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高性能工程塑膠PEEK的特性(下)

作者:
蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
蔡瑞禧 大華技術學院化工系副教授
林建興 允拓材料科技股份有限公司

PEEK的電氣性質

PEEK具有突出而優良的電氣絕緣性質,如表2所示

溫度對PEEK的體積電阻係數似乎有很大的影響,如圖9所示。溫度上升,450G的體積電阻係數有大幅下滑的趨勢。不過,在室溫下,PEEK的體積電阻係數大致與其他工程塑膠相當。在廣泛的溫度與範圍下,PEEK 450G的介電消散因子tandδ保持不變。而在廣泛頻率範圓下,PEEK 450G顯現相當低而穩定的tandδ。因此,PEEK在廣泛溫度與頻率範圍下可維持優良電氣絕緣性質。


圖9. 溫度對450G的體積電阻係數的影響

 

PEEK的摩擦性質

摩擦可定義為兩接觸的表面在施力下相對移動的相互作用。一材料的表面即使看起來似乎是平滑的,如果以微觀的尺度來看,事實上是由許多突出物所構成的,也就是說,在微觀尺度下仍然是粗糙的。因此,兩材料在接觸後有了相對移動,兩表面的突出物會互相碰撞。如此所造成突出物的移除可視為磨損,而對移動的阻力為摩擦力。PEEK及其配料在高壓力(P)及高速度(V)條件下具有突出的耐磨損性,因此可用來製造摩擦零件。

材料的耐磨損性可利用比磨損因子(specific wear factor)K來評估:K=(dh/dt)/PV

其中,dh/dt試樣的高度損失速率,P與V分別為壓力與速度。材料的比磨損因子(或稱磨耗係數)越低,其耐磨損性越佳。圖10比較一些常用於摩擦情況的材料的比磨損因子。由圖可看出PEEK 450FC30具有極低的比磨損因子。


圖10 一些摩擦材料於20kg負載,v=183/min及200℃的比磨損因子

利用動摩擦係數也可評估材料的摩擦特性。一些特殊配製的的摩擦級PEEK如450FC30含有適量的PTFE,石墨以及碳纖維。PTFE以及石墨可降低摩擦係數。而碳纖維可加強機械性質以及耐熱性。一些常用於摩擦情況的材料在20℃及200℃下的動摩擦係數如表3所示。450FC30的動摩擦係數相當低,顯示摩擦級PEEK具有優良的摩擦性質。

在有摩擦場合的應用中,負載壓力的施予與相對的滑動速度都有其極限,因此,評估摩擦性質的另一方式為極限PV值。譬如說固定摩擦速度,在一定的壓力下觀察摩擦情形。如果提高壓力P,摩擦生熱的問題就會越來越嚴重。到了一臨界壓力,所產生的摩擦熱已足以使樹脂被過度磨損,產生熔化現象或造成敗壞現象,在此壓力之上材料便無法使用。此臨界壓力P與測試速度V的乘積便為其極限PV值。

表3比較一些軸承材料分別在20℃及200℃下的極限PV值。這些結果顯示PEEK 450FC30不但在室溫下具有很高的極限PV值,且在高溫(如200℃)下也具有相當優異的摩擦性質。

許多用途的軸承因用量大而有生產速率及成本上的考量,在表3所列的各種高性能摩擦材料中,PEEK的重要特色為易於以射出成型製成最終零件,而且不需要後續的熱處理便有優異的性能。值得注意的是極限PV值評估摩擦性質的很好方法,但實驗所測得的極限PV值並非絕對的值,因為摩擦現象的條件是很難弄成完全一致的。然而,以極限PV值作為摩擦零件的設計參考是很有用的。

表3還比較一些高性能摩擦材料的磨損速率。整體而言,摩擦級PEEK具有優異的耐磨損性以及摩擦性質。

表3. PEEK及一些高性能摩擦材料在室溫及高溫下的摩擦性質(V=183 m/min)

*尼龍66+石墨+玻璃纖維

在有摩擦場合的應用中,負載壓力的施予與相對的滑動速度都有其極限,因此,評估摩擦性質的另一方式為極限PV值。譬如說固定摩擦速度,在一定的壓力下觀察摩擦情形。如果提高壓力P,摩擦生熱的問題就會越來越嚴重。到了一臨界壓力,所產生的摩擦熱已足以使樹脂被過度磨損,產生熔化現象或造成敗壞現象,在此壓力之上材料便無法使用。此臨界壓力P與測試速度V的乘積便為其極限PV值。

表3比較一些軸承材料分別20°C及200°C下的極限PV值。這些結果顯示PEEK 450FC30不但在室溫下具有很高的極限PV值,且在高溫(如200°C)下也具有相當優異的摩擦性質。

許多用途的軸承因用量大而有生產速率及成本上的考量,在表3所列的各種高性能摩擦材料中,PEEK的重要特色為易於以射出成型製成最終零件,而且不需要後績的熱處理便有優異的性能。值得注意的是極限PV值評估摩擦性質是很好方法,但實驗所測得的極限PV值並非絕對的值,因為摩擦現象的條件是很難弄成完全一致的。然而,以極限PV值作為摩擦零件的設計參考是很有用的。

表3還比較一些高性能摩擦材料的磨損速率。整體而言,摩擦級PEEK具有優異的耐磨損性以及摩擦性質。

 

PEEK的環境耐受性

PEEK聚合體具有相當優良的環境耐受性,其耐化學品性優良,對水及高壓水蒸氣的耐受性更是優異,而其耐輻射性也相當優良。因此,PEEK可用來製造必須在嚴苛化學環境操作或經常消毒的零件。

PEEK聚合體可視為一種耐化學品性極為優良的材料。PEEK的耐化學品性如表4所示,其中,A表示不被攻擊,吸收量很少或無,B表示少許被攻擊,在此情形下能否使用PEEK依應用的需求而定,而C表示嚴重被攻擊,有此種化學品的存在下建議避免使用PEEK。

PEEK對醇類,醛類,鹼類,酯類,醚類,有機鹵化物,Freons,碳氫化合物,無機鹽,無機氧化物,無機硫化物,各種食品及食用油,有機氮化物,無機稀酸等皆有優異的耐受性。PEEK對會受到一些強酸如硝酸,苯磺酸,氯磺酸,濃鉻酸,甲酸,氫溴酸,氫氟酸,硫酸,王水(Aqua Regia)等強酸的攻擊。

一些活性很強的試劑如氟,氯,溴,碘,氯化鐵等也會攻擊PEEK。一些很強的溶劑如酚,二甲基亞石風,二苯基石風等可使PEEK溶解或膨潤。另外,PEEK也有酮基,所以PEEK在高溫下會受丁酮(MEK)的膨潤,甚至會有溶解的現象。

表4所述的耐化學品性可作為使用PEEK的一般性參考。必須注意的是PEEK的耐化學品性會受到許多因素的影響,譬如說PEEK的結晶度及成品的殘餘應力。在實用上,成品對特定的化學品的耐受性可能應作實際的評估。整體而言,PEEK具有優異的耐化學品性,且在高溫下仍顯現優良的耐化學品性。

表4. PEEK的耐化學品性

PEEK不會受到水或高壓水蒸氣的化學攻擊,因此具有優異的耐水解性。在高溫及高壓下,PEEK在或水蒸氣中經歷長時間後仍可維持相當高水準的機械性質。

塑膠材料在輻射線下會造成劣化而有變脆的現象。由於PEEK具有穩定的化學結構,PEEK顯現優異的耐輻射線性。將各種塑膠材料以γ-射線照射後測其曲折性質。各種材料因γ-射線而使曲折性質到達一定的劣化程度的照射劑量如圖11所示。很明顯的可看出PEEK的耐γ-射線性優於其他材料,也就是說PEEK具有優異的耐輻射線性。


圖11.使曲折性質到達一定劣化程度的照射劑量