工程塑料課件

工程塑料EngineeringPlasticIntroductiontoPolymerscienceDefinition&Classification工程塑料是指機械性能和熱性能均好，可在承受機械應力和較為苛刻的化學物理環(huán)境中使用，用于代替某些金屬作為結(jié)構(gòu)材料而應用的一類樹脂。工程塑料通常應用在機械、汽車、電子、電器、航空及航天等領(lǐng)域。通常使用量大，可長期在100oC以上溫度下使用的工程塑料統(tǒng)稱為通用工程塑料聚酰胺（PA/nylon、尼龍）聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）聚苯醚（PPO）聚酯（芳香族聚酯：PBT、PET）Polyamide聚酰胺為大分子主鏈上含有酰胺基團重復結(jié)構(gòu)的一類聚合物，主要由二元酸和二元胺縮聚或由氨基酸內(nèi)酰胺自聚合而成，俗稱尼龍，英文名稱為“polyamide”或“nylon”。尼龍的種類很多，由二酸與二酰胺縮聚制備的聚酰胺可命名為尼龍xy，其中x

指二元酸的碳原子數(shù)，y

指二元胺的碳原子數(shù)。例如尼龍66指聚己二酸己二胺。由內(nèi)酰胺開環(huán)聚合或1-氨基烷酸縮聚制備的聚酰胺可命名為尼龍z，其中z

指單體中的碳原子數(shù)。R1COOH+HOOCR2NH2H2NR1CCR2NHHNOO()nCatalystCatalystRCNHRNH2

orHOOCRCNHO()nOHydrogenbondsofNylonOONNONHHHOONNONHHHOONNONHHHOONNONHHHONONHHONONHHOONHNHOONHNHNylon6,6:260oCNylon6:220oCNylon11:190oCNylon12:175oCInventionofNylon尼龍是世界上第一種合成纖維。1926年美國最大的工業(yè)公司－杜邦公司的的董事Stine出于對基礎(chǔ)科學的興趣，建議該公司開展有關(guān)發(fā)現(xiàn)新的科學事實的基礎(chǔ)研究。1928年杜邦公司在特拉華州威爾明頓的總部所在地成立了基礎(chǔ)化學研究所。年僅32歲的Carothers博士受聘擔任該所有機化學部的負責人。CharlesM.A.StineCarothers支持Staudinger的觀點，決心通過實驗來證實這一理論的正確性，他把對高分子的探索作為有機化學部的主要研究方向。一開始Carothers

選擇了二元醇與二元羧酸的反應，在不到兩年的時間里使聚酯聚合物的分子量達到10000～20000。為了合成出高熔點口高性能的聚合物，

Carothers

和他的同事們將注意力轉(zhuǎn)到二元胺與二元羧酸的縮聚反應上。WallaceH.CarothersInventionofNylon1935年初Carothers用戊二胺和癸二酸合成聚酰胺（即聚酰胺510），實驗結(jié)果表明，這種聚酰胺拉制的纖維其強度和彈性超過了蠶絲，而且不易吸水，很難溶，不足之處是熔點較低，所用原料價格很高，還不適宜于商品生產(chǎn)。緊接著Carothers在1935年2月28日合成出聚酰胺66。這種聚合物不溶于普通溶劑，具有263oC的高熔點，由于在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上更接近天然絲，拉制的纖維具有絲的外觀和光澤，耐磨性和強度超過當時任何一種纖維，而且原料價格也比較便宜，杜邦公司決定進行商品生產(chǎn)開發(fā)。1938年10月27日杜邦公司正式宣布世界上第一種合成纖維正式誕生了，并將這種合成纖維命名為尼龍，這個詞后來在英語中變成了聚酰胺類合成纖維的通用商品名稱。杜邦公司從高聚物的基礎(chǔ)研究開始歷時11年，耗費2200萬美元，有230名專家參加了有關(guān)的工作，終于在1939年底實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。ApplicationofNylon-automobile汽車工業(yè)為尼龍應用的第一大市場，主要應用于發(fā)動機部件、電子配件、車體部件及輸油件等。ApplicationofNylon-machine機械工業(yè)：利用尼龍制品的高力學性能、耐磨性和自潤滑性，可廣泛用于制作齒輪、墊片、螺母、軸承等。ApplicationofNylon-commodityNylonVelcroTMGeorgedeMestralAromaticPolyamideKevlar?--Kwolek,aDuPontchemist1960’sDiscoveredanentirelynewbranchofsyntheticsknownasliquidcrystallinepolymers-polyaramide1971Marketed.Syntheticfibersmuchstifferandstrongerthananycreatedbefore.Thefiberwasfivetimesstrongerthansteel(onastrengthperweightbasis)butabouthalfthedensityofglassfiber.StephanieKwolekCOCONHNH()nPoly(p-phenyleneterephthalamide)AromaticPolyamideCOCOH2NNH2ClCl+COCONHNH()n+2nHClKevlar?COCOClCl+H2NNH2COCONHNH()n+2nHClNomex?AromaticPolyestersPolyesterisacategoryofpolymerswhichcontaintheesterfunctionalgroupintheirmainchain.Althoughtherearemanypolyesters,theterm"polyester"asaspecificmaterialmostcommonlyreferstopolyethyleneterephthalate(PET).目前作為工程塑料使用的熱塑性聚酯為芳香族聚酯（Aromaticpolyester），主要包括：聚對苯二甲酸乙二醇酯（

Polyethyleneterephthalate,PET）聚對苯二甲酸丁二醇酯（Polybutylene

terephthalate,PBT）PropertiesPETPBTTensilestrength(MPa)6555Elongationatbreaking(%)150150Compressivestrength(MPa)9083Flexuralstrength(MPa)11097Impactstrength(Izod)0.51PETPBTPolyethyleneterephthalate聚對苯二甲酸乙二醇酯英文名為Polyethyleneterephthalate，簡稱為PET。PET分子為高度對稱芳環(huán)的線性聚合物，易于取向結(jié)晶。PET為乳白色半透明體，膜的拉伸強度很高，耐磨性較好。PET的耐熱性能不高，但耐熱老化性好。PET的電絕緣性優(yōu)良，在高頻下仍能很好保持，但耐電暈性較差。PET在高溫和水蒸汽條件下不耐水、酸、堿的作用，對有機溶劑穩(wěn)定。PET耐候性優(yōu)良，可長期用于戶外。Transesterification(酯交換反應)COOCH3COCH3OCH2CH2OHHO+COOCOOCH3CH2CH2OHnn[]n+2n-1CH3OHInventionofAromaticPolyester1847年瑞典化學家Benzelius制備第一種化學合成聚酯（PET）樹脂。1930年Carothers的同事Hill所研究的聚酯都是脂肪酸和脂肪醇的聚合物，具有易水解、熔點低（<100oC）、易溶解在有機溶劑中等缺點，Carothers因此得出了聚酯不具備制取合成纖維的錯誤結(jié)論，最終放棄了對聚酯的研究。英國化學家T.R.Whinfield和J.T.Dickson在汲取Carothers研究成果的基礎(chǔ)上，改用芳香族羧酸（對苯二甲酸）與二元醇進行縮聚反應，于1940年合成了PET纖維。英國帝國化學公司于1946年生產(chǎn)滌綸纖維Teleron。ApplicationofPET-terylenePolybutyleneterephthalate熱塑性聚酯：聚對苯二甲酸丁二醇酯英文名為Polybutyleneterephthalate，簡稱為PBT。PBT為結(jié)晶性熱塑性樹脂，制品表面有光澤。純PBT力學性能不好，但經(jīng)過玻纖增強后有大幅度提高，PBT耐蠕變性能優(yōu)異，高溫下尺寸穩(wěn)定性高。PBT經(jīng)玻纖增強后熱性能有大幅提高，線膨脹系數(shù)小。PBT的絕緣性能優(yōu)異，介電強度高。PBT屬于酯類聚合物，不耐強酸、強堿及苯酚類化學試劑，但耐油性好。COOCH3COCH3O(CH2)4OHHO+COOCOOCH3(CH2)4OHnn[]n+2n-1CH3OHApplicationofPBTPolycarbonate聚碳酸酯是指大分子主鏈含碳酸酯重復結(jié)構(gòu)單元的一類聚合物，英文名為Polycarbonate，簡稱PC。最典型的為雙酚A型PC。PC分子鏈中含有亞苯基，使得主鏈具有很高的剛性和體積效應，結(jié)晶能力差，基本屬于無定型聚合物，具有優(yōu)異的透明性。CCH3O)nCOCH3O(PC力學性能優(yōu)良，具有剛而韌的特點，沖擊強度為熱塑性樹脂中最高，尺寸穩(wěn)定性好；PC耐高低溫性好，使用溫度范圍寬，線膨脹系數(shù)小，阻燃性好，屬于自熄性材料；PC環(huán)境性能一般，不耐一些有機溶劑，耐紫外線性能不好，但耐空氣和臭氧性較好；PC是最優(yōu)異的光學塑料品種之一，其透光率可達93％，折射率為1.587，但耐磨性差、硬度低、雙折射高的缺點使其不宜用于高精度光學制品中。BisphenolAPolycarbonatePreparationofPCInterfacialProcessEsterInterchangeNoSolvent,PurePolymerwithMW>30,000FormedCCH3OCH3O--Na+Na+AqNaOHCOClCl+CH2Cl2CCH3O)nCOCH3O(+NaClCCH3OHCH3HO+OCOOCCH3O)nCOCH3O(+OHApplicationofPC

-

organicglass‘Glass-like’transparency:ApplicationofPCBiologicallyinert:Foodgrades:ApplicationofPC

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anti-impactVeryhighimpactApplicationofPC

-lightstoragedeviceGooddimensionalstability:Lowwarpage:Polyoxymethylene聚甲醛是大分子鏈中含有氧化甲基重復結(jié)構(gòu)單元的一類聚合物，學名為聚氧化亞甲基；英文名為Polyacetal或Polyoxymethylene，簡寫為POM。POM力學性能和剛性接近金屬材料，俗稱“賽鋼”、“人造石”，可用于替代銅、鑄鋅、鋼、鋁等金屬材料。POM可分為均聚甲醛和共聚甲醛。CH2OCH2OCH2OCH2OCH2OCH2CH2POM:toughandhardPEO:softandflexibleCHCHCH2CH2CH2CHButadienerubber:softandflexibleCHCHCHCHCHCHPolyacetylene:toughandhardDevelopmentofPOM1895年，首次發(fā)現(xiàn)甲醛聚合低分子量POM方法；1952年，DuPond公司的聚合物化學研究部在化學家FrankC指導下開發(fā)出了被稱為“合成石頭”的聚甲醛。1956年，DuPond公司在Parkersburg建立了生產(chǎn)POM的工廠，商品名為Delrin?，并于1960年開始商業(yè)化生產(chǎn)。1960年，美國Celanese公司開發(fā)成功以三聚甲醛和環(huán)氧乙烷制造共聚甲醛的技術(shù)，并于1962年實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，其商品名為Ceicon?

。共聚甲醛雖然物理性能有所下降，但其穩(wěn)定性有很大提高。Ceicon?:POM–PEOcopolymerDelrin?:POMhomopolymerApplicationofPOMApplicationofPOMApplicationofPOMTracingwhaleSurfacing

Solventresistance

Wearresistance

BiocompatibilityPolyphenyleneOxide聚苯醚又稱為聚苯撐氧，英文名為PolyphenyleneOxide，簡稱為PPO。純PPO的加工困難，難以實際應用，直到開發(fā)出改性聚苯醚MPPO后，才獲得迅速發(fā)展，成為第五大工程塑料，MPPO為PPO與PS的共混物。PPO的分子主鏈上含有芳環(huán)，使得其剛性大、熔點高、耐熱性高、熔體粘度大。苯環(huán)上的兩個側(cè)甲基封閉了酚基的活性點，使其穩(wěn)定性增強，從而賦予其耐熱性、耐腐蝕性以及耐水性。OH3CH3C()nPPO及MPPO的外觀為透明琥珀色、難燃的粒料。PPO具有突出的機械性能，尤其是拉伸強度、沖擊強度及耐蠕變性好。PPO剛性和硬度都較大，耐磨性好，但耐疲勞性和耐應力開裂性不好。PPO具有較高的耐熱性，熱膨脹系數(shù)在塑料中最低。PPO具有優(yōu)異的電性能，其介電常數(shù)和損耗角都較低。PPO對稀酸堿及鹽穩(wěn)定，但在一些有機溶劑中溶脹或溶解PPO的抗氧性不好，需加入抗氧劑。ApplicationofPPOSpecialEngineeringPlastics特種工程塑料是比普通工程塑料的耐溫、沖擊性能更好，但價格更貴的一些工程塑料。常見的特種工程塑料包括聚苯硫醚（Polyphenylenesulfide,PPS）聚砜（Polysulfone,PSF）聚酰亞胺（Polyimide,PI）聚醚酮（Polyetherketone,PEK)聚醚醚酮（Polyetheretherketone,PEEK）Sx()nS()nOORRCOCNO(COCON)nO)nCCH3CH3C(OO)nC(OOSpecialEngineeringPlastics聚合物最高使用溫度

oCKevlar（芳香族聚酰胺）500聚苯并咪唑（PBI）400Nomex（芳香族聚酰胺）360聚酰亞胺260Udel（聚芳基砜）160聚苯硫醚150聚苯醚130聚碳酸酯130尼龍66100聚對苯二甲酸丁二醇酯90ABS樹脂80Siliconeresin硅樹脂，學名聚硅氧烷樹脂；英文名：Siliconeresin。硅樹脂是4大有機硅材料之一，具有一般有機樹脂難以達到的耐高溫、耐候及耐化學品性。近年來，有關(guān)硅樹脂的研究工作進展相當快，一些成果已在工業(yè)上得到應用。硅樹脂是Si-O-Si為主鏈，硅原子上連接有機基團的交聯(lián)型半無機高聚物，由多官能度的有機硅烷經(jīng)水解縮聚而制成的，在加熱或有催化劑存在下可進一步轉(zhuǎn)變成三維結(jié)構(gòu)的不溶不熔的熱固性樹脂。硅樹脂具有優(yōu)異的耐熱性及耐候性，兼具優(yōu)良的電絕緣性、耐化學藥品性、憎水性及阻燃性，還可通過改性獲得其他性能。因此，以硅樹脂為基料做成的電絕緣漆、涂料、模塑料、層壓材料、脫膜劑、防潮荊等各類產(chǎn)品，在電機、電器、電子、航空、建筑等工業(yè)部門獲得了廣泛的應用。聚硅氧烷還被廣泛地運用于生物醫(yī)用材料，例如人工皮膚、植入材料等。SiOCH3CH3()n聚甲基硅氧烷PolydimethylsiloxaneFluoroResin分子結(jié)構(gòu)中含有氟原子的一類熱塑性樹脂。具有優(yōu)異的耐高低溫性能、介電性能、化學穩(wěn)定性、耐候性、不燃性、不粘性和低的摩擦系數(shù)等特性。是國民經(jīng)濟各部門，特別是尖端科學技術(shù)和國防工業(yè)不可缺少的重要材料。氟樹脂的主要品種有聚四氟乙烯（PTFE）、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）、乙烯-三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）、聚氟乙烯（PVF）、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物（俗稱可熔性聚四氟乙烯，PFA）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物（俗稱氟塑料46，F(xiàn)EP）、四氟乙烯-六氟丙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物等。其中以聚四氟乙烯為主。CCFFFF()nCCHFFF()nCCHFHF()nCCHHHF()nPTFEPCTFEPVDFPVFFPECCFFFCF3()mCCFFFF()nPolytetrafluoroethylene聚四氟乙烯（