聚苯硫醚的发展、结构、性能和应用.ppt

PPS概述 聚苯硫醚 PolyPhenyleneSulfide 是分子主链上含有苯硫基的热塑性工程塑料 其化学结构式为 PPS的主要合成方法 工程塑料 通用塑料 附加价值 性能 市场规模 PPS属于高性能的热塑性塑料 是高端定价 低量生产的高分子聚合体 美元 千克 吨 年 138 000 1600万 1 7亿 超过10 2 10 1 2 PC ABS HIPS PEEK PES PA46 PEI PSU PPS PMMA PET PA66 TPE PBT ABS PA POM PP PA6 PS PVC LLDPE HDPE LDPE PC ABS PPE PC PET 特种工程塑料 PPS概述 聚苯硫醚 PPS 是一种新型的高性能热塑性树脂 具有优异的耐热性 阻燃性 绝缘性和耐腐蚀性 其热稳定性 机械强度 电性能等综合性能极其优良 长期耐热性高达220 属于特种工程塑料 聚苯硫醚通过复合改性后 制成不同性能与品级的特种工程塑料来使用 是迄今为止世界上性价比最高的特种工程塑料 被称为第一大特种工程塑料 因其产能的增加和成本的下降 PPS又被列在了通用工程塑料的排行中 成为继聚碳酸酯 聚醋 聚甲醛 尼龙和聚苯醚之后的第六大工程塑料 PPS概述 发展状况 一 国外发展1 初期阶段1968年美国菲利普斯成功研制出了采用对二氯苯和硫化钠为原料 在极性有机溶剂N 甲基吡咯烷酮 NMP 中进行溶液缩聚合成聚苯硫醚的方法 并申请专利保护 该公司于1971年首次实现了工业化生产并以商品名 RytonPPS 投放市场 从此 PPS受到各国的高度重视 针对PPS开展的合成 加工与应用研究十分活跃 1987年前 PhillipsPetroleum公司的RytonPPS树脂占据了全球几乎所有的市场 其主要应用于电子电气和机械工业等领域 由于工艺的限制 当时的PPS树脂分子量还比较低 其重均分子量通常在20 000左右 往往需要经过热氧交联处理 提高树脂分子量 降低树脂流动性后才能挤出造粒 制成复合材料 因而当年的PPS存在着一个大的缺点就是耐冲击性差 性脆 发展状况 2 发展阶段PhillipsPetroleum公司的专利于1985年保护期满后 PPS迎来了一个大发展期 一系列以美 日为主的公司建立了PPS树脂生产装置生产PPS 1986年 日本吴羽化学工业公司采用新技术 开发了线性PPS 商品名FortronPPS 第二代线性高分子量PPS树脂 这种线型的PPS纯度高 杂质非常少 白色 综合性能超过之前的交联型PPS 成为了PPS树脂的发展方向 与RytonPPS成为PPS树脂的两大著名品牌 发展状况 PhillipsPetroleum公司与日本东丽工业公司等进行技术合作 使PPS的合成生产技术日趋成熟 大日本油墨化学公司 日本东曹公司 日本出光兴产株式会社等等公司纷纷建立自己的PPS合成生产线生产PPS树脂 美国通用电气塑料公司采用日本东曹公司的PPS树脂进行PPS复合材料的生产 发展状况 日本住友贝克莱特公司采用大日本油墨化学公司的PPS树脂进行玻纤 碳纤 有机物增强或改性进行复合材料的生产 三菱工程塑料公司采用东丽工业公司的PPS树脂复合材料的生产日本东洋纺株式会社采用大日本油墨的PPS树脂 通过自己独特的配方 制得比常规PPS更好的物理性能以及优异的热电性能 耐腐蚀性能和自阻燃特性 同时也生产PPS纤维 发展状况 二 国内发展1 初始期 在七十年代初到八十年代初 我国也与美 日一样 广泛开展了PPS的合成研究 进行中试生产和初步应用开发工作 在这些早期研发中 天津合成材料研究所 广州市化工研究院和四川大学的PPS合成工艺路线具有代表性 并分别得到相关部门的支持和经费资助 获得了较好成绩 发展状况 2 发展期八十年代中期到九十年代中期 四川大学发展了自己开发的硫磺溶液法技术 在自贡市化学试剂厂建立了9t a的PPS树脂合成扩试装置 其PPS研究也连续列入 七五 八五 和 九五 期间的国家863高技术发展计划中 四川大学和自贡市化学试剂厂建立了国内首套百吨级 150t a PPS工业化试验装置 成为当时国产PPS树脂最主要的供货单位 以此为起始 国外PPS产品也开始大规模进入中国市场 发展状况 3 产业化发展期 进入二十一世纪 四川得阳科技股份有限公司接受国家计委的高技术产业化示范工程 于2002年底在四川德阳建成了千吨级的PPS产业化装置并试车成功 于2003年以开始PPS树脂的正式生产和复合材料的销售 成为几乎是唯一的国产PPS树脂生产与供应商 现在已发展成为四川得阳化学有限公司 四川得阳特种新材料有限公司的生产产能已达到30000t a 发展状况 全球PPS树脂主要生产厂家 发展状况 PPS全球需求及发展 折纯树脂 千吨 发展状况 中国PPS需求及发展 折纯树脂 千吨 发展状况 主要有溶液聚合法和自缩聚法溶液聚合法是以对二氯苯和硫化钠为原料 在极性有机溶剂如六甲基磷酸三胺 HPT 或N 甲基吡洛烷酮 NMP 温度为175 350 常压下进行溶液聚合制备聚苯硫醚 反应副产物为氯化钠 反应式为 PPS的合成 自缩聚法是以卤代苯硫酚金属盐为原料 在氮气保护下于200 250 下自缩聚制备聚苯硫醚 反应副产物为卤化金属盐 反应式为 式中X为Br或Cl M为Na Cu Li K PPS的合成 通常合成出来的PPS是一种平均分子量仅在4000 5000左右而结晶度高达75 的白色粉末它的相对密度为1 362 熔点285 熔融指数高达3000 4000g 10min 343 0 5MPa负荷 2mm喷嘴下测试 在170 以下不溶于现已知的任何有机溶剂 这种低分子量的聚合物力学性能很低 只能作防腐涂层外 无法直接作为塑料使用 PPS的合成 为了使PPS应用于塑料工业 必须对其热处理以适当提高分子量并降低熔融指数 PPS的合成 通过对不同温度下聚苯硫醚原粉热处理后的红外光谱分析 发现热处理后聚苯硫醚分子结构中存在以下三种结构形式 可见热处理后均在线性分子链上出现了1 2 4 三取代苯或二苯醚的现象 和 结构是使聚苯硫醚链增长或支化 而 结构是使聚苯硫醚交联 三种结构均使它的分子量增大 熔融指数下降 三种结构与处理条件关系密切 在150 350 之间处理得到 和 的结构超过350 的热处理会出现 型的交联结构 PPS的合成 在氮气保护下即使温度高于350 也不会得到上式三种结构中的任何一种结构 可见热处理后的结构除与温度有关外还与氧有关较适宜的处理条件是在285 300 的空气中进行 此时既不会形成处理过度 出现的不熔不溶的交联结构 又会使聚苯硫醚的分子量增加 处理时间由所需的熔融指数确定 1 聚苯硫醚的结构从聚苯硫醚的大分子链的结构可以看出 1 它是以苯环和硫原子交替排列构成的线性或略带支链的聚合物 分子链规整性强 由刚性苯环与柔性硫醚键连接起来的主链具有刚柔兼备的特点 因此聚苯硫醚可以结晶 其原粉结晶度高达75 熔点高达285 PPS的结构与性能 2 由于主链上苯环与硫原子形成了共轭 且硫原子尚未处于饱和 经氧化可使硫醚键变为亚砜基和砜基或者是苯环和相邻大分子形成氧桥支化或交联 但并没使主链断裂 因此热氧稳定性突出 最高连续使用温度可达260 热分解温度可达522 3 由于硫原子的极性被苯环共轭及高结晶度的束缚 整个聚合物呈现出非极性或弱极性的特点 因此电绝缘性和介电性以及耐化学介质性也很突出 4 由于聚苯硫醚与许多的聚合物和添加剂有良好的相容性 因此可以通过共混 增强 合金化等手段改性 以提高其物理力学性能 PPS的结构与性能 1 聚苯硫醚的结构 物理力学性能聚苯硫醚的拉伸强度 弯曲强度等在工程塑料中属中等水平 而伸长率和冲击强度却比较低 在保持其耐热性 阻燃性和化学稳定性突出的特点下 在聚苯硫醚中添加玻璃纤维 碳纤维及无机填料来提高力学性能 2 聚苯硫醚的性能 PPS的结构与性能 聚苯硫醚本身的硬度较高 可与聚四氟乙烯 二硫化钼 碳纤维等复合后可以制出摩擦因数和摩耗量很小 耐高温的自润滑材料 未改性聚苯硫醚为 R 6 40 玻纤增强聚苯硫醚为 R 4 25 玻纤 30 碳酸钙填充聚苯硫醚为 R 8 PPS的物理力学性能 耐热性能优良熔点高于280 热变形温度超过260 长期使用温度为220 240 在空气中于700 降解 在1000 惰性气体仍保持40 的重量 PPS的性能 聚苯硫醚的介电常数很小 介电损耗相当低 表面电阻和体积电阻对频率 温度 湿度的变化不敏感 是优良的电绝缘材料 它的耐电弧时间也较长 即使在高温 高湿 高频率条件下仍具有优良的电性能 电绝缘性能好 电性能优异 PPS的结构与性能 自身具有阻燃性 阻燃性可达到UL94V 0级 在制作阻燃产品时不需加入任何阻燃剂 保持了材料本身的高机械性能 阻燃 化学性能优异 PPS的结构与性能 聚苯硫醚除了受强氧化性酸 如浓硫酸 浓硝酸和王水 影响外 不受大多数酸 碱 盐的侵蚀 具有接近于聚四氯乙烯的化学稳定性 在低于175 以下不溶于现已知的任何有机溶剂 只有在175 以上时才溶于氯代萘中 聚苯硫醚与一般有机溶剂如苯 冰醋酸 油类 酯类物质接触时不会出现制品开裂 计量达1 108Gy 是其它工程塑料无法比拟的 广泛用于电子 军工 航天 耐幅照性能好 成品尺寸稳定性好成型收缩率很小 吸水率低 线性热膨胀系数小 在高温或高湿条件下仍表现出良好的尺寸稳定性 PPS的结构与性能 树脂复合材料性佳PPS树脂的熔体黏度非常低 流动性良好 极易与玻璃纤维润湿接触 同时与各种填料极易润湿 用其制备的玻纤或无机填料增强注塑级粒料 具有极高抗伸性 抗冲击性 抗弯曲及延展性 粘接性能特异PPS树脂对玻璃 铝 不锈钢等非常高的黏结强度 对玻璃的黏结强度甚至大于玻璃 超声波焊接是其佳的粘接方式 PPS的结构与性能 聚苯硫醚和改性聚苯硫醚的性能 聚苯硫醚通常采用注射 挤出 压制 喷涂等方法进行成型加工 PPS的成型加工方法 用于注射成型的聚苯硫醚 其熔融指数一般为10 100g min 343 0 5MPa下测出 而且多为加人纤维增强或填料填充改性的品级所用注射机一般应选用螺杆式注射机 要求加热温度能达到350 注射压力能达到150MPa 喷嘴宜选用自锁式 以防止流涎现象 注射成型 模具要加热 在低模温 95 以下 中得到的注射制品结晶度低 15 以下 高模温 120 200 中会得到高结晶度 50 55 的制品常用的注射工艺条件为 料筒温度300 340 注射压力70 140MPa 模具温度120 200 保压时间30 120s 成型收缩率0 2 0 8 PPS的成型加工方法 模压成型时需先将树脂粉末 熔融指数为200以下 于250 预烘2h 然后再按比例与填料均匀混合 再加人到模具中 在370 下恒温30 40min 模压成型 取出后置于冷压机上加压成型 压力为10MPa左右 自然冷却至150 后进行脱模200 250 下后处理 后处理时间依制品厚度而定 喷涂成型 聚苯硫醚的喷涂以静电粉末喷涂为主喷涂前需将金属工件进行除油 喷沙 化学处理 以提高工件与聚苯硫醚的粘附力在370 400 下预热处理10 20min 用喷枪将PPS粉末喷到工件表面 待流平 固化后得到平整而有光泽的涂层 PPS的用途十分广泛 主要应用于 汽车 电子电气 机械行业 石油化工 制药业 轻工业以及军工 航空航天等特殊领域 PPS树脂还被制成了高性能的特种纤维和薄膜等产品 使其在环保应用领域和清洁能源领域有了更加广泛的应用 PPS的应用 电子电气家电以及舒适类电气销量的增长 电路板微型化以及自动化的更多应用 要求更高的温度和更为恶劣的工作环境 因此对于PPS树脂的需求更高适合于表面贴装流程零件不断增加的需求以及对由铝或者热固性树脂制造零件替代品的发展趋势微型电子元件封装 电刷 电刷支架 连接器 变压器开关 小型电路板 接线器 高压接线柱 中波滤波器 插座 灯座 接插件 线圈骨架 微调电容器 锅炉传感器支架 保险基座 电子马达支架 屏蔽罩 电池箱体 PPS的应用 机械石油化工机械零件对不锈钢和异种合金替代品的需求推动了PPS的消费不断增长 相对于金属零件 PPS更为耐用且在极端环境下成本效益更高 油泵组件 油田下坠球 阀座及阀门 压缩