PPS和PEEK的優(yōu)勢對比

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

PEEK在強(qiáng)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(yīng)用范圍更加廣泛。

PPS

PPS是結(jié)晶型(結(jié)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(jī)械強(qiáng)度、剛性、難燃性、耐化學(xué)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(jī)填料有良好的親和性。它的開發(fā)縮短了標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料在不添加任何阻燃劑的情況下，可以輕松達(dá)到[email protected]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(xué)強(qiáng)度(尤其是沖擊強(qiáng)度)，但是添加了無鹵阻燃配方([email protected]級別)的PC和PA復(fù)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(xué)強(qiáng)度的PPS材料。

（2）超高流動性

在筆記本蓋板應(yīng)用領(lǐng)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(dá)15000 – 17000 MPa(ASTM標(biāo)準(zhǔn))。但是在3C行業(yè)嚴(yán)格的成本控制壓力下，配方設(shè)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(qiáng)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(dá)到10000 MPa，ASTM標(biāo)準(zhǔn))。更高的添加量除了會嚴(yán)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(yán)重，力學(xué)性能變差等問題。而對于半結(jié)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(dá)到進(jìn)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(xué)性能，同等填充量的PA復(fù)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(yīng)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(jié)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(dú)特的金屬質(zhì)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(dú)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(xué)腐蝕性能、耐輻射性能、電性能、阻燃性能等。其分子鏈?zhǔn)怯杀江h(huán)和相連的酮基、醚基構(gòu)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(dá)300°C,在400°C短時間內(nèi)幾乎不分解。

(2)優(yōu)良的力學(xué)性能及尺寸穩(wěn)定性。

PEEK在高溫下能保持較高的強(qiáng)度，200°C時的彎曲強(qiáng)度仍可達(dá)24 MPa, 250°C時的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度可達(dá)12～13 MPa，特別適于制造在高溫下能連續(xù)工作的構(gòu)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(nèi)承受極大的應(yīng)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(xué)藥品性。

即使在高溫下PEEK也能很好地抵抗大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)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(xué)破壞。在高溫和高壓條件下，PEEK構(gòu)件可在水環(huán)境中連續(xù)工作而仍能保持良好的力學(xué)性能。如在100°C的水中連續(xù)浸泡200天，強(qiáng)度幾乎保持不變。

(5)阻燃性能好。

可達(dá)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(nèi)，PEEK可保持電性能不變。

(7)耐輻射能力強(qiáng)。

PEEK具有非常穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(qiáng)PPS性能大比拼

熱塑性復(fù)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(xué)性能、耐腐蝕、自阻燃性達(dá)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(diǎn)，因此成為制造復(fù)合材料的優(yōu)良樹脂基體。

玻纖

PPS加短玻纖（SGF）復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、耐熱高、阻燃、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子、電氣、機(jī)械、儀器、航空、航天、軍事等領(lǐng)域取得了應(yīng)用。

PPS加長玻纖（LGF）復(fù)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(diǎn)，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(qiáng)PPS的復(fù)合材料的性能具體有何差異呢？

本文將PPS/SGF（短玻纖）復(fù)合材料和PPS/LGF（長玻纖）復(fù)合材料的綜合性能進(jìn)行對比，其中PPS/LGF復(fù)合材料采用熔融浸漬工藝制備及PPS/SGF復(fù)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(nèi)實(shí)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(xué)性能的數(shù)據(jù)對比，為應(yīng)用端科技人員在選擇材料時提供技術(shù)支撐。

• 力學(xué)性能分析

樹脂基體中增加的增強(qiáng)纖維可形成支撐骨架，當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時，增強(qiáng)纖維可以有效地承擔(dān)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(xué)性能。下圖分別是不同玻纖含量的PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能。

PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸性能

PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的彎曲性能

可以看到，提高玻纖的加入量，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都逐步地增加。主要原因在于玻纖含量增加時，復(fù)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(qiáng)框架的搭建；因此，玻纖含量提升使得復(fù)合材料在受到外加載荷情況下，應(yīng)力更多的由樹脂傳遞至玻纖，有效地提高了復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。

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

PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量比PPS/SGF復(fù)合材料分別提高了11.0%，18.9%和11.3%。PPS/LGF復(fù)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(fù)合材料的抗載荷能力更強(qiáng)，力學(xué)性能更佳。

下圖為PPS/LGF和PPS/SGF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度和無缺口沖擊強(qiáng)度。

PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料沖擊性能

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

上述缺陷是指玻纖尖端或者裂紋尖端；熱塑性復(fù)合材料的失效的誘發(fā)點(diǎn)是玻纖尖端或者裂紋尖端，從此點(diǎn)開始蔓延至復(fù)合材料完全被破壞。玻纖質(zhì)含量較少時，復(fù)合材料中增加了玻纖尖端，此時由于玻纖尖端引起復(fù)合材料斷裂的作用要大于玻纖增強(qiáng)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(fù)合材料中玻纖可以形成有效的空間網(wǎng)絡(luò)，且增強(qiáng)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(qiáng)纖維，進(jìn)而提升復(fù)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(luò)更為密實(shí)，增強(qiáng)玻纖承載能力更強(qiáng)，其沖擊強(qiáng)度也更佳。玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時PPS/LGF比PPS/SGF的沖擊強(qiáng)度提高19.4%，從31kJ/m2提升至37kJ/m2，缺口沖擊強(qiáng)度提高54.5%(從7.7kJ/m2提高至11.9kJ/m2)。

• PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料熱性能分析

下圖為PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度。

PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度

結(jié)果顯示，玻纖的引入大幅度地提高復(fù)合材料的耐熱性能，其中玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，PPS/SGF復(fù)合材料和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度分別達(dá)到250℃和275℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度比PPS/SGF復(fù)合材料的高10%。主要原因是玻纖的引入使復(fù)合材料內(nèi)部形成增強(qiáng)纖維的網(wǎng)絡(luò)骨架，極大地提高復(fù)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(fù)合材料斷面分析

下圖為PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料沖擊斷面的SEM照片。

PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)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(fù)合材料內(nèi)部增強(qiáng)纖維網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建更加完善；這也是復(fù)合材料整體力學(xué)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(fù)合材料，PPS/LGF復(fù)合材料中的玻纖保留率更高，這也是PPS/LGF復(fù)合材料力學(xué)性能更為優(yōu)異的主要原因。

綜上，PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、缺口沖擊強(qiáng)度和無缺口沖擊強(qiáng)度比PPS/SGF復(fù)合材料均有提升。30%玻纖增強(qiáng)的PPS/SGF復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到250℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到275℃。

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