聚醚醚酮PEEK具有耐高溫、耐疲勞、耐化學品、耐磨損、耐水解性能以及優異的力學性能、阻隔性、電氣特性、耐輻射性等性能，受到國內外學者的廣泛關注，并對材料的特性及改性進行了深入研究，目前已應用在機械、石油化工、核電、軌道交通以及生物醫用材料等領域。

PEEK薄膜是PEEK除了作為工程塑料、纖維應用之外的一種重要形式，在國內應用領域主要為電子產品振膜、飛機隔音隔熱毯的隔熱膜層、耐熱絕緣帶和柔性印刷線路板。目前，PEEK薄膜主要依賴進口，國內只有極少數企業實現PEEK薄膜的工業化生產。

本文通過擠出流延法制備了一系列PEEK薄膜，制備的薄膜厚度公差較小，膜面平整度高，就PEEK薄膜基本性質、光學性能、力學性能及影響力學性能的因素展開探討，提供一些基礎數據支持，希望加快國內PEEK薄膜產業化，進而擴展PEEK薄膜的應用范圍。

• PEEK薄膜的基本性質

PEEK是半結晶性聚合物，薄膜透光率、物理性能與聚合物分子鏈結構形態關系很大，PEEK 薄膜在高結晶度的狀態下呈現為不透明棕色，在無定形至低結晶度的狀態下呈透明淺棕色，下圖為制備的 PEEK 薄膜照片 。

PEEK 薄膜的照片

PEEK薄膜密度為1.26~1.30 g/cm3，無定形態時密度為1.26g/cm3，PEEK薄膜的玻璃化轉變溫度為145℃，冷結晶峰溫度為174℃，熔點為 341℃。

對透光率為84.6%、厚度為95μm的PEEK薄膜在250℃下加熱20min進行熱處理。下圖為熱處理前后PEEK薄膜的廣角XRD譜圖，PEEK 屬于正交晶系，熱處理前薄膜結晶度較低，熱處理后PEEK薄膜有4個主要的衍射峰，分別出現在18.7°、20.6 °、22. 6 °、28.6°，分別對應110、111、200、211和202方向，其中211和202方向峰重疊，測試數據與文獻報道一致，由于PEEK是半結晶性聚合物，非晶區部分引起較高的衍射峰背景。

PEEK 薄膜的廣角 XRD 譜圖

下圖為PEEK薄膜斷面結構的SEM照片，PEEK薄膜在液氮中可以保持高度韌性。通過擠出流延法制備的 PEEK薄膜，流延輥溫度高于PEEK的玻璃化轉變溫度，由于流延輥具有一定轉速，薄膜在縱向方向具有一定拉伸，從圖中可以觀察到薄膜的縱向斷面，聚合物分子鏈延著拉伸方向呈現高取向度。

PEEK 薄膜斷面的SEM照片

• 薄膜結晶度與透光率的關系

流延輥的溫度與轉速直接影響了薄膜的結構形態與厚度。透光率與結晶度的關系如表1所示，薄膜厚度相同時，結晶度越高，透光率越低。

表 1 透光率與結晶度的關系

薄膜霧度也可以反映出薄膜的顏色狀態，結晶度高，霧度數值增大。結晶度為5%以下時，薄膜呈高透明、高清晰狀態。

PEEK薄膜

• 流延膜力學性能分析

由于PEEK薄膜國內沒有標準，學術文獻中PEEK薄膜拉伸測試的方法不統一，拉伸速率對薄膜力學性能影響需要探究。用18μmPEEK流延膜進行測試，薄膜的拉伸速率由40~100 mm/min進行試驗，實驗結果如表2所示。

表 2 力學性能與拉伸速率的關系

樣品拉伸強度表現出共同點，即拉伸速率對拉伸強度和斷裂伸長率的影響不大，提高拉伸速率，屈服強度明顯提高。拉伸速率為100mm/min 時，薄膜的拉伸強度依然較高，本文PEEK薄膜力學性能在100 mm/min 的拉伸速度下進行測試。

流延輥轉速對力學性能的影響如表3所示。在相同的擠出機溫度和螺桿轉速下，流延輥轉速不同會導致薄膜厚度的變化，流延輥轉速越高，薄膜越薄，因此薄膜在縱向方向有一定的拉伸，隨著流延輥轉速的增加，拉伸變大。從縱向拉伸強度數據上看，拉伸強度隨流延輥轉速的提高而提高，從95μm薄膜的129 MPa提高到155 MPa，斷裂伸長率隨流延輥轉速的提高而呈降低的趨勢，與趨勢相對應的，屈服強度提高 。從橫向拉伸數據上看，橫向拉伸強度隨流延輥轉速的提高而提高，但是斷裂伸長率和屈服強度沒有明顯固定的趨勢。

表3 流延輥轉速和擠出溫度對薄膜力學性能的影響

擠出溫度對薄膜力學性能存在影響，由于加工溫度高，熔融擠出過程中伴隨部分降解等副反應發生。PEEK的熔點峰值在340℃左右，DSC數據顯示350℃時已完全熔融，因此加工溫度在370℃以上可進行加工 。通過在390、400、420℃擠出溫度下進行力學性能比較，對PEEK材料的加工穩定性進行驗證。從表3可以看出，PEEK在390~400℃下的力學性能穩定，即使溫度達到420℃，仍能夠保持較高的力學強度，PEEK 具有較寬的加工溫度，有利于生產加工。

• 雙向拉伸薄膜的力學性能分析

PEEK薄膜在室溫下的斷裂伸長率較高，但是流延薄膜的拉伸強度較低，在某些領域應用可能會受到一定限制。流延薄膜厚度的控制關鍵在于模頭，流延法制備的薄膜厚度公差較大，通過雙向拉伸的方法，會縮小薄膜厚薄公差。

同時，通過雙向拉伸的方法可以提高薄膜的拉伸強度。對樣品1#在170℃下進行雙向拉伸測試，拉伸速率為0.3 m/min，當拉伸倍率超過縱向×橫向=2.5×2.5倍時，薄膜容易發生破裂，因此將拉伸倍率調整為縱向×橫向=2×2，以此研究雙向拉伸對薄膜性能影響。

將雙向拉伸的薄膜樣品12#與拉伸前樣品3#和厚度相當的樣品8#進行力學性能比較，從表4可以看出，雙向拉伸可以大幅度提高薄膜的力學性能，縱向拉伸強度可以達到203MPa，但是斷裂伸長率降低至76%，薄膜的屈服強度和彈性模量也有大幅度提高，即薄膜剛性好。

表4 雙向拉伸PEEK 薄膜的力學性能

• 表面缺陷與薄膜力學性能分析

實驗中發現模頭是制約薄膜表面品質的關鍵因素。螺桿及模頭清洗不干凈對PEEK薄膜膜面產生影響。擠出機停機后，再次開機時PEEK原料難以沖洗干凈螺桿和模頭，薄膜上會有較多焦料和凝膠點，影響薄膜膜面品質和使用性能。對PEEK原材料沖洗2 h后的薄膜進行測試，得到樣品10#、11#、13#，并與樣品8# 進行對比，結果如表5所示。凝膠點和焦料影響薄膜膜面品質，但是少量的凝膠點對薄膜的力學性能影響不大。

表5 表面缺陷對薄膜力學性能的影響

• 薄膜抗紫外性分析

PEEK薄膜經過紫外吸收光譜測試，超過檢測量程，無法得到吸收光譜。紫外透射光譜如圖5所示。

圖 5( a )為 95μm 薄膜在 200~400 nm 范圍內紫外透射光譜，可見 380 nm 以下的紫外光透過率為0，說明PEEK薄膜具有抗紫外的特性。

PEEK 薄膜在300nm處有微弱的紫外光透過率，圖 5(b)顯示厚度為 15~21μm薄 膜在300nm處紫外光透過率為0.1%，而厚度為95μm薄膜在300nm處紫外光透過率為0.02 %，隨著薄膜厚度的增加，透過率降低。

圖5(c)為不同厚度PEEK薄膜在350~400nm范圍內的紫外透射光譜，表6所示為 380nm紫外光透過率與薄膜厚度的關系，可見隨著薄膜厚度的增加，紫外光在 360~380 nm處的透過率降低，抗紫外性能更好。

表6 紫外光透過率與薄膜厚度的關系

圖5(d)為相同厚度、不同結晶度的PEEK薄膜的紫外透射光譜，由圖5(d)和表7數據所示，380nm紫外光透過率有略微差別，結晶度高時，抗紫外性能更好。

表7 紫外光透過率與結晶度的關系

綜上，結論如下：

(1)?PEEK薄膜的透光率隨結晶度的提高而降低；拉伸速率對拉伸強度、斷裂伸長率的影響不大，拉伸速率快，屈服強度明顯提高；拉伸強度隨流延輥速率的增加而提高；PEEK在390~400℃下進行擠出實驗，薄膜的力學性能穩定，即使擠出溫度達到420℃，PEEK薄膜仍能夠保持較高的力學強度；

(2)?流延后雙向拉伸可大幅提高PEEK薄膜的拉伸強度，拉伸倍率為縱向×橫向=2×2，縱向拉伸強度可以達到203 MPa，斷裂伸長率為76 %，橫向拉伸強度為157MPa，斷裂伸長率為156%；

(3)?PEEK薄膜具有抗紫外的特性，薄膜厚度增加，結晶度提高，紫外光在360~380 nm處的透過率降低，抗紫外性能更好。

參考資料：聚醚醚酮薄膜的性能研究，互聯網資料等。

原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：聚醚醚酮PEEK薄膜的特性研究