挤出级PEEK的加工成型

挤出级 PEEK（聚醚醚酮）的加工成型是一项对设备、工艺参数和操作细节要求极高的技术，其核心是通过螺杆挤出机将固态 PEEK 树脂加热塑化为均匀熔体，再经口模成型为管材、棒材、板材、薄膜等连续形态制品，并通过冷却定型与后处理获得最终产品。以下是其加工成型的全流程解析，包括核心设备、工艺步骤、关键参数控制及注意事项：

一、加工前准备：保障原料洁净与设备适配

挤出级 PEEK 的加工稳定性始于前期准备，原料的含水率、杂质含量及设备的兼容性直接影响制品质量。

1. 原料预处理：严控含水率，避免 “水解与气泡”

核心问题：PEEK 树脂具有一定吸湿性，若含水率过高（通常要求≤0.02%），在 360-400℃的加工高温下，水分会迅速汽化，导致熔体中产生气泡，最终制品出现针孔、表面麻点、内部开裂等缺陷，同时高温水汽还可能加速 PEEK 分子链降解，降低力学性能。
预处理工艺：

干燥设备：采用热风循环干燥机或真空干燥机（真空干燥效果更优，可避免热风带入杂质）。
干燥参数：温度 150-160℃，时间 4-6 小时；若原料已开封暴露在空气中超过 24 小时，需延长干燥时间至 8 小时。
注意事项：干燥后的原料应立即转入密封料斗（或带加热功能的料斗），避免二次吸潮；不同牌号（如纯树脂、玻纤增强型）的 PEEK 需分开干燥，防止交叉污染。

2. 设备选型：适配高温、耐磨与精准控温需求

挤出级 PEEK 的加工温度远高于普通塑料（如 PP、PA），且熔体粘度较高，对挤出设备的耐高温性、耐磨性和温控精度要求严苛，常规挤出设备无法满足需求。核心设备及要求如下：

设备部件	关键要求	原因说明
挤出机螺杆	材质：38CrMoAlA 氮化钢（表面硬度≥HV900）或双合金螺杆；长径比（L/D）：25-30	耐高温（400℃以上稳定工作）、耐磨损（抵抗 PEEK 熔体及填料的冲刷）；长径比保障熔体充分塑化
机筒	分段式加热，材质同螺杆，内壁氮化处理	分段控温实现温度梯度，避免局部过热降解；耐磨抗腐蚀
加热系统	采用铸铝加热器或陶瓷加热器，控温精度 ±1℃	高温下需精准控温，防止温度波动导致熔体粘度不稳定，影响成型精度
冷却系统	机筒分段水冷 / 油冷，螺杆芯部冷却	控制螺杆温度，避免物料粘螺杆；调节熔体粘度，稳定挤出压力
口模与定型套	材质：H13 热作模具钢（淬火处理），流道表面抛光（Ra≤0.2μm）	耐高温、耐磨，光滑流道减少熔体阻力，保证制品表面光洁度
牵引与切割设备	牵引速度可无级调节（与挤出速度匹配），切割设备需高精度（如行星切割机）	保证制品直线度（管材 / 棒材）或厚度均匀性（板材 / 薄膜），切割无毛刺

二、核心加工流程：从塑化到定型的连续过程

挤出级 PEEK 的成型流程遵循 “原料输送→熔融塑化→熔体均化→口模挤出→冷却定型→牵引切割→后处理” 的连续闭环，每个环节的参数协同是关键。

1. 第一步：熔融塑化（挤出机主机段）

原理：通过螺杆的旋转推进，将干燥后的 PEEK 颗粒从料斗送入机筒，在机筒分段加热和螺杆剪切的双重作用下，逐渐从固态→玻璃态→高粘熔融态，最终形成均匀无杂质的熔体。
关键参数控制：

加料段：280-320℃（仅预热，不熔融）
压缩段：340-370℃（主要熔融区域）
均化段：360-390℃（熔体均化，消除分子链不均）
机头 / 口模：370-400℃（匹配熔体粘度，保证顺利挤出）
温度梯度：机筒温度需从加料段到机头段逐步升高，形成 “梯度升温”，避免原料在加料段过早熔融导致 “架桥”（原料堆积堵塞加料口）。典型温度设置如下：
螺杆转速：根据制品形态调整，通常为 20-60rpm。转速过高会导致剪切力过大，熔体温度异常升高（可能超过 400℃导致 PEEK 降解，出现黄变、力学性能下降）；转速过低则塑化不充分，熔体不均，制品易出现条纹。
背压：控制在 5-15MPa。适当背压可提高熔体密实度和均化效果，减少气泡；背压过高会增加螺杆扭矩，导致电机过载，同时加剧物料降解。

2. 第二步：口模挤出（成型核心环节）

原理：均化后的 PEEK 熔体在螺杆推力作用下进入口模，口模的流道形状决定了制品的横截面形态（如管材口模为环形，板材口模为扁平缝隙，棒材口模为圆形）。
关键控制：

口模温度：需略高于机筒均化段温度（380-400℃），保证熔体在口模内仍具有良好流动性，避免因温度下降导致熔体粘度骤增，出现挤出困难或制品表面粗糙。
流道设计：口模流道需平滑过渡，避免死角或突然变径，否则会导致熔体滞留降解（产生黑点杂质）；对于管材 / 棒材，口模需与芯棒同心，保证制品壁厚 / 直径均匀。

3. 第三步：冷却定型（决定制品尺寸精度）

原理：从口模挤出的高温熔体具有粘性和可塑性，需立即通过冷却介质（水或空气）快速降温至玻璃化温度以下（PEEK 玻璃化温度约 143℃），固定制品形状和尺寸，避免收缩变形。
不同制品的定型方式：

管材 / 棒材：采用真空定型套（内通冷却水），通过真空吸附使熔体紧贴定型套内壁，快速冷却定型，同时保证外径精度（公差可控制在 ±0.1mm 以内）。
板材 / 薄膜：采用冷却辊组（多组镀铬冷却辊，内通冷却水），熔体挤出后直接贴合冷却辊表面，通过辊面传热冷却，同时控制板材厚度（通过调整辊间距）和表面光洁度（冷却辊表面抛光精度决定）。
冷却介质温度：冷却水温度通常为 20-40℃，温度过低会导致制品内外冷却速度差异过大，产生内应力（后续易开裂）；温度过高则冷却效率低，定型慢，制品易变形。

4. 第四步：牵引与切割

牵引：由牵引机提供连续稳定的牵引力，牵引速度需与挤出速度严格匹配（牵引速度 = 挤出速度 ×（1 - 收缩率），PEEK 收缩率约 1.2%-1.5%）。速度不匹配会导致制品拉伸（牵引过快，壁厚变薄 / 直径变小）或堆积（牵引过慢，制品变形）。
切割：根据需求长度，通过自动切割设备（如管材 / 棒材用行星切割机、板材用裁板机）进行切割。切割时需保证切口平整，避免因振动导致制品开裂（PEEK 常温下韧性好，但高温刚冷却时仍有内应力，需轻载切割）。

5. 第五步：后处理（消除内应力，优化性能）

核心需求：挤出过程中，PEEK 熔体的冷却速度差异、分子链定向排列会导致制品内部产生内应力，若不消除，后续加工（如钻孔、切削）或长期使用时易出现开裂、翘曲。
后处理工艺：

退火处理：将切割后的制品放入烘箱，在 150-180℃下保温 2-4 小时，然后随烘箱缓慢冷却至室温。退火可使分子链重新排列，释放内应力，同时进一步稳定尺寸精度。
表面处理：若制品需粘接或涂装，可对表面进行打磨（用细砂纸）或等离子处理，提高表面粗糙度和附着力；对于医疗植入级制品，需进行超声波清洗和灭菌处理（如 γ 射线灭菌）。

三、常见加工缺陷与解决方案

挤出级 PEEK 加工难度高，易因参数波动或操作不当产生缺陷，以下是典型问题及应对措施：

常见缺陷	主要原因	解决方案
制品表面有气泡 / 针孔	原料含水率过高；机筒温度过低导致塑化不充分；背压不足	延长干燥时间（确保含水率≤0.02%）；提高均化段温度；适当增大背压
制品出现黄变 / 黑点	机筒 / 口模温度过高（超过 400℃）；流道有死角导致熔体滞留降解；原料有杂质	降低机头 / 口模温度；清理口模流道死角；更换洁净原料，检查料斗是否有异物
管材 / 棒材壁厚不均	口模与芯棒不同心；牵引速度不稳定；熔体压力波动	调整口模与芯棒同心度；检修牵引机，保证速度恒定；稳定螺杆转速和背压
制品冷却后翘曲	冷却速度不均（如板材单面冷却过快）；内应力过大	优化冷却系统（如增加冷却辊数量，保证双面冷却）；加强退火处理
挤出量不稳定	螺杆转速波动；原料加料不均匀（如架桥）；背压不稳定	检修螺杆驱动系统；降低加料段温度避免架桥；检查液压系统，稳定背压

四、改性挤出级 PEEK 的加工要点

实际应用中，挤出级 PEEK 常添加碳纤维、玻璃纤维、石墨、PTFE 等填料进行改性（如增强、耐磨），其加工需额外注意：

设备磨损防护：玻纤 / 碳纤增强 PEEK 的耐磨性极强，需采用双合金螺杆（如碳化钨涂层）和耐磨口模，否则普通螺杆易被磨损，影响使用寿命。
分散均匀性：需保证填料在 PEEK 熔体中均匀分散，可通过提高螺杆剪切力（适当提高转速或背压）或采用混合效果更好的屏障型螺杆实现，避免填料团聚导致制品力学性能不均。
温度调整：改性 PEEK 的熔体粘度通常高于纯 PEEK，口模温度需适当提高 5-10℃，保证挤出顺畅。

总结

挤出级 PEEK 的加工成型是 “设备适配 + 原料控制 + 参数协同” 的系统工程，其核心难点在于高温下的熔体稳定性控制和制品内应力消除。只有严格把控干燥预处理、梯度升温塑化、精准冷却定型等关键环节，才能充分发挥 PEEK 的优异性能，生产出满足航空航天、医疗、化工等高端领域需求的高质量制品。