塑料的性能与应用.doc

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第一章 塑料的性能与应用1.1 塑料概述1.1.1塑料的定义及成分塑料是指合成树脂，可以通过不同的加工形式自由改变形体样式。通常是指利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，即由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的，它的主要成分是合成树脂。它通常在加热、加压条件下可塑制成具有一定形状的器件。为了改进塑料的性能，要在聚合物中添加各种辅助材料，如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等，才能成为适合使用性能要求良好的塑料。1.合成树脂合成树脂是塑料的最主要成分，其在塑料中的含量一般在40100。由于含量大，而且树脂的性质常常决定了塑料的性质，所以人们常把树脂看成是塑料的同义词。例如把聚氯乙烯树脂与聚氯乙烯塑料、酚醛树脂与酚醛塑料混为一谈。其实树脂与塑料是两个不同的概念。树脂是一种未加工的原始聚合物，它不仅用于制造塑料，而且还是涂料、胶粘剂以及合成纤维的原料。而塑料除了极少一部分含100的树脂外，绝大多数的塑料，除了主要组分树脂外，还需要加入其他物质。 2.填料 填料又叫填充剂，它可以提高塑料的强度和耐热性能，并降低成本。例如酚醛树脂中加入木粉后可大大降低成本，使酚醛塑料成为最廉价的塑料之一，同时还能显著提高机械强度。填料可分为有机填料和无机填料两类，前者如木粉、碎布、纸张和各种织物纤维等，后者如玻璃纤维、硅藻土、石棉、炭黑等。 3.增塑剂 增塑剂可增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性，使塑料易于加工成型。增塑剂一般是能与树脂混溶，无毒、无臭，对光、热稳定的高沸点有机化合物，最常用的是邻苯二甲酸酯类。例如生产聚氯乙烯塑料时，若加入较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料，若不加或少加增塑剂(用量10)，则得硬质聚氯乙烯塑料。 4.稳定剂 为了防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏，延长使用寿命，要在塑料中加入稳定剂。常用的有硬脂酸盐、环氧树脂等。5.着色剂 着色剂可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用有机染料和无机颜料作为着色剂。 6.润滑剂 润滑剂的作用是防止塑料在成型时不粘在金属模具上，同时可使塑料的表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。 7.抗氧剂防止塑料在加热成型或在高温使用过程中受热氧化，而使塑料变黄、发裂等。除了上述助剂外，塑料中还可加入阻燃剂、发泡剂、抗静电剂等，以满足不同的使用要求。 1.1.2 塑料的来源塑料是以石油或天然气为原料，经提炼、裂解成各种石化基本原料（单体）后，再经聚合反应（加成聚合或缩合聚合）而得的高分子树脂。各类塑料经过逐步加工衍生出各种下游制品，包括橡胶、涂料、接合剂、人造纤维、合成树脂等。塑料是由低分子有机化合物(如:乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯、乙烯醇等)在一定条件下聚合而成的高分子有机化合物(聚合物)构成塑料的分子，由于分子量都有在10000以上的高分子，所以说塑料是高分子化合物(高聚物)。一般塑料分子中都含有碳(C)原子和氢(H)原子，有的塑料分子结构中含有少量氧(O)、硫(S)原子，塑料的基本原料是低分子碳、氢化合物，它是从石油、天然气或煤裂解物中提炼和合成出来的人造树脂。由下图可以看到塑料的来源图1-1 塑料的来源1.1.3塑料的发展过程早在19世纪以前，人们就已经利用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂。1868年将天然纤维素硝化，用樟脑作增塑剂制成了世界上第一个塑料品种，称为赛璐珞，从此开始了人类使用塑料的历史。1909年出现了第一种用人工合成的塑料-酚醛塑料。1920年又一种人工合成塑料-氨基塑料(苯胺甲醛塑料)诞生了。这两种塑料当时为推动电气工业和仪器制造工业的发展起了积极作用。到20世纪2030年代，相继出现了醇酸树脂、聚氯乙烯、丙烯酸酯类、聚苯乙烯和聚酰胺等塑料。从40年代至今，随着科学技术和工业的发展，石油资源的广泛开发利用，塑料工业获得迅速发展。品种上又出现了聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺等等。不同塑料的开发生产工业化时间:1920-1933:聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚丙烯(PP)1935:丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)1939:聚对苯二甲酸乙烯共聚物(ABS)1949:聚酰胺(Nylon)1950:聚甲基丙烯酸甲酯(Acrylic)1956:聚甲醛(POM)1958:聚碳酸酯(PC)1964:聚氧化二甲亚苯(PPO)1965:聚砜(PSF)1975:聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)1985:液晶塑料(LCP)1994:改性为注塑级的PET(PETG)1995:超弹性聚甲醛(TPOM)1996:透明硬质聚氯乙烯1960后以后，塑料的应用和加工技术得到了突飞猛进的发展。1.2塑料的分类在不同的领域以及场合采用不同的分类方法。目前，塑料已发展到300多种，大量使用的最常用的塑料仅有十几种。1.2.1按使用特性分类根据名种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。1.通用塑料一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品种，即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及ABS。它们都是热塑性塑料。2.工程塑料一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有：聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型的有：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮（PEEK）等3.特种塑料一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。（1）增强塑料增强塑料原料在外形上可分为粒状（如钙塑增强塑料）、纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）、片状（如云母增强塑料）三种。按材质可分为布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）、无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料）三种。（2）泡沫塑料泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。硬质泡沫塑料没有柔韧性，压缩硬度很大，只有达到一定应力值才产生变形，应力解除后不能恢复原状；软质泡沫塑料富有柔韧性，压缩硬度很小，很容易变形，应力解除后能恢复原状，残余变形较小；半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质他软质泡沫塑料之间。 1.2.2按理化特性分类根据各种塑料不同的理化特性，可以把塑料分为热固性塑料和热塑料性塑料两种类型。1. 热塑料性塑料热塑料性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等。热塑料性塑料又分烃类、含极性基因的乙烯基类、工程类、纤维素类等多种类型。受热时变软，冷却时变硬，能反复软化和硬化并保持一定的形状。可溶于一定的溶剂，具有可熔可溶的性质。热塑性塑料具有优良的电绝缘性，特别是聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)都具有极低的介电常数和介质损耗，宜于作高频和高电压绝缘材料。热塑性塑料易于成型加工，但耐热性较低，易于蠕变，其蠕变程度随承受负荷、环境温度、溶剂、湿度而变化。为了克服热塑性塑料的这些弱点，满足在空间技术、新能源开发等领域应用的需要，各国都在开发可熔融成型的耐热性树脂，如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PASU)、聚苯硫醚(PPS)等。以它们作为基体树脂的复合材料具有较高的力学性能和耐化学腐蚀性，能热成型和焊接，层间剪切强度比环氧树脂好。如用聚醚醚酮作为基体树脂与碳纤维制成复合材料，耐疲劳性超过环氧碳纤维。它的耐冲击性好，在室温下具有良好的耐蠕变性，加工性好，可在240270连续使用，是一种非常理想的耐高温绝缘材料。用聚醚砜作为基体树脂与碳纤维制成的复合材料在 200具有较高的强度和硬度，在-100尚能保持良好的耐冲击性;无毒，不燃，发烟最少，耐辐射性好，预期可用它作航天飞船的关键部件，还可模塑加工成雷达天线罩等。甲醛交联型塑料包括酚醛塑料、氨基塑料（如脲甲醛三聚氰胺甲醛等）。其他交联型塑料包括不饱和聚酯、环氧树脂、邻苯二甲二烯丙酯树脂等。2. 热固性塑料热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料等。热固性塑料又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。热加工成型后形成具有不熔不溶的固化物，其树脂分子由线型结构交联成网状结构。再加强热则会分解破坏。典型的热固性塑料有酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、呋喃、聚硅醚等材料，还有较新的聚苯二甲酸二丙烯酯塑料等。它们具有耐热性高、受热不易变形等优点。缺点是机械强度一般不高，但可以通过添加填料，制成层压材料或模压材料来提高其机械强度。 以酚醛树脂为主要原料制成的热固性塑料，如酚醛模压塑料（俗称电木），具有坚固耐用、尺寸稳定、耐除强碱外的其他化学物质作用等特点。可根据不同用途和要求，加入各种填料和添加剂。如要求高绝缘性能的品种，可采用云母或玻璃纤维为填料；如要耐热的品种，可采用石棉或其他耐热填料；如要求抗震的品种，可采用各种适当的纤维或橡胶为填料及一些增韧剂以制成高韧性材料。此外还可以采用苯胺、环氧、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇缩醛等改性的酚醛树脂以满足不同用途的要求。用酚醛树脂还可以制成酚醛层压板，其特点是机械强度高，电性能良好，耐腐蚀，易于加工，广泛应用于低压电工设备。 氨基塑料有脲甲醛、三聚氰胺甲醛、脲素三聚氰胺甲醛等。它们具有质地坚硬、耐刮痕、无色、半透明等优点，加入色料可制成彩色鲜艳的制品，俗称电玉。由于它耐油，不受弱碱和有机溶剂的影响（但不耐酸），可在70下长期使用，短期可耐110120，可用于电工制品。三聚氰胺甲醛塑料比脲甲醛塑料硬度高，有更好的耐水、耐热、耐电弧性，可作耐电弧绝缘材料。 以环氧树脂为主要原料制成的热固性塑料品种很多，其中以双酚A型环氧树脂为基材的约占90。它具有优良的粘接性、电绝缘性、耐热性和化学稳定性，收缩率和吸水率小，机械强度好等特点。 不饱和聚酯和环氧树脂都可以制成玻璃钢，具有优异的机械强度。如不饱和聚酯的玻璃钢，其机械性能良好，密度小（只有钢的1/5至1/4，铝的1/2），易于加工成各种电器零件。以苯二甲酸二丙烯酯树脂制成的塑料的电性能和机械性能均优于酚醛和氨基热固性塑料。它吸湿性小，制品尺寸稳定，成型性能好，耐酸碱及沸水和一些有机溶剂。模塑料适于制造结构复杂的、既耐温又有高绝缘性的零件。一般可在-60180的温度范围长期使用，耐热等级可达F级到H级，比酚醛和氨基塑料的耐热性都高。 聚硅醚结构形式的有机硅塑料在电子、电工技术中的应用较多。有机硅层压塑料多以玻璃布为补强材料；有机硅模压塑料多以玻璃纤维和石棉为填料，用以制造耐高温、高频或潜水电机、电器、电子设备的零部件等。这类塑料的特点是介电常数和tg值较小，受频率影响小，用于电工和电子工业中耐电晕和电弧，即使放电引起分解，产物是二氧化硅而不是能导电的碳黑。这类材料有突出的耐热性，可以在250连续使用。聚硅醚的主要缺点是机械强度低，胶粘性小，耐油性差。已开发出许多改性有机硅聚合物，例如聚酯改性有机硅塑料等在电工技术上得到应用。有的塑料既是热塑性又是热固性的塑料。例如聚氯乙烯，一般为热塑性塑料，日本已研制出一种新型液态聚氯乙烯是热固性的，模塑温度为60140；美国一种叫伦德克斯的塑料，既有热塑性加工的特征，又有热固性塑料的物理性能。 1.2.3按加工方法分类根据各种塑料不同的成型方法，可以分为膜压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等多种类型。膜压塑料多为物性的加工性能与一般固性塑料相类似的塑料；层压塑料是指浸有树脂的纤维织物，经叠合、热压而结合成为整体的材料；注射、挤出和吹塑多为物理性能和加工性能与一般热塑性塑料相类似的塑料；浇铸塑料是指能在无压或稍加压力的情况下，倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料，如MC尼龙等；反应注射塑料是用液态原材料，加压注入膜腔内，使其反应固化成一定形状制品的塑料，如聚氨酯等。 1.2.4 按塑料的透光性分类一般分为透明塑料半透明塑料和不透明塑料。透光率在88以上的塑料称为透明塑料(如:PMMA、PS、PC、Z-聚酯等)，常用的半透明塑料有:PP、PVC、PE、AS、PET、MBS、PSF等，不透明的塑料主要有POM、PA、ABS、HIPS、PPO等。1.3 塑料的物理性能及加工方法1.3.1 塑料的物理性能1.比重(密度)塑料的比重是在一定的温度下，秤量试样的重量与同体积水的重量之比值，单位为g/cm3，常用液体浮力法作测定方法。2.吸水性塑料的吸水性是指规定尺寸的试样浸入一定温度(252)的蒸馏水中，经过24小时后所吸收的水份量;吸收水份后影响其尺寸及形状，吸水率用重量表达时，常以表示。3.透气性透气性是指一定厚度的塑料薄膜在一个大气压力下，1平方米的面积中，在24小时内所透过气体的体积(cm3)值，但透气量与薄腊厚度、面积、时间、温度、气压差值等有关。4.透湿性透湿性是指水蒸气对塑料薄膜的透过情况，基本原理及定义与透气性相同。5.透明度透过物体的光通量和射到物体上的光通量之比称为透光度;在入射光方向上的散射光对所有透射光之比，称雾度或混浊度。雾度通常是半透明的，并对射入光有漫透的性质。6.拉伸强度拉伸强度是指在规定的试验温度、湿度和拉伸速度下，沿试样的纵轴方向施加拉伸载荷，测定试样破坏时的最大载荷。7.压缩强度压缩强度是指在试样上施加压缩载荷至破裂(对脆性材料而言)或产生屈服的强度(对非脆性材料而言)。8.弯曲强度弯曲强度是指试样在两个支点上，施加集中载荷，使试样变形或直至破裂时的强度。9.冲击强度冲击强度是指试样受冲击破断时，单位面积上所消耗的焦耳，对于某些冲击强度高的塑料，常在试样中间开有规定尺寸之缺口，这样可以降低它在破断时所需要的焦耳。不同的试件可用不同的试验方法:落球式冲击试验、高速拉伸冲击试验。10.摩擦系数摩擦系数是指摩擦力与正压力之比值.在试样上加一个正压力，测定试样刚性运动时的动和静比值。11.磨耗磨耗是指塑料在摩擦过程中，微粒从摩擦表面不断分离，引起摩擦件尺寸不断地改变的机械性破坏过程，也有称为磨损或磨蚀。12.硬度塑料硬度是指塑料抵抗其他硬物体压入的性能，通用的有洛氏硬度和肖氏硬度两种。肖氏硬度是指在规定的压力、时间下计算压痕器的压针所压入的深度。肖氏压痕器可分为两类，即:A、D型。施加负荷重量为1.0、5.0公斤，压下时间为15秒，A型适用于软质塑料，D型适用于半硬质塑料;当用A型，测出超过95%量程时，应改用D型，当D型测出超过95%量程时，则需要改用洛氏压痕。13.疲劳强度疲劳强度是指在一个静态破坏力而有小量交变循环的环境下，使塑料破坏的强度;疲劳载荷来源有拉压、弯曲、扭转、冲击等。14.蠕变 蠕变是指在一定的温度、湿度条件下，塑料在固定的外力持续作用下，随时间变化所表现出的特征，这种变形的特征随增加载荷而增加，随减少载荷而减少，其变形亦逐渐恢复。蠕变的来源有拉伸蠕变、压缩蠕变、弯曲蠕变等。15.持久强度持久强度是指塑料长时间经受静载荷的能力由高而降低的时间函数。例如:未经载荷前的塑料强度是1000小时，而载荷后可能只有其50%至70%之间。16.线膨胀系数线膨胀系数是指温度升高1摄氏度时，每一厘米的塑料伸长的厘米数。塑料的线膨胀系数一般是钢材的十倍左右。17.比热比热是指1克塑料升高1摄氏度时，所需要的热量单位。18.导热系数导热系数是指某一单位面积和厚度之塑料所能通过的热量单位。塑料的导热系数很小，仅为钢材的百分之一左右，所以是良好的绝热材料。19.耐热性塑料耐热性是反映塑件温度与变形量之间关系的特性，耐热性对温度有关的塑件更为重要。20.玻璃化温度塑料由熔融可流动温度降低至固态时的温度称为玻璃化温度，此时分子链段基本上不能运动，链节内部旋转扣紧也很困难，只有原子之间的少许移动拉伸及有普通的弹性变形，所以此时的塑料会有很大的脆性。21.脆化温度当对于一定低温下的塑料施加压力时，在很小变形下它就会破坏，此温度就是脆化温度。22.分解温度分解温度是指塑料在受热时大分子链断裂时的温度，同时是鉴定塑料耐热性的指标之一;当熔料温度超过分解温度时，大部分熔料会呈现发黄的颜色，且制品的强度会大大降低。23.熔融指数熔融指数(MFI)MI是指热塑性塑料在一定温度和压力下，熔体在10分钟时间内通过测试器的小孔所流出的熔料重量，单位是以克/10分钟表示。24.耐燃烧性塑料的耐燃烧性是用燃烧速率(燃烧时间内试样的燃烧长度)和燃烧失重率(燃烧前后重量之差的百分率)之比来表示的，由起火时间燃烧至自燃时间及熄灭时间，亦可作为耐燃烧性能的参考数。25.耐电压迅速将电压升高到某一极限值，停留一段时间，塑料试样被击穿，称此时的电压值为试样能经受的耐电压。26.耐老化性塑料的耐老化性是指在使用、贮存和加工过程中，由于受到光、热、氧、水、生物、应力等外来因素的作用，引起化学结构破坏而使原有的优良性能有所下降的现象。研究塑料的老化性是为了提高它的稳定性，延长其使用寿命。27.耐化学性塑料的耐化学性是指塑料在化学介质中是否受到腐蚀，评定的依据通常是塑料在介质中一定时间后的重量、体积、强度、色泽等的变化程度。28.成型收缩率成型收缩是指热塑性塑料在模具中成型时，冷却后脱模出的成型品，必有收缩现象，即成型品小于模腔尺寸。1.4塑料的优缺点1.4.1塑料的优点(1)易于加工、易于制造即使制品的几何形状相当复杂，只要能从模具中脱模，都比较容易制作。因而其效率远胜于金属加工，特别是注塑成型制品，经过一道工序，即可制造出很复杂的成品。(2)可根据需要随意着色，或制成透明制品利用塑料可制作五光十色、透明美丽的制品，尚可任意着色的特性，可提高其商品价值，并给人一种明快的感觉。(3)可制做轻质高强度的产品与金属、陶瓷制品相比，质量轻、机械性能好，比强度(强度与密度的比值)高，故可制做轻质高强度制品。特别是填充玻璃纤维后，更可提高其强度。另外，由于塑料质量轻，可节约能源，故其制品亦日趋轻量化。(4)不生锈、不易腐蚀塑料一般耐各种化学药品的腐蚀，不会象金属那样易生锈或受到腐蚀。使用时不必担心酸、碱、盐、油类、药品、潮湿及霉菌等的侵蚀。(5)不易传热、保温性能好由于塑料比热大，热导率小，不易传热，故其保温及隔热效果良好。(6)既能制做导电部件，又能制作绝缘产品塑料本身是很好的绝缘物质，目前可以说没有哪一种电气制品不使用塑料的。但如果在塑料中填充金属粉末或碎屑加以成型，也可制成导电良好的产品。(7)减震、消音性能优良，透光性好塑料具有优良的减震、消音性能;透明塑料(如:PMMA、PS、PC等)可制作透明的塑料制品(如:镜片、标牌、罩板等)。(8)产品制造成本低塑料原料本身虽然不那么便宜，但由于易于加工、易于制造，设备费用比较低廉，所以能降低产品成本。1.4.2 塑料的缺点(1)耐热性差、易于燃烧这是塑料最大的缺点，与金属和玻璃制品相比，其耐热性远为低劣，温度稍高，就会变形，而且易于燃烧。燃烧时多数塑料能产生大量的热、烟和有毒气体;即使是热固性树脂，超过200摄氏度也会冒烟，并产生剥落。(2)随着温度的变化，性质也会大大改变高温自不待言，即使遇到低温，各种性质也会大大改变。(3)机械强度较低与同样体积的金属相比，机械强度低得多，特别是薄型制品，这种差别尤为明显。(4)易于受特殊溶剂及药品的腐蚀一般来说，塑料比较不容易受化学药品的腐蚀，但有些塑料(如:PC、ABS、PS等)这方面的性质特别差;在一般情况下热固性树脂耐腐蚀性相当强。(5)耐久性差，易老化无论是强度、表面光泽或透明度，都不耐久，受负荷有蠕变现象。另外，所有的塑料均怕紫外线及太阳光照射，在光、氧、热、水及大气环境作用下会老化。(6)易受损伤、也容易沾染灰尘及污物塑料的表面硬度都比较低，容易受损伤;另外，由于是绝缘体，故带有静电，因此容易沾染灰尘。(7)尺寸稳定性差与金属相比，塑料收缩率