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工程塑料是指一類(lèi)可以作為結(jié)構(gòu)材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)承受機(jī)械應(yīng)力，在較為苛刻的化學(xué)物理環(huán)境中使用的高性能的高分子材料。

工程塑料發(fā)展于上世紀(jì)50年代，具有優(yōu)良的綜合性能，主要表現(xiàn)為剛性大，蠕變小，機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱性好，電絕緣性好，可在較苛刻的化學(xué)、物理環(huán)境中長(zhǎng)久使用，可部分替代金屬作為工程結(jié)構(gòu)材料使用，在材料領(lǐng)域中占據(jù)非常重要的地位。

工程塑料被廣泛應(yīng)用于電子電氣、汽車(chē)、建筑、辦公設(shè)備、機(jī)械、航空航天等行業(yè)，隨著材料技術(shù)及設(shè)計(jì)工藝的提升，工程塑料替代金屬材料應(yīng)用日益增多，以塑代鋼、以塑代木已成為國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。

1、耐熱性

選擇材料時(shí)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素就是材料的耐熱性。

通常來(lái)講，如果想使材料的最大工作溫度提高就相應(yīng)需要增加更多的成本。

填充劑的加入能夠極大地提高材料的硬度和熱變形溫度，而且，對(duì)于高性能的和專(zhuān)用的聚合物來(lái)廛，玻璃纖維的加入能使成本大幅下降。因?yàn)檫@些，在聚合物中填充玻璃纖維經(jīng)常用于替代金屬一途。

常用來(lái)替代金屬的玻璃纖維填充聚合物的最大工作溫度和熱變形溫度對(duì)比：

▲ 填充30%玻璃纖維的聚合物的最大工作溫度和熱變形溫度

在高性能材料中加入碳纖維可以使材料的硬度和熱變形溫度大幅提高。與填充玻璃纖維相比填充碳纖維有以下優(yōu)點(diǎn)：

● 更高的硬度● 更低的密度● 良好的導(dǎo)電性● 良好的摩擦性能

因?yàn)檫@些原因，碳纖維經(jīng)常被用在汽車(chē)的燃料輸送線和燃料系統(tǒng)上。

2、硬度

金屬比較于塑料最大的優(yōu)點(diǎn)之一就是它們具有很高的硬度(平均值比較要比塑料的高8倍)。然而，在許多實(shí)際應(yīng)用中，并不需要這么高的硬度，如果有必要的話，還可以通過(guò)靈活的設(shè)計(jì)、骨架增強(qiáng)和低密度來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。在很多情況下，硬度也是一個(gè)關(guān)鍵的性能。

填充劑和纖維的影響

填充劑和纖維的加入都可以極大地提高材料的硬度。T當(dāng)表面外觀并不是一個(gè)主要關(guān)心的問(wèn)題時(shí)，玻璃纖維由于其高的性?xún)r(jià)比被經(jīng)常使用。然而，玻璃纖維會(huì)使材料產(chǎn)生各向異性，降低了它的加工性能，同時(shí)易磨損。

當(dāng)需要關(guān)注產(chǎn)品的外觀時(shí)，則可以加入一些礦石填充劑，如碳酸鈣、滑石、硅灰石、云母都是很好的選擇。然而材料的硬度和熱變形溫度都要比填充玻璃纖維的材料低很多。

檔次較高的產(chǎn)品，可以選用碳纖維作為填充劑，它可以賦予材料非常高的硬度。填充碳纖維的其它優(yōu)點(diǎn)有：

● 導(dǎo)電性● 極好的摩擦性能● 低密度

下圖比較了常用來(lái)替代金屬的聚合物的硬度(未填充的和填充了30%玻璃纖維的材料)。

填充玻璃纖維的高結(jié)晶度的聚合物的彎曲模量高于10GPa：聚丁二醇酯PBT，聚甲醛POM，聚乙二醇酯PET，聚苯硫醚PPS，聚醚醚酮PEEK，液晶樹(shù)脂LCP。在這些材料中，液晶樹(shù)脂LCP具有最高的硬度且有最高的各向異性。

3、耐沖擊性能

在許多實(shí)際應(yīng)用中，耐沖擊性能是一個(gè)關(guān)鍵的性能。圖1比較了室溫下常用的替代金屬的聚合物的沖擊性能(未填充的和填充了30%玻璃纖維的)。

在這些材料中，對(duì)于未填充的材料，聚碳酸酯PC和它的混合物：聚碳酸酯PC/ABS樹(shù)脂和聚碳酸酯PC/聚丁二醇酯PBT具有高的耐沖擊性能。當(dāng)持續(xù)工作溫度不超過(guò)100-120°C時(shí)，這些材料都是極好的選擇。對(duì)于填充玻璃纖維的材料有更高的硬度，液晶高分子LCP表現(xiàn)了杰出的性能。

沖擊性能改性劑的影響

沖擊性能改性劑的添加能夠使許多脆性聚合物材料的韌性得到很大的增強(qiáng)。聚合物的韌性由它自身、沖擊改性劑的份量和改性劑在基體中分散的質(zhì)量共同決定。然而，在所有的情況下你必須和硬度、耐化學(xué)性和加工性能相結(jié)合折衷考慮。

4、抗撕裂性能

自潤(rùn)滑性和耐磨損性

塑料替代金屬的一個(gè)很有前景的領(lǐng)域就是磨擦應(yīng)用方面，例如齒輪、泵轉(zhuǎn)子、引擎部件、剎車(chē)部件、滑動(dòng)部分等等。在這一領(lǐng)域，塑料具有以下優(yōu)點(diǎn)：

● 設(shè)計(jì)的靈活性● 減輕重量● 不使用潤(rùn)滑自潤(rùn)滑性● 降低噪聲

因?yàn)檫@些迫切的應(yīng)用需要，就要求材料具有低的動(dòng)態(tài)摩擦和好的耐磨損性，以避免在接觸的界面上生熱，因此要做到以下幾點(diǎn)：

● 避免機(jī)械性能的降低● 使材料的磨損最小化● 避免平滑現(xiàn)象

只有很少的材料自身就具備很好的自潤(rùn)滑性和耐磨損性，因此，材料本身的這些性能通常不能滿足工業(yè)的要求，因?yàn)檫@個(gè)原因，磨擦材料常含有層狀填充劑、硅油和一些聚合物這些物質(zhì)，聚四氟乙烯PTEE就是商品中常使用的一種聚合物。在某些情況下，最終材料的選擇也將依賴(lài)于工作溫度、硬度或耐化學(xué)性。

下圖比較了常用來(lái)替代金屬的聚合物材料的硬度和熱變形溫度。

常用的用于降低材料摩擦系數(shù)的組分有：石墨、氧化鉬、聚四氟乙烯PTEE、硅油或高分子量的硅樹(shù)脂。添加碳纖維也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，特別是對(duì)于那些需要非常高的硬度的應(yīng)用場(chǎng)合。

添加碳纖維的潤(rùn)滑配合體系(聚四氟乙烯PTEE和有機(jī)硅或無(wú)機(jī)硅)將會(huì)使材料具備相當(dāng)?shù)偷膭?dòng)態(tài)摩擦系數(shù)。

5、耐化學(xué)性

在一些應(yīng)用場(chǎng)合里，例如引擎部分、泵部分、燃料輸送線、高性能的管道和配件，這些材料要耐受苛刻的工作條件，在高溫下仍要耐很多化學(xué)試劑，并且要長(zhǎng)期保持它們的機(jī)械力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性。

在許多情況下，有著較高玻璃化溫度(Tg)的半結(jié)晶聚合物能夠提供最好的成本與耐化學(xué)性的性?xún)r(jià)平衡。在這些半結(jié)晶性聚合物中，例如氟聚合物、聚苯硫醚PPS, 聚醚醚酮PEEK, 液晶高分子LCP都是極好的選擇，尤其是需要在高溫下保持好的耐化學(xué)性的場(chǎng)合。與半結(jié)晶聚合物相比，無(wú)定形聚合物通常有著杰出的耐化學(xué)性，特別是對(duì)于有機(jī)溶劑、烴類(lèi)和燃料。

沖擊改性劑的效果

為了滿足工業(yè)要求，許多聚合物中都含有沖擊性能改性劑，在絕大多數(shù)情況下，沖擊改性劑加入工程塑料或者高性能的聚合物中會(huì)極大地減小它對(duì)于燃料、烴類(lèi)和其它有機(jī)溶劑的耐受性。但沖擊性能也限制了一些材料在一些場(chǎng)合的應(yīng)用，一個(gè)極好的例子就是聚苯硫醚PPS，它在高溫下有杰出的耐化學(xué)性，但是它的沖擊性能偏于中低。

6、耐紫外輻射性能

當(dāng)一個(gè)制品持續(xù)暴露于紫外光下，或者它被用于戶(hù)外，這樣的材料需要有極好的耐紫外輻射性能。這樣的應(yīng)用如汽車(chē)、運(yùn)輸工具、照明設(shè)備等等都需要有極好的耐氣候性。

按照一般的規(guī)則解決聚合物的耐紫外輻射性能是不可完的，因?yàn)檫@極大地依賴(lài)于材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和特殊的老化機(jī)理。含有雙鍵的聚合物通常對(duì)紫外光更為敏感(如ABS樹(shù)脂)。

下圖比較了常用的替代金屬的聚合物的耐紫外輻射性能。

在很多情況下，應(yīng)用于耐紫外輻射的材料含有紫外光穩(wěn)定劑或者碳黑。

沖擊性能改性劑的影響

添加沖擊性能改性劑的材料通常比不加的基體本身耐紫外輻射性能更差，這個(gè)規(guī)則對(duì)于含有雙鍵的聚合物進(jìn)行沖擊性能改性后更為準(zhǔn)確，如三元乙丙橡膠EPDM，抗沖改性劑MBS樹(shù)脂，丁二烯-苯乙烯共聚物SBS樹(shù)脂。

酸類(lèi)和基團(tuán)的影響

酸和基團(tuán)的影響來(lái)自于聚合過(guò)程、添加劑的分解、填料和外部環(huán)境(如化工廠)，它們對(duì)于材料的耐氣候性有負(fù)面影響。

聚合物如聚碳酸酯或聚酰胺中少量或痕量的基團(tuán)(氫氧化鈉、胺)對(duì)材料的耐氣候性也有不利的影響。這些基團(tuán)能常會(huì)促使酯基交換反應(yīng)，從而導(dǎo)致聚合物老化和泛黃。在聚碳酸酯中只要有痕量的ppm級(jí)的鈉就足以使材料的顏色穩(wěn)定性、水解穩(wěn)定性和最終的老化性能受到極大的影響。

因?yàn)檫@些原因，聚合物的純度和添加劑的純度就必須受到重視，它們是提高材料的耐氣候性時(shí)需要考慮的至關(guān)重要的因素。

7、耐伽瑪射線性能

在一些專(zhuān)用的場(chǎng)合里，材料要經(jīng)常暴露在伽瑪射線下，這特別是在一些醫(yī)療應(yīng)用上，經(jīng)常需要進(jìn)行定期的殺菌消毒。通常，含有雙鍵或者大量脂肪族單元的材料不具備好的耐伽瑪射線的能力。例如一些對(duì)伽瑪射線耐受力很差的材料，如：ABS樹(shù)脂, 聚甲醛POM, 聚丙烯PP……

在醫(yī)療應(yīng)用上，如外科手術(shù)工具、牙科工具、過(guò)濾的器具等等，這些材料都應(yīng)當(dāng)有好的耐水性，耐蒸汽性和好的耐化學(xué)性。

對(duì)于要求高的場(chǎng)合，一些材料，例如PSU, PPSU, PEEK, LCP, PEI，都是極好的選擇，對(duì)于要求稍低的場(chǎng)合，聚碳酸酯是一個(gè)有很好性?xún)r(jià)比的選擇。

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