工程塑料有哪些性能?及性能的介绍
来源 : 公开网络
作者 : 公开网络
时间 : 2021-05-27

工程塑料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。

工程塑料发展于上世纪50年代,具有优良的综合性能,主要表现为刚性大,蠕变小,机械强度高,耐热性好,电绝缘性好,可在较苛刻的化学、物理环境中长久使用,可部分替代金属作为工程结构材料使用,在材料领域中占据非常重要的地位。

 

工程塑料被广泛应用于电子电气、汽车、建筑、办公设备、机械、航空航天等行业,随着材料技术及设计工艺的提升,工程塑料替代金属材料应用日益增多,以塑代钢、以塑代木已成为国际发展趋势。

 

1、耐热性

选择材料时需要考虑的一个关键因素就是材料的耐热性。

 

通常来讲,如果想使材料的大工作温度提高就相应需要增加更多的成本。

 

填充剂的加入能够大地提高材料的硬度和热变形温度,而且,对于高性能的和专用的聚合物来廛,玻璃纤维的加入能使成本大幅下降。因为这些,在聚合物中填充玻璃纤维经常用于替代金属一途。

 

常用来替代金属的玻璃纤维填充聚合物的大工作温度和热变形温度对比:

 

在高性能材料中加入碳纤维可以使材料的硬度和热变形温度大幅提高。与填充玻璃纤维相比填充碳纤维有以下优点:

 

  • 更高的硬度

 

  • 更低的密度

 

  • 良好的导电性

 

  • 良好的摩擦性能

 

因为这些原因,碳纤维经常被用在汽车的燃料输送线和燃料系统上。

 

2、硬度

 

金属比较于塑料大的优点之一就是它们具有很高的硬度(平均值比较要比塑料的高8倍)。然而,在许多实际应用中,并不需要这么高的硬度,如果有必要的话,还可以通过灵活的设计、骨架增强和低密度来进行补充。在很多情况下,硬度也是一个关键的性能。

 

填充剂和纤维的影响

 

填充剂和纤维的加入都可以大地提高材料的硬度。T当表面外观并不是一个主要关心的问题时,玻璃纤维由于其高的性价比被经常使用。然而,玻璃纤维会使材料产生各向异性,降低了它的加工性能,同时易磨损。

 

当需要关注产品的外观时,则可以加入一些矿石填充剂,如碳酸钙、滑石、硅灰石、云母都是很好的选择。然而材料的硬度和热变形温度都要比填充玻璃纤维的材料低很多。

 

档次较高的产品,可以选用碳纤维作为填充剂,它可以赋予材料非常高的硬度。填充碳纤维的其它优点有:

 

  • 导电性

 

  • 好的摩擦性能

 

  • 低密度

 

下图比较了常用来替代金属的聚合物的硬度(未填充的和填充了30%玻璃纤维的材料)。







































填充玻璃纤维的高结晶度的聚合物的弯曲模量高于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,液晶树脂LCP。在这些材料中,液晶树脂LCP具有高的硬度且有高的各向异性。

 

3、耐冲击性能

 

在许多实际应用中,耐冲击性能是一个关键的性能。图1比较了室温下常用的替代金属的聚合物的冲击性能(未填充的和填充了30%玻璃纤维的)。

 

在这些材料中,对于未填充的材料,聚碳酸酯PC和它的混合物:聚碳酸酯PC/ABS树脂和聚碳酸酯PC/聚丁二醇酯PBT具有高的耐冲击性能。当持续工作温度不超过100-120°C时,这些材料都是好的选择。对于填充玻璃纤维的材料有更高的硬度,液晶高分子LCP表现了杰出的性能。

 

 

冲击性能改性剂的添加能够使许多脆性聚合物材料的韧性得到很大的增强。聚合物的韧性由它自身、冲击改性剂的份量和改性剂在基体中分散的质量共同决定。然而,在所有的情况下你必须和硬度、耐化学性和加工性能相结合折衷考虑。

 

4、抗撕裂性能

 

自润滑性和耐磨损性

 

塑料替代金属的一个很有前景的领域就是磨擦应用方面,例如齿轮、泵转子、引擎部件、刹车部件、滑动部分等等。在这一领域,塑料具有以下优点:

 

  • 设计的灵活性

 

  • 减轻重量

 

  • 不使用润滑自润滑性

 

  • 降低噪声

 

因为这些迫切的应用需要,就要求材料具有低的动态摩擦和好的耐磨损性,以避免在接触的界面上生热,因此要做到以下几点:

 

  • 避免机械性能的降低

 

  • 使材料的磨损小化

 

  • 避免平滑现象

 

只有很少的材料自身就具备很好的自润滑性和耐磨损性,因此,材料本身的这些性能通常不能满足工业的要求,因为这个原因,磨擦材料常含有层状填充剂、硅油和一些聚合物这些物质,聚四氟乙烯PTEE就是商品中常使用的一种聚合物。在某些情况下,终材料的选择也将依赖于工作温度、硬度或耐化学性。

 

下图比较了常用来替代金属的聚合物材料的硬度和热变形温度。

常用的用于降低材料摩擦系数的组分有:石墨、氧化钼、聚四氟乙烯PTEE、硅油或高分子量的硅树脂。添加碳纤维也是一个不错的选择,特别是对于那些需要非常高的硬度的应用场合。

 

添加碳纤维的润滑配合体系(聚四氟乙烯PTEE和有机硅或无机硅)将会使材料具备相当低的动态摩擦系数。

 

5、耐化学性

在一些应用场合里,例如引擎部分、泵部分、燃料输送线、高性能的管道和配件,这些材料要耐受苛刻的工作条件,在高温下仍要耐很多化学试剂,并且要长期保持它们的机械力学性能和尺寸稳定性。

 

在许多情况下,有着较高玻璃化温度(Tg)的半结晶聚合物能够提供好的成本与耐化学性的性价平衡。在这些半结晶性聚合物中,例如氟聚合物、聚苯硫醚PPS, 聚醚醚酮PEEK, 液晶高分子LCP都是好的选择,尤其是需要在高温下保持好的耐化学性的场合。与半结晶聚合物相比,无定形聚合物通常有着杰出的耐化学性,特别是对于有机溶剂、烃类和燃料。

为了满足工业要求,许多聚合物中都含有冲击性能改性剂,在绝大多数情况下,冲击改性剂加入工程塑料或者高性能的聚合物中会大地减小它对于燃料、烃类和其它有机溶剂的耐受性。但冲击性能也限制了一些材料在一些场合的应用,一个好的例子就是聚苯硫醚PPS,它在高温下有杰出的耐化学性,但是它的冲击性能偏于中低。

 

6、耐紫外辐射性能

当一个制品持续暴露于紫外光下,或者它被用于户外,这样的材料需要有好的耐紫外辐射性能。这样的应用如汽车、运输工具、照明设备等等都需要有好的耐气候性。

按照一般的规则解决聚合物的耐紫外辐射性能是不可完的,因为这大地依赖于材料的化学结构和特殊的老化机理。含有双键的聚合物通常对紫外光更为敏感(如ABS树脂)。

在很多情况下,应用于耐紫外辐射的材料含有紫外光稳定剂或者碳黑。

冲击性能改性剂的影响

 

添加冲击性能改性剂的材料通常比不加的基体本身耐紫外辐射性能更差,这个规则对于含有双键的聚合物进行冲击性能改性后更为准确,如三元乙丙橡胶EPDM,抗冲改性剂MBS树脂,丁二烯-苯乙烯共聚物SBS树脂。

 

酸类和基团的影响

 

酸和基团的影响来自于聚合过程、添加剂的分解、填料和外部环境(如化工厂),它们对于材料的耐气候性有负面影响。

 

聚合物如聚碳酸酯或聚酰胺中少量或痕量的基团(氢氧化钠、胺)对材料的耐气候性也有不利的影响。这些基团能常会促使酯基交换反应,从而导致聚合物老化和泛黄。在聚碳酸酯中只要有痕量的ppm级的钠就足以使材料的颜色稳定性、水解稳定性和终的老化性能受到大的影响。

 

因为这些原因,聚合物的纯度和添加剂的纯度就必须受到重视,它们是提高材料的耐气候性时需要考虑的至关重要的因素。

 

7、耐伽玛射线性能

在一些专用的场合里,材料要经常暴露在伽玛射线下,这特别是在一些医疗应用上,经常需要进行定期的杀菌消毒。通常,含有双键或者大量脂肪族单元的材料不具备好的耐伽玛射线的能力。例如一些对伽玛射线耐受力很差的材料,如:ABS树脂, 聚甲醛POM, 聚丙烯PP……

 

在医疗应用上,如外科手术工具、牙科工具、过滤的器具等等,这些材料都应当有好的耐水性,耐蒸汽性和好的耐化学性。

 

对于要求高的场合,一些材料,例如PSU, PPSU, PEEK, LCP, PEI,都是好的选择,对于要求稍低的场合,聚碳酸酯是一个有很好性价比的选择。