1、2.3 工程塑料的性能以及其应用,2.3.1 概述,工程塑料：通常是指用作工程材料，也即结构材料的热塑性塑料,性能 特点,在一定的外力下，具有良好的机械性能和尺寸稳定性。 高温(100)和低温(0)下仍能保持其优良的特性。 具有较好的电绝缘性能。,工程塑料分类,通用工程塑料 特种工程塑料,高聚物合成工艺学,五大通用工程塑料,聚酰胺PA 聚碳酸酯PC 聚甲醛POM 聚苯醚PPO 聚对苯二甲酸酯类：PBT,PET,塑料的性能等级,介电常数愈小绝缘性愈好。空气的介电常数为1.0006；而水的介电常数特别大，10时的水介电常数为83.83。在印制板的基材和高速电路接插件壳体中介电常数是重要的参数。,一
2、般结构零件要求：强度和耐热性无特殊要求，一般用来代替钢材和其他材料，但由于批量大，要求有较高的生产率，成本低，有时对外观有要求。主要用在：汽车调节器及喇叭后罩壳、电动机罩壳、各种仪表罩壳、盖板、紧固件等。主要材料：高密度聚乙烯、聚苯乙烯，聚丙烯等，这些材料只承受较低的载荷，可在6080使用。,耐磨受力传动零件：要求有较高的强度、刚性、韧性、耐磨性、耐疲劳性、并有较高的热变形温度，尺寸稳定。 主要用于：轴承、齿轮、齿条等， 主要材料有：尼龙、 MC尼龙、聚甲醛，使用温度可达80120。,透明结构零件：除上述要求外，必须具有良好的透明度， 主要用于；透明罩壳、油标、油杯、光学镜片、信号灯等。 主要
3、材料 ：改性有机玻璃、改性聚苯乙烯、聚碳酸酯。,减磨自润滑零件：对机械强度要求往往不高，但运动速度较高，故要求具有低的摩察系数，优异的耐磨性和自润滑性。主要用于；活塞环、机械动密封圈、填料、轴承等，主要材料：聚四氟乙烯、聚四氟乙烯填充的聚甲醛，在小载荷，低速时采用低压聚乙烯。,耐高温结构零件：除耐磨受力传动零件和减磨自润滑零件要求外，还必须具有较高的热变形温度及高温抗蠕变性； 主要用于：高温工作的结构传动零件如汽车分速器盖、轴承、齿轮、阀门、密封圈。 主要材料：聚苯醚、氟塑料，聚苯亚胺、以及各种玻璃纤维增强塑料等，可在150以上。,耐腐蚀设备和零件：对酸、碱、有机溶剂等化学药品具有良好的抗腐蚀
4、能力，还具有一定的强度； 主要用于：化工容器、管道、阀门，风机等； 主要材料：聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等。,聚酰胺 Polyamide (PA),聚酰胺简称PA，俗称尼龙，是指分子主链上含有酰胺基团（NHRCO）n的高分子化合物。,1926年杜邦公司的出于对基础科学的兴趣，建议该公司开展有关发现新的科学事实的基础研究，1927年该公司决定每年支付25万美元作为研究费用，并开始聘请化学研究人员，到1928年杜邦公司成立了基础化学研究所，年仅32岁的卡罗瑟斯（Carothers)博士受聘担任该所有机化学部的负责人。,1935年，卡罗瑟斯以己二酸与己二胺为原料制得聚合物，由于这两个组分中均含有6个碳
5、原子，当时称为聚合物66。他又将这一聚合物熔融后经注射针压出，在张力下拉伸称为纤维。这种纤维即聚酰胺66纤维，1939年实现工业化后定名为耐纶（Nylon），是最早实现工业化的合成纤维品种。,尼龙的合成奠定了合成纤维工业的基础，尼龙的出现使纺织品的面貌焕然一新。用这种纤维织成的尼龙丝袜既透明又比丝袜耐穿，1939年10目24日杜邦公在总部所在地公开销售尼龙丝长袜时引起轰动，被视为珍奇之物争相抢购。很多底层女人因为买不到丝袜，只好用笔在腿上绘出纹路，冒充丝袜。人们曾用“象蛛丝一样细，象钢丝一样强，象绢丝一样美”的词句来赞誉这种纤维，到1940年5月，尼龙纤维织品的销售遍及美国各地。,从第二次世界
6、大战爆发直到1945年，尼龙工业被转向制降落伞、飞机轮胎帘子布、军服等军工产品。由于尼龙的特性和广泛的用途，第二次世界大战后发展非常迅速，尼龙的各种产品从丝袜、衣着到地毯，渔网等，以难以计数的方式出现，是三大合成纤维之一。,杜邦公司最早丝袜广告,1958年4月，第一批中国国产己内酰胺试验样品终于在辽宁省锦西化工厂试制成功。产品送到北京纤维厂一次抽丝成功，从此拉开了中国合成纤维工业的序幕。因为它诞生在锦西化工厂，所以这种合成纤维后来就被命名为“锦纶”，也就是尼龙。,聚酰胺 尼龙 锦纶,主链中含有环状 结构和极性基团,高强度高耐热,聚酰胺 Polyamide (PA),聚酰胺：主链上含有许多酰胺基
7、团的一类聚合物,类型,(1). 二元胺二元酸型,主链结构,单体：二元胺+二元酸 例：聚酰胺-66(尼龙-66),聚酰胺 Polyamide (PA),(2). 内酰胺型,聚合单体：内酰胺 例：n=5, 聚己内酰胺，尼龙-6,原因：酰氨基团具有吸水性，吸水性的大小取决于酰胺基之间亚甲基链节的长短。即取决于分子链中CH2/CONH的比值，如聚酰胺6的(CH2/CONH=5/1 )吸水性比聚酰胺1010（ CH2/CONH=9/1）的吸水性要大。,氢键：结晶化，较高的力学强度和高的熔点。 亚甲基CH2 ：分子链柔顺，高的韧性。 共同点：耐磨性和耐化学药品性。 缺点：亲水性强，吸水后尺寸稳定性差。,尼
8、龙1010是我国独创的一种工程塑料，用蓖麻油做原料，提取癸二胺及癸二酸再缩合而成的。成本低、经济效果好、自润滑性和耐磨性极好、耐油性好，脆性转化温度低（约在-60），机械强度较高，广泛用于机械零件和化工、电气零件。,尼龙1010,聚酰胺 Polyamide (PA),尼龙-1010的制备,单体,尼龙-1010,脱水 缩聚,分子量控制和封闭不稳定端基,封端剂：精制癸二酸作封端剂（1.2%mol）,缩聚工艺流程(熔融本体缩聚),聚酰胺 Polyamide (PA),稳定剂：防止缩聚时发生副反应，提高制品耐老化性能醋酸的铜盐或锰盐，含磷化合物,聚酰胺 Polyamide (PA),芳香族尼龙又称聚芳
9、酰胺，是20世纪60年代由美国杜邦公司首先开发成功的耐高温、耐辐射、耐腐蚀的尼龙新品种。,凡是在尼龙分子中含有芳香环结构的都属于芳香族尼龙。如果仅仅将合成尼龙的二元胺或二元酸分别以芳香族二胺或芳香族二酸代替，则得到的尼龙为半芳香尼龙，以芳香族二酸和芳香族二胺合成得到的尼龙为全芳香尼龙。,芳香族尼龙脆化温度可达70，维卡软化温度可达270，耐高温、耐辐射、耐腐蚀、耐磨，有自熄性，在潮湿的状态下能保持较高的电性能。芳香族尼龙可以挤出、模压、层压、浸渍，可以用于制造纤维、薄膜、浸渍膜、装饰层压板、玻璃纤维增强层压板、耐高温辐射线管、防火墙等。,分子主链上含有芳香环。由芳香二元胺和芳香二元酸缩聚而成的
10、聚间苯二甲酰间苯二胺。,性能：高低温下都有很好的力学性能。熔点410，分解温度450，脆化温度70。且具有优异的电绝缘性，受温度和湿度的影响很 小，而且耐酸、耐碱、耐氧化性优于一般聚酰胺。不易燃烧，并且有自熄性。用途：绝缘材料，如耐高温薄膜、绝缘层压板、耐辐射材料等。,目前已经商业化应用的半芳香尼龙主要有MXD6、PA6T和PA9T，全芳香尼龙主要有聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）、聚间苯二甲酰间苯二胺（MPIA）和聚对苯甲酰胺（PBA）等。,全芳香尼龙是二十世纪六七十年代由美国杜邦公司开发成功并实现了工业化。全芳香族尼龙由于具有高熔点、高模量、高强度而被广泛用于合成纤维的生产。,PPTA是以
11、对苯二胺和对苯二甲酰氯为原料，采用杜邦公司开发的低温溶液聚合法制得的。PPTA具有高强度、高模量、耐高温、低密度等优良性能。主要用于合成纤维纺丝的原材料,PA6T是由芳香族二酸与脂肪族二胺合成的一种半芳香尼龙。PA6T具有优良的耐热性和尺寸稳定性。由于PA6T的熔点很高，可采用固相聚合或界面聚合的方法制备。可以用于纤维制造、机械零件和薄膜制品等。,PA9T是由壬二胺和对苯二甲酸熔融缩聚而得的，首先由日本可乐丽公司开发成功。PA9T具有良好的耐热性能和可熔融加工性能，吸水率仅为0.17%，是PA46(1.8%)的1/10，尺寸稳定性好等特点，迅速在电子电气、信息设备、汽车零部件等方面得到了广泛的
12、应用。,MXD6是20世纪50年代以间苯二甲胺和己二酸为原料，通过缩聚反应合成的一种结晶性尼龙树脂。作为一种结晶性半芳香尼龙，MXD6具有吸水率低、热变形温度高、拉伸强度和弯曲强度高、成型收缩率小、对O2、CO2等气体的阻隔性好等特点。MXD6由于具有较宽的加工温度，可以与聚丙烯（PP）共挤出、与高密度聚乙烯（HDPE）共挤吹塑。在工业上MXD6主要用于包装材料和代替金属作工程结构材料。,聚苯二酰胺（PPA）是以间苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸和己二胺之间缩聚形成的聚合物的共混物，是一种半结晶性的半芳香尼龙。PPA具有良好的耐热性、优良的力学性能和尺寸稳定性、较低的吸水率和优良的成型加工性，还具
13、有良好的电性能、耐化学药品性。PPA被广泛用于汽车、电子电器和一般产业机器领域。,聚间苯二甲酰间苯二胺（MPIA）以间苯二胺和间苯二甲酰氯为原料，可采用低温溶液缩聚法和界面聚合法合成。MPIA的突出特点是耐热寿命长，此外，它还具有模量高、耐磨、阻燃、高温尺寸稳定等优点。但MPIA的耐光性稍差，需加抗紫外剂。MPIA主要用于工业和易燃易爆高温环境下的工作服、耐高温工业滤材、降落伞、高温传送带、电气绝缘材料等。MPIA还可加工成棒、板和纤维，靠其优良的耐热性、滑动性和耐放射性等特性，被用于航空航天、原子能工业、电气和汽车等行业。,聚对苯甲酰胺（poly(p-benzamide，简称PBA），是20
14、世纪70年代由美国杜邦公司开发成功的。其合成路线为：对硝基甲苯经过液相空气氧化得到对硝基甲酸，对硝基甲酸经过氨化还原反应得到对氨基甲酸，把对氨基苯甲酸转化为对氨基苯甲酰氯的盐酸盐或对亚硫酰胺苯甲酰氯，最后在经缩聚制得PBA。PBA具有高模量、高强度等特性，在工业上可用于火箭发动机壳体、高压容器、体育用品和涂覆织物等。,单体浇铸尼龙（MC尼龙）的制备,单体浇铸尼龙：己内酰胺在强碱催化下，在浇模内直接聚合的过程。,本体聚合：本体浇铸聚合,己内酰胺在强碱催化下，能够快速的聚合是该浇铸聚合 得以实现的根本原因。,催化剂,NaOH N-酰基己内酰胺 （助催化剂）,N-酰基己内酰胺,MC尼龙的特点,分子量
15、高达3.5-7万 工艺简单，可以铸造大型机械部件。 吸水率为一般尼龙的一半，长期使用温度为100,芳香族尼龙的制备,A. 聚间苯二甲酰间苯二胺(杜邦公司：Nomex),单体和聚合反应,n,聚间苯二酰间苯二胺,聚合工艺：界面缩聚或低温溶液缩聚,性能及用途,熔点410 分解温度450 可在200下长期使用 可用来制成薄膜、漆布、层压板，作绝缘材料用,聚酰胺 Polyamide (PA),B. 聚对苯二甲酰对苯二胺(杜邦公司：Kevlar-49),单体和聚合反应,热稳定性: Kevlar品牌纤维在热试验中（TGA）非常稳定，直至600才有明显的重量丧失； 低侵蚀性: 具有高含量的Kevlar品牌纤维
16、试片，表现出比半金属片低的侵蚀性； 耐磨性: 与石棉纤维制成的刹车片比较，在Kevlar品牌纤维开松良好的状态下，体现出非常低的磨耗性。 维持预成型刹车片的强度，保持填充剂的持久性。 正是由于Kevlar品牌纤维有如上诸多优点，目前Kevlar品牌纤维被广泛应用于航空航天事业，船舶制造业及摩擦材料中。,性能及用途,超强、超高模量（钢的5倍）、高耐温纤维，200,聚酰胺 Polyamide (PA),船舶和气球的系留绳、渔具、游艇帆布 防弹西装背心和赛马服防护服 导弹、飞机、汽车、光缆加强件,发展方向,高强度、高模量、低密度 连续挤出聚合：分子量及分子量分布控制 降低原料成本，降低纤维价格,聚酰
17、胺的成型加工及应用,成型加工,注射、挤出、吹塑、烧结及冷加工；特别是单体浇注（MC尼龙）；熔融粘度低、易于充模；收缩率较大，可达3%，成型后的制品存在内应力和吸湿现象；熔点越高，结晶度越大，收缩率越大,性能及应用,强度好，耐冲击性优良；耐磨擦与耐磨耗性优良； 较好的耐腐蚀性；使用温度100左右； 齿轮、轴承、泵叶轮、风扇叶片、高压密封圈。,聚酰亚胺,聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，其中以含有酞酰亚胺结构的聚合物尤为重要。,非环状聚酰亚胺,具有最高的热稳定性和耐热性 具有优越的综合性能 相对于其他芳杂环高分子，比较容易合成 已经合成了几千个品种，有十多个品种已经产业化 有很广泛的应用
18、面。,聚酰亚胺的特点,聚酰亚胺的性能,(1) 对于全芳香聚酰亚胺，按热重分析，其开始分解温度一般都在500左右。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。(2) 聚酰亚胺可耐极低温，如在269的液态氦中仍不会脆裂。,(3) 聚酰亚胺还具有很好的机械性能。未填充的塑料的抗张强度都在100MPa以上，均苯型聚酰亚胺的薄膜(Kapton)为170MPa ，而联苯型聚酰亚胺(Upilex S)达到500MPa。作为工程塑料，弹性模量通常为34GPa ，纤维可达到280GPa，据理论计算，由均苯二酐和对苯二胺合成的纤维可达500GPa，仅次于碳纤维。
19、,(5) 聚酰亚胺的热膨胀系数在21053105/，联苯型可达106/，个别品种可达107/。,(4) 一些聚酰亚胺品种不溶于有机溶剂，对稀酸稳定，一般的品种不大耐水解，这个看似缺点的性能却给予聚酰亚胺以有别于其它高性能聚合物的一个很大的特点，即可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺，例如对于Kapton薄膜，其回收率可达8090。改变结构也可以得到相当耐水解的品种，如经得起120，500h水煮。,(6) 聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能；,(9) 聚酰亚胺在极高的真空下放气量很少。(10) 聚酰亚胺无毒，可用来制造餐具和医用器具，并经得起数千次消毒。一些聚酰亚胺还具有很好的生物相容性，例如，在血液相
20、容性试验中为非溶血性，体外细胞毒性试验为无毒。,(7) 聚酰亚胺具有很好的介电性能，介电常数为3.4左右。(8) 聚酰亚胺为自熄性聚合物，发烟率低。,聚酰亚胺的应用,(1) 薄膜：是聚酰亚胺最早的商品之一，用于电机的槽绝缘及电缆绕包材料。主要产品有杜邦的 Kapton 、宇部兴产的Upilex系列和钟渊的Apical。透明的聚酰亚胺薄膜可作为柔软的太阳能电池底板。 (2) 涂料：作为绝缘漆用于电磁线，或作为耐高温涂料使用。,(3) 先进复合材料：用于航天、航空器及火箭零部件。是最耐高温的结构材料之一。例如美国的超音速客机计划所设计的速度为2.4M，飞行时表面温度为177，要求使用寿命为60 0
21、00h，据报道已确定50的结构材料为以热塑性聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料。,(4) 纤维：强度可达5-6GPa, 弹性模量可达250300GPa，可与T700碳纤维相比，作为先进复合材料的增强剂、高温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物。,耐热纤维的性能,聚酰亚胺纤维与Kevlar纤维的比较,(5) 泡沫塑料：用作耐高温隔热材料。(6) 工程塑料：有热固性也有热塑性，可以模压成型也可用注射成型或传递模塑。主要用于自润滑、密封、绝缘及结构材料。(7) 胶粘剂：用作高温结构胶。(8) 分离膜：用于各种气体对，如氢/氮、氮/氧、二氧化碳/氮或甲烷等的分离，从空气、烃类原料气及醇类中脱除水分。也可作为渗透蒸发膜及超滤膜。由于聚酰亚胺耐热和耐有机溶剂性能，在对有机液体和气体的分离上具有特别重要的意义。,(9) 光刻胶：有负性胶和正性胶，分辨率可达亚微米级。与颜料或染料配合可用于彩色滤光膜，可大大简化加工工序。(10) 在微电子器件中的应用：用作介电层进行层间绝缘，作为缓冲层可以减少应力，提高成品率。作为保护层可以减少环境对器件的影响，还可以对-粒子起屏蔽作用，减少或消除器件的软误差。,
