热塑性树脂 PAEK

摘要： 本文全面概述了热塑性树脂 PAEK（聚芳醚酮）的结构特征、合成技术及其应用领域。PAEK 凭借其独特的分子结构，展现出卓越的综合性能，因而在航空航天、汽车制造、电子电器等多个领域展现出广阔的应用潜力。深入探究 PAEK 将有助于进一步拓宽其应用范畴，从而推动相关产业的持续发展。

1引言

聚芳醚酮（PAEK）是一类主链由芳环和羰基、醚键连接而成的高性能热塑性树脂。自 20 世纪 60 年代问世以来，因其卓越的耐热性、机械性能、化学稳定性等，受到了广泛关注。PAEK 家族包括聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚醚酮酮（PEKK）等多种类型，不同结构赋予了它们各具特色的性能，在众多领域得到了广泛应用。

2 PAEK 的结构

2.1分子结构

PAEK 的分子结构中，芳环赋予了其刚性，使得聚合物具备较高的强度和模量；而羰基与醚键的存在则增强了分子链的柔韧性，显著提升了加工性能。例如，PEEK 的分子结构中，醚键与羰基交替排列，这种独特的结构不仅赋予 PEEK 优异的耐热性，还使其具备一定的韧性。不同 PAEK 品种的结构差异主要表现在芳环与羰基、醚键的连接方式和比例上，这些差异直接决定了它们的性能表现。

2.1.1聚醚醚酮 (PEEK)

聚醚醚酮 (PEEK) 于80年代初由英国ICI公司商品化。PEEK具有高耐热、耐辐照、耐腐蚀、耐疲劳、高强度、耐磨损和优异电性能。它在国防、航天航空、核能、电子信息、石油化工、汽车等领域得到应用。1993年，Victrex公司成立，专注于PEEK树脂生产。PEEK市场销售量年均增长15%，2007年Victrex扩产至4250吨/年。其结构式如下：

2.1.2聚醚酮酮（PEKK）

聚醚酮酮（PEKK）是Du Pont公司在80年代后期成功开发的材料，采用亲电路线合成。作为一种结晶性高分子材料，其玻璃化转变温度为165℃，熔点为381℃，其结构式为:

PEKK具有耐高温、耐化学药品腐蚀等优异的物理化学性能，可用作耐高温结构材料和电绝缘材料，并可与其他纤维复合制备增强材料。杜邦公司开发成功后，形成了70吨/年的生产规模，但未进一步进行产业化生产和全面市场推广。

2.1.3 聚醚酮（PEK）

继PEEK高性能树脂后，2002年VICTREX公司推出了具有更高耐热等级的PEK（商品名PEEK-HT）系列产品。它具备157℃的玻璃化温度和374℃的熔点。其结构式如下:

PEK不仅保留了传统PEEK的基本性能，如高机械强度和耐酸碱性，还提升了高温操作下的机械强度和耐磨耗性能。例如，GREENE TWEED & CO公司开发的深海石油钻探用seal-connect8-针式连接器，PEK成为最佳材料。PEK在较传统PEEK高30℃的使用温度下，仍保持同样高的机械物理强度，且耐磨耗性能是PEEK的3倍。

2.1.4聚醚醚酮酮（PEEKK）

聚醚醚酮酮（PEEKK）由吉林大学成功开发，其熔点高达367℃，玻璃化转变温度为162℃，其结构式如下:

PEEKK的耐热性能是目前开发成功的特种工程塑料中最高的品种之一，同时还具有良好的机械性能、电绝缘性能和加工性能。可通过注塑、模塑、挤出等成型工艺加工，也可进行机械加工，在制备复杂形状制件方面具有显著优势。

2.1.5聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）

聚醚酮醚酮酮（PEKEKK）由英国Victrex公司采用亲核路线制备，是第3代聚芳醚酮材料。其玻璃化转变温度为162℃，熔点为384~387℃，结构如下:

PEKEKK的基本性能远超第一代和第二代聚芳醚酮树脂，在1.8 MPa下，其纤维增强的复合材料热变形温度高达386℃，短期使用温度可达400℃，是目前耐热性能最好的热塑性高分子材料之一。其分子链刚性大，树脂强度高，模量大，摩擦性能优异。

3 PAEK的合成方法

3.1亲核取代聚合法

亲核取代聚合法是合成PAEK的常用方法之一。以4,4'-二氟二苯甲酮和对苯二酚为原料，在碱金属碳酸盐存在下，于极性有机溶剂中进行缩聚反应。反应过程中，对苯二酚的酚羟基在碱作用下形成酚氧负离子，与4,4'-二氟二苯甲酮的氟原子发生亲核取代反应，逐步形成高分子量的PAEK。该方法反应条件温和，易于控制，能够合成具有较高分子量和较窄分子量分布的PAEK。

PEEK合成路线

3.2亲电取代聚合法

亲电取代聚合法以芳环为原料，在路易斯酸催化剂作用下，与酰氯等亲电试剂反应。例如，以苯和对苯二甲酰氯为原料，在无水三氯化铝催化下进行Friedel-Crafts酰基化反应，合成聚醚酮酮（PEKK）。该方法可通过选择不同原料和反应条件，制备具有特定结构和性能的PAEK，但反应过程中可能产生副产物，需进行后续处理。

3.3其他合成方法

除了上述两种主要方法外，还有离子聚合法、开环聚合法等。离子聚合法利用离子引发剂引发单体聚合，具有反应速度快、产物分子量高等优点；开环聚合法通过环状单体的开环反应合成PAEK，能够避免传统缩聚反应中产生小分子副产物的问题。但这些方法目前在实际生产中的应用较少，仍处于研究和发展阶段。

4 PAEK的应用领域

4.1 航空航天领域

1.PAEK材料因其优异的耐热性、机械性能和耐疲劳性能，在航空领域得到了广泛应用。在航空发动机部件方面，它可用于制造风扇叶片、密封件、轴承保持架等关键部件，这些部件能够在高温、高压、高转速等极端条件下稳定工作，从而减轻发动机重量，提高发动机效率和可靠性。同时，在飞机结构件中，PAEK也展现出了其巨大的潜力，可用于制造机翼、机身框架等结构件，相较于传统金属材料，PAEK基复合材料具有重量轻、强度高的特点，能够有效降低飞机自重，提高燃油经济性，并具有良好的耐腐蚀性，减少维护成本。

•此外，在空客A350 XWB这款先进的宽体客机中，PAEK基复合材料被大量用于制造飞机的机翼前缘、机身地板梁等关键结构部件，不仅减轻了飞机重量，还提升了部件的抗疲劳性能和耐腐蚀性。据统计，使用PAEK复合材料替代传统金属材料，相关部件重量减轻了约20%-30%，显著提高了飞机的燃油效率。而在美国宇航局（NASA）的火星探测器中，PAEK材料也被应用于电子设备封装，其耐辐射性能和优异的耐热稳定性，确保了电子设备在长期复杂环境下的稳定运行，为探测器向地球传输珍贵数据提供了可靠保障。

4.2 汽车制造领域

PAEK材料因其耐高温、高机械强度和良好摩擦性能等特性，被广泛应用于汽车发动机周边部件、制动系统部件以及高端电动汽车中。在发动机舱内，PAEK可用于制造进气歧管、油底壳、水泵叶轮等部件，这些部件能够承受高温和振动，具有良好的尺寸稳定性，有助于提高发动机性能和可靠性。在制动系统中，PAEK用于制造制动卡钳和刹车片背板，能够承受高压力和高温，提升制动系统的安全性和制动效果。例如，宝马i3的电动驱动系统中使用PAEK制造电机绝缘部件，提高了电机效率和可靠性；特斯拉Model S采用PAEK材料制造制动卡钳，使制动响应更灵敏，制动距离缩短约5%-8%，显著提升了车辆制动安全性。

4.3 电子电器领域

PAEK作为一种电子封装材料，因其良好的电气绝缘性能、耐热性和化学稳定性而被广泛应用。在电子元器件封装中，PAEK能有效保护电子芯片免受外界环境影响，从而提高电子设备的可靠性和使用寿命。其低吸水性特性还能有效防止水分侵入导致的电气性能下降。此外，在电子设备中，连接器和插座对机械性能和电气性能要求极高，而PAEK材料制造的连接器和插座具有高精度、高可靠性和良好的耐插拔性能，完美满足了电子设备不断小型化、高性能化的发展需求。例如，苹果在MacBook Pro的主板连接器中使用了PAEK材料，这些连接器在频繁的设备使用和开合过程中，能够确保信号传输的稳定性和可靠性，减少了因连接器故障导致的信号中断问题，提升了电脑的整体性能和稳定性。同样，华为在5G基站的射频模块封装中也采用了PAEK材料，其电气绝缘性能、耐热性以及化学稳定性有效保护了射频模块免受外界环境干扰，确保了5G信号在高温、高湿度等复杂户外环境下的高效传输。

4.4 医疗领域

医疗器械领域，PAEK（聚醚醚酮）的生物相容性表现优异，成为制造人工关节、脊柱植入物、牙科器械等医疗器械的理想选择。PAEK材料的医疗器械不仅具有与人体骨骼相近的力学性能，能有效减少植入物与人体组织之间的应力遮挡效应，还能促进骨组织的生长和愈合，为患者带来更好的治疗效果。在医疗包装领域，PAEK同样展现出其独特的优势。凭借其出色的化学稳定性和阻隔性能，PAEK能够有效阻隔氧气、水分和微生物，为药品和医疗器械提供全方位的保护，确保其质量和安全性，并延长其保质期。

史赛克（Stryker）公司作为医疗器械领域的佼佼者，部分人工膝关节置换产品便采用了PAEK材料制造。得益于PAEK与人体骨骼相近的力学性能，这些产品有效减少了植入物与人体组织之间的应力遮挡效应，促进了骨组织的生长和愈合。临床研究表明，使用PAEK材料人工膝关节的患者，术后康复速度更快，关节活动度恢复更好，相较于传统材料植入物，患者满意度提高了约15%-20%。此外，BD公司也采用了PAEK材料制作医疗注射器的包装。PAEK良好的化学稳定性和阻隔性能，有效防止了氧气、水分和微生物对注射器的侵蚀，确保了注射器在长期储存过程中的无菌状态，从而保证了医疗产品的质量和安全性。

综上所述，PAEK材料在医疗器械与包装领域的广泛应用，不仅推动了医疗技术的革新，更为患者带来了更好的治疗效果和更高的满意度。

5 结论

热塑性树脂PAEK凭借其独特的分子结构和优异的综合性能，在航空航天、汽车制造、电子电器、医疗等众多领域展现出了广阔的应用前景。随着合成方法的不断改进和性能研究的深入，PAEK的性能将不断提升，应用范围也将进一步拓展。未来，PAEK将朝着高性能化、低成本化、功能化和绿色化的方向发展，为相关产业的发展提供强有力的支撑，成为推动科技进步和社会发展的重要材料之一。在未来的研究和应用中，还需要进一步加强基础研究与应用开发的结合，解决PAEK在生产和应用过程中面临的各种问题，充分发挥其潜在优势，实现PAEK产业的可持续发展。

参考文献：

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