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解析各種耐高溫特種工程塑料(上)

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解析各種耐高溫特種工程塑料(上)

發布日期:2018-11-28 作者: 點擊:

聚芳砜(PASF)和聚醚砜(PES)耐熱性更好,在高溫下仍保持優良機械性能。


學 名:聚芳砜,聚苯醚砜


英 文 名:Polyarylsulfone,簡稱PAS


1、發展史

聚芳砜于1967年由美國3M公司開發并以Astrel360牌號出售,后將生產及銷售權轉讓給Carborundum公司,目前由該公司在世界范圍內仍以Astrel360牌號生產銷售。


2、主要生產方法

Astrel 360聚芳砜是由4、4′-二碳酰二氯二苯醚與聯苯的Friedel-Crafts聚合反應來制備。


3、理化性能

Astrel 360聚芳砜典型特性為耐熱,能在空氣中溫度260℃條件下長期老化。


4、加工成型

聚芳砜可采用注射、擠出或壓縮成型技術加工成制品。但聚芳砜具有高的熔融粘度,所以對加工設備有特殊的要求,一般采用專用的加工設備以滿足加工溫度400~425℃。壓力要求為140~210MPa(20300~30450psi),模具溫度為230~280℃。


5、應用領域

聚芳砜主要應用于電氣、電子工業領域,多為軍工產品的多插頭的接觸器、印刷電路板的基板及插座。這些制件要求具有良好的機械性能、熱性能和耐化學性能。


在美國市場上,除Astrel牌號外,還有一種Radel型號的聚芳砜產品。


學 名:聚醚砜、聚芳醚砜


英 文 名:polyethersulfone,簡稱PES


1、發展史

聚醚砜由卜內門(ICI)公司于1972年開發并以Victrex商品牌號銷售于全世界。德國巴斯夫(BASF)公司以Ultrason E商品牌號生產并銷售。近幾年來,世界各國工程熱塑樹脂的生產和銷售一直處于低谷狀態,其中以聚醚砜尤為突出。卜內門公司已于1991年將其生產能力為5000噸/年的聚醚砜裝置關閉。目前較大生產商為巴斯夫公司。國內吉林大學中試化工廠、長春應用化學研究所和徐州工程塑料廠有少量試產品種。


2、主要生產方法

PES的生產路線有兩條,即雙酚路線和單酚路線。這兩條路線均為親核高溫置換反應、聚合反應過程中添加強堿、采用高沸點惰性溶劑。


3、理化性能

由于聚醚砜分子結構中不存在任何酯類結構的單元,聚醚砜具有出色的熱性能和氧化穩定性。經UL確認聚醚砜連續使用溫度為180℃,并滿足UL94V-0級阻燃要求,(厚度為0.51mm)。聚醚砜耐應力開裂,不溶于極性溶劑如酮類和一些含鹵碳氫化合物。耐水解,耐極大多數酸、堿、脂類碳氫化合物、醇、油及脂類。可以通過對其分子量的控制或添加各種增強材料、各種纖維,以提高聚合物的性能。該樹脂滿足美國FDA要求可使用于與食品接觸的制件。


4、加工成型

聚醚砜雖然是一種高溫工程熱塑樹脂,但仍可以按常規熱塑加工技術進行加工。可采用注射成型、擠出成型、吹塑成型、壓縮成型或真空成型。高模溫有助于成型和減小成型引起的應力。一般注射成型溫度為310~390℃,模溫為140~180℃。PES是一種無定形樹脂,模收縮率很小,可加工成對容限要求高及薄壁的制品。


5、改性產品

典型改性聚醚砜品種有玻璃纖維增強及碳纖維改性的導電型樹脂。


6、應用領域

聚醚砜具有特有的設計性能,包括:寬溫度范圍內(-100~200℃)高機械性能;高熱變形溫度及良好耐熱老化性能;長期使用溫度達180℃;制品耐侯性好;阻燃及低煙密度性;良好電性能;透明等。因此PES制品大量應用于電氣、電子、機械、醫療、食品及航空航天領域。


電氣及電子工業中的應用,主要包括線圈骨架、接觸器、二維及三維空間結構的印刷電路板、開關零件、燈架基座、電池及蓄電池外罩、電容器薄模等。由于PES制品長期使用溫度達180℃,屬UL94V-0級材料,具有高尺寸穩定性能、良好的電絕緣性能,因而使其成為電氣工程結構材料的優選材料。


機械工業中的應用,主要選用玻璃纖維增強牌號,制件具有耐蠕變、堅硬、尺寸穩定等特性。適合制作軸承支架及機械件的外殼等。


汽車制造工業中的應用,主要有照明燈的反光件,峰值溫度達200℃,并且可制成鋁合金反光器件。還有汽車的電器連接器、電子、電-機械控制元件、座架、窗、面罩、水泵及油泵等。


航空領域的應用,已通過聯邦航空規范條款25?853及客機技術標準條款1000?001,用于飛機內部裝飾件包括支架、門、窗等,以提高安全性。聚醚砜對雷達射線透過率很好,目前雷達天線罩已用其代替過去的環氧制件。


醫療衛生領域的應用。聚醚砜制件耐水解,耐消毒溶劑。制品包括鉗、罩、手術室照明組件離心泵外科手術器件的手柄、熱水器、熱水管、溫度計等。


廚房用具的應用,包括咖啡器、煮蛋器、微波器、熱水泵等。


照明及光學領域的應用,包括反光器、信號燈。聚醚砜制件有著色透明、對UV穩定、可長期在室外環境下使用等特性。


聚醚砜可通過溶劑技術制備成各種具有高機械強度的超濾膜、滲透膜、反滲透膜及中孔纖維。其制品用于節能、水處理等領域。


由于聚醚砜屬于無定形樹脂范疇,可以作為涂層材料應用于金屬表面的涂覆。


7、開發動向

聚醚砜開發以共聚改性為主,其目的是提高其綜合性能和加工性能,以滿足市場的需求。卜內門公司開發出聚醚砜/聚砜的共聚物,其組份百分含量不同,樹脂性能也有不同的同性能產品。該共聚物具有比聚砜更高的熱變形溫度,比聚醚砜更低的吸水性,具有更佳的流動加工性能,并可以用GF增強。


卜內門公司Z近開發出牌號為Super-Shield的聚醚砜涂料。可與Fluon-one-Coat一起使用于廚房器具,形成不粘復合涂層。


巴斯夫公司Z近開發出聚醚砜熱塑硬質泡沫材料。該材料具有高熱變形溫度、耐熱老化、低煙揮發密度、低毒性、耐水解、耐酸和堿等特性。這種硬質泡沫材料與聚醚砜樹脂的復合材料一起用于航空航天領域前途廣闊。由于該材料具有堅硬、質輕的特性,還可以用于造船、火車、醫療及體育用品的制件。


芳族聚酰胺(Polyamide Aromatic,簡稱PARA)的纖維及其復合材料具有高拉伸強度高模量較低的伸長率、耐燃燒、耐高溫、耐有機溶劑和燃料、潤滑劑等特性,因此在工程方面有廣泛用途,目前已開發在工業上應用的有PPTA、MPIA、PBA等。


聚對苯酰胺


學 名 聚對苯甲酰胺


英 文 名 Poly(p-benzamide),簡稱PBA


(一)發展史

美國杜邦公司于1916年首先介紹芳族聚酰胺-聚間苯二甲酰間苯二胺(Nomex)纖維,1970年介紹了聚對苯酰胺(Fibre B或PRD-49),1972年又介紹了較韌性的聚1,4-苯撐對苯二酰胺(Kevlar 49)纖維,分析表明Kevlar纖維為代表。


1977年我國開始研制聚對苯酰胺,1990年上海市合成樹脂研究所完成年產3噸中試鑒定。


(二)主要生產方法


1.樹脂生產

以對氨基苯甲酸為單位、N-甲基吡咯烷酮為溶劑,在催化劑、助催化劑存在和80~90℃的條件下,反應3小時。然后,將物料沉析到酒精中,用水洗滌樹脂,干燥,即可得到紡絲用樹脂。樹脂的特性粘度控制在1.8~2.2范圍內。


2.液晶漿液的制備

將芳綸-I樹脂溶解在含有4~6%助溶劑的有機溶劑(二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮)中,聚合物濃度控制在9~10%左右,即可得到光學上各向異性的液晶漿液。


3.濕法紡絲

將上述液晶漿液過濾,置于貯料筒中脫泡24小時,紡絲液經紡絲計量泵計量后,再經過濾器送至噴絲頭,通過Φ0.05~0.08×500~1000孔紡絲帽,以每分鐘10~20米的速度從噴絲孔噴入到凝固浴中。凝固浴為20~40%的有機溶劑水溶液,溫度為40~50℃。從凝固出來的纖維經水充分洗凈,干燥后,即得芳綸-I原絲。原絲在惰性氣體中(3~5升/分,500~550℃)熱處理3~5秒,即得到芳綸-I纖維。


(三)理化性能


1.物理性能


纖維色澤:淡黃色


相對密度:1.4655g/cm3


復絲旦度:1000~1500旦


細度:1.0~1.5旦


復絲強度:2337~2585Mpa


伸長率:1.5~2.5%


彈性模量:>147Gpa


芳綸-I性能接近Kevlar-149的性能,兩者比較如表


2.熱性能


芳綸-I與Kevlar-49浸漬環氧樹脂后耐熱穩定性相近,未涂環氧樹脂則芳綸-I的熱穩定性優于Kevlar-49。


芳綸-I在280℃空氣中恒溫老化100小時,性能基本沒有變化。


芳綸-I在320℃的恒溫熱老化性能見表


(四)應用領域

聚對苯酰胺纖維是一種高強度、高模量、低密度的芳核酰胺纖維。其纖維密度(1.42~1.46g/cm3為玻璃纖維的60%,為碳纖維的80%,拉伸強度3.4~4.1Gpa,拉伸模量82.7~137.9Gpa,壓縮強度僅為拉伸強度的20%,顯示出延展性,可以壓縮和彎曲,能夠吸收能量。它廣泛用于熱塑性塑料和熱固性塑料的增強,是好復合材料的高效增強劑。典型應用包括:


1.導彈、核武器、宇航等軍用復合材料。可大幅度減輕自重,提高射程和載荷能力。


2.利用其超剛性、低密度性能,用其復合材料作雷達罩及天線骨架。


3.用其復合材料做飛機的地板材料、整流罩、機體門窗、內裝飾等結構材料。


4.利用其高強度和低伸長率特性作光纜、電纜、海洋電纜等的增強骨架材料。


5.體育器材。成功地用以制作賽艇、槳、羽毛球拍等。


6.各種高溫、耐磨的盤根、剎車片等。


7.橡膠制品。用以制作超高壓管、齒型帶、三角帶等。


學 名 聚對苯二甲酰對苯二胺


英 文 名 Poly(P-Phenylene terephthalamide),簡稱PPTA


(一)發展史

美國杜邦公司Z早開發出聚間苯二甲酰間二胺(Nomex)纖維,1972年又成功地開發了聚對苯酰胺(Kevlar-29)和聚對苯二甲酰對苯二胺(Kevlar-49)纖維。1979年美國消費芳族聚酰胺的數量7000噸。目前,美國杜邦公司擁有三大家Kevlar纖維生產廠家,即:美國里滿德工廠年產能力2萬噸;英國梅唐工廠年產能力7000噸;東麗?杜邦公司的日本東海工廠年產能力2.5萬噸。


荷蘭阿克蘇公司和杜邦公司的專利糾紛解決后,阿克蘇公司積極開發芳族聚酰胺Twaron纖維,建有5000噸生產裝置。計劃1992年擴大到7000噸。該公司還打算和住友化學公司合作在日本建設芳族聚酰胺工廠。日本帝人公司在松山工廠生產Technora芳酰胺纖維,該公司準備與德國赫斯特公司合作在德國生產芳酰胺纖維。目前全世界聚對苯二甲酰對苯二胺纖維產量約6萬噸。


(二)要生產方法


1.樹脂生產

在裝有N-甲基吡咯烷酮的聚合釜中,加入氯化鋁(為投料量的1.2~1.8%)及吡咯(吡咯/對苯二胺=0.6~1.2摩爾),然后加入對苯二胺,溶解后分兩步加入對苯二甲酰氯粉末(對苯二胺濃度為0.20~0.45摩爾/升,酰氯過量0.30~2.5%),在氮氣保護、常壓下進行攪拌反應,反應溫度維持在-5℃~80℃,聚合物特性粘度為5.5~6.0.


2.紡絲

Kevlar纖維是采用聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)漆制備而成。PPTA是對-苯二酰胺和-苯二酰氯縮合反應的產品。將PPTA溶解于熱濃硫酸中,直到液晶固體濃度打20重量%止。PPTA-硫酸溶液通過干噴絲醉噴到混凝浴中(干噴-濕紡)。然后,用氫氧化鈉水溶液中和纖維,繼之水洗,干燥,制成Kevlar纖維。


(三)理化性能


1.樹脂性能


特性粘度≥4.5


灰分 ≤500ppm


色澤 淡黃


2.纖維性能


原 絲 熱處理絲


拉伸強度 2.8Gpa 2.8GPa


伸長率 5.76% 3.5%


彈性模量 51~64Gpa ≥96GPa


相對密度 1.44 1.45


3.熱性能


聚對苯二甲酰對苯二胺具有超高強度、超高模量、耐高溫和低密度等特性。其原絲及熱處理絲的熱失重情況見表


(四)應用領域

聚對苯二甲酰對苯二胺纖維可用作船舶和氣球的系留繩、漁具和采集資源用的牽引繩、游艇帆布、滑翔回收飛船、防彈西裝背心和賽馬服等防護服。還可用于復合材料的增強纖維,如用作輪胎簾布和皮帶簾布等。此外,還可用于飛機、汽車、體育用品等。我國生產的聚對苯二甲酰對苯二胺纖維已成功地用于導彈、飛機、汽車、光纜加強件、賽艇、弓箭、羽毛球等體育器材。


(五)開發動向

高強度、高模量、低密度芳酰胺纖維,今后仍將繼續向超高強度、超高模量、低密度的方向發展。就聚合體制備而言,連續擠出聚合是發展方向,但需要解決分子量控制問題。如何做得分子量分布均勻的聚合體仍是需要努力解決的問題。此外,降低原料成本,降低纖維價格,也是當務之急。只有降低價格,提高質量,才更具有競爭能力。


我國的芳綸-Ⅱ型、美國杜邦公司的Kevlar、荷蘭阿克蘇公司的Twaron和日本帝人公司的Technora,產品性能的比較見表


聚酰亞胺


介紹:聚酰亞胺是分子結構含有 酰亞胺基鏈節的芳雜環高分子化合物,英文名Polyimide(簡稱PI),可分為均苯型PI,可溶性PI,聚酰胺-酰亞胺(PAI)和聚醚亞胺(PEI)四類。


PI是目前工程塑料中耐熱性Z好的品種之一,有的品種可長期承受290℃ 高溫短時間承受490℃的高溫,另外力學性能、耐疲勞性能、難燃性、尺寸穩定性、電性能都好,成型收縮率小,耐油、一般酸和有機溶劑,不耐堿,有優良的耐摩擦,磨耗性能.


PI成型方法包括壓縮模塑、浸漬、注塑、擠出、壓鑄、涂覆、流延、層合、發泡、傳遞模塑。


PI在航空、汽車、電子電器、工業機械等方面均有應用,可作發動機供燃系統零件、噴氣發動機元件、壓縮機和發電機零件、扣件、花鍵接頭和電子聯絡器,還可做汽車發動機部件、軸承、活塞套、定時齒輪,電子工業上做印刷線路板、絕緣材料、耐熱性電纜、接線柱、插座、機械工業上做耐高溫自潤滑軸承、壓縮機葉片和活塞機、密封圈、設備隔熱罩、止推墊圈、軸襯等。


相關標簽:高溫塑料

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