特种工程塑料聚醚酮酮的性能

邓德鹏，康敬欣，刘　勇

（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

特种工程塑料聚醚酮酮的性能

邓德鹏，康敬欣，刘勇

（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

采用国产化聚醚酮酮（PEKK）原料，应用差示扫描量热法、热失重分析法、X射线衍射法、傅立叶变换红外光谱仪等手段对PEKK的耐热性、加工性能、力学性能进行了表征与测量。测试结果显示，PEKK是半结晶聚合物，加工温度范围在360～380℃，热稳定性很好，热分解温度在500℃以上。通过测试获得了较详实的数据，为国产PEKK的工业化应用提供了加工依据。

聚醚酮酮；力学性能；耐热性；工业化应用

聚醚酮酮（PEKK）是特种工程塑料聚芳醚酮（PEAK）中的一种，是继聚醚醚酮（PEEK）之后开发的又一种特殊结构热塑性树脂。PEKK具有优异的力学性能、耐溶剂、抗化学腐蚀性能、良好的阻燃性和抗辐射等，特别适用作高性能复合材料的基体树脂和超级工程塑料［1］。1962年美国杜邦公司的Bonner首次报道了PEKK制备方法，由于摩尔质量低，力学强度差，不能满足实际要求而未产业化。2009年3月Rallis公司在印度Ankleshwar建成世界上第一座商业化PEKK生产装置，其初期产能达到100 t/a，是氰特公司用于向飞机制造商提供PEKK复合材料而建的［2］。阿科玛公司于2009年4月13日宣布计划于年底在欧洲使PEKK实现商业化生产［3］；2015年3月9日，该公司宣布扩大其PEKK产能，以满足碳纤维复合材料和3D打印应用不断上涨的需求。国内“七五”期间开始研制聚芳酮类化合物［4-6］，吉林大学、长春应化所等都发表过研究论文，但针对PEKK的研究较少，也一直没有商业化生产［7］。PEKK的性能依所用单体酰氯的不同而有所差异［8］，山东凯盛新材料有限公司结合芳纶聚合单体（对苯二甲酰氯和间苯二甲酰氯）原料生产优势，为满足不同玻璃化转变温度（Tg）和熔点，以不同比例对苯二甲酰氯和间苯二甲酰氯混合物为原料，采用亲电取代反应法生产的系列新型PEKK，经过近3年的中试摸索，在2011年5月完成了100 t/a生产线建设，并顺利投产。PEKK项目100 t/a的成功运行，使凯盛公司成为继法国阿科玛、印度拉里斯后，世界第三家实现PEKK产业化的生产商。

笔者采用了差示扫描量热（DSC）、热失重（TG）分析、傅立叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）等测试分析方法对几种国产化PEKK产品进行了物理性能测试，为这种国产化高性能工程塑料的应用推广提供了加工依据。

1 　实验部分

1.1 主要原材料

纯PEKK：K175（粉末）、K160（粉末）、PEKK黑色和褐色颗粒料，山东凯盛新材料股份有限公司。

1.2 主要设备与仪器

DSC仪：Pyris 1型，美国Perkin Elmer公司；

TG分析仪：DTG-60A型，日本岛津公司；

XRD仪：2500VB2+PC型，日本株式会社理学公司；

FTIR仪：Nicolet 6700，美国Thermo公司；激光粒度仪：2000型，英国马尔文公司。

1.3 性能测试

采用DSC仪对PEKK黑色颗粒料、K175和K160粉料进行热性能测试。测试条件为：N2气氛，升温速率10℃/min，温度扫描范围为25～400℃。

采用TG分析仪对K175和K160粉料进行测试，测试条件为：N2气氛，升温速率10 ℃/min，加热温度范围40～1 000℃。

采用FTIR仪对PEKK黑色颗粒料进行光谱分析。

采用XRD仪对PEKK黑色和褐色颗粒料、K175和K160粉料进行了结晶度测试。

采用激光粒度仪对K175、K160粉料进行平均粒径测试。

2 　结果与讨论

2. 1 耐热性分析

采用DSC仪对几种不同型号的PEKK进行了热性能测试，来确定它的熔融加工温度，测试结果如图1所示。

图1　 三种型号PEKK的DSC曲线

从图1中可以看出，样品有一定宽度的熔融吸热峰，而黑色PEKK颗粒料还有冷结晶峰，说明PEKK有一定的结晶能力。塑料的Tg决定了它的使用温度，而加工温度和熔点（Tm）有直接关系。对于半结晶聚合物，通常Tg越高其熔点也会越高［8］。图1中K160和K175没有出现明显的玻璃化转变峰，它们的熔点分别为304℃和340℃，这可能是由于这两种物料的聚合度较低、分子量小引起的。而黑色PEKK颗粒料的Tg=167℃，冷结晶温度Tcc=190℃（ΔHcc=18.39 J/g），Tm=348℃。总的来说，这三种PEKK物料的熔融温度区间为330～350℃，它们适宜的加工温度范围为360～380℃，具有很好的可加工性。

TG曲线能清楚地表征物料在受热条件下的质量损失变化，从而反映出物料的热稳定性。K175、K160热失重测试结果如图2所示。从图2中可以看出，在N2气氛下，K175和K160都具有较高的分解温度，其中K160初始热分解温度在460℃，K175初始热分解温度在504℃，它们都在500℃附近出现最大的热分解速率，在加热到1 000℃也只分解了45%，说明PEKK有很好的热稳定性。

图2　 K175、K160的TGA曲线

根据PEKK分子主链结构可以知道，由于提高了主链上羰基的含量使得其耐热性能比聚醚醚酮（PEEK）更好。而分子主链上苯环与羰基之间的大兀键共轭也使它的主链热稳定性大大提高。

2. 2 结晶度测试

聚合物的结晶能力对于它的使用性能及所能使用的成型加工方法影响显著［9］。通常PEKK是半结晶聚合物，但可以通过调控合成过程参数对它的结晶度实现有效调控［10］。使用Jade软件处理XRD结果得到四种物料的结晶度分别为：K160结晶度为20.03%，K175结晶度为13.42%，黑色PEKK颗粒料结晶度为0.62%，褐色PEKK颗粒料结晶度为20.84%。图3为四种型号PEKK的XRD图。

图3　 四种型号PEKK的XRD图

从图3可以看出，PEKK结构能实现从无定型到半结晶之间转变，结晶度取决于合成条件［9］。说明能根据不同的加工和使用要求选用不同类型的PEKK。

2. 3 FTIR分析

利用FTIR仪对PEKK黑色颗粒料进行了基本的光谱分析，如图4所示。由红外测试结果可以看出，在纯PEKK中，1 653.6 cm-1为—CO—基团的拉伸振动（很强），1 588.2 cm-1是—CO—基团与芳环C=C键共轭的骨架拉伸振动，1 239.1 cm-1左右为—O—键非对称伸缩振动。

图4　 PEKK黑色颗粒料的FTIR谱图

2. 4 粉粒径测试

使用激光粒度仪对K175、K160粉状原料进行平均粒径测试，结果如图5所示。从图5可以看出，K160的d（0.5）=303.9 μm，d（0.9）=953.5 μm，比表面积为0.042 7 m2/g。而K175的d（0.5）=461.6 μm，d（0.9）=1 201.0 μm，比表面积为0.032 5 ㎡/g。从图5可以看出，粒径主要集中在300～500 μm范围内，有利于熔融时均匀受热，能够满足通常的模压成型、激光烧结、熔融挤出等加工方法要求［11-12］。

图5　 K175，K160的粒度分布曲线

2. 5 力学性能分析

近几年对PEEK，PEKK，PEKK/碳纤维复合材料性能的研究多有报道，根据Cytec公司公布的PEKK和PEKK/碳纤维复合材料的力学性能如表1所示［5］。

表1　 PEKK及PEEK力学性能

从表1可以看出，PEKK拥有不逊色于PEEK的力学性能，PEKK通过碳纤维增强后的复合材料力学性能更好，能满足一些航空航天、汽车零部件对高强度的需求，可作为特种工程塑料来推广使用。

3 　结论

PEKK作为我国独立开发的新型特种工程塑料，其应用前景非常广阔，但目前其基本特性及加工条件尚不清楚。该研究结果表明，其加工温度为360～380℃，需要使用高温加工设备，且控温比较准确才行。K160和K175粉末料，粒径分布均匀，适合熔融加工。TG和DSC曲线显示，其Tg达到150℃以上，热分解温度达到500℃，表明这种物料具有优良的耐热性，可在较高温度下使用。而且它的综合性能优异，作为特种工程塑料在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域有很好的应用前景。

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Properties of Special Engineering Plastic Polyether Ketone Ketone

Deng Depeng， Kang Jingxin， Liu Yong
（College of Mechanical and Electrical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

The heat resistance，processability，mechanical properties of domestic polyetherketoneketone（PEKK） raw materials were characterized by differential scanning calorimetry，thermal gravimetric analysis，X ray diffraction method，Fourier transform infrared spectrometer and other methods. The results show that PEKK is a semi-crystalline polymer，and the processing temperature range is 360～380℃. It has a good thermal stability，and its thermal decomposition temperature is above 500℃. These data may provide a basis for the processing of domestic PEKK processing in industrial application.

polyetherketoneketone；mechanical property；heat resistance；industrial application

TQ324.8

A

1001-3539（2016）09-0083-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.018

联系人：刘勇，副教授，博导，主要从事高分子纳米复合材料的制备与应用研究

2016-06-27