【材料课件】第2章工程塑料部分

•概述通用工程塑料特种工程塑料工程塑料工程塑料：力学性能和热性能较好、可以作为结构材料使用、在较宽的温度范围内可承受一定的机械应力、能在较苛刻的化学、物理环境中使用的塑料。具有优异的力学性能、化学性能、电性能、耐热性、耐磨性、耐老化性能等。使用量较大、长期使用温度100~150℃的塑料，如PA、POM、PC、PPO、PET、PBT等使用量小、价格高、长期使用温度150℃的塑料，如PI、PSF、PPS、PEEK、PTFE、PVDF、PBI等2.2.1聚酰胺（PA，Polyamide）PA(尼龙，nylon）：分子链含有酰胺基团的聚合物；由二元胺和二元酸缩聚而成，也可由ω-氨基酸或内酰胺自聚而成；PA的品种：尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙1010（前为胺）、尼龙46、尼龙7、尼龙9等极性酰胺基上的H能与另一分子酰胺基的O形成氢键NH2(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOHnCO(CH2)4CO][NH(CH2)6NHHOH+CH2NHCOCH2CH2NHCOCH2NHCONH(CH2)5COnNH(CH2)COHOH聚酰胺的结构与性能酰胺基的比例越大，吸水率越大：PA6PA66PA610•注意吸水率对性能的影响极性酰胺基及氢键易产生结晶化具有较高的力学性能和高的熔点亲水性强，尺寸稳定性差亚甲基-CH2-的存在分子链比较柔顺具有较高的韧性结构CH2NHCOCH2物理性能白色至淡黄色颗粒，制品坚硬，表面有光泽，有自熄性优良的力学性能（拉伸强度、压缩强度、冲击强度等）但力学性能会受温度和湿度的影响热性能熔点高（200℃），但Tg一般在80℃具有良好的化学稳定性一般不溶于普通溶剂，但室温能溶解于强极性溶剂（酚类、硫酸、甲酸等）电性能低温和干燥条件下具有良好的电绝缘性，但在潮湿条件下会显著降低聚酰胺的加工性能加工前原料必须干燥PA的吸湿性很大熔体粘度低、流动性大必须采用自琐式喷嘴，以免漏料热稳定性较差应避免采用较高的熔体温度结晶性聚合物，成型收缩率较大PA作为热塑性塑料，一般的塑料成型方法（注射、挤出、模压、吹塑、浇注）都可采用，最常用的方法是注射成型。普通PA的应用目前工业上产量最大的工程塑料；机械、化学及电气零件：轴承、齿轮、密封圈、涡轮等PA粉末喷涂于各种零件表面，提高磨擦性能；汽车工业、机械工业、电子电气、包装业、体育器材等行业越来越广泛地使用PA塑料。其它种类PA其主要原料是PA6，直接将PA6单体浇注到模具内进行聚合并制成制品；分子量（3.5万~7万）比一般PA6高一倍，各项物理、力学性能、热性能均比一般PA6要好；能根据模具方便地制出任意形状的制件、型材；优良的耐磨擦性，可与POM相媲美。用途：造船、汽车、造纸、各种机械的部件(1)单体浇注聚酰胺（monomercastPA，MCPA）:聚对苯酰胺聚对苯二甲酰对苯二胺（kevlar，芳纶）(2)芳香族聚酰胺COnCONHNH合成方法：对苯二胺与对苯二甲酰氯缩聚而成；特性：超高强度（强度最高的合成纤维）、超高模量、耐高温（Tg=410℃、Tf=450℃）、耐腐蚀、阻燃、耐疲劳、尺寸稳定性好等一系列优异的特点；聚对苯二甲酰对苯二胺（kevlar，芳纶）用途：增强材料：橡胶补强材料、制成增强塑料用于航天器、导弹壳体等高技术领域。有机纤维：轮胎帘子线、特种绳索和工业织物（如防弹衣、赛艇、弓箭、羽毛球等体育器材）引入侧基来破坏分子链的规整性，减小结晶透光率可达90%(3)透明聚酰胺通常PA不透明（晶区存在）一般采用玻璃纤维作为增强材料；其力学性能、耐蠕变性能、尺寸稳定性在原有基础上有大幅提高(4)增强聚酰胺:2.2.2聚碳酸酯（PC，Polycarbonate）指分子主链中含有链节的线性高聚物；R可以为脂肪族、脂环族、芳香族，最具工业价值的是芳香族PC，特别是双酚A型PC，其产量仅次于PA；合成工艺：酯交换法、空气界面缩聚法；OROOCOOOCCCH3CH3n聚碳酸酯的结构与性能主链的刚性和苯环的位阻效应，结晶能力较差，无定形聚合物，具有优良的透明性，透光率87~90%；力学性能优良，特别是冲击性能十分突出，优于一般的工程塑料；很好的耐高低温性，长期使用温度-70~120℃；尺寸稳定性能好主链上酯基对水敏感，高温下易水解；易产生应力开裂；OOOCCCH3CH3n碳酸酯链-O-柔性刚性苯环综合性能优良（刚而韧）聚碳酸酯的加工性能加工前必须严格进行干燥——对水十分敏感；PC熔体粘度较一般热塑性塑料高，提高温度可改善熔体流动性；在较高温度下成型时，制品易产生应力开裂，故成型后制品应进行后处理，100~120℃，保温8~12h；PC可以采用注射、挤出、吹塑、真空成型、热成型等方法，常采用注射、挤出、吹塑。聚碳酸酯的改性加工流动性差、制品残余应力大、高温易水解、不耐磨擦等缺陷：改性方法：增强PC：PC合金增强材料：玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等；拉伸、弯曲强度、耐热性、耐应力开裂性均明显改善；主要用于注射成型各种工程零件，机械方面：电动工具外壳；电气方面，插头、插座、继电器等PC/PE：改善加工流动性、耐应力开裂性及乃沸水性，但耐热性有所降低；PC/ABS、PC/POM、PC/PTFE等PC的应用玻璃装配业：各种防护玻璃、大型灯罩、飞机座舱玻璃；汽车工业：仪表盘系统和内装饰系统，如前灯罩、前后档板，反光镜框等；电子电器工业：接线盒、插座、插头、继电器外壳，家用电器手柄等。三大应用领域：生活日用品：纯净水周转桶、热水杯、奶瓶、餐具等光学材料：录影（音）带、光盘、储存器介质等。其它应用领域：2.2.3聚甲醛（POM，Polyoxymethylene）产量仅次于PA和PC，第三大通用工程塑料；分子主链上具有重复单元，是一种无侧链、高密度、高结晶度（75%）的线性聚合物；工业上一般采用三聚甲醛为原料；优良的综合性能；特色：特别适合作为轴承使用——具有良好的摩擦磨损性能，尤其是具有优越的干摩擦性能CH2OCH2OOCH3COnCOCH3聚甲醛的性能白色粉末或粒料，硬而质密，表面光滑有光泽；较好的力学性能，尤其是具有较好弹性模量、硬度和刚度以及优异的耐磨擦性能；热性能：具有价高的Tg，短期使用温度140℃，长期使用不应超过100℃；电绝缘性能优良，且不随温度变化；吸水率0.25%，湿度对其尺寸无影响；但不耐酸碱，耐候性也较差，对紫外线敏感。CH2OOCH3COnCOCH3聚甲醛的加工性能加工方法可以是注塑、挤出、吹塑、模压等，以注塑为主•吸水率小——原料一般不必干燥；•热稳定性较差——加工温度应控制在250以下，且在料筒中时间不宜过长；•熔体的冷凝速度快，模具的温度不宜低，以避免植皮表面产生缺陷；•制品会产生残余应力，应适当进行后处理（100~130℃，6h）；聚甲醛的应用•比刚度和比强度接近金属，可替代有色金属制作各种结构零部件，特别适合制造耐磨擦的零件，如齿轮、滑轮、轴承等；•添加玻璃纤维、碳纤维、玻璃球等增强材料可制得增强聚甲醛；•加入石墨、PTFE、硅油等润滑材料，可明显提高POM的润滑性能。2.2.4聚苯醚（PPO）•分子主链上含有重复单元，又称为聚亚苯基氧；•线性非结晶性聚合物；•工业上一般采用2.6-二甲基苯酚为原料，在氧气中缩聚而成；•白色或微黄色粉末，硬而坚韧；•分子主链中含有大量的酚基芳香环——分子链段内旋转困难，熔点升高，熔体粘度增大，流动性小，加工困难；OCH3CH3OCH3nCH3OHCH3CH3nO2聚苯醚的性能具有很好的拉伸强度、模量、抗冲击性能，硬度高于POM、PC和PA，但耐应力开裂性不好；优良的热性能：Tg为210℃，Tf为350℃；电绝缘性能优异，介电常数是工程塑料中最低的；吸水率为0.03%，尺寸稳定性好，且具有优良的耐水性。优良的综合性能，很多性能均优于POM、PC、PA，但缺陷也很明显：流动性差、加工性能差、制品已开裂、价格昂贵等。聚苯醚的加工性能加工以注塑为主•吸水率小——但为避免表面形成银丝、起泡，最好加工前进行干燥，140~150℃，3h；•刚性较大，Tg高，制品易产生内应力，需要后处理（180℃，4h）；•熔体的粘度较大，应提高温度并适当增加注射压力；聚苯醚的改性PPO/PS合金：PS常选用HIPSPPO/ABS合金PPO/PPS合金PPO/PA合金PPO/玻璃纤维刚性的苯环、极性酯基、柔性脂肪烃基——大分子链刚硬，又有一定的柔性；支化程度很低，分子结构规整，结晶度可达40%，但结晶速度慢，且结晶温度高；由饱和二元酸和饱和二元醇缩聚得到的线性高聚物。（1）聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）COnCOOOCH2CH22.2.5热塑性聚酯具有很好的拉伸强度、刚度和硬度，PET的拉伸强度是PE膜的9倍，PC和PA膜的3倍；优良的热性能：熔融温度255~260℃，长期使用温度120℃；不耐强酸强碱，在水蒸气作用下也会水解；吸水率很低，尺寸稳定性好，且具有优良的耐候性。PET的性能PET的用途涤纶纤维：目前其产量约占到世界上合成纤维的一半；薄膜：各种绝缘膜、精密仪器包装膜、磁盘、磁带、磁卡等；聚酯瓶：饮料、食用油、调味品的包装等；增强改性PET：各类电器、机械零件。（2）聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）与PET相比，PBT脂肪烃链节更长一些，柔性会更好一些，Tg和Tm均会低一些，刚性也小一些；PBT结晶速度较快，只有薄膜制品是无定形态；PBT的力学性能一般，80%品种都是改性品种，如玻璃纤维增强PBT应用主要集中在电子、电气、汽车、机械方面，如汽车保险杠等COnCOOOCH24COnCOOOCH2CH2特种工程塑料概述20世纪60年代以来至80年代初——美苏两霸冷战时期军备竞赛的产物。主要品种：1．聚酰亚胺（PI）2．聚芳酯（U-polymer）3．聚苯硫醚（PPS）4．聚砜（PSF）（聚醚砜、聚芳砜）5.聚醚醚酮（PEEK）6.聚苯并咪唑（PBI）7.氟塑料特种工程塑料概述特点：1）物性方面：a.耐热等级高（一般定义为UL温度指数在150℃以上）b.力学强度大（一般为通用塑料的2~4倍）c.综合性能优异（如耐辐射、耐温、耐候）2）加工工艺方面：a.加工温度高（一般在300~400℃）b.注射压力大（一般需要120MPa~160MPa）c.模具必须加热（与通用塑料的冷却正相反）3）附加值高（一般每吨在1~10万美元之间，为通用塑料的几十倍）4）各品种多为几家大公司所垄断生产供应国内，PPS：1000t/a（四川华拓）、PES：300t/a、PEEK：100t/a2.2.6聚酰亚胺（PI）分子主链上含有酰亚胺基团的一类芳杂环聚合物；芳杂环耐高温聚合物中最早工业化的品种（DuPont，1960）；耐热性最好的品种之一；制备方法：先采用芳香族二元酸酐和芳香族二元胺缩聚成聚酰胺酸，然后经热转化或化学转化脱水形成PI；PI品种有20多种COCONCONArCOCONAr`COnNNOOOOnNNNNm聚酰亚胺的结构与性能大量的五元杂环及芳环——分子链刚性大，分子间作用力强；芳杂环的共轭效应——耐热性很高；分子主链中含有大量的酚基芳香环——分子链段内旋转困难，熔点升高，熔体粘度增大，流动性小，加工困难；具有优良的力学性能（-200~260℃），非常适合制造高温下使用尺寸精度要求高的制品；极其优异的热稳定性：热分解温度500℃以上；电绝缘性能优异——结构对称、Tg高和刚性大大影响了极性基团的活动；在强氧化剂下会氧化降解，在碱作用下会发生水解2.2.7聚砜异亚丙基——有一定空间体积，减少分子间作用力，提高韧性和加工性；醚基——增加分子的柔顺性；砜基，亚苯基——提供刚性、耐热性及抗氧化能力具有优良的力学性能，拉伸强度和弯曲强度均高于普通工程塑料；最高使用温度150~165℃，长期使用温度-100~150℃；主要缺点：疲劳强度较低分子主链上含有芳香基和砜基的一类非结晶热塑性聚合物（1）双酚A型聚砜（polysulfone，PSU）OSOOnOCCH3CH3（2）聚芳砜（P