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1、新材料行业改性工程塑料 培 训 教 程（10）,工 程 塑 料 基 础,WUHU NIUMAITE NewMaterialTechnologyCentre,什么是工程塑料？,工程塑料（engineering-plastics）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。,工程塑料的性能特点： 1、能承受一定的外力作用； 2、有良好的机械性能和尺寸稳定性， 3、在高、低温下仍能保持其优良性能，可用作工程结构件。,工程塑料的主要性能： 热 性 质：玻璃化温度（Tg）及熔点（Tm）；热变形温度（HDT）高； 长期使用温度高（UL-74
2、6B）；使用温度范围大；热膨胀系数 小。 机械性质：高强度、高机械模数、低潜变性、强耐磨损及耐疲劳性。 其 它：耐化学药品性、抗电性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。,常用的 工程塑料件,常用的工程塑料种类：尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜等。,五大通用工程塑料的发展史,1、聚酰胺(PA)：卡罗泽斯（W.H.Carothers美国化学家）开 发聚酰胺研究并于1931年申请了专利，由杜邦公司于1939年 组织生产并率先工业化的。 2、均聚甲醛(POM)：1956年杜邦公司又成功地开发出，并 于1959年实现工业化生产。 共聚甲醛：1962年由美国塞拉尼斯公司开发并商品化生产。 3、聚碳酸酯(PC)：1
3、958年和1960年德国拜耳公司和美国通 用电气公司分别开发生产了酯交换法和光气化法聚碳酸酯。 4、聚苯醚(PPO) ：1964年通用电气公司开发，两年后推出 改性聚苯醚。 5、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)：1970年由美国塞拉尼斯公 司将热塑性聚酯类开发成工程塑料，它成为五大通用工程塑 料最后开发成功且产量增长率极高的品种。,工程塑料的状况,从20世纪50年代出现工程塑料以来，半个世纪的发 展，在市场竞争中成长壮大，在2000年，全世界工程塑 料产量已超过500万t，还以每年79%的速度递增。虽然 仅占全部塑料的23%，但其优异的性能是其他材料不能 比拟的。,我国工程塑料部分产品技术、质量
4、指标也已接近国外 先进水平。一些特种工程塑料产品的工艺技术已经进入到 国际先进行列。2008年，我国工程塑料的消费量约为206 万吨，2010年，我国工程塑料的消费量已经达到约244万吨。,工程塑料的分类,通用工程塑料,特种工程塑料,聚醚酰亚胺PEI,液晶高分子PPS,碳纳米管增强PEEK,表1特种工程塑料类型：,工程塑料的主要特性,1、质量轻、相对密度小 工程塑料的相对密度一般 在1.02.0之间，远低于金属。 自重轻，可替代一些传统的金 属材料用于航空飞行器、车辆 等领域。,工程塑料的主要特性,2、较高的比强度： 用玻璃纤维、碳纤维等纤维增强，可以大 大提高抗张强度，*拉伸强度与相对密度的
5、比值 一般在1500-1700，甚到高达4000（钢1600， 铝1500）,3、突出的耐磨和自润滑性能： 用工程塑料作摩擦零件，与耐磨金属合金相对，磨耗量 低于1：5，氟塑料更佳。,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。,*拉伸强度(tensile strength)：是指材料产生最大均匀塑性变形的应力。 在拉伸试验中，试样至断裂为止所受的最大拉伸应力即为拉伸强度，其结果以MPa表示。,拉伸强度检测仪,工程塑料的主要特性,5、优良的电绝缘性： 几乎所有工程塑料都有 优良的电绝缘性和耐电弧的 特性，可以跻身优良绝缘材 料行列,
6、6、化学稳定性： 对酸、碱和一般有机溶剂都有很好的抗腐蚀性。,8、有较高的耐热性： 一般的工程塑料在不同玻璃纤维增强时，UL长期连续 使用温度都超过100，特种工程塑料的指标一般都超过 150。,7、较好的制件尺寸稳定性：,工程塑料的主要特性,9、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，没有金属撞击的噪 声，有优良的吸震消声性能。对于有磨粒存在的条件下，可 以埋没异物，不像金属之前可能会咬死或刮伤。,工程塑料齿轮,工程塑料齿轮,10、良好的加工性能： 工程塑料可以在较低的温度下（通常400以下），采 用注塑、挤出、吹塑等方法进行加工，制品可采用机械方法 再加工，尺寸
7、稳定，成品的互换性强，模具费用低，与加工 金属相比，可节省能耗50%左右，工时缩短，成品率高。,几种常见的工程塑料,聚酰胺（PA） 聚碳酸酯（PC） 聚甲醛（POM） 聚苯醚（PPO）,工程塑料之一尼龙的发展历程,聚酰胺：又称尼龙(Nylon),英文名称Polyamide （简称PA），是一种人造多聚物， 世界上第一种完全人造的纤维和塑料。 1931年：杜邦公司的卡罗泽斯开发尼龙-66， 成为最先开工业化的工程塑料，并于 1939年杜邦公司组织生产。 1942年：德国人开发了尼龙-6的工业技术， 并作为纤维开发应用。 1961年：中国开发PA1010。 1972年：杜邦公司开发芳香族尼龙工业化
8、技术。,尼龙目前是工程塑料中产量最大的品种,卡罗泽斯W.H.Carothers,最早的尼龙制品1938年尼龙正式上市，最早 的尼龙制品是替代鬃毛制作牙刷的刷毛（1938年 2月24日开始出售）和妇女穿的尼龙袜（1940年5 月15日上市）。如今，尼龙纤维更多的是和其他 纤维(棉、麻、毛等)混纺成多种人造纤维。,中国的尼龙“锦纶”,锦纶：学名聚酰氨纤维，是中国所产聚酰胺类纤维的统称。 1958年4月，第一批中国国产己内酰胺（尼龙6）试验 样品终于在辽宁省锦西化工厂试制成功。在北京纤维厂一次 抽丝成功，从此拉开了中国合成纤维工业的序幕。这种合成 纤维后来就被命名为“锦纶”，也就是尼龙。,锦纶的特点
9、：强度高，耐磨性、回弹性好，可以纯纺和混纺作各种衣料及针织品。锦纶吸湿性和染色性都比涤纶好，耐碱而不耐酸，长期暴露在日光下其纤维强度会下降。锦纶有热定型特性，能保持住加热时形成的弯曲变形。,锦纶的品种：有锦纶6、锦纶66、锦纶1010、锦纶610， 其中最主要的是锦纶66和锦纶6。,涤纶聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），中国聚酯纤维的商品名称，俗称的 确良，经纺丝和后处理制成的纤维。,聚酰胺的结构,聚酰胺（PA），是主链 上含有酰胺基团（-CONH-） 的高分子化合物的总称。PA 可以由二元酸与二元胺或由同 时含有胺基和羧基的-氨基 酸缩聚而得，也可由内酰胺自 聚制得。,脂肪族聚酰胺分子链由 亚
10、甲基（-CH2-）与酰胺结 构（-CONH-）组成。,二元酸,二元胺,内酰胺,聚酰胺的类型,脂肪族聚酰胺的类型,聚酰胺（PA）的特性,尼龙作为大用量的工程塑料，广泛用于机械、汽车、电器、纺织器 材、化工设备、航空、冶金等领域。成为各行业中不可缺少的结构材 料，其主要特点如下： 1优良的力学性能：尼龙的机械强度高，韧性好。 2自润性、耐摩擦性好：尼龙具有很好的自润性，摩擦系数 小，从而，作为传动部件其使用寿命长。 3优良的耐热性：尼龙46等高结晶性尼龙的热变形温度很高， 可在150下长期使用。玻璃纤维增强PA66热变形温度达 到250以上。 4优异的电绝缘性能：尼龙的体积电阻很高，耐击穿电压高，
11、 是优良的电气、电器绝缘材料。 5优良的耐气候性。 6吸水性：尼龙吸水性大，饱和水可达到3%以上。在一定程 度影响制件的尺寸稳定性。,聚酰胺的应用,聚酰胺由于它独特的低比重、高抗拉强度、耐磨、自 润滑性好、冲击韧性优异、具有刚柔兼备的性能而赢得人 们的重视，加之其加工简便、效率高、比重轻（只有金属 的1/7）、可以加工成各种制品来代替金属，广泛用于汽车 及交通运输业。 聚酰胺在汽车工业的消费比例最大，大约每辆汽车消 耗尼龙制品达3.64千克。其次是电子电气。 典型的制品有泵叶轮、风扇叶片、阀座、衬套、轴承、 各种仪表板、汽车电器仪表、冷热空气调节阀等零部件。,尼龙风扇叶片,泵叶轮,尼龙轴承,聚
12、酰胺（PA）纤维的应用,聚酰胺纤维可以与棉、麻、羊 毛、蚕丝等其他纺织纤维混纺，以 提高产品的强度和耐磨性。它还能 制成轻、薄并有良好强度的产品， 如尼龙塔夫绸，可用作滑雪衫、羽 绒服、箱袋及伞的面料。聚酰胺纤 维在袜类用途中居于优势地位。强 度为 5388cN/dtex的聚酰胺纤维 可用于制作轮胎帘子线、传送带及 渔网、绳索、降落伞、帐篷布等工 业用品。聚酰胺纤维地毯方面的应 用正迅速增加。,聚酰胺（PA）的应用,表-2 汽车用PA工程塑料部件,聚酰胺（PA）的加工特性,1尼龙吸湿性强，容易受潮：成型前必须充分干燥。 尼龙含水量对其力学性能有较大的影响， 在熔融状态下，水分的存在，会引起尼龙
13、的水解而导致分子量下降，使得制品机械性能下降，还会在成型过程中，制品表面出现气泡、银丝和斑纹等缺陷。 2尼龙熔体粘度低、流动性大，喷嘴会产生“流延”现象：尼龙在螺杆式注射机成型时，在螺杆端部必须安装止逆环。 用螺杆式注射机注射成型时，熔体会在螺杆和料筒壁之间出现逆流，使注料不准， 浪费原料，污染喷嘴。 3尼龙是结晶性高聚物：必须严格控制工艺条件。 熔点明显，而且较高。尼龙需要在较高温度下成型，熔融状态的尼龙热稳定性较差，易分解。 4尼龙的成型收缩率大：成型工艺应严格控制。 对于制造高精密度的制品，模具设计应在试验的基础上确定其尺寸。,脂肪族聚酰胺的制备,p型聚酰胺： 由-氨基酸自缩聚或由内酰胺
14、开环聚合制得（如尼龙6）,水 解,缩 聚,脂肪族聚酰胺的制备,mp型： 由二元胺与二元羧酸缩聚得所得到的聚酰胺是mp型聚酰 胺（如尼龙6,6）,煤、 水、 空气,两种不同聚合的区别,尼龙6,6与尼龙6在链结构上的相似性，导致两种材料的性 能基本相似；但是链结构上的细微差别，也导致性能有所差异。,尼龙6与尼龙6,6有什么区别？,脂肪族聚酰胺的结构与性能,1、都是线型结构热塑性 所有脂肪族聚酰胺分子链都是线型结构，分子链骨架 由-C-N-链组成，具有良好的柔顺性，因此都是典型的热塑 性聚合物。,2、分子链之间有氢键结晶能力强（与聚烯烃类的区别） 分子链上有规律地交替排列着较强的极性酰胺键，分子链规
15、整，极性酰胺键可以使分子链之间形成氢键，导致聚酰胺具有较强的结晶能力。,脂肪族聚酰胺的结构与性能,氢键比例数对材料性能的影响： 由于不同品种的PA其单体所含碳原子数不同，使分子 链之间所能形成的氢键比例数及氢键沿分子链分布的疏密程 度不同，影响到不同PA的结晶能力和熔点有明显的差别。,氢键比例数越大，PA的结晶能力增强，熔点愈高。,氢键比例数 PA的结晶能力、熔点,P型PA：单体中含有奇数个碳原子，分子链上的酰胺基可以 100%形成氢键，偶数则只有50%可以形成氢键。 mp型PA：两种单体上都含有偶数碳原子，100%形成氢键， 只有一种或没有偶数碳原子，50%形成氢键。,脂肪族聚酰胺的结构与性
16、能,脂 肪 族 PA主要性能 力学性能 热性能 电性能 光学性能 耐化学性能 其他性能,脂肪族聚酰胺的结构与性能,力学性能： 具有良好的耐磨耗性，是优良的耐磨材料之一。结晶度 愈高，材料硬度愈大，耐磨性愈好。 典型的强而韧聚合物，综合性能优于一般的通用塑料。,热性能： 具有良好的柔性，玻璃化温度在室温左右，氢键的形成， 使其熔融温度一般高于聚烯烃，有明显的熔点。 PA是半结晶聚合物，结晶度一般小于聚乙烯、聚丙烯、 聚四氟乙烯等高结晶度聚合度。,脂肪族聚酰胺的结构与性能,电性能： 聚酰胺链中极性的酰胺基团，影响其电绝缘性。 室温干燥的条件下，电绝缘性较好，潮湿的时候，电绝 缘性减小。同时，温度升高，也会使电绝缘性降低,光学性能： 大多数结晶脂肪族PA超过2.5mm厚几乎不透明，低于 0.5mm时为半透明。 加入的
