高分子材料概论-工程塑料

第二章：高分子材料概论

2.3工程塑料

主要内容：2.3.1 工程塑料概述

2.3.2 工程塑料的分类

2.3.3 工程塑料的主要特征

2.3.4 重要的工程塑料及其应用

2.3.5 思考题

2.3.1 工程塑料概述

工程塑料，顾名思义就是工程上应用的塑料或可作工程材料的塑料。较为科学的定义是：工程塑料一般是指可作为结构材料使用，具有优异的力学性能、热性能、尺寸稳定性或能满足特殊要求的某些塑料。一般上，工程塑料的拉伸强度大于49MPa，抗拉和弯曲模量超过

2GPa，在一定载荷作用下能于100oC以上长期使用。工程塑料是随着汽车工业、电子电气工业、信息技术、航空航天以及主要是国防军工的特殊要求在20世纪50年代以后新兴的高分子塑料材料。现代工程塑料不仅仅是代替金属，而且更加看重它具有金属所没有的特殊性能，是一种独立的而且是金属无法取代的高分子材料。比如它的密度小，质轻，比强度高，耐化学腐蚀，耐磨，尺

的。所以工程塑料与金属材料或其它非金属材料不是谁替代谁的问题，而是人类使用的一类特种材料，是材料的一个进步。

2.3.2 工程塑料的分类

工程塑料的分类方法主要有如下两种：

一、按照聚合物的结构单元和重复单元特征分类，以便于命名：

二、按长期连续使用温度划分。

这种分类为大多数人采用，一般长期使用温度在100-150℃范围内的，称为“通用工程塑料”，人们将聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET和PBT)、聚苯醚(PPO)五大类为通用工程塑料；把长期使用温度在150℃以上的叫特种工程塑料或超级工程塑料。

2.3.3 工程塑料的主要特征

工程塑料同其它高分子材料一样，其物理机械性能和其它性能，主要与高分子的结构有关，与加工过程有关。无论通用工程塑料还是特种工程塑料，它们具有一些共同的特性，如下：

(1)质量轻、相对密度小。相对于金属而言，工程塑料的相对密度一般在1.0-2.0之间，相当于钢铁的1／4—1／8，相当于铝的1／2左右。对于使用工程蛆料替代一些传统的金属材料作结构部件时，可以减轻自重，用于航空飞行器、车辆、船舶、运动器材等，在减少损耗，降低能耗等方面有着特殊的意义。

(2)较高的比强度。以拉伸强度为例，强度与相对密度的比值，一般可达1500-1700以上，更有甚者，可达4000，相对于合金钢1600和铝的1500来说，增强的工程塑料足以与之抗衡。

突出的耐磨和自润滑性能。用工程塑料作摩擦零件，可以在干摩擦和各种液体、边界摩擦的条件下，正常工作，与耐磨金屑合金相比，磨耗量低于1:5。氟塑料尤佳。

(4)优良的机械性能。在较宽的温度范围内，许多工程塑料，尤其是增强的工程塑料，有优异的抗冲击和耐疲劳性能。

(5)优良的电绝缘性能。几乎所有的工程塑料都有优良的电绝缘性能和耐电弧的特性，可以跻身优良绝缘材料行列。

(6)化学稳定性能。这些塑料对酸、碱和一般有机溶剂都有很好的抗腐蚀性。

(7)优良的吸震、消声和对异物的埋没性能。工程塑料作为运动零部件使用时，没有像金属撞击的噪声，有优良的吸震消声性能。而对于有磨粒或杂质存在的条件下，作为摩擦零件，可以埋没异物，而不像金属之间可能会咬死或刮伤。

(8)较好的尺寸稳定性。

(9)有较高的耐热性。与通用塑料或其它高分子材料相比，工程塑料特点在于其耐热性能优异。

(10)良好的加工性能。工程塑料可以在较低的温度下(通常400oC以下)，采用注塑、挤出、吹塑等方法进行加工。

重要的工程塑料及其应用

一、聚酰胺(PA)

聚酰胺又叫尼龙，是高分子主链上含有酰胺键结构的高聚物，一般可由内酰胺开环聚合或者氨基酸或者对应二酸二胺缩聚而得，属于逐步聚合反应。其命名原则是以单体中所含胺基的碳数目和羧基的碳数目来表示的。若是氨基酸或内酰胺则以单体中总的碳数来表示。如尼龙12表示是12个碳的氨基酸聚合而成，尼龙610表示由6个碳的二胺和10个碳的二酸缩合成的。在整个工程塑料中，尼龙的产量和消费居于首位，大约占30％左右。聚酰胺总产量的15％-20％左右用作工程塑料，而在聚酰胺工程塑料中，80％-90％是尼龙6和尼龙66。

1）聚酰胺的主要种类

除了尼龙6和尼龙66外。其它的聚酰胺类则有PA9、PA12、PA11、PA1010、PA86、PA610、PA612、PA46、PA1212、PA1313，还有半芳香族尼龙，尼龙MXD6，尼龙6T、尼龙9T，全芳香族尼龙PPTA和共聚尼龙等。

注：半芳香族尼龙指二酸或二胺中有一个是芳香族的；全芳香族尼龙指二酸和二胺都是芳香族的。

2）聚酰胺的主要特性

(1)聚酰胺树脂是高结晶性的，力学性能优良，韧性好，蠕变变形小，具有耐寒、耐汽油的特性，可在-40—100oC内长期使用，使它成为能够满足汽车发动机部件要求的材料。(2)质轻耐磨，易于加工，使得尼龙有30％-45％左右消费在汽车和其它车辆的电气和车体部件上，其摩

1/3，是酚醛树脂的1/4。(3)尼龙具有一定的阻燃性，能够自熄，又有良好的电绝缘性能，有1/3—1/4的消费用于电气和电力工业上。(4)尼龙制品运转时吸震、减噪，广泛应用于轴承、齿乾、轴瓦等滑动或啮合的部件。(5)尼龙的挤出膜耐油隔氧、耐刺穿、耐低温冲击，是优良的冷冻制品包装材料。（6）但是，聚酰胺具有吸水率高、制品尺寸稳定性较差、热变形温度低、不耐酸等不足。

3）聚酰胺的主要应用领域

(1)汽车工业利用尼龙的高强度、耐温和耐环境变化的特性，能经受汽车上使用的汽油、机油、制动油、润滑油、蓄电池液、冷却液的侵蚀，是汽车发动机传动件和受力件的理想材料。一般用PA6、PA66及其玻璃纤维增强的材料，用于汽车的发动机部件，如汽缸盖、进气管、散热器、空气过滤器、燃油过滤器、加油器盖、沉淀器、贮油缸、冷却风扇、电机电刷、操纵套杆等。以PA6为主体的阻燃尼龙，可用于汽车的电气部件，如接插件、配线、保险盒、熔断器、接线柱接钮、开关、电线包覆、卡套等等。

(2)铁路运输业铁路用的材料，如铁轨枕垫，要求耐受环境和气候的变化，耐冲击，一般使用增韧PA66。铁轨槽板、轨端绝缘板，要求良好的刚性，常用P66合金。此外尼龙还用于铁路电气讯号装臵、机车转向器和电路接线柱等。

(3)电子电气工业随着电子通讯设备的小型化、轻型化，对工程塑料的需求越来越大。空调、彩电、程控交换机、复印机、计算机的各种部件以及电话、电

龙。家用电器如电饭煲、微波炉、干燥机、电熨斗、电吹风、VCD、摄像机，要求尺寸稳定、外形美观、耐冲击，一般使用PA6、PA05及其合金。

(4)机械工业在矿山机械、造纸、纺织、橡塑加工、食品加工等工业用机械中，为实现机械设备的小型化，低噪声、抗腐蚀和抗恶劣环境以及使用寿命长等技术进步，必须使用高强度、耐冲击、耐磨损、低摩擦系数、低噪声的材料，这些正是尼龙的优点所在。

(5)电动工具行业电动工具的外壳材料，要求耐热、绝缘、高强度，有一定刚性、尺寸稳定，用增强的PA6或PA6的合金，可以胜任。电动工具的工具箱可用尼龙，制造结构较为复杂的箱体。

(6)包装工业尼龙薄膜能很好隔氧，有耐穿刺、透明、耐低温、可印刷等特性，用于食品冷藏、保鲜贮运是非常适合的。此外，利用其耐汽油、柴油、农药和溶剂的特性，可作相关的容器。

(7)运动器材和其它增强尼龙制造运动器具，经久耐用，质轻，可有各种色彩，美观大方，如各种健身器的扶手、盖罩板、齿轮、滑雪板、鞋底。现在还出现了全塑自行车。尼龙还可制成膨胀螺丝，各种螺丝钉不生锈，广泛用于包装箱和家具上等等。

二、聚碳酸酯（PC）

O

—O—R—O—C —结构，这一类材料统称为聚碳酸酯。随重复单元中R 基团的不同，可分为脂肪族、脂环族、芳香族等几个类型，目前只有芳香族聚碳酸酯具有工业价值，其中尤以双酚A型聚碳酸酯为主，是无定形热塑性塑料。一般情况下，不作特殊说明，凡说道“聚碳酸酯”指双酚A型聚碳酸酯，其重复单元为：

1）聚碳酸酯的合成工艺

实验室报道合成Pc的工艺很多，现在许多人正致力于不用光气的“绿色化工工艺”开发。有实际意义的工艺可按原料划分为：

按照反应工艺过程原理可分为：

法现在是研究开发的热点，目前工业化生产仍然采用传统酯交换法和光气界面缩聚法。

2）聚碳酸酯的重要性能

（1）聚碳酸酯具有良好机械性能，PC的耐蠕变性相当优良，在工程塑料中吸水率几乎是最低的，因此其制品的尺寸稳定性十分好；PC的冲击强度在工程塑料中是很突出的，耐磨性较差，但仍比金属的耐磨性要好得多。

（2）热性能，PC可在-60-120o C下长期使用。

（3）电性能。PC的电绝缘性能优良，体积电阻率为(2-4)×1016Ω?cm，介电强度为20~22kV/mm，介电常数为2.8-3.1，介电损失角正切为5×10-4。

（4）耐油耐溶剂性较好，但是芳烃、氯化烃、酚类、丙酮、吡啶、四氢呋哺、环己酮、乙酸乙酯、DMF等可使PC溶解或溶胀。

（5）耐燃、耐老化性。PC能燃，但可自熄；PC抗气候能力和抗热老化能力好。

（6）光学性能PC具有良好的透过可见光的能力。对波长400nm以下紫外光透过能力很弱，吸收305nm紫外光，有选择地吸收特定波长的红外线而透过其它波长的谱线。

）聚碳酸酯的主要应用领域

PC主要用于透明材料和高抗冲领域。

(1)光盘材料是PC的重要用途，在光盘材料中，PC 占50％，目前是CD光盘的主要材料，并开始用于DVD。约占PC产量的10％以上，用于光盘产业。

(2)汽车工业用作各种车灯、透镜、车窗玻璃、内外装饰件、仪表板和彩色保险杠、各种零部件等。

(3)电子电气行业国外有将近50％的PC用于电气行业，它是优良的E级(120?C)绝缘材料。用作低压电柜的绝缘零件、接线板垫片、套管接插件、线圈架壳体材料、机床电机的保护开关、电视机和摄像机的部件等。

(4)机械行业制作高刚性、耐冲击的制件，制造传递中小负荷的零部件如齿轮、蜗轮、蜗杆、卤条、泵的叶轮、阀门、管件，各种器材的外壳和机械零件螺丝、螺帽、手柄、按钮、铭牌等。

(5)代替玻璃和金属作透明材料和结构材料可用作矿灯、防爆灯罩，大型玻璃，飞机、船只、车辆的风挡玻璃，温室的顶棚，地下室的窗户，交通道路灯罩，潜望镜，各种玻璃瓶，保温水瓶，经改性还可作激光传真、激光复印的精密透镜，可作红黄绿色透镜等。

(6)其它利用PC的高抗性能，可制作安全帽。此外由于PC可在蒸汽下消毒，因此，用作医疗器械、手术器械杯筒、容器等。

POM）

聚甲醛是以甲醛为主要单体、聚合物主链中结构单元以—CH2—O—为主构成的聚合物，分为均聚甲醛和共聚甲醛两类：均聚甲醛的端基一般为乙酰基；共聚甲醛除结构单元—CH2—O—之外，还夹有—CH2—CH2—O—或C4H8—O单元，端基一般是丁氧基醚或羟基乙基醚，如

聚甲醛的聚合反应属于离子聚合反应机理，工业上常采用负离子引发，聚合速率快，聚合热较大。

从聚甲醛的分子结构可见，高分子的主链由-C-O-组成，没有侧链，化学结构既规整又对称，分子间作用力大，密度高，易结晶，使分子运动和链的内旋变得困难。因此，聚甲醛是一种结构紧密，没有侧链，高密度、高结晶的线性聚合物，其分子量可达数万到十余万。聚甲醛不透明、易着色、易燃烧，其制品有光泽且光滑、致密，薄壁部分呈现半透明，其燃烧熔融滴液有强烈的甲醛味和鱼腥味。聚甲醛树脂是一种重要的工程塑料，具有优良的综合性能，是继尼龙后发展最迅速的优良树脂品种之一。

1）聚甲醛的主要特性

（1）机械性能优良。聚甲醛的拉伸强度达70MPa，可在-40—100℃的范围内长期使用。其抗蠕变性能优于尼

(PC)，能在众多领域中取代钢、铜、锌、铝等金属材料。

（2）聚甲醛树脂有优良的化学稳定性，在70℃以下尚无有效的溶剂。在强烈的紫外光照下表面易粉化，抗拉、抗冲强度会下降，但在掺混改性剂如炭黑、紫外线吸收剂后，制品的耐候性会得到很好的改善。

（3）聚甲醛树脂没有污染性，在通常性情况下使用其制品没有引起过中毒和刺激皮肤的危害。制品的废弃物在连续5次100%回收再加工成型的制品仍能保持原有的机械强度。

（4）聚甲醛树脂在成型加工的温度下，易受热降解释放出甲醛气味。

（5）但是，聚甲醛树脂的粘合性差，耐候性不好，易受强酸侵蚀；聚甲醛的氧指数为塑料中最小，易燃烧；热分解温度与软化温度接近，熔融加工比较困难。

2）聚甲醛的主要应用

(1)汽车工业这是POM的主要用途，制造汽化器部件，输油管、泵、动力阀、轴承、万向节轴承、齿轮、曲柄、手柄、把手、仪表板、轴套、护罩、汽车升降窗装臵和汽车上的电器开关、安全装臵等等。

(2)机械制造业适合于作齿轮、链条、驱动轴、轴承、阀杆螺母、叶轮、滚乾、凸轮以及各种机械结构件，电动工具外壳手柄、开关等。不漏电，强度高，而且抗震。

电子电气和仪表行业用于制造各种接头，接插元件、开关、按钮、继电器、洗衣机的蜗轮、动力轮，家用电器、电话、收录机、VCD、录像机、微波炉的各种零部件，外壳，转动杆，滑动部件，精密仪器的支撑架、罩体、摩擦垫板，钟表、照相机、传真机等的机芯和精密零部件，打印机、激光复印机的齿轮分离爪等关键部件。

(4)兵器和军工制作追击炮的弹带，步枪的击发机，坦克和装甲车的各种机械部件、仪表部件和转动、往复耐磨密封件等等。

(5)其它行业用POM制造传送链带，磨损小，噪声低。广泛用于食品、医药、轻工行业。聚甲醛耐化学品性能好，可制造各种耐腐蚀部件容器，如农药喷雾器械，医药器械，液下泵部件等。

四、聚苯醚（PPO）和改性聚苯醚(m-PPO)

聚苯醚的结构式如右图：

虽然PPO具有优良的机械性能、电性能和其它性能，但其熔融流动性差，加工困难。为此，美国GE公司开发了与聚苯乙烯共混改性技术，现在的商品PPO通常都是改性聚苯醚，多为高抗冲聚苯乙烯（HIPS）与聚苯醚共混。

1）聚苯醚的合成工艺

聚苯醚的制备分为两步：先通过苯酚和甲醇制备单体2,6-二甲酚，然后在催化剂存在下聚合成聚苯醚。

—胺络合物，通入氧气和二甲酚聚合，聚合机理说法众多，有人认为是在O2参与下，二甲酚氧化产生自由基，偶合为二聚体，再产生自由基，偶合为三聚体，如此聚合为高聚物。也有入主张是逐步聚合反应的机理，先偶合为二聚体、三聚体，低聚物再偶合，聚合度逐步增大。

1）聚苯醚的性能特点

（1）机械性能。其拉伸强度超过POM，部件在200℃下不变形，蠕变小（比其他通用工程材料都低），长期重载下制件尺寸基本不变。

（2）热性能。聚苯醚的热变形温度为185-194℃，玻璃化温度211℃，熔点280℃以上，因此，耐高温性良好。

（3）电性能。聚苯醚介电性能几乎是工程塑料中最好的，而且几乎不受温度和湿度的影响，广泛应用于高压电气装臵。

（4）耐介质特性。PPO有优异的耐水性，吸水率0.14％，是工程塑料中吸水率最低的品种，m-PPO制品

在热水中长期浸泡，其性能几乎不变。PPO和MPPO耐酸碱洗涤剂，但在受力条件下不耐矿物油、酮类和酯类，不耐有机溶剂。

（5）加工性能。PPO热变形温度高，熔体粘度大，在剪切速率增加时，粘度不会下降。其熔体流动性差，必须用很高的加工温度(315℃)，加工困难，且能耗大。在氧存在下，高于105℃会逐渐交联，长期曝露，会慢慢呈现热固性塑料的特点。PPO耐光性差。

2）PPO和MPPO的应用领域

PPO具有优异的耐高低温性能，可以在-127℃至

+121℃之间长期使用；无负载时，可以用到204℃，最适宜应用在潮湿、有水、有负载而且还要具有良好绝缘性能和尺寸稳定的场所。

（1）PPO用于制造在较高温度下工作的齿轮，凸轮泵的叶轮，风机叶片，水泵的零部件，轴承。这些制件无噪声，用于化工管道、阀门、上水管道、管件、容器、设备等。（2）由于PPO抗蠕变，可用作紧固件、螺丝钉、连接件等。（3）利用其电绝缘性能优异的特点，可作电机线芯、转于、机壳、高频印刷电路板、超高频零件、电视机、微波绝缘、变压器屏蔽套、线圈架和电视偏转系统元件等。（4）PPO可用蒸汽消毒，用于医疗器械有得天独厚的优越性。（5）在航天航空和军工领域有重要应用前景。

五、聚酰亚胺（PI）

右图通式结构的聚合物。式中Ar和AR'多是芳香族取代基，由于取代及种类不同可以得到很多种品种，现约有20多个品种。聚酰亚胺按照种类不同，其合成方法也不尽相同，有些方法尚未公布，以聚均苯四酰二苯醚亚胺为例，如下：

聚酰亚胺是耐热性最高的聚合物（聚酰亚胺是目前使用温度最高的工程塑料中），同时具有很高的机械性能、电性能和耐辐射性能。聚酰亚胺的耐高温性，对于其在喷气机、火箭、导弹等场所应用具有特殊意义。

六、聚砜（PSF，Polysulfone）

聚砜是主链分子中含有二苯

砜单元（如右图）的一类高分子，

按其结构可分为聚砜、聚醚砜和

聚芳砜三类：

1）聚砜或老聚砜，合成方法如下：

）聚醚砜（PES），合成方法如下：

3）聚芳砜（PAS），分子主链上不带醚键，其结构如下：

电子电气工业上用聚砜制作集成线路板、印刷线路板、线圈管架、接触器。在家用电器方面，用作各类设备的外壳、部件。还可以制造钟表外壳，电装饰材料，复印机、照相机、精密零部件。聚砜耐蒸汽、耐水解、耐高压蒸汽、无毒、透明、长期抗蠕变、尺寸稳定性好，在医学、医疗工业、食品工业中应用于特别的场合，如外科手术盘、医疗器械、心脏阀、起搏器、防毒面具、

宇航员的面罩、宇航服等均由聚砜制造，因为它们抗辐射、耐离子辐射。

七、聚醚酮

大分子主链的重复单元中，有醚键又有酮基的聚合物统称聚醚酮类高分子。其中主要是聚醚醚酮，这种高分子的重复单元，有两个醚键一个酮基，称聚醚醚酮，简写PEEK；以此类推，有两个酮基一个醚键的则叫聚醚酮酮，简写PEKK；含有一个醚键和酮基的则叫聚醚酮，简写PEK。结构是如下：

聚醚酮类分解温度一般都在500℃以上，大多为结晶高分子。耐热水性是主要特征之一，即使在260℃热水中也相当稳定。PEEK几乎不溶于所有的有机溶剂，对无机酸碱除了浓硫酸和硝酸外，几乎都能耐受。PEEK经得起109Rad剂量的β和γ射线辐射。聚醚醚酮类有很高的耐疲劳和耐磨能力，具有优良的电绝缘性能，电学性能随温度、湿度变化很小，阻燃性好，是制作电子电气机械零部件和用于航天、原子能和宇航领域的良好的工程材料。

思考题

1、什么是工程塑料，常说的五大工程塑料指什么？

2、工程塑料的分类方法有哪些，如何分类？

3、工程塑料的主要特征有哪些？

4、请总结五大工程塑料的突出特征。