沖破傳統(tǒng)塑料的超性能聚合物

相對于金屬、陶瓷和熱固性塑料，人們對熱塑性材料提出了更苛刻的要求，同時也使得熱塑性材料的性能變得更加多樣化，產品種類和品級也被更進一步地細化，拓展了高性能聚合物的應用范圍。

以前，若需要同時具有良好的耐熱性、耐化學性，以及高剛性和高強度的熱塑性塑料，可供選擇的材料屈指可數，基本上只有聚醚醚酮（PEEK）、熱塑性聚酰亞胺（TPI）、聚苯并咪唑（PBI）、高溫聚砜和聚酰胺-酰亞胺（PAI）幾種，而且這些材料基本上都只是來自某一家生產商的一個樹脂系列，它們分別在諸如汽車、半導體、航空、電子/電氣行業(yè)或其他一些工業(yè)領域中贏得了市場優(yōu)勢。

現在，越來越多的生產商開始進入這一市場，并帶來了更多可供選擇的樹脂系列。在這里，可以通過一種“超性能聚合物”來說明高性能聚合物的發(fā)展狀況。盡管傳統(tǒng)的高性能熱塑性塑料，如高溫尼龍、聚砜、聚醚砜、液晶聚合物（LCP）、聚醚酰亞胺（PEI）和PPS在價格和性能上優(yōu)于標準的工程熱塑性塑料，但它們的耐熱性和耐化學性并不強，且在加工處理和脆性方面也存在不足。與之相比，超性能聚合物則同時兼具優(yōu)異的熱性能（熱變形溫度（HDT）≧240℃）和其他**的多重特性，如高強度、高剛度和耐化學性等，這使得超性能聚合物從“高性能”材料中脫穎而出，在高性能聚合物中獨占鰲頭。Solvay公司的“超性能聚合物”生產線的營銷主管Chris Wilson先生說：“就單一性能而言，超性能聚合物的各項性能并不一定**，但其綜合性能卻是**的?！?/span>

而這些電子連接器通常需要處于無鉛焊接溫度中（照片來源：Degussa HPP公司）

競爭因素

目前，超性能聚合物的市場需求量仍然很小，估計年需求量在660～880萬lb（1lb=0.4536kg），主要應用于注射和擠出領域。然而，業(yè)內人士表示，超性能聚合物的需求量正以每年15%的速度增長。產品投資組合的不斷成熟，以及像聚碳酸酯和ABS等產品的不斷商品化，使得工程塑料供應商將投身于超性能聚合物的生產視為企業(yè)高增長的潛在機遇，

他們迫切希望能夠盡快地從生產“商品化”的工程樹脂轉移到這些競爭者更少、更具差異化且利潤更高的高性能產品鏈的生產上來，因為大多數超性能聚合物的價格都在20～100US$/lb之間。BRG Peppin市場調研公司的高級顧問Austin Peppin先生說：“從供應角度講，超性能聚合物擁有更廣闊的市場前景，并將擁有更多的專利產品、知識產權保護，同時有助于供應商獲得更高的利潤。”

設計工程師和加工商們對超性能聚合物認知度的提高是使得這些材料的市場需求不斷增加的一個重要原因。經過長期探索，工程師們早已克服了早期設計和加工方面存在的問題。盡管這些材料單位重量的成本很高，但設計者和加工商們卻看到了它們在使用中潛在的巨大價值。

在電子行業(yè)中，產品的生產周期變得越來越短，即使很小的部件現在也要求具有很好的耐熱性和耐化學性。另外，終端用戶在降低能量消耗上承受了巨大的壓力，均希望通過使用更輕量化的部件來緩解現狀，這種現象在汽車和航空領域尤為明顯。

對加工商們而言，應用超性能聚合物時都會遇到這樣一個問題，即如何優(yōu)化其加工性能使其更好地應用于現存的注塑和擠出工藝中。迄今為止，正如Solvay公司的Torlon PAI一樣，雖然性能十分優(yōu)越，但在加工過程中仍需二次固化，PEEK這類的材料在加工方面仍然存在困難，進而極大地限制了它們的應用范圍。

前GE塑料的專家Jack Avery先生說，在加工過程中若需要更高的溫度，加工設備很難將機筒加熱器上的熱量有效地傳遞給螺桿中的聚合物并始終保持部件成型所需的熔化溫度?！皩庸ど潭裕壳八媾R的問題是有關現有設備的加熱能力問題，有些設備需要升級加熱片，而有些已經使用耐高溫材料的設備則無需更換?！?

Solvay公司的Wilson先生同樣認為，若對加工高溫聚合物沒有任何經驗，加工商不能僅僅只做好加熱方面的準備，還需要考慮對螺桿的構造和模具設計（通風、拔模角和咬邊等）進行改進。

新廠商不斷涌現

作為世界領先的PEEK樹脂供應商，英國Victrex公司曾在此類樹脂的供應方面占據主導地位。BRG公司的Peppin先生說：“很久以來，Victrex公司就一直獨霸市場?！钡请S著新舊競爭者的不斷涌現，該公司同樣面臨著挑戰(zhàn)。

在PEEK產品方面，Victrex公司就受到了來自Degussa高性能聚合物公司和Solvay聚合物公司的挑戰(zhàn)。事實上，Solvay公司是加速推動“超性能”熱塑性塑料上市的主導力量。該公司擁有“超性能”熱塑性塑料產品線，一部分來自公司內部的研發(fā)，另一部分則是通過并購獲得的。其他的競爭廠商還有三井化學（美國）公司和最近進入這一市場領域的GE塑料。三井化學主要生產熱塑性聚酰亞胺，GE塑料則自主研發(fā)出了TP聚酰亞胺。

其實，一些“超性能”聚合物早已經開發(fā)出來了，只是到現在人們才將其同一般的高性能熱塑性塑料區(qū)分開來。Kline&Co.咨詢公司的副總裁Howard Blum先生說：“這是一種描述高聚物具有更高性能水平的新方式?！?/span>

圖2 Degussa HPP公司的眾多產品已進入了PEEK市場，圖中所示為其應用于電線和電纜中的擠出產品

多樣化的產品混合

Solvay公司宣稱自己是擁有最多高耐熱性和耐化學性熱塑性塑料產品線的公司。作為長期供應高性能樹脂，如聚砜和PAI的供應商，Solvay公司還通過開發(fā)新產品和收購的方式不斷擴展其產品范圍。2006年，Slovay公司從印度的Gharda公司購買了PEEK生產線，并從新興的Mississippi公司購買了自增強聚苯樹脂（以前稱作Parmax）生產線。這些高聚物加上該公司自主研發(fā)的增強型高溫砜和PAI，進一步完善了Solvay公司的產品系列。

olvay公司采取的市場策略是，利用性價比更高的材料來填補PEEK和高性能材料如PPS之間的市場空缺。Solvay公司的Wilson先生說：“以前，由于沒有更合適的低成本材料可供選擇，終端用戶只能購買PEEK。”相對于傳統(tǒng)的PEEK來說，Solvay公司推出的新型AvaSpire改性PEEK雖然在性能上不及標準的PEEK，但它的成本很低，在醫(yī)療器械應用方面是非常理想的選擇。

未填充的AvaSpire 650系列的價格比傳統(tǒng)的PEEK低15%～25%，并已成功地應用于兩種醫(yī)療和外科器械中。40%玻纖增強的750系列可替代增強型PEEK用于工業(yè)和化學加工應用中?？梢钥闯觯珹vaSpire在提供高剛度和耐熱性的同時，其成本效益同樣也彌補了其在耐化學性和強度方面的缺陷。

通過對Victrex PEEK進行深入研究，Solvay公司推出了一種可嵌入式替代品KetaSpire。KetaSpire共有8個產品品級，其中包括含有30%玻纖和碳纖維的產品品級，其生產方法與Victrex PEEK基本相同。Solvay公司還將這種方法用于其砜聚合物的生產中。

Solvay公司從Gharda公司購買了Gatone PEEK，并用一種不同于生產Victrex PEEK的化學方法進行生產，所制得的產品顏色較深且加工性能有所不同。Solvay公司計劃在亞洲市場用Gatone產品來代替其Kadel PEEK產品的供應。

Solvay公司的AvaSpire和KetaSpire均可在傳統(tǒng)的熱塑性塑料加工設備上進行注射成型或擠出成型，它們由Solvay公司位于佐治亞州Alpharetta的半商業(yè)化工廠進行生產。該公司正致力于在這兩條生產線上開發(fā)出具有耐摩擦和耐磨損性能的產品品級。同時，Solvay公司在印度開設的新廠也將于明年年初開始投入運營，預計年產量可達110萬lb。

在無定形樹脂方面，Solvay公司將推出一條EpiSpire高溫砜生產線。該生產線生產出的產品的HDT溫度在230℃～265℃之間，可替代采用其他技術生產的高溫砜，如Solvay公司生產的HTS（產于2004年底）和Gafone公司的PSS-B。

與此同時，Solvay公司的Torlon PAI生產線由于提高了所生產產品的品級，如新型耐摩擦和耐磨損產品等而得以重新開始投入生產。Wison先生說：“到目前為止，我們一直在竭力開發(fā)PAI的潛力?！?據報道，新型增強PAI產品可在不添加任何潤滑劑的情況下很好地解決成型過程中深度咬邊的問題。

PrimoSpire樹脂（原稱Parmax）是一種全新的無定形樹脂，其性能幾乎沒有其他樹脂與之相匹敵。該樹脂的分子結構呈剛性棒狀，且抗壓強度可高達35000psi（1psi=6.89KPa），是熱塑性塑料中抗壓強度最高的樹脂之一，被人們稱為是“自增強”型聚亞苯基（SRP）。該樹脂還具有低的吸濕性、高的耐化學性和固有阻燃性等特性，與未增強的PEEK或PEI相比，其強度和剛度提高了60%，可用于注射成型、擠出成型和模壓成型等。

PrimoSpire的燒焦物不但不會燃燒，反而會在靈敏電子防護屏上形成一層保護層。其良好的阻燃特性使其應用范圍成功地拓展到了航空隔離應用領域。SRP的價格大概為60US$/lb，比PEEK高了近20%。

PEEK新的競爭者

Victrex PEEK是ICI公司在1978年申請的專利產品，隨后該產品從其生產線上脫離出來，專門由一家獨立的公司進行生產。該公司由于只專注于生產這一種高聚物而從競爭者中脫穎而出。Victrex公司的北美市場發(fā)展部主管Tim Herr先生表示：“作為一家專業(yè)生產聚醚醚酮的公司，我們與對手是在不同的基準上進行競爭”。

近10年來，全球對PEEK的需求量急劇增長，這一點可以從Victrex公司的相關數據中得到證實。2006年，該公司僅從汽車、工業(yè)、食品、電子/電氣和半導體市場中就獲得了19%的增長。截至2007年3月31日，Victrex公司前6個月的PEEK銷量為283萬lb，比去年同期增長了15%。為滿足日益增長的市場需求，Victrex公司在英國開設了第二家工廠，正式投產后其生產能力將從616萬lb/y擴大至935萬lb/y。

Victrex公司于2001年成立了一家獨立的子公司Invibio公司，用以生產生物相容性的醫(yī)用級PEEK和可植入型PEEK-Optima。該公司生產的可植入型產品首先應用于日本一家公司的內窺鏡器械生產中。去年秋天，Invibio公司又推出了一種用于可植入型承重器械的Endolign碳纖維增強PEEK材料。

在最近的產品研發(fā)過程中，Victrex公司于去年推出了一種Victrex T系列混合物，該系列產品由PEEK和PBI（由PBI高性能產品公司提供）混合而成。在耐高溫應用中，該混合物還具備高的硬度、良好的耐磨性、抗蠕變性和耐熱性。

圖3 超性能高聚物如PEEK等具有良好的耐熱性、耐化學性和耐磨性，
可應用于半導體制造業(yè)中，如處理硅晶片的終端受動器（圖片來源：Victrex公司）

PEEK/ PBI合金有未增強、玻纖增強和耐磨性3種類別，不久還將會推出一種新型的碳纖維增強產品。這種T系列材料的連續(xù)使用溫度可提升至300℃，而未改性的PEEK只有260℃。在半導體行業(yè)中，該系列產品可應用于可拾取硅晶片的機械手終端受動器，還可用于軸承和止推墊圈等領域。目前，Victrex公司正著手研發(fā)一些新型的PEEK及混合物。

新品級的PEEK具有很高的流動性，是傳統(tǒng)PEEK的2倍，可用于替代薄壁連接器中的LCP和PBT，而這些連接器通常都是處于無鉛的焊接溫度下，而且比上一代連接器更小、更薄。

除了Solvay公司的2個PEEK系列產品外，JIDA Degussa公司也生產出了另一種新型的PEEK系列產品Vestakeep PEEK。此外，Degussa高性能聚合物與中國長春的吉林大學投資建成的合資公司也生產PEEK產品，Degussa占80%的股份。據Degussa公司的戰(zhàn)略項目主管Christian Bierhaus先生介紹，吉林大學在PEEK的生產方面擁有15多年的豐富經驗。

2005年，Degussa從德國的Ticona GmbH公司收購了聚芳醚酮（PAEK）的相關專業(yè)技術和專利，拓展了Degussa原有的技術基礎。Vestakeep PEEK采用了與Victrex和Solvay相似的化學原料，在中國生產并由Degussa進行市場推廣。

Degussa的Bierhaus先生認為，人們越來越關注通過將部件輕量化來實現能量的節(jié)約，這也是PEEK需求量急劇增長的主要原因。他說：“早在10年前，我們根本沒有必要替換金屬傳動裝置。然而，由于出現了獨特的高性能聚合物可實現部件的輕量化并降低能量消耗，用塑料替換金屬生產傳動裝置就顯得十分必要了。”像PEEK這類的超性能聚合物同樣還能滿足工業(yè)，如電子行業(yè)的需求。

Vestakeep PEEK具有高的耐熱性（其HDT范圍在153℃～240℃之間）、良好的耐化學性和力學性能，可與傳統(tǒng)的PEEK相媲美。Degussa的Vestakeep生產線可生產8種產品品級，其中包含了4種未增強型樹脂，其粘度從低到高可分為Vestakeep 1000G、2000G、3000G和4000G，可應用于傳動裝置、醫(yī)用器械和擠出成型的產品中。

增強型產品品級通過30%玻纖或碳纖維增強，可應用于生產剛性、低熱變形的外罩產品。4000 FC30是一種特殊的產品，含有10%的石墨、10%的碳纖維和10%的聚四氟乙烯（PTFE），可用于自潤滑的軸承和傳動裝置。Vestakeep PEEK的應用領域還包括混合和多層共擠出。

與Victrex公司相比，Oxford公司是一家規(guī)模較小的PEEK供應商。該公司成立于2003年，其PEEK的供應以每年35%的增長率遞增。該公司的總經理Scott Defelice先生說：“市場的進化只需經歷很短的時間。目前市場的不斷擴張是因為許多行業(yè)對材料性能的要求不斷提高，并超過了傳統(tǒng)工程熱塑性塑料所能達到的性能要求。”

Oxford公司通過采購樹脂具備了“適度”的混合能力。該公司的Oxpekk產品線包含了適用于注塑成型和擠出成型在內的10種產品品級。它們由一些未經填充的、或是經玻纖或碳纖維增強的高粘度和低粘度的樹脂組成。OxPekk產品的玻璃化溫度（Tg）可達162℃，而一般PEEK的Tg溫度僅為142℃。OxPekk的抗壓強度（30000psi）也比一般的PEEK高。OxPekk另一個重要特點就是晶化速度緩慢，據說這可以降低成型部件的內應力。但是，OxPekk產品的價格比一般的PEEK高20%。

兩種TPI產品

GE塑料憑借其新研發(fā)的熱塑性TPI產品成功地打入了超性能樹脂市場。這種高聚物Extem是一種無定形高聚物，具有可與其他超性能高聚物相匹敵的性能，其加工性能也得到了改善，與Ultem聚醚酰亞胺相差無幾，耐熱性則較Ultem好。Extem的Tg溫度高達311℃，可在230℃的環(huán)境下連續(xù)工作。

Extem產品線由2大系列和7類樹脂組成，新開發(fā)的產品品級有望于今年推出。Extem UH樹脂具有最強的耐熱性和耐化學性，并顯著增強了抗氯化溶劑腐蝕（如二氯甲烷）的能力。高流動性XH樹脂的Tg溫度為267℃,可用于生產復雜的薄壁部件。

GE塑料希望在今年之內將Extem的商業(yè)化應用推廣至半導體、通訊和電子/電氣行業(yè)中。目前，GE塑料正與其旗下的LNP業(yè)務部門共同開發(fā)一種含有結晶性樹脂的混合材料，以期達到更好的流動性和耐化學性。該產品的目標應用領域包括：井下石油作業(yè)和天然氣設備、軸承和傳動裝置。新型耐磨性和靜電耗散型Extem樹脂和混合材料也在研發(fā)當中。

GE塑料還計劃于明年推出其第3種系列產品Extem VH。與現在的材料相比，Extem VH樹脂具有和現有材料相同的流動性和耐熱性，而抗沖擊強度卻高出3倍以上。目前，該產品主要由GE塑料位于美國的一家小規(guī)模工廠進行供應。GE塑料還計劃于2008年在西班牙的Cartagena地區(qū)興建一家大規(guī)模的Extem VH工廠。

Extem是進入熱塑性TPI領域的兩大產品之一，另一種是由三井化學生產的，其產品早在20世紀90年代初就先于Extem進入熱塑性TPI市場了。三井化學的Aurum TPI產品的連續(xù)使用溫度高達465℃，拉伸強度可達38000psi，且具有低的透氣性和高的耐化學性。目前，該公司正在開發(fā)一種HDT溫度高達300℃的高溫品級產品。

三井化學的業(yè)務總監(jiān)Masayuki Makihara先生表示，Aurum樹脂可應用于汽車、工業(yè)和半導體領域中的注射成型件，如齒輪、密封環(huán)、軸承、軸襯、止推墊圈、電絕緣器等，還可應用于半導體和硬盤用的托盤和攜帶器等。

Aurum可擠出厚度為0.75～22mils的薄膜，也可擠出厚度為1mils的薄壁管道、棒和電線/電纜絕緣材料。

PBI

PBI是一種獨特的無定形熱塑性塑料，目前只有一家供應商能夠生產供應。1983年，Celanese公司將PBI作為一種應用于宇航員衣服的阻燃纖維推出并成功實現了商業(yè)化生產。隨后，該公司將此項業(yè)務出售給了PBI高性能產品公司。據說，Celanese PBI產品是所有熱塑性塑料中Tg溫度（427℃）和HDT溫度（264psi時溫度為435℃）最高的。該PBI材料可在短時間內處于760℃的高溫，而在處于-196℃的超低溫時還能保持各項性能。PBI不會燃燒，在1000℉時也幾乎不會生成煙霧或尾氣。當壓力達到58000psi時，PBI的抗壓強度**，這也是所有熱塑性和熱固性塑料**的。

由于不存在固定的熔點，在高溫（475℃）和高壓（8000psi）的壓制成型過程中，Celazone粉末的大小可以為100篩。PBI還可以以纖維或溶液的形式出售。

Celazole U-60是應用于化學工業(yè)和航空工業(yè)的襯套和密封件理想的標準品級產品。高純度的U-60SD品級可應用于對微量金屬非常敏感的半導體行業(yè)中。目前，兩家日本的供應商——東京的AZ Electronics公司和神戶的Splas公司還提供了一種由碳纖維增強且具有靜電耗散性能的Celazole U-60ESD品級產品。(end)