船中使用。因此，PEEK絕緣電線具有十分廣闊的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。

［1］左 衛(wèi)，許德玲，包 明，等.PEEK絕緣電線的擠出工藝［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2012(3):36-38.