第十二章-工程塑料

工程塑料Contents工程塑料1聚碳酸酯2聚酰胺3什么是工程塑料？工程塑料英文名为：engineering-plastics，是指一类可以作为结构材料，在较宽的温度范围内承受机械应力，在较为苛刻的化学物理环境中使用的高性能的高分子材料。一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚碳酸酯、聚砜等。生活中的工程材料工程塑料的发展1931年，杜邦公司的卡罗泽斯开发尼龙66，成为最先开工业化的工程塑料。1942年，德国人开发了尼龙6的工业技术，并作为纤维开发应用。1961年，中国开发PA1010。1972年，杜邦公司开发芳香族尼龙工业化技术。尼龙目前是工程塑料中产量最大的品种工程塑料的发展1953年，拜耳公司首次获得聚碳酸酯（PC）。1958年，拜耳公司以熔融酯交换法进行PC的中规模工业化生产。1960年，美国通用公司半工业化投产我国在1958年着手研发，1965年工业化建厂80年代后，PC的应用需求迅速示增长，80年代的增长速度接近13%，90年代保持在8~9%工程塑料的状况从20世纪50年代出现工程塑料以来，半个世纪的发展，在市场竞争中成长壮大，在2000年，全世界工程塑料产量已超过500万t，还以每年7~9%的速度递增。虽然仅占全部塑料的2~3%，但其优异的性能是其他材料不能比拟的。工程塑料的状况工程塑料的分类按聚合物结构单元和重复单元特征分类可分为聚酯，聚芳杂环化合物，聚酰氨，聚醚和含氟塑料五类按长期连续使用温度来划分通用工程塑料：聚酰胺，聚碳酸酯，聚甲醛，聚苯醚和热塑性聚酯。特种工程塑料：聚酰亚胺，聚砜，聚苯硫醚，聚醚，聚苯酯，聚芳酯等等。工程塑料的主要特性工程塑料的主要特性：质量轻、相对密度小工程塑料的相对密度一般在1.0~2.0之间，远低于金属，可替代一些传统的金属材料，减轻自重，用于航空飞行器、车辆等领域。工程塑料的主要特性较高的比强度：用玻璃纤维、碳纤维等纤维增强，可以大大提高抗张强度，拉伸强度与相对密度的比值一般在1500-1700，甚到高达4000（钢1600，铝1500）突出的耐磨和自润滑性能用工程塑料作摩擦零件，与耐磨金属合金相对，磨耗量低于1：5。氟塑料更佳工程塑料的主要特性优良的机械性能在较宽的温度范围内，许多工程塑料，尤其是增强的工程塑料有优异的抗冲击和耐疲劳性能。优良的电绝缘性几乎所有工程塑料都有优良的电绝缘性和耐电弧的特性，可以跻身优良绝缘材料行列工程塑料的主要特性化学稳定性对酸、碱和一般有机溶剂都有很好的抗腐蚀性。较好的制件尺寸稳定性有较高的耐热性一般的工程塑料在不同玻璃纤维增强时，UL长期连续使用温度都超过100℃，特种工程塑料的指标一般都超过150℃工程塑料的主要特性优良的吸震、消声和对异物的埋没性能工程塑料作为运动零部件使用时，没有金属撞击的噪声，有优良的吸震消声性能。对于有磨粒存在的条件下，可以埋没异物，不像金属之前可能会咬死或刮伤。工程塑料的主要特性良好的加工性能工程塑料可以在较低的温度下（通常400℃以下），采用注塑、挤出、吹塑等方法进行加工，制品可采用机械方法再加工，尺寸稳定，成品的互换性强，模具费用低，与加工金属相对，可节省能耗50%左右，而且缩短工时，成品率高。聚酰胺（尼龙）Nylon什么是聚酰胺聚酰胺，又称尼龙(Nylon),是一种人造多聚物、纤维、塑料，发明于1935年，发明者为美国威尔明顿杜邦公司的华莱士·卡罗瑟斯，最早的尼龙制品是尼龙制的牙刷的刷子,今天，尼龙纤维是多种人造纤维的原材料，硬的尼龙被用在建筑业中。世界上第一种完全人造的纤维什么是聚酰胺聚酰胺（PA），是主链上含有酰胺基团（-CONH-）的高分子化合物的总称。PA可以由二元酸与二元胺或由同时含有胺基和羧基的ω-氨基酸缩聚而得，也可由内酰胺自聚制得。PA按主链组成分为脂肪族PA、芳香族PA、半芳香族PA、脂环族PA、含杂环的PA等。聚酰胺的制备煤+水+空气尼龙6,6脂肪族聚酰胺的制备脂肪族聚酰胺分子链由亚甲基与酰胺组成。按照单体类型不同，脂肪族聚酰胺又分为p型和mp型。P型：尼龙3，4，6，7，8，9，11，12等mp型:尼龙66、69、610、1010、1212等脂肪族聚酰胺的制备p型聚酰胺由ω-氨基酸自缩聚或由内酰胺开环聚合制得（如尼龙6）水解缩聚脂肪族聚酰胺的制备mp型由二元胺与二元羧酸缩得所得到的聚酰胺是mp型聚酰胺（如尼龙6,6）缩聚尼龙6与尼龙6,6有什么区别？好像一样喔两种不同聚合的区别尼龙6,6与尼龙6的结构有细微差别，但是两种材料的性能基本相似、但也有不同。脂肪族聚酰胺的结构与性能所有脂肪族聚酰胺分子链都是线型结构，分子链骨架由-C-N-链组成，具有良好的柔顺性，因此都是典型的热塑性聚合物。分子链上有规律地交替排列着较强的极性酰胺键，分子链规整，具有较强的结晶能力。极性酰胺键可以使分子链形成氢键。脂肪族聚酰胺的结构与性能由于不同品种的PA其单体所含碳原子数不同，使分子链之间所能形成的氢键比例数及氢键沿分子链分布的疏密程度不同，影响到不同PA的结晶能力和熔点有明显的差别。氢键比例数大结晶能力增强，熔点愈高脂肪族聚酰胺的结构与性能对P型PA，凡单体中含有奇数个碳原子，分子链上的酰胺基可以100%形成氢键，偶数则只有50%可以形成氢键。对mp型PA，两种单体上都含有偶数碳原子，100%形成氢键，反之（即只有一种或没有偶数碳原子）50%形成氢键。脂肪族聚酰胺的结构与性能脂肪族PA热性能力学性能电性能光学性能耐化学性能其他性能脂肪族聚酰胺的结构与性能力学性能典型的强而韧聚合物，综合力性能优于一般的通用塑料。1.测试环境和条件（温湿度，加载速率）对力学性能影响大（水分有增塑作用）。2.具有良好的耐磨耗性，是优良的耐磨材料之一。结晶度愈高，材料硬度愈大，耐磨性愈好。脂肪族聚酰胺的结构与性能热性能PA是半结晶聚合物，结晶度一般小于聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等高结晶度聚合度。具有良好的柔性，玻璃化温度在室温左右，氢键的形成，使其熔融温度一般高于聚烯烃，有明显的熔点。电性能极性的酰胺基团，影响其电绝缘性。室温干燥的条件下，电绝缘性较好，潮湿的时候，电绝缘性减小。同时，温度升高，也会使电绝缘性降低脂肪族聚酰胺的结构与性能光学性能大多数结晶脂肪族PA超过2.5mm厚几乎不透明，低于0.5mm时为半透明。加入的添加剂（如炭黑等）作为成核剂，增加PA的结晶度、球晶数量，从而降低光透射，在球晶边界的光散射是光透射减少和不透的原因。随着PA中酰胺基浓度减少，PA的透明区增加。脂肪族聚酰胺的结构与性能耐化学性能具有良好的化学稳定性，由于其高的内聚能和结晶性，使其不溶于普通溶剂（醇、酯、酮类），耐许多化学药品，不受弱酸碱、油脂及清洁剂等影响。对盐水、细菌和霉菌都很稳定。常温下，溶于强极性的溶剂（硫酸、甲酸等）其他性能室温下，PA性能稳定，可长时间保持性能不变。具有相对优良的耐候性，气候的变化会使PA发脆，力学性能下降，表面产生变化。具有自燃性，但火焰传播速度很慢脂肪族聚酰胺的加工与应用PA具有宽泛的加工范围和良好的加工性，几乎所有常用的热塑件塑料加工方法均可加工PA。其中最主要的是注塑和挤出成形。令外，PA吸水率高。应该在成形前对树脂进行干燥。PA的应用极其广泛1.机械设务：轴承、轴瓦、活塞环、采叶轮等等2.汽车工业：主要采用玻纤增强PA，用在皮带轮、吸附罐、刮水器等等3.电子电器：机罩、集成线路板、旋扭、电器线圈4.化工设备：耐腐耐油管道、输油管、过滤器5.建筑与民用：门、滑轮、安全帽、绳索等等芳香族聚酰胺分子主链上含有芳香环的聚酰胺称为芳香族聚酰胺。芳香族聚酰胺是20世纪60年代首先由美国杜邦公司开发成功的耐高温、耐辐射、耐腐蚀尼龙新品种。目前投入实际应用的主要有两种：HNHNCCOOCCOOHNHN聚间苯二甲酰间苯二胺商品名：Nomex全对位聚芳酰胺：Kevlar聚间苯二甲酰间苯二胺的制备制备方法：以间苯二甲酰氯和间苯二胺为单体进行界面缩聚或低温溶液缩聚。界面缩聚是将间苯二甲酰氯溶于环己酮中成为有机相，间苯二胺溶在碳酸钠水溶液中成为水相，在快速搅拌下将水相倒入有机相，两相在界面进行缩聚,又称芳纶1313。CClCClH2NNH2OOHNHNCCOOHClNomex的结构特性结构特性1.分子链中交替排列的苯环，使分子链不能内旋转。2.极性酰胺基在分子链之间形成氢键，增大分子主链之间的作用力。3.苯环与酰胺基之间形成共轭体系。以上三点赋予了材料有很优异的耐热性、突出的强度、刚度、高熔点、高黏度。Nomex的性能和应用Nomex具有远高于脂肪族PA的力学性能和耐热性能（作为纤维织物，寿命是脂肪族PA纤维布的8倍，棉布的20倍）良好的耐热老化性（250oC经2000h热老化后，表面电阻率和体积电阻保持不变）在较高温度或潮湿的环境下仍可保持较好的电性能。主要用于H级电绝缘材料和制备高性能纤维（HT-1纤维）全对位聚芳酰胺全对位聚芳酰胺是酰胺基位于苯环对位的一种聚芳酰胺，制备方法有两种。对苯二胺与对苯二甲酰氯缩聚CClNH2H2NCClOOCCClOOHNHNH缩聚产物称聚对苯二甲酰对苯二胺，又称芳纶1414树脂主要用于制备Kevlar纤维全对位聚芳酰胺对氨基苯甲酸自缩聚NH2CHOONHCHOOH缩聚产物为聚对苯甲酰胺，又称芳纶14，也用于制纤维，称为B纤维全对位聚芳酰胺的性能与应用全对位聚芳酰胺具有超高强度、超高模量、耐高温、耐腐蚀、阻燃、膨胀系数小等一系列优异性能。Kevlar纤维的拉伸强度可达到直径相同的钢丝的5倍。Kevlar树脂具有极优异的耐热性（分解温度500oC）全对位聚芳酰胺主要用于超高强度超高模量纤维，也可作为高强度、高模量复合塑料增强材料，用于航天器、导弹壳体等。半芳香聚酰胺为了克服常规PA的耐热性差，吸水率引起的尺寸变化等性能缺陷，开发具有较好的物理机械性能、尺寸相对稳定的聚酰胺，人们尝试在脂肪族PA中引入含有苯环的半芳香族聚酰胺链段，由此制得的聚酰胺称为半芳香族聚酰胺。半芳香族聚酰胺是在脂肪族聚酰胺的分子主链中部分地引入苯环。半芳香聚酰胺的结构与制备一般用芳族的二酸或二胺代替脂族的二酸或二胺进行合成半芳香聚酰胺。目前研究的半芳香聚酰胺的主链上大都是具有或结构单元的均聚和共聚物，其中R为脂肪族链CCOHNRHNOHNHNCRCOO半芳香聚酰胺的产品均聚半芳香聚酰胺产品透明尼龙尼龙MXD6尼龙6T尼龙9T尼龙12T共聚半芳香聚酰胺产品德国（BASF）半芳香族共聚酰胺模塑料日本（三井化学）半芳香族共聚酰胺日本（可东丽）PA9M-T法国（埃勒夫阿托）高度耐化学试剂的透明尼龙中国（郑州大学）尼龙12T/12I半芳香族的应用主要应用于以下几个方面：电气电子工业：作为SMT（surfaceMountTechnology）基板。汽车工业：制作轴承支架、传动齿轮等纤维工业：可望作为衣料及工业用纤维材料聚碳酸酯Polycarbonate(PC)生活中的聚碳酸酯聚碳酸酯聚碳酸酯是指分子链中含有碳酸酯基的聚合物，可以看作是由二羟基化合物与碳酸的缩聚产物，通式为：R代表生成聚碳酸酯的二羟基化合物的主体部分R基团的不同，聚碳酸酯可分为脂肪族、脂环族、芳香族以及脂肪-芳香族等几类型。OROCOn没有特别加以说明的情况下，通常所说的聚碳酸酯都是指双酚A型聚碳酸酯及其改性品种聚碳酸酯的历史及主要品牌1953年，德国拜尔（Bayer）公司首先研究成功。1957年，拜尔公司实现工业化生产。生产PC的公司与品牌：NalgeNuncInternational：NalgeneGeneralElectric：LEXANMobayChemicalCompany：MERLONBayerCompany：MAKROLONTeijinChemicalLimited：PANLITE聚碳酸酯的制备由于自由状态的碳酸并不存在，因