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2010/04/29
作者：段春来 杨森 项建 汪晓明
一、前言
一般的电线电缆是以塑料和橡胶为绝缘护套，这些材料都是常规工程材料，具有丰富的来源，能够满足大规模生产，而且成本相对较低。但对于一些特殊行业如石油化工、钢铁、航空航天、造船、军工、机车、核电站等与热与高温及辐射有关的行业，都需要能够耐一定较高温度或辐射的电线电缆，普通的电线电缆显然不能使用，需能耐高温、耐辐射的电线电缆才能保证其电力和信号的安全运行。
聚醚醚酮（PEEK）是一种全芳香族半结晶性的热塑性聚合物，由于大分子链上含有刚性的苯环、柔顺的醚键及提高分子间作用力的羰基，结构规整，因而具有独特的性能，属特种高分子材料，被称为塑料工业的金字塔尖。它具有耐热等级高、耐辐射、耐化学药品、冲击强度高、耐磨性和耐疲劳性好、阻燃、电性能优异等特点，可满足特殊条件下对电缆的苛刻要求。
二、聚醚醚酮的特性
聚醚醚酮的熔点为334℃，玻璃化转变温度（Tg）为143℃，可能达到的最大结晶度约为48％，通常为20％～30％，它在无定形状态下的密度为1.265 g/cm3，而在最大结晶度下的密度为1.32 g/cm3。PEEK具有如下突出的性能：
（1）极高的耐热性。可在250℃长期使用，瞬间使用温度可达300℃，在400℃短时间内几乎不分解。与其它耐高温塑料如聚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯醚（PPO）等相比，使用温度上限高出近50℃。
（2）优良的力学性能及尺寸稳定性。PEEK在高温下能保持较高的强度，200℃时的弯曲强度仍可达24MPa，250℃时的弯曲强度和压缩强度可达12～13 MPa，特别适于制造在高温下能连续工作的构件。PEEK的刚性高、尺寸稳定性好及线胀系数小，非常接近于金属铝。另外，PEEK还具有良好的耐蠕变性能，可以在使用期内承受极大的应力，不会因时间的延长而产生明显延伸。
（3）优良的耐化学药品性。即使在高温下PEEK也能很好地抵抗大多数化学物质的腐蚀，耐腐蚀性与镍钢相近。在通常情况下唯一能溶解PEEK的是浓硫酸。
（4）耐水解性能好。可以抵御水或高压水蒸气产生的化学破坏。在高温和高压条件下，PEEK可在水环境中连续工作而仍能保持良好的力学性能。如在100℃的水中连续浸泡200 天，强度几乎保持不变。
（5）阻燃性能好。可达到UL 94 V-0级，有自熄性，在火焰条件下释放的烟和有毒气体少。
（6）电性能好。在很宽的频率和温度范围内，PEEK可保持电性能不变。
（7）耐辐射能力强。PEEK具有非常稳定的化学结构，在高剂量电离辐射下PEEK部件也可以正常工作。
（8）韧性好。对交变应力的耐疲劳性是所有塑料中最出众的，可与合金材料相媲美。
（9）优良的耐摩擦和耐磨损性能。可在250℃保持很高的耐磨性和低的摩擦系数。
（10）加工性能好。易于挤出和注塑，且成型效率高。
上述十大特性，决定了PEEK可用于生产具有特殊性能的电缆，表1为PEEK电缆材料的性能表。
三、聚醚醚酮在机车薄壁线中的应用
由于我国铁道建设的高速发展，铁路机车车辆电线电缆的产品种类及其性能也有较大发展。与轿车电线相似，为了安全和节省空间，耐高温薄壁绝缘线应用将越来越多。目前，国内机车薄壁电线主要的参考标准有：EN 50306-1～4：2002，薄壁型铁道机车车辆阻燃电缆；NF F 63-808：1992 薄壁绝缘和护套无卤电线电缆；GB 12528-2008，铁路机车车辆电缆（电线）。然而，目前，国内几乎没有电缆料厂家能够提供满足上述标准的薄壁绝缘料。因为，对于NF F 63-808：1992所要求的薄壁线，即要求无卤阻燃，又要求强度达到30Mpa以上，所以，目前国内应用较多的无卤阻燃聚烯烃无法满足上述强度要求，也不能满足此标准要求的耐磨性试验。有些厂家使用阻燃工程塑料来生产薄壁线，可以满足阻燃、拉伸强度和耐磨性的要求，但阻燃绝缘电阻却难以达到要求。对于EN 50306-1～4：2002的标准线，尽管没有对电缆的拉伸强度做过高要求，但一般电缆厂也会对电缆强度做自己的企业标准。所以低烟无卤阻燃聚烯烃也较难达到。
对于聚醚醚酮，常温下拉伸强度可达100Mpa，且自身为无卤阻燃材料，又具备优良的耐磨性和耐水解性能，所以用聚醚醚酮做机车薄壁线确实为一种比较合适的材料，但是，聚醚醚酮的断裂伸长率较低，真正应用时，最好能够在这方面加以改性，或者和其他材料进行双层共挤。目前，国内已有少数电缆厂使用进口的聚醚醚酮来生产机车薄壁电线。
四、聚醚醚酮在核电站电缆中的应用
核电站用1E级电缆按核电站电气系统设备的安全类别分为三类：K1、K2、K3。安全类别K1、K2、K3类有如下定义：
K1类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震动）载荷以下及在事故期间或事故之后仍能执行其规定的功能。
K2类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震动）载荷下仍能执行其规定的功能。
K3类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以外，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震动）载荷下仍能执行其规定的功能。
核电站电缆
三类电缆的运行环境差别很大，其中Kl类的运行环境最恶劣，对电缆的性能要求也最为苛刻。对于K1类电缆，原材料必须是低烟、无卤、阻燃，机械物理性能、电性能等特性优越。同时，原材料必须首先能通过等效50年运行LOCA时的放射线照射试验、模拟LOCA试验以及热老化评定试验等。所以，选用的材料均必须符合核电站1E级环境的要求。
而聚醚醚酮最突出的特点就是耐辐射性能好，另外，又具有优异的电性能、物理机械性能、阻燃性能、耐化学品性能，所以聚醚醚酮可作为一种非常好的材料1E级K1类电缆绝缘材料。
五、聚醚醚酮在电缆应用中面临的问题
聚醚醚酮作为一种新型特种材料，具有优异的性能，但目前它在电缆中的应用还不普遍，甚至可以说很少。主要有如下原因所致：
1、价格问题
价格问题是聚醚醚酮应用的首要问题。目前市场上聚醚醚酮的价格非常高，进口料的价格高达1200元/kg，国产料的价格也要500元/kg以上。电缆生产商看到这样的价格大多望而却步，转而采用其他材料，而不用聚醚醚酮。
2、设备问题
因为聚醚醚酮的加工温度很高，挤出温度要达到350℃以上，所以一般的挤出机不能满足要求，需要采用带有铸铜加热器的挤出机，而且螺杆的耐温也需提高。对于大多数电缆厂和电缆料厂，不具备这样的设备，进而限制了聚醚醚酮的应用。
3、工艺问题
由于目前使用聚醚醚酮的电缆厂很少，所以对其挤出工艺也了解较少。聚醚醚酮为半结晶性聚合物，挤出的电缆，如果绝缘料的结晶度不同，则其很多性能也会有较大的差异。所以，对聚醚醚酮的加工工艺也需要摸索和熟悉。
六、结束语
针对目前聚醚醚酮在市场应用遇到的问题，我公司已经和上海大学合作共同开发改性的聚醚醚酮。目前，已经有产品试制，正在测试机车薄壁线和核电K1类电缆的性能。希望不久的将来能够推出价格适中、性能优异的改性聚醚醚酮电缆绝缘料，为聚醚醚酮在国内电线电缆中的推广和应用做出贡献。
一般的电线电缆是以塑料和橡胶为绝缘护套，这些材料都是常规工程材料，具有丰富的来源，能够满足大规模生产，而且成本相对较低。但对于一些特殊行业如石油化工、钢铁、航空航天、造船、军工、机车、核电站等与热与高温及辐射有关的行业，都需要能够耐一定较高温度或辐射的电线电缆，普通的电线电缆显然不能使用，需能耐高温、耐辐射的电线电缆才能保证其电力和信号的安全运行。
聚醚醚酮（PEEK）是一种全芳香族半结晶性的热塑性聚合物，由于大分子链上含有刚性的苯环、柔顺的醚键及提高分子间作用力的羰基，结构规整，因而具有独特的性能，属特种高分子材料，被称为塑料工业的金字塔尖。它具有耐热等级高、耐辐射、耐化学药品、冲击强度高、耐磨性和耐疲劳性好、阻燃、电性能优异等特点，可满足特殊条件下对电缆的苛刻要求。
二、聚醚醚酮的特性
聚醚醚酮的熔点为334℃，玻璃化转变温度（Tg）为143℃，可能达到的最大结晶度约为48％，通常为20％～30％，它在无定形状态下的密度为1.265 g/cm3，而在最大结晶度下的密度为1.32 g/cm3。PEEK具有如下突出的性能：
（1）极高的耐热性。可在250℃长期使用，瞬间使用温度可达300℃，在400℃短时间内几乎不分解。与其它耐高温塑料如聚酰亚胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯醚（PPO）等相比，使用温度上限高出近50℃。
（2）优良的力学性能及尺寸稳定性。PEEK在高温下能保持较高的强度，200℃时的弯曲强度仍可达24MPa，250℃时的弯曲强度和压缩强度可达12～13 MPa，特别适于制造在高温下能连续工作的构件。PEEK的刚性高、尺寸稳定性好及线胀系数小，非常接近于金属铝。另外，PEEK还具有良好的耐蠕变性能，可以在使用期内承受极大的应力，不会因时间的延长而产生明显延伸。
（3）优良的耐化学药品性。即使在高温下PEEK也能很好地抵抗大多数化学物质的腐蚀，耐腐蚀性与镍钢相近。在通常情况下唯一能溶解PEEK的是浓硫酸。
（4）耐水解性能好。可以抵御水或高压水蒸气产生的化学破坏。在高温和高压条件下，PEEK可在水环境中连续工作而仍能保持良好的力学性能。如在100℃的水中连续浸泡200 天，强度几乎保持不变。
（5）阻燃性能好。可达到UL 94 V-0级，有自熄性，在火焰条件下释放的烟和有毒气体少。
（6）电性能好。在很宽的频率和温度范围内，PEEK可保持电性能不变。
（7）耐辐射能力强。PEEK具有非常稳定的化学结构，在高剂量电离辐射下PEEK部件也可以正常工作。
（8）韧性好。对交变应力的耐疲劳性是所有塑料中最出众的，可与合金材料相媲美。
（9）优良的耐摩擦和耐磨损性能。可在250℃保持很高的耐磨性和低的摩擦系数。
（10）加工性能好。易于挤出和注塑，且成型效率高。
上述十大特性，决定了PEEK可用于生产具有特殊性能的电缆，表1为PEEK电缆材料的性能表。
表1 电线电缆用PEEK的性能 （VICTREX® PEEKTM 381G）
| 内容 | 测试方法 | 单位 | 典型值 | |
| 机械性能 | ||||
| 拉伸强度 | 23°C | ISO 527 | MPa | 100 |
| 250°C | 13 | |||
| 断裂伸长率 | 23°C | ISO 527 | % | 35 |
| 热性能 | ||||
| 熔点 | ISO 3146 | °C | 343 | |
| 玻璃化温度（Tg） | ISO 3146 | °C | 143 | |
| 热变形温度 | 1.8 MPa | ISO 75A-f | °C | 152 |
| 长期使用温度 | UL 746B | °C | 260 | |
| 其他 | ||||
| 密度 | 结晶态 | ISO 1183 | g cm-3 | 1.30 |
| 非晶态 | ISO 1183 | g cm-3 | 1.26 | |
| 吸水性（3.2mm 拉伸样条） | 24 h，23°C | ISO 62-1 | % | 0.07 |
| 电性能 | ||||
| 介电强度 | thickness 50 μm | IEC 248 | kV mm-1 | 190 |
| 相比漏电起痕指数 | 23ºC | IEC112 | V | 150 |
| 介质损耗角正切 | 23°C，1 MHz | IEC 250 | n/a | 0.003 |
| 介电常数 | 50Hz，0-150ºC | IEC 250 | n/a | 3.2 |
| 50Hz，200ºC | 4.5 | |||
| 体积电阻率 | IEC 93 | 1016Ωcm | 4.9 | |
| 烟气毒性 | ||||
| 易燃等级 | UL94 | n/a | V-0@1.5 mm | |
| 灼热丝测试 | 2 mm | ºC | 960* | |
| 氧指数 | 0.4 mm | % O2 | 24* | |
| 3.2 mm | 35* | |||
| 毒性指数 | CO含量 | NES713 | n/a | 0.074* |
| CO2含量 | 0.15* | |||
| 总气量 | 0.22* |
*结果来自450G
三、聚醚醚酮在机车薄壁线中的应用
由于我国铁道建设的高速发展，铁路机车车辆电线电缆的产品种类及其性能也有较大发展。与轿车电线相似，为了安全和节省空间，耐高温薄壁绝缘线应用将越来越多。目前，国内机车薄壁电线主要的参考标准有：EN 50306-1～4：2002，薄壁型铁道机车车辆阻燃电缆；NF F 63-808：1992 薄壁绝缘和护套无卤电线电缆；GB 12528-2008，铁路机车车辆电缆（电线）。然而，目前，国内几乎没有电缆料厂家能够提供满足上述标准的薄壁绝缘料。因为，对于NF F 63-808：1992所要求的薄壁线，即要求无卤阻燃，又要求强度达到30Mpa以上，所以，目前国内应用较多的无卤阻燃聚烯烃无法满足上述强度要求，也不能满足此标准要求的耐磨性试验。有些厂家使用阻燃工程塑料来生产薄壁线，可以满足阻燃、拉伸强度和耐磨性的要求，但阻燃绝缘电阻却难以达到要求。对于EN 50306-1～4：2002的标准线，尽管没有对电缆的拉伸强度做过高要求，但一般电缆厂也会对电缆强度做自己的企业标准。所以低烟无卤阻燃聚烯烃也较难达到。
对于聚醚醚酮，常温下拉伸强度可达100Mpa，且自身为无卤阻燃材料，又具备优良的耐磨性和耐水解性能，所以用聚醚醚酮做机车薄壁线确实为一种比较合适的材料，但是，聚醚醚酮的断裂伸长率较低，真正应用时，最好能够在这方面加以改性，或者和其他材料进行双层共挤。目前，国内已有少数电缆厂使用进口的聚醚醚酮来生产机车薄壁电线。
四、聚醚醚酮在核电站电缆中的应用
核电站用1E级电缆按核电站电气系统设备的安全类别分为三类：K1、K2、K3。安全类别K1、K2、K3类有如下定义：
K1类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震动）载荷以下及在事故期间或事故之后仍能执行其规定的功能。
K2类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以内，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震动）载荷下仍能执行其规定的功能。
K3类电动执行机构。安装在核反应堆安全壳以外，在正常环境条件下和在SL2（安全停堆地震动）载荷下仍能执行其规定的功能。
核电站电缆
三类电缆的运行环境差别很大，其中Kl类的运行环境最恶劣，对电缆的性能要求也最为苛刻。对于K1类电缆，原材料必须是低烟、无卤、阻燃，机械物理性能、电性能等特性优越。同时，原材料必须首先能通过等效50年运行LOCA时的放射线照射试验、模拟LOCA试验以及热老化评定试验等。所以，选用的材料均必须符合核电站1E级环境的要求。
而聚醚醚酮最突出的特点就是耐辐射性能好，另外，又具有优异的电性能、物理机械性能、阻燃性能、耐化学品性能，所以聚醚醚酮可作为一种非常好的材料1E级K1类电缆绝缘材料。
五、聚醚醚酮在电缆应用中面临的问题
聚醚醚酮作为一种新型特种材料，具有优异的性能，但目前它在电缆中的应用还不普遍，甚至可以说很少。主要有如下原因所致：
1、价格问题
价格问题是聚醚醚酮应用的首要问题。目前市场上聚醚醚酮的价格非常高，进口料的价格高达1200元/kg，国产料的价格也要500元/kg以上。电缆生产商看到这样的价格大多望而却步，转而采用其他材料，而不用聚醚醚酮。
2、设备问题
因为聚醚醚酮的加工温度很高，挤出温度要达到350℃以上，所以一般的挤出机不能满足要求，需要采用带有铸铜加热器的挤出机，而且螺杆的耐温也需提高。对于大多数电缆厂和电缆料厂，不具备这样的设备，进而限制了聚醚醚酮的应用。
3、工艺问题
由于目前使用聚醚醚酮的电缆厂很少，所以对其挤出工艺也了解较少。聚醚醚酮为半结晶性聚合物，挤出的电缆，如果绝缘料的结晶度不同，则其很多性能也会有较大的差异。所以，对聚醚醚酮的加工工艺也需要摸索和熟悉。
六、结束语
针对目前聚醚醚酮在市场应用遇到的问题，我公司已经和上海大学合作共同开发改性的聚醚醚酮。目前，已经有产品试制，正在测试机车薄壁线和核电K1类电缆的性能。希望不久的将来能够推出价格适中、性能优异的改性聚醚醚酮电缆绝缘料，为聚醚醚酮在国内电线电缆中的推广和应用做出贡献。
