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发布时间:2020-05-21 04:27:33

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作者:张玉龙

出版社:机械工业出版社

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实用工程塑料手册(第2版)

实用工程塑料手册(第2版)试读:

前言

工程塑料是一种新型的合成材料,且在合成材料中属于低成本、高效工程结构材料。因其原材料来源丰富,品种多样,性能优异,可调节性、可配制性强,应用领域逐步拓宽,属于当今发展最快、用量最大的工程材料之一。它与当前使用最为普遍的金属材料和无机结构材料一起,成为当今世界三大主导结构材料。近年来,随着高新技术在工程塑料中的应用,特别是改性技术、配方设计技术的深入发展,使得其牌号与各品级数量与日俱增,性能不断提高,应用领域迅速扩展,已成为国民经济建设、国防建设和人民日常生活不可或缺的重要工程材料之一,呈现出良好的发展势头。

为了普及工程塑料的基础知识,推广并宣传工程塑料改性和成型方法及应用中的新成果,我们对《实用工程塑料手册》进行了再版。2版(以下简称本书)全书12章35节,较为详细地介绍了聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、热塑性聚酯(PET与PBT)、聚苯醚(PPO)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜类(PSU)塑料、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚芳酯(PAR)与液晶聚合物(LCP)的性能、改性技术及加工与应用,采用实例的方式详细介绍了每一种改性塑料的原材料与配方、制备方法、性能、效果与应用等内容。本书在保留1版中工程塑料主要品种与性能的基础上,增添了改性、加工与应用内容,新增内容超过70%。

本书是塑料行业材料研究、产品设计、配方设计、制造加工、管理、销售和教学人员的必备工具书,也可作为培训教材使用。

本书突出实用性、先进性和可操作性,理论叙述从简,侧重于用实例说明问题,结构层次清晰,语言简练,信息量大,数据翔实可靠,图文并茂,可读性、可查阅性极强。若本手册的出版发行能对我国塑料工业的发展起到指导和促进作用,作者将感到无比欣慰。

由于水平有限,书中不妥之处在所难免,敬请读者批评指正。作者

第一章 工程塑料概述

第一节 工程塑料的基础知识

一、定义与范畴

工程塑料是指可用作结构材料的塑料。该类塑料具有较宽的使用温度范围、较长的使用寿命,使用期间可保持优良的特性、能够承受机械应力的作用。

所谓已在工程结构中应用的一类塑料主要是指通用工程塑料、特种工程塑料和高性能增强塑料等。

二、分类

工程塑料的分类方法很多,可按其化学组成、结晶程度、耐热性、受热后性能变化特点和功能或用途等方法加以分类,但不管哪一种方法,都难以全面概括,只是根据需要或便于形成一种明确概念,从某一侧面加以归纳分类表述的一种方式。本手册则按照工程塑料的应用或功能分类为主加以介绍,其他分类方法仅做简要介绍。(一)按用途或功能分类(1)通用工程塑料 聚酰胺(PA)(俗称尼龙)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、热塑性聚酯[聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)]和改性聚苯醚。(2)特种工程塑料 氟塑料、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜类(PSU)、聚酮类(如聚醚醚酮PEEK)、聚芳酯(PAR)、液晶聚合物(LCP)和发展中的特种工程塑料。(二)按化学组成分类

可分为聚酰胺类、聚酯类、聚醚类、聚烯烃类、芳杂环类和含氟类聚合物。(三)按结晶程度分类

按照聚合物的物理状态,可分为结晶型和无定型两类。聚合物的结晶能力与分子结构规整性、分子间力、分子链柔顺性能等因素相关,结晶程度还会受拉力、温度等外界因素的影响。利用聚合物的物理状态也可部分地表征聚合物的结构和共同特性,是常用的一种分类方法。(四)按耐热性分类

通常按长期连续使用温度划分为两类:使用温度在100~150℃的塑料(如通用工程塑料和改性工程塑料等);使用温度在150℃以上的塑料(如特种工程塑料)。

三、性能

(一)塑料的特点(表1-1)表1-1 塑料的特点(二)塑料性能术语(表1-2)表1-2 塑料性能术语(续)(续)(三)塑料的主要性能(表1-3~表1-7)表1-3 物理性能(续)表1-4 力学性能(续)表1-5 热性能(续)表1-6 电性能(续)表1-7 燃烧性能

第二节 工程塑料的改性方法、组成和成型方法

一、主要改性方法

工程塑料的改性方法分为聚合物合金(或掺混物)改性法、填充改性法、增强改性法和纳米改性法等。(一)聚合物合金改性法(1)机械共混改性法 将两种或两种以上的聚合物,以粉末状、溶液状、乳液状或熔体状,在通用塑料混合设备中加以混合,形成各组分均匀分散的聚合物合金的方法称为共混法。(2)接枝共聚法 接枝共聚是将聚合物单体B与聚合物A分子主链发生聚合反应的过程,通常生成的典型结构为。其接枝操作程序为:先制备聚合物A,再将其溶于聚合物单体B中,形成均匀溶液后,再利用引发剂或热能引发,使聚合物单体B向聚合物A主链上发生转移,便制得接枝共聚物。(3)嵌段共聚法 聚合物A与聚合物B在黏弹状态或熔融状态下,受强力剪切、超声波或高压电场作用而发生解聚,破裂产生端基活性大分子自由基,这种不同类型的大分子自由基相互结合而形成嵌段共聚物的过程,或者先制备一具有端基活性的聚合物,再用另一单体引发聚合而生成嵌段共聚物的过程称之为嵌段共聚法。(4)多层乳液共聚法 先用一种聚合物单体进行乳液聚合,以生成的粒子为核,并在其表面聚合形成另一种聚合物单体,使之形成内层与外层组成不同的多层粒子结构的方法称为多层乳液共聚法。(5)反应增容共混法 在两种聚合物热力学相容性不好或不相容的情况下,加入某种相容剂以降低两相之间的界面能,促进共混过程中相的分散,阻止分散相的凝聚,强化相间黏结或使共混聚合物组分官能化,通过相互反应增容的一种改性方法称为反应增容共混法。(6)互穿网络改性法 先制备一适度交联的聚合物网络(聚合物A),并将其在含有活化剂和交联剂的第二种聚合物(聚合物B)单体中溶胀,然后引发聚合就生成交联聚合物网络与第一种聚合物网络相互贯穿的聚合物合金结构,这一反应过程称为互穿网络改性法。(7)反应挤出改性法 利用双螺杆挤出机(又称反应挤出机),使掺混的物料在增容反应或化学反应的同时完成共混的过程称为反应挤出改性法。(8)动态硫化改性法 在硫化剂或交联剂存在的情况下,在熔融混炼过程使物料均匀分散的同时进行交联反应生成聚合物合金的过程称为动态硫化改性法。(9)分子复合改性法 以刚性棒状聚合物为分散相,柔性聚合物为连续相,采用熔融共混或原位聚合技术,使少量的分散相均匀地分散于连续相中生成聚合物合金的过程称为分子复合改性法。(10)综合改性法 综合改性法是指在聚合物改性过程采用了共聚、多重乳液聚合、反应挤出等技术使合金化一体完成的改性方法。典型的产品有商品牌号为catalloy和EXL3386的聚合物合金。这种聚合物合金具有微观相分离形态,热变形温度达250℃,且冲击强度良好。(二)填充改性法

填充改性法是运用在组成和结构上与聚合物基体不同的填料(常为无机填料),以机械掺混的方式,将其添加到聚合物中去,形成分散均匀的复合体系的过程。

常用的填料有以下三类:(1)惰性填料 以增加体积、降低成本为目的。(2)活性填料 以改善聚合物某些力学和物理性能为目的。(3)功能填料 以赋予或改进聚合物某些功能特性为目的。(三)增强改性法

增强改性法是以聚合物为基体或连续相,以纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超拉伸聚乙烯纤维、陶瓷纤维、金属纤维等)为增强材料或分散相,采用浸渍或机械混合法制成分散均匀复合材料体系的一种改性方法。

增强改性的目的:

1)提高工程塑料的硬度、密度、刚性(弹性模量)和强度。

2)提高工程塑料的热变形温度,减小其力学和物理性能对温度的依赖性。

3)降低制品收缩率。

4)改进工程塑料的蠕变行为和表观模量,降低载荷黏弹屈服特性,局部改进耐冲击强度等。

5)降低成本等。(四)纳米改性法

纳米改性是采用机械共混、原位聚合、插层、溶胶-凝胶和分子组装等技术,将纳米级无机粒子、陶瓷粒子、金属粒子、半导体粒子、纳米碳管、纳米葱、纳米线等均匀地分散于树脂基体中形成新型的塑料体系。纳米物质在体系中通过其小尺寸效应、体积效应、表面或界面效应和宏观量子隧道效应的发挥可显著改进和提高塑料的力学性能和热性能,并可赋予塑料新的功能特性。纳米改性法是目前乃至将来塑料改性所追求的高新技术,代表了塑料乃至材料科学发展的重要方向之一。

二、组成和成型方法

(一)塑料的组成(表1-8)表1-8 塑料的组成① 此处表示质量分数。本书后文中的用量、含量等若未明确说明,均表示质量分数。(二)塑料的成型方法(表1-9)表1-9 塑料的成型方法

第三节 工程塑料技术创新

一、简介

21世纪是知识经济的时代,科学技术的日新月异,使高新技术产品不断涌现。同时,也使得市场竞争日趋激烈,其竞争的焦点主要体现在产品的技术含量和技术的创新能力上,工程塑料行业也是如此。工程树脂合成工艺的技术创新程度决定了工程塑料原材料的技术含量,加工工艺和加工设备的创新能力决定了工程塑料及其制品的技术含量。这一技术含量的高低又决定了产品的市场竞争力。企业只有对工程塑料原材料、加工工艺与设备实施不断的技术创新,突破其关键技术,引入和应用高新技术,才能立于不败之地。可以说技术创新是工程塑料发展的永恒主题。

二、树脂的技术创新

树脂是工程塑料的主要原料。其性能的优劣决定了制品质量的高低。要制取高质量、高性能的树脂,除了引用高新技术和高效催化技术外,树脂改性技术仍是树脂技术创新的最主要途径。改性的目的是普遍提高树脂的综合性能并赋予树脂新的功能特性。具体来说是,使通用塑料工程化,通用工程塑料和热固性塑料高性能化、特种工程塑料适用化以及各类塑料功能化。所采用的改性方法主要包括ABC改性(A是合金化、B是掺混化、C是复合化)、纳米改性和掺杂改性等。(1)ABC改性 所谓ABC改性技术就是工程树脂的合金化(Alloy)、掺混化(Blend)和复合化(Composite)技术。这是已应用多年的改性技术,其技术成熟,改性效果好,对提高工程树脂的综合性能和赋予其功能特性应用价值很高。可以相信,这仍是未来提高树脂性能的非常有效的实用性技术。

合金化或掺混化改性的目的是通过聚合物的优化组合实现其性能的互补,以获得单一材料所不能实现的有实用价值的新性能。合金化或掺混化所采用的技术是共混接枝、嵌段、互穿网络(IPN)、原位复合和反应增容技术等。

复合化技术又称增强技术,主要是提高工程塑料的强度与刚性,使之满足工程结构的使用要求。众所周知,树脂本身的刚性与强度是有限的。其刚性与强度主要来自于增强材料,特别是纤维材料含量的高低决定了工程塑料与制品的性能水平。而新型的连续纤维增强、长纤维增强、混杂纤维增强、多向编织物增强、预成型物等技术是进一步提高工程塑料与制品性能行之有效的方法。可以说,选择高性能纤维(如S-2玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超拉伸聚乙烯纤维、陶瓷纤维和金属纤维等),采用合适的增强方法,控制好树脂与增强材料的界面关系就可制备出满足工程塑料结构使用要求的制品,甚至可制造出高性能复合化结构或高性能多功能结构的制品。(2)纳米改性 纳米改性技术是利用处于纳米级物质的小尺寸效应、表面和界面效应、体积效应和宏观量子隧道效应等原理,在与树脂体系掺混或复合后,可使树脂性能发生突变,在提高树脂综合性能的同时,还可赋予树脂奇特的功能特性。已商品化的某些纳米改性塑料充分展示了这一效果。纳米改性技术代表了材料科学发展的方向,是一种新技术,用其改性工程塑料可以获得事半功倍的效果。可采用的改性方法有插层、共混、原位聚合、溶胶-凝胶、LB制膜和分子组装等技术。(3)掺杂改性 掺杂改性技术是早期用于半导体材料的制备技术,后来被用于开发那些采用熔融成型方法难以加工的聚合物(如聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩和聚吡咯等结构型导电塑料),是未来开发功能塑料的主要技术。这一技术除具有分子设计的特点外,通过掺杂处理可在难加工聚合物中引入一价对阴离子(这称为P型掺杂),或引入一价对阳离子(这称为N型掺杂),掺杂后的聚合物可保持树脂的分子结构、加工特性和形变行为等特性,也就是说掺杂后的聚合物具有高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子的共同特点,并具有高分子材料的设计结构的多元化、易加工和轻质等特点。其性能特别是电导率会发生突变。以聚乙炔为例,其电导率可从未掺杂前的-10310S/cm提高12个数量级,达到2×10S/cm。聚乙炔是未来二次电池、发光二极管、光学元件、非线性光学元器件、智能窗、人工肌肉、高级功能膜和隐身材料的高性能原材料。

三、配方创新

(1)配方创新的重要性 工程塑料配方是在充分了解制品性能要求、原材料(包括树脂和助剂的性能、价格、配伍性)和成型工艺条件的基础上,将树脂与助剂按一定比例配合在一起的技术。这是工程塑料研究和制造中十分重要的环节。这是因为配方的好坏、助剂的选择适当与否都会直接影响工程塑料及其制品的性能和使用,影响制品的生产和价格以及市场竞争力。不同的树脂与助剂可以制造出用途不同的工程塑料与制品,通过对树脂与助剂的优化设计,可以制成强度和硬度类似金属的结构材料、透明性与玻璃一样的透明材料、软似橡胶一样的弹性体材料、具有独特功能的耐高温材料、耐磨材料、导电材料和导磁材料等。此外,还要掌握树脂和助剂的配伍性,通过几种材料的并用取得协同效果,优化组合,也可通过优选法、正交试验法取得最佳效果。

为实现这一目标,也必须采用高新技术(如计算机辅助专家系统和计算机仿真评价系统等)并对原材料进行有效选择和改性。(2)计算机辅助设计专家系统 运用计算机辅助设计专家系统进行推理、优选、决策,可使选材命中率达99%,是目前较先进且可靠的方法。专家系统是一个智能程序系统,它能利用专家的知识及方法解决所遇到的问题。但一般企业不可能开发此类软件,只能购买现有支撑软件,并在此基础上进行必要的二次开发形成自己的应用软件。支撑软件的选择非常关键。可喜的是这种软件已国产化,其技术已逐渐形成并开始应用。(3)计算机仿真评价系统 该技术也是依赖于特定的支撑软件,并通过二次开发设置成符合本单位或本专业的应用软件。通过计算机条件假设、推理、优化组合仿制成几种配方,仿制成制品再进行制品检验,选择出一组或几组最佳配方或对配方做出评价。这是一种工程塑料制品的模拟制造程序。在配方设计中应用可大幅度降低成本,提高效率。(4)对原材的有效选择与改性 工程塑料配方设计与日用塑料截然不同,它对刚性和强度要求高,制品的应用环境比较恶劣。一般均为增强塑料或填充塑料。这就涉及对树脂、增强材料、填料和助剂的选择。一般说来,工程塑料与制品要选用改性树脂,如工程化改性或纳米改性的通用树脂和通用工程树脂,以及特种工程树脂合金等。而增强材料则选用高性能纤维(如S-2玻璃纤维、芳纶、碳纤维、超拉伸聚乙烯纤维、陶瓷纤维、金属纤维等),其增强方式要采用连续增强、长纤维增强、混杂增强或制成预成型物和预浸料等方法;而填料的选用最好选用纳米填料对树脂进行改性,会使制品综合性能显著提高。

配方设计与确定是工程塑料与制品制备成功与否的前提,是十分重要的环节。本书除论述配方设计的理论外,还将结合各具体品种或产品给出优选配方,供读者选用。

四、工艺技术创新

(1)合成工艺的创新 国外工程塑料的生产工艺已达到很高的水平,也很成熟,但仍高度重视应用新技术和新的原料路线、改造传统工艺,并不断取得成效。例如,非光气酯交换法PC生产工艺的开发及产业化,是以甲醇、一氧化碳和氧气为原料,经羰基合成得到的碳酸二甲酯与苯酚进行酯交换反应生成碳酸二苯酯,再与双酚A反应得到聚碳酸酯。这条路线革除了剧毒的光气,实现了“清洁生产工艺”,产品质量上了一个新台阶,加速了PC进入光媒体的进程,迎来更广阔的应用领域。巴斯夫公司以丁二烯代替芳族为原料开发出制备尼龙66的单体己二酸的新工艺,减少了三废,提高了效率。新开发的异亚胺化生产聚酰亚胺新工艺,提高了产品质量。当今工艺技术创新工作方兴未艾,开展得十分活跃,一批正在开发的项目,如以双酚A、一氧化碳和氧气为原料,经催化氧化、羰基化反应,直接合成PC。巴斯夫公司与杜邦公司合作,进一步开发以天然气和丁二烯为原料,合成己二胺的联合生产工艺等,都取得了良好的进展,预计还会取得突破性进展。(2)成型加工工艺的创新 尽管目前工程塑料制品成型加工工艺十分成熟,也比较完善,但为了市场竞争需求和研制高性能制品的需要,还是要对成型工艺技术进行创新。如在反应注射成型工艺问世不久,为了获得其在制备工程结构件中的应用,很快研制出增强反应注射成型(RRIM)工艺,随后又研制出结构反应注射成型(SRIM)工艺,又如最近出现的树脂传递模塑(RTM)工艺。在不到三年的时间内,就先后出现了真空辅助RTM、共注射RTM、智能RTM等。为了制得高质量制品,又提高生产效率,国外将注射工艺与模压工艺相组合,研制出注射-模压工艺的缠绕-模压成型工艺等。为制得无熔接痕的高强度工程塑料制品,国外研制出“推拉”成型工艺。为解决难熔聚合物基体中纤维含量不高的问题,而研制出“环化”成型工艺,即以低相对分子质量的聚合物浸渍纤维增强材料,浸渍后再进行反应环化处理,使聚合物恢复正常黏度再加工成型。利用这一工艺可使纤维含量(质量分数)高达80%以上。这些工艺的技术创新,为利用现有工艺制备高性能工程塑料与制品奠定了坚实的基础。随着高新技术在工程塑料加工中的应用,工艺技术必将会有更大的技术创新。

五、为保持工程塑料工业的持续发展而创新

全球环境危机的不断增强推动了环保工作的社会化、全人类化。环保工作已成为树立企业形象、企业竞争能力的重要体现。环保意识强的企业受到市场的大力支持,无污染的环境友好产品或称绿色产品,受到消费者的青睐,获得很好的市场占有率。环境保护工作与市场机制的日益紧密结合,是环保工作向深度发展的重要方向。

塑料制品是对环境有危害的产品,特别是日用塑料所造成的“白色污染”已受到各界的高度关注。尽管工程塑料与制品用量比日用塑料少,对环境所造成的危害也不如日用塑料大,但要保持工程塑料工业的持续发展,也必须进行技术创新,尽量减少或消除工程塑料与制品在加工和使用过程中对环境的危害。应进行的环保技术创新领域有:(1)生产过程中的技术创新 实施“清洁生产”工程,避免生产过程的废旧料存放、堆积,力争做到对原材料和废旧料的日回收利用。(2)开展废旧工程塑料的回收利用 应大力开发废旧工程塑料制品的回收利用工作。目前采用的方法是:

1)废旧塑料与新料混合再利用法。即按照一定的比例,将废旧料与新料掺混改性后重新使用。

2)对无法再次熔融的热固性塑料与制品,通过焚烧法抽取原体或燃料再次应用。

3)对那些无利用价值的废旧料,作为燃料进行销毁。

目前世界各国对废旧塑料的回收处理制定了更为严格的规范,提出了更为严格的要求。然而,废旧塑料的数量与日俱增,对环境形成了严峻挑战,故而世界各国的塑料公司纷纷投巨资开发并建立废旧塑料再生利用厂。DSM化学公司和Allised Signal公司联合在美国建立了处理废旧PA6地毯废料9万t的再生产回收装置,每年可回收己内酰胺4.5万t;BASF等公司联合建装置,采用氨甲醇和甲苯作为溶剂,经催化水解,获得双酚A和碳酸酯类。“零垃圾”“零排放”“高的资源再生率”以及“生产环境友好产品”等将成为当今规范企业环保行为的共同要求。(3)加快降解塑料的开发应用研究,尽快进入实用阶段 提倡生产无污染、易回收、环境友好的高分子材料。为了消除产品使用过程的二次污染,各大公司纷纷开发可生物降解、易回收的工程塑料。美国Eastman化学公司推出的由己二酸和对苯二酸与1,4丁二醇合成的可生物降解的共聚酯已商品化;杜邦公司推出的可生物降解的改性PET商品名Biomax系列等,都取得了“同等优先”的地位,成为用户首选的品牌。

第四节 工程塑料的地位与作用

自20世纪中期工程塑料问世迄今,工程塑料为了满足工程结构的性能要求,取代传统结构材料、开拓新的应用领域、跻身于材料市场,采用各种改性手段,使其性能不断提高,在激烈的市场竞争中逐步发展壮大起来,呈现出旺盛的生命力。其发展速度为年增长10%以上。到目前为止,工程塑料已成为国民经济和国防建设及社会发展中的主导材料之一。

一、在国民经济建设中的作用

由于工程塑料具有优良的力学性能、耐化学性能、耐蚀性、高比强度、高比模量、良好的结构特性及功能特性、灵活的可设计性、可配制性与低成本加工性等,在国民经济各个部门具有广阔的应用前景,已成为各工业部门不可替代的重要原材料。(一)工程塑料已成为车辆应用和制造中的主体材料

工程塑料在车辆中的应用量占工程塑料总体用量的1/3,主要部件类型为结构部件、装饰构件和功能制件等。

工程塑料的密度仅是钢的1/4~1/5,将这些材料用于车辆可在很大程度上减小自重、提高车速,同时还可以减少轴和轮胎的磨损,延长使用寿命。尤其重要的是自重减小可在很大程度上降低油耗。采用工程塑料制造汽车部件,在相同条件下耗油不超过钢制汽车的1/4,这是一个非常有诱惑力的比例,因此美国、日本等几个大汽车公司如福特、丰田,都非常重视用工程塑料制造汽车构件。据报道,福特公司一辆由碳纤维增强塑料制造车身主要部件的小轿车,其燃料效率提高了38%。此外,由于工程塑料韧性好,受到撞击后大幅度吸收冲击,可避免重大的伤亡事故。英国曾展出一辆由芳纶增强塑料制造的轿车,展览者用铁锤猛击车顶竟无破损,同时以100km/h速度碰撞也未损坏。用工程塑料制造的汽车部件很多,如驾驶室、挡泥板、保险杠、前脸、发动机罩、仪表盘、地板、座椅等。日本东丽公司研制成功用碳纤维/环氧做的驱动轴、板簧,这种板簧自重小、弹力大,仅用一片就可代替传统的多片叠板弹簧。

工程塑料构件已逐步渗入火车结构。铁路是国民经济的动脉,铁路运输对整个国民经济的发展具有重大影响。铁路运输约占一个国家运输总量的60%。制造火车的主体材料是钢材和木材,我国木材资源缺乏,使用钢材又不能满足要求,所以从20世纪50年代起人们就寻找可以替代的材料,通过国内外的试验证明,工程塑料是制造铁路运输装备较好的材料。世界上有许多国家已把工程塑料用到火车制造业中,并取得了良好的效果。日本新干线上的高速列车,其车箱外壳是由泡沫塑料夹芯的玻璃纤维增强聚酯制成的,这种材料结构刚度大,保温、抗振、防水性好,在高速行驶时不会产生过度的颠簸。用工程塑料制造的还有水箱、整体卫生间、车门窗、冷藏车保温车身、运输液体的贮罐、集装箱等。这种集装箱自重小、耐冲击性好、密封性好、防水、耐腐蚀、抗污染,因而运载效率高,又经久耐用,所以它将是取代钢制或铝制集装箱的极好材料。

除用于车体结构外,工程塑料还是铁道通信线路工程中使用的优良材料。通常用它做成信号机、变压器箱、电缆盒、轨道绝缘材料。据报道,英吉利海峡连接英、法两国的隧道铁路,其电缆线绝缘材料就使用了工程塑料。(二)工程塑料是普遍应用的建筑材料,为推动高强轻质建筑结构的发展起了重要作用

用于建筑工业的工程塑料,绝大多数是高效低成本玻璃纤维增强塑料。由于这种材料具有优异的力学性能,较好的隔热、隔声性,吸湿和透水率低,电绝缘性能好,有很好的耐化学腐蚀性,特殊处理的玻璃纤维增强塑料具有较好的透光性,加之装饰性好,尤其是其性能的可设计性和产品设计的高度灵活性,一直为建筑业所青睐,目前已在建筑结构、围护、门窗、卫生洁具、供暖、通风、建筑装饰等方面广泛应用。玻璃纤维增强塑料制作承重结构和围护结构,与传统钢材或混凝土等材料相比独具特点,玻璃纤维增强塑料的轻质、高强,可做成大跨度、大幅面的屋梁及顶棚等建筑构件,用于宽敞明亮的展览馆、体育馆、电影院、剧场等建筑尤为适宜。前苏联、德国已建成跨度为18~24m的温室,上海玻璃钢研究所在云南建造了一座直径44m的玻璃纤维增强塑料球形雷达天线罩。按设计分析,如采用玻璃纤维增强塑料为双曲面屋顶结构,其跨度可达200m,这样无需任何梁柱支撑的大跨度结构只有用玻璃纤维增强塑料才能实现。同时由于它具有隔热、隔声、防水、阻燃、易装饰等性能,也是围护结构的极好材料。

用玻璃纤维增强塑料制备的凉水塔、卫生间洁具、高位水箱等制品在我国已形成较大的生产规模,目前已完全取代了钢筋混凝土、金属和木材等传统建筑材料,而且具有耐腐蚀、高强度、自重小,并可根据建筑的风格设计成各种形状。这一新的结构物对解决我国大多数城市供水缺乏问题无疑是件极大的好事。(三)工程塑料已成为新型防腐材料,在化学防腐工程中具有无可替代的地位

玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂和聚酰亚胺等增强塑料具有较高的耐化学介质腐蚀性。例如,在碱溶液中玻璃纤维增强环氧树脂可使用10年,而普通钢管只能使用1年多。在酸介质中玻璃纤维增强塑料比不锈钢表现出优异的耐蚀性,因此在石油化工等防腐蚀工程中,近年来越来越广泛地得到应用,已成为不可缺少的新型耐腐蚀材料。

目前用玻璃纤维增强塑料制造的化工耐腐蚀设备有大型的贮槽、容器、传质用各种管道、弯头、三通、管接头等配件以及通风管道、烟囱、风机、泵等。对用于防腐工程的玻璃纤维增强塑料产品早在1965年美国就制定了有关的设计、制造和检验标准与规范。英国、加拿大和日本等国也都相继制定了相应标准,如日本增强塑料技术协会1975年制定的“手糊法成型耐腐蚀玻璃纤维增强塑料设备制品标准”,美国1969年制定的“缠绕法制造玻璃纤维增强塑料贮槽制品规范”。由上述的定型标准和规范可见,工业发达地区的北美、西欧和日本等对玻璃钢在防腐工程领域所发挥的作用十分重视,并已经形成了一个庞大的产业,在国民经济中占有一定的地位。

我国20世纪60年代初引进玻璃纤维增强塑料技术后不久,即开始在化工防腐中的应用,并收到了良好的效果,预计玻璃纤维增强塑料作为防腐工程材料在我国将有极其光明的发展前景。(四)工程塑料已逐渐成为基础工业不可短缺的主导材料

1)在电器工业中用于制作层压板、敷铜板、绝缘管、电机、护环、槽楔、绝缘子、灯具、电线杆、带电操作工具等。

2)在农渔业方面用于制作蔬菜、花卉、水产养殖、养鸡、养猪等温室,以及粮仓、水渠、化粪池、粪便车等。

3)在机械制造工业中工程塑料的用途很广,如风机叶片,纺织机械、化纤机械、矿山机械、食品机械等部件及齿轮、法兰盘、防护罩等。

4)用于制作体育器材,如撑杆、弓箭、赛车、滑板、球拍、雪橇、赛艇、划艇、划桨等。

5)航空工业在大型的主航线民航飞机上也开始应用,如美国波音737至波音767,欧洲的空中客车A310~A340,前苏联的主航线客机等型号上用作机头雷达罩、发动机罩、副翼、襟翼、垂直尾翼和水平尾翼的舵面、翼根整流罩以及内部的通风管道、行李架、地板、卫生间、压力容器等。

6)在船舶工业用于制作各种工作艇、渔船、交通艇、摩托艇、救生艇、游船、军用扫雷艇和潜水艇等。

7)人造地球卫星几乎全部是由不同的纤维增强塑料和复合材料制造的空间结构,如卫星仪器舱本体、框、梁、桁、蒙皮、支架、太阳能电池的基板、天线反射面等。特别是地球同步通信卫星的天线反射面,始终要准确地对准地面上某一个接收站,当卫星反复处于地球的向阳面和背阳面的交变过程,卫星上的温差可达200℃以上,在这样的交变温差下要求天线反射面的支架不热胀冷缩,需要由“零膨胀”材料制成。目前只有经过精心设计的工程塑料和复合材料才能具备“零膨胀”这一特殊性能。

二、在国防建设中的地位与作用

工程塑料特别是高性能纤维增强塑料,属军用新材料技术发展的重点材料。它不仅具有结构材料优良的结构性能、良好的综合特性,而且还具备某些功能材料特性(如耐腐蚀、不锈蚀、隐身性、电磁波屏蔽性、绝热耐热和优良的电绝缘性等),以及质量小、比强度高、比模量高等性能。工程塑料是武器装备实现轻量化、小型化、功能化以及智能化的重要材料技术,具有极其重要的军事实用价值,也是未来武器装备制造中极为重要的结构和功能材料。

未来战争对武器装备的要求可概括为“三化”“三性”“三高”“一全”,即轻量化、小型化、功能化,隐蔽性、机动性和生存性,高精度、高威慑和高速度,以及全天候作战的能力。这些要求具体体现在减小武器装备质量、缩小其体积、提高战争的机动性和生存能力上,要制得这种武器装备满足未来战争需要,除了在武器装备结构的设计上下功夫外,选用高性能材料是解决问题的关键。(一)利用工程塑料密度低、比强度高、比模量高,使武器装备轻量化和小型化

工程塑料特别是高性能纤维增强塑料已应用多年,其轻质高强的特性早已被军方认可,这是那些对质量要求十分苛刻的武器装备系统可选用的最佳材料。

1.航天武器装备

20世纪60年代初期,美国采用玻璃纤维增强环氧塑料制备了“北极星”导弹第二级火箭发动机壳体,使其质量比原金属壳体质量减小310kg,使其射程由1600km提高到2400km。而采用石墨纤维增强环氧塑料制备的三叉戟导弹仪器舵比用铝制备的仪器舵质量减小146kg,减小质量率达30%,且简化了部件组装工艺。还用此增强塑料制备了陀螺仪支架、电池支架、发射筒支环等55个部件,使得此导弹增程达340km以上。美国的三叉戟-Ⅱ型、飞马座和朱儒等导弹也大量采用碳纤维增强塑料制备,使弹体质量减小30%以上。美国爱国者和战斧导弹的仪器舱和发射筒等重要部件也采用高性能纤维增强塑料制备,使其结构质量大幅减小。据设计计算,一枚洲际导弹如用高性能工程塑料取代金属结构,可使其质量减小300kg以上,射程提高1000km。

目前,国外军事强国导弹弹头有效载荷与结构质量比已达4∶1,固体火箭发动机质量比已达0.92~0.93。这都是采用高性能工程塑料的结果。

2.航空武器装备

军用飞机也是最早采用工程塑料,特别是高性能纤维增强塑料的武器装备之一。作战飞机的机翼蒙皮、机身、垂尾、副翼、水平尾翼、侧壁板、隔框、翼肋和加强筋等主承力构件大量采用高性能纤维增强塑料制备,不仅明显减小了飞机结构质量,改善了机体总体结构和外形,而且减少了零部件数量和组装工序,使飞机的整体性和可靠性得到显著改善。就其减小质量效果而言,一翼梁采用铝合金设计为220kg,用纤维增强塑料制备为157kg,减小质量率为28.6%;加强筋用铝合金制备为67.9kg,用纤维增强塑料制备为58.4kg,减小质量率为14%;蒙皮用铝合金制备为87.5kg,用纤维增强塑料制备为16.6kg,减小质量率为29.5%;而铝合金口盖为18.5kg,纤维增强塑料口盖则为16.6kg,减小质量率为10%左右。

目前美国采用纤维增强塑料的军用飞机中,F117采用量为42%,B-2采用量为38%,FY-22采用量为35%,FY-23采用量为50%,F-16采用量为39%,AV-86采用量为26%等。到目前为止,战机纤维增强塑料用量已占结构质量的26%~65%;每架飞机的平均使用量为2.4~6.5t,且年增长率达20%左右。

3.陆军武器装备(1)坦克装甲车辆 坦克装甲车辆,特别是主战坦克是陆军主战武器装备,也代表一个国家的武器装备水平和威慑力。目前主战坦克战斗总质量在60t以上,已超过地面武器装备的极限质量,再无限制地加厚装甲,会给坦克机动性和生存力带来极大的危害,坦克装甲车辆轻量化已势在必行。轻量化的途径除结构设计外,关键技术仍是采用轻质结构材料技术。

美国和英国近年来研制并通过演示试验的全纤维增强塑料装甲车车体,与原金属车体相比,可减小质量33%。为采用高性能纤维增强塑料制备坦克装甲车辆奠定了技术基础。

各国目前应用的复合装甲,由于采用了纤维增强塑料,其抗弹能力比均质钢装甲有了明显提高,而且减小质量30%。用纤维增强塑料为结构材料的电(磁)装甲,又进一步提高了抗弹水平,在使车体无损伤的情况下,可抗御大口径弹药或串联式弹药的攻击。最新研制的集成装甲,将金属、陶瓷、橡胶组合成一装甲体系,其中的纤维增强塑料主要起保持装甲结构的整体性和提高抗弹性能及隐身功能的作用。在同等体积下,比均质钢装甲减小质量30%~50%。

美国M1A1主战坦克采用工程塑料制备的22个零部件,与以前所采用的金属部件相比,减小质量近5t,降低制造成本1.2万美元。(2)战术导弹火箭 弹箭武器装备是对减小质量要求十分迫切的装备,轻质结构材料应用较早,也比较普遍。世界各国的反坦克导弹、火箭和防空导弹等均大量采用工程塑料制备。所采用的工程塑料,以玻璃纤维增强塑料为主,芳纶增强塑料和碳纤维增强塑料也开始应用。可以说,战术导弹火箭已基本实现塑料化。其质量比采用金属结构件减小40%~65%。特别是法国的“阿匹拉斯”反坦克火箭发动机壳体和发射筒采用芳纶增强塑料制备,其他结构件采用通用工程塑料和改性通用塑料制备,除其中装药和战斗部及发动机外,几乎均用工程塑料制成,其质量仅为3kg。(3)火炮和枪械 火炮制造采用工程塑料是从塑料附件代替金属附件开始的。由碳纤维/环氧增强塑料制造的复合炮管、炮管延伸管等关键部件,其质量仅为钢炮管质量的1/3。被称为战争之神的大口径火炮,由于本身质量极大,机动性较差,用工程塑料代替钢构件,就能显著地减小质量,提高机动性。例如,一个122mm口径的加农炮,原来尾臂装配质量为1115kg,改用玻璃纤维工程塑料后只有445kg,比原来减小了55%;再如步兵用迫击炮原来钢制底盘质量为41kg,改用工程塑料只有28kg,一个战士可以背在背上机动。

枪械用工程塑料是从以塑代木应用开始的,而后以塑料代金属制备结构件和承力件。目前正在研制在钢衬筒上缠绕金属纤维或碳纤维/环氧的复合枪管。到目前为止,世界各国的枪械枪托、握把、护木、弹匣、刺刀等均采用尼龙制造。使枪体质量减小50%以上,使用性能大幅度提高。最为典型的是奥地利的AHG步枪,其中30个零部件用9种工程塑料制成,占全枪零件的16%;法国的FAMA3步枪中33个部件用尼龙制成,占全枪部件的30%。以上两种枪的质量减小程度高。美国雷明顿兵工厂研制出的全尼龙枪除枪管和自动结构外,其他部件均用尼龙制造而成,轻量化程度更高。(4)单兵装具 工程塑料在单兵装具制造中的广泛应用,将会引起装备的重大革新。战士的头盔由钢制改成工程塑料,不仅质量减小,同时还提高了防护能力,在阵地上构筑单人掩体,传统的办法是用锹镐挖坑填土,不仅费力,还要消耗时间,目前已用工程塑料做成对步枪子弹有很好的防护能力、可随身携带作为装具的掩体,临战时展开即可参加战斗。此外,还有用工程塑料做成防弹衣、防弹盾牌、防地雷的防爆靴等,这些用工程塑料制造的单兵装具一旦装备部队,无疑会大大地提高战士的作战能力。(二)运用工程塑料的功能特性,使武器装备功能化

1.隐身性

工程塑料特别是那些具有导电或导磁性能的导电塑料和磁性塑料对雷达波反射率低,且具有很高的吸波特性。一般认为,这类功能塑料对红外和雷达波以及电磁波反射仅30%,而吸波能力为70%,且噪声小、振动低、隔热性优良。因而其良好的隐身功能,可防雷达波、热成像仪等光电探测系统的探测,也可防止具有热寻功能弹头寻的。运用工程塑料可改性的特点,在加工过程中加入高性能吸收剂或纳米剂可制成武器装备隐身用结构件。

美国的F-117A飞机上采用了纤维增强塑料为主体的结构吸波材2料,使雷达反射截面面积降低到只有0.1m的程度。

能够吸收雷达波的结构隐身材料,在设计中可能有如下几个措施:

1)在基体材料构筑环形或方形的电阻材料几何图形中,制成复合材料蜂窝结构,在蜂窝中填充能吸收电磁波的铁氧体材料。

2)在结构表面制成小的圆柱、半球或方形的凹坑,在其中填充吸收材料。

3)在树脂基体材料中镶嵌环形天线等吸收单元。

另外,可利用纤维增强塑料的非均质性、可透射雷达波的特点,常用工程塑料制造飞机或导弹雷达罩。

2.工程塑料可保障战略武器突破热障难题

众所周知,导弹弹头是导弹的战斗部,在飞向敌方目标冲落时会受到高温气流的摩擦而产生极高温度,例如射程为8000~12000km的洲际导弹鼻锥驻点温度可达10000℃,这在战略武器上称为热障,不突破热障,威力再大的战斗部在未到达敌方目标之前都将被烧毁。早期的防热措施是采用高热容材料的热沉式结构和复杂的发汗冷却结构,这些办法使得弹头质量很大,影响战斗效应。采用纤维增强塑料烧蚀防热结构不仅有效地解决了防热问题,还减小了头部质量。在未来战争中由于空中拦截技术的发展,要求导弹的弹头小型化,并可多头分导,能耐高温、抗核爆、抗中子浸沏、抗强激光,并具有隐身等功能,预计解决这一问题的惟一途径是在抗烧蚀纤维增强塑料的基础上添加多种材料制成具有多功能的纤维增强塑料。

另外,还可将纤维增强塑料作为导弹和火箭发动机隔热绝热材料、耐烧蚀材料等。(三)运用功能塑料的机敏特性开发智能材料与结构,使武器装备智能化

利用压电塑料或压电陶瓷增强塑料可以制备智能材料与结构中的驱动机构和传感机构。利用压电聚合物或增强压电聚合物材料制成的高速驱动机构可把电能转化为机械能,且不发生相变,而是通过改变材料的自发偶极矩来改变材料尺寸,此种效应可产生200~300μm应变,88层压电增强塑料制成驱动器可在20ms内产生50μm的应变位移,且可成膜,加工性良好。这种材料制成的传感器或自适应结构具备可感知压力、温度、冲击、弯曲等功能,并可利用不同模式识别出边、角、棱等几何特征,且具备热释放效应和温度传感功能。配合形态化材料、电磁流变材料和电致材料技术可组成智能结构。此材料与结构在武器装备中具有很高的应用价值。美国国防部计划研究局投资8900万美元开发此项材料,预计在装甲防护、武装直升机、士兵作战服装、弹药、导弹和火箭中具有巨大的应用潜力。

美、德等国已研制出智能复合装甲和智能反应复合装甲,从被动装甲防护向主动装甲防护迈进了一大步。美国陆军预算投资300万美元,把反应装甲与短距离传感器网络及一台计算机等组成一体,制成主动反应装甲系统。美陆军还把智能材料系统用于M1坦克防120mm动能弹、50mm动能弹。德国已研制出制备计算机或火控系统的薄膜传感器、冲击传感器和加速传感器的被动装甲及反应装甲,并将其改造为主动装甲。英国也研制出类似的智能装甲。

美国用压电复合材料制造出直升机的固态自适应旋翼,这种智能压电材料应用于直升机后其隐身能力提高2倍,机动性提高30%,速度提高15%,可靠性大有增强。

美国运用电致变色高分子材料设计出自动变色服。这是采用电致变色织物制成的,可随外界环境变化而改变颜色,与背景保持一致,大大提高了伪装功能。

随着武器装备的智能化进程,智能材料系统将会发挥越来越大的作用。

三、在高新技术中的地位与作用

工程塑料是新材料之一,也是高新技术的组成部分。高新工程技术的发展依赖于新材料技术的进步,新材料在整个高新技术发展中发挥着先导和推动作用。(一)信息工程技术

信息技术是当前高技术群的核心,而用于信息技术中能接收、处理、定存和传播信息的材料称为信息材料。在这类材料中工程塑料占有重要地位。首先,任何一个信息技术装备,如电话机、收录机、电视机、录音机、录像机和计算机等都离不开导线和电缆。导线要求有良好的导电性,同时又要求具有很好的绝缘性,这种截然相反的性能要求绝不可能由单一材料完成,它是由导电的金属和包围其周围的绝缘工程塑料构成的。其次,计算机等所用多层印制电路板是典型的层压塑料,它是用纤维增强树脂和覆铜层压复合而成。多层混杂的层合板具有高散热性、高度的尺寸稳定性,从而能满足大规模集成电路高密度的装配要求。用于录音机、录像机和计算机的录音(像)带和软盘等信息记录材料,是由将粉末状磁性材料均匀掺混在树脂中的磁性塑料制成的。最近出现的垂直记录带,用气相沉积法在塑料基材上沉积一层铬-钴化合物,钴的柱状晶体和铬之间有明显界面,这种新型大存储量的磁记录器材实际上是一种高性能功能塑料。(二)能源工程技术

人们早已想到了太阳能,并已在宇航飞行器等上面应用,但在地面上有效地利用太阳能还不普遍。尽管已有一些太阳能灶、太阳能加热器装备出现,可是在常年多雨的地域就很难利用。据报道,在20世纪80年代美国已拟定在太空中建造一座太阳能发电站的规划,发电站长25km、宽3.8km,所有构件全部由碳纤维增强塑料制成,零件在地面成型后用航天飞机运到太空中安装,电站上由太阳能转换的电能用安装在两端的直径为700m的微波天线发送到地面接收站,这个电站所生产的电能可供一个大城市用电。这个设在太空的太阳能电站不受地球天气阴晴的影响。

原子能站发电的核燃料是具有放射性的铀235。从天然铀矿中提取铀235是利用高速旋转的离心机,提取效率与离心机转筒的线速度的四次方成正比。为了提高效果需加大转速,这就要求转筒材料经得住高速旋转的离心载荷的作用。对多种材料进行试验,高强铝合金的最大线速度为357m/s,钛合金为400~460m/s,碳纤维增强塑料是800~900m/s。由此可见,碳纤维增强塑料是制造提取铀235离心机转筒的理想材料。(三)生命工程技术

材料科学与医学的结合发展了一系列医用人体材料。为了人类延年益寿,正在研究用人造器官代替破损病变或衰老的器官,工程塑料特别是纤维增强塑料是这一领域的首选材料。用碳纤维增强塑料制成的心脏瓣膜已经成功地植入人体;以尼龙为增强材料的人造血管也已投入使用。此外,还有有机硅、尼龙等制成的鼻、耳等器官。试验研究表明,碳-碳复合材料与人体有很好的相容性,做成的人体器官无排异反应,因此这方面的研究有广阔的应用前景。据预测,碳-碳复合材料可以制成人造心脏、人造肾脏、人造肝脏等重要器官,一旦投入使用,人类对于破损病变的器官可以像机器调换零件一样进行修理调换,这样可大大地延长人类的寿命。

第二章 聚酰胺(PA)

第一节 主要品种的性能

一、简介

(一)结构特征

聚酰胺俗称尼龙(Nylon),英文名称Polyamide(PA),它是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。聚酰胺可由内酰胺开环聚合制得,也可由二元胺与二元酸缩聚制得。聚酰胺塑料是在聚酰胺纤维基础上发展起来的,是最早出现能承受载荷的热塑性塑料,也是五大通用工程塑料中产量最大、品种最多、用途最广的品种。其主要品种有尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、尼龙610、尼龙612、尼龙46、尼龙1010等。其中尼龙6、尼龙66产量最高,占尼龙产量的90%以上。尼龙11、尼龙12具有突出的低温韧性;尼龙46具有优异的耐热性而得到迅速发展;尼龙1010是以蓖麻油为原料生产的,是我国特有的品种。

尼龙的化学结构基本有以下两种:

一种是由ω-氨基酸或它的内酰胺聚合而制得的,结构通式如下:

另一种是由二元酸和二元胺缩聚而制得的,结构通式如下:

二元胺和二元酸或二元胺或二元酸中的亚甲基可以被环状或芳香族化合物取代,也可以是上述结构的尼龙的共聚物。从上述尼龙结构中可以看出,尼龙分子主链链段单位中都含有酰氨基团(—CONH—),都含有亚甲基或部分亚甲基、部分环状化合物基团或芳香族化合物基团。尼龙的性能与上述化学结构有密切的关系。由于各种尼龙的化学结构不同,其性能也有差异,但它们具有共同的特性:尼龙的分子之间可以形成氢键,使结构易发生结晶化,而且分子之间互相作用力较大,赋予尼龙以高熔点和力学性能。由于酰氨基是亲水基团,因此吸水性较大。在尼龙的化学结构中还存在亚甲基或芳基,使尼龙具有一定的柔性或刚性。尼龙中的亚甲基/酰氨基的比例越大,分子中氢键数越少,分子间作用力越小,柔性增加,吸水性越小。因此,尼龙工程塑料一般都具有良好的力学性能、电性能、耐热性和韧性,还具有优良的耐油性、耐磨性、自润滑性、耐化学药品性和成型加工性。表2-1列出了各种聚酰胺(尼龙)的名称与分子结构。表2-1 各种聚酰胺(尼龙)的名称与分子结构

尼龙可用多种成型方法加工,如注射、挤出、浇注、模压等。(二)主要性能特点

1.基本性能特征

聚酰胺具有如下通性:

1)主链上的酰氨基团有极性,可形成氢键,分子间作用力较大,分子链易较整齐地排列,因而力学性能优异,且具有较高的结晶度,熔点明显,表面硬度大,耐磨耗,摩擦因数小,有自润滑性、吸振和消声性;由于分子中次甲基的存在,具有耐冲击和较高的韧性,是强韧的工程塑料。

2)耐低温性好,又具有一定的耐热性,可在100℃以下使用。

3)电绝缘性好,但易受湿度的影响。

4)吸水性大,影响尺寸稳定性和电性能,玻璃纤维增强可减少吸水率,且可长期在高温、高湿度下工作。

5)有自熄性,无毒、无臭、不霉烂,耐候性好而染色性差。

6)化学稳定性好,耐海水、溶剂、油类,但不耐酸。

聚酰胺中PA66的硬度、刚性最高,但韧性最差。各种聚酰胺按韧性的大小排列为:

PA66<PA66/PA6<PA6<PA610<PA11<PA12

PA的燃烧性为UL94V-2,氧指数为24~28。PA的分解温度>299℃,在449~499℃时会发生自燃。

PA熔体流动性很好,如制品壁厚可小到1mm。

聚酰胺的主要技术性能指标见表2-2。表2-2 聚酰胺(尼龙)的主要技术性能指标

2.物理性能

尼龙的外观为乳白或淡黄的粒料,表观角质、坚硬,制品表面有光泽。表2-3为各种尼龙的密度。可见,各种尼龙的密度(结晶相密度、非晶相密度和一般成型加工制品的密度)是不一样的。尼龙6、尼龙66的密度较大,随着分子中亚甲基的含量增加和酰氨键(—NHCO—)的含量降低,尼龙的结晶度降低,密度也随之降低。表2-3 各种尼龙的密度

尼龙是一类半结晶性工程塑料,存在着结晶区和非结晶区。结晶区所占的比例叫结晶度。结晶度对尼龙的热性能影响较大。

加工工艺条件对尼龙的结晶有一定影响,注射成型时,模具温度高时,熔体冷却时间较长,制品的结晶度较高;反之亦然。

结晶度高的尼龙具有较大的拉伸强度、冲击强度和热变形温度,但成型收缩大,断裂伸长率较小。

尼龙的吸水率比较高,酰氨键的比例越大,吸水率越高,具体为尼龙6>尼龙66>尼龙610>尼龙1010>尼龙11>尼龙12>尼龙1212。

尼龙属于自熄性塑料,烧焦时有羊毛或指甲味。透气性是尼龙的一项重要特征,尼龙对氧气等气体的透过率最小,因此具有优良的阻隔性,是食品保鲜包装的优良材料。尼龙的阻隔性随酰氨/亚甲基的比例增大而提高,以尼龙6的阻隔效果最好。尼龙6的O透过系数为232325~40cm·mm/(m·d·MPa),CO的透过系数为150~200cm·mm/222(m·d·MPa),HO的透过系数为150g·mm/(m·d·MPa)。2

3.力学性能

在尼龙分子主链上的重复单元中含有极性酰氨基团,能形成分子间的氢键,具有结晶性,分子间相互作用力大,因此尼龙具有较高的机械强度和弹性模量。机械强度和弹性模量随着尼龙主链亚甲基的增加而下降,冲击强度增加。尼龙在室温下的拉伸强度和冲击强度虽然都较高,但冲击强度不如PC和POM高。随温度和湿度的升高,拉伸强度急剧下降,而冲击强度则明显提高。玻璃纤维增强尼龙的强度受温度和湿度的影响小。

尼龙的耐疲劳性较好,仅次于POM,进行玻璃纤维增强处理后可提高50%左右。

尼龙的抗蠕变性较差,不适于制造精密的受力制品,但玻璃纤维增强后可改善。

尼龙的耐摩擦性和耐磨损性优良,是一种常用的耐磨性塑料品种。不同品种摩擦因数相差不大,无油润滑摩擦因数仅为0.1~0.3;耐磨性以PA1010最佳。尼龙中加入二硫化钼、石墨、聚四氟乙烯及聚乙烯(PE)等可进一步改进耐磨性。表2-4列出了代表性尼龙的力学性能。表2-4 尼龙的力学性能(干燥状态下)

4.热性能

尼龙的热变形温度都不高,一般在50~75℃,用玻璃纤维增强后可提高4倍以上,高达200℃。尼龙的热导率很小,仅为0.16~0.4W/(m·K)。尼龙的线胀系数较大,并随结晶度增大而下降。低结-5-1晶尼龙610的线胀系数高达13×10K,尼龙11的线胀系数可达12.5×-5-110K。

5.电性能

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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