{dy}节 塑料概述塑料是在玻璃态下使用的、具有可塑性的高分子材料.它以树脂为主要组分,加入各种添加剂,能在一定温度和压力下加工成形的各种材料的总称.
塑料的组成:
1)树脂: 塑料的主要组分.它胶粘着塑料中的其它一切组成部分,并使其具有成型性能.绝大多数塑料就是以所用树脂命名的.
2)填充剂(填料): 提高塑料的力学、电学性能或降低成本等.它在塑料占有相当大的比例.如加入铝粉可提高光反射能力和防老化;加入二硫化钼可提高润滑性. 常用填充剂有云母粉、石墨粉、炭粉、氧化铝粉、木屑、玻璃纤维、碳纤维等.
3)增塑剂: 提高塑料的可塑性和柔软性.常用熔点低的低分子化合物来增加大分子链间距离,从而达到增加大分子链的柔顺性的目的.常用增塑剂有甲酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡等.
4)稳定剂: 提高塑料对热、光、氧等的稳定性,延长使用寿命.常用热稳定剂有硬酯酸盐、环氧化合物和铅的化合物等.光稳定剂有炭黑、氧化锌等遮光剂.
5)增色剂: 赋予塑料制品各种色彩.常用的着色剂是一些有机染料和无机颜料.有时也采用能产生荧光或磷光的颜料.
6)润滑剂: 提高塑料在加工成形过程中的流动性和脱模能力,同时可使制品光亮美观.常用润滑剂有硬酯酸、盐类等.
7)固化剂: 与树脂发生交联反应,使受热可塑的线型结构变成热稳定好的体型结构. 常用的固化剂如六次甲基四胺、过氧化二苯甲酰等.
8)其他: 还有发泡剂、催化剂、阻燃剂等.
塑料的分类:
1)按塑料热性质分类: 热塑性塑料:受热时软化或熔融、冷却后硬化,韧性好,可反复成形.它包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚四氟乙烯等. 热固性塑料:在加热、加压并经过一定时间后即固化为不溶、不熔的坚硬制品,不可再生.具有更好耐热性和抗蠕变能力.常用热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅树脂等.
2)按塑料的功能和用途分类: 通用塑料:产量大用途广价格低的塑料.主要包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料等,产量占塑料总产量的75%以上. 工程塑料:具有较高性能,能替代金属制造机械零件和工程构件的塑料.聚酰胺、ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂等. 功能塑料:导电塑料、导磁塑料、感光塑料等.
1) 结构单元:
热塑性塑料
聚乙烯(PE-polyethylene):
——CH2—CH2——
[
]
2) 支化结构:
右图:(a)高密度PE分子链(b)低密度PE分子链(c)线性低密度PE分子链
3)性质: ① 耐化学腐蚀; ② 良好的电绝缘性和高频介电性能; ③ 韧性、耐寒性好; ④ 较低的摩擦系数; ⑤ 不易吸水; ⑥ 不耐热,不耐大气老化.
4)应用:聚乙烯是塑料中产量{zd0}的一类品种,属于结晶性塑料,外观乳白,半透明. 低密度聚乙烯(LDPE) :日用制品、薄膜、软质包装材料、层压板、电线电缆包覆等. 高密度聚乙烯(HDPE) :小负荷齿轮和轴承、化工管道、阀门、高频电缆绝缘层、硬质包装材料等.
1) 结构单元:
聚氯乙烯( PVC-polyvinyl chloride ):
2) 性质: 具有较高的强度、刚性;良好的电绝缘性、耐化学腐蚀性;能溶于四氢呋喃和环已酮等有机溶剂;具有阻燃性;但热稳定性较差,使用温度较低,介电常数、介电损耗较高.
——CH2—CH2——
[
]
Cl
3)应用:纯聚氯乙烯属无规立构,无色透明,硬而脆,很少应用.常利用橡胶和增塑剂对其改性处理. 硬聚氯乙稀:用于工业管道、给排水系统、板件、管件、建筑及家用防火材料,化工防腐设备及各种机械零件. 增塑(软)聚氯乙稀:用于窗帘、桌布、雨衣、手提箱、人造革、墙纸;农用薄膜、耐酸碱软管及电线电缆包覆层等.
1) 结构单元:
聚丙烯( PP-polypropylene)):
2) 性质:xx、无味、无臭、半透明蜡状固体.密度小,力学性能高于聚乙烯;耐热性、耐水性良好,化学稳定性好;但不耐芳香族和氯化烃溶剂,耐寒性差,易老化.
——CH2—CH2——
[
]
CH3
3)应用: 聚丙烯属等规立构,结晶性塑料,外观乳白半透明. 主要用于家庭厨房用具、包装薄膜、医疗器械、高频绝缘材料;化工管道、家用电器部件等,以及汽车及机械零部件,如车门、方向盘、齿轮、接头等.
1) 结构单元:
聚苯乙烯( PS-polystyrene ):
2) 性质: xx、无味、无色透明状固体.电绝缘性优良,介电损耗极小;耐化学腐蚀性优良,但不耐苯、汽油等有机溶剂;强度较低,硬度高,脆性大,不耐冲击,耐热性差,易燃.
——CH2—CH2——
[
]
3)应用: 聚丙烯属无规立构,非晶性塑料,高度透明(透光率为88~92%). 主要用于日用、装潢、包装及工业制品;仪器仪表外壳、灯罩、光学零件、装饰件、透明模型、玩具、化工储酸槽,包装及管道的保温层,冷冻绝缘层等.
1) 结构单元:
聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA-polymethyl methacrylate ):
2) 性质:较高的强度和韧性、优良的光学性能,透光率比普通硅玻璃好(透光率约为91~93%);优良的电绝缘性;耐化学腐蚀性好,热导率低;但硬度低,表面易擦伤,耐磨性差,耐热性不高.
——CH2—C —C——
[
]
CH3
COOCH3
3)应用:聚甲基丙烯酸甲酯又称有机玻璃,属无规立构,非晶性塑料. 主要用于飞机、汽车的窗玻璃和罩盖,光学镜片,仪表外壳,装饰品,广告牌,灯罩,光学纤维,透明模型,标本,医疗器械等.
1) 结构单元:
聚四氟乙烯( PTFE):
2) 性质:出色的耐热、耐寒能力(-180~+260℃长期使用);摩擦系数极低,有自润滑效果;化学稳定性{jj0},俗称"塑料王";极好的电绝缘性和介电性;但强度低,抗蠕变性较差,不易加工成形.
——CF2—CF2——
[
]
3)应用:聚四氟乙烯属结晶性塑料,外观呈瓷白色,一般在360~380℃烧结成形. 主要用于轴承、垫圈等自润滑材料;高温电缆绝缘材料、电器元件;化工管道及零件;不粘锅涂层等.
1) 结构:尼龙的品种很多,如尼龙6、尼龙66、尼龙610等.数字表示基本单元中的碳原子数目.所有尼龙分子结构单元中都有一个相同的特征基团-酰胺基:
聚酰胺(尼龙或锦纶)( PA-polyamides ):
——C—N——
[
]
‖
O H
3)应用: 纤维增强尼龙主要用于轴承、齿轮、高压密封圈、阀门、包装材料、输油管、汽车保险杠及丝织品等.
2) 性质:聚酰胺属结晶性塑料,半透明,乳白,略带黄色. 由于酰胺基的存在,分子之间有很强的氢键作用,因此聚酰胺的强度高,韧性好;另外耐磨性和自润滑性好,摩擦系数低;具有良好的耐油、耐溶剂性、阻燃性;但吸水性大,热膨胀系数大,耐热性不高.
1) 结构单元:
聚甲醛( POM-polyformaldehyde ):
——CH2—O——
[
]
2) 性质:具有较高的强度、硬度、刚性、韧性、耐磨性和自润滑性,耐疲劳性能高,吸水性小,摩擦系数小,耐化学品腐蚀性好,电绝缘性能良好,但热稳定性差,易燃.具有较高的综合性能,可以替代一些金属和尼龙.
3)均聚甲醛的改性:工业上利用共聚反应来生成共聚甲醛,来改善热稳定性.共聚甲醛的结构单元为:
4)应用:聚甲醛属结晶性塑料,乳白色.部分取代有色金属和合金,用于制造低载荷齿轮、轴承,塑料弹簧等.
—CH2—O—
[
]
x
—CH2-CH2-CH2-CH2-O—
[
]
y
,
1) 结构单元:
聚碳酸酯( PC-polycarbonate ):
2) 性质: ① 低温冲击韧性{jj0};高模量、高强度、抗蠕变,尺寸稳定性好;
—O—C—O——
[
]
O
C—
CH3
CH3
3)应用: 由于聚碳酸酯具有优异的综合力学性能,又高度透明,故俗称"透明金属". 纤维增强聚碳酸酯可部分取代钢、有色金属等制造仪器仪表的机械传动部件.未增强聚碳酸酯用于制作车灯罩、护目镜、安全帽、门窗玻璃甚至防弹玻璃等.
③ 透光率高,约为86~92%; ④ 电绝缘性好.
1) 结构单元: 丙烯晴(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体(共聚生成)
ABS塑料:
2) 性质:丙烯晴能提高强度、硬度、耐热性和耐腐蚀性,丁二烯能提高韧性,苯乙烯能提高电性能和成型加工性能.ABS塑料具有较好的抗冲击性能、尺寸稳定性和耐磨性,成型性好,不易燃,耐腐蚀性好,但不耐酮、醛、酯、氯代烃类溶剂.
3)应用:ABS作为"坚韧、质硬且刚性"的材料,是最早被人类认识和使用的"高分子合金"用于轻载齿轮、轴承,电器外壳,汽车部件,各类容器、管道等.
1) 结构单元:
聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT):
2) 性质:结晶性塑料,呈乳白色,工程上常用玻璃纤维增强PBT作为结构材料.
—CH2-CH2-CH2-CH2-O-C—C—
[
]
O
‖
‖
O
1) 聚砜(PSF):
其他热塑性塑料:
聚砜是含硫的透明树脂,其耐热性抗蠕变性突出,长期使用温度可达150~174℃,脆化温度-100℃.广泛用于电器、机械、交通和医疗领域.
2) 聚苯醚(PPO)聚苯醚是线性非晶态工程塑料,综合性能好,使用温度宽-190~190℃,耐磨性、电绝缘性和耐水蒸气性能好.主要用作在较高温度下工作的齿轮、轴承、凸轮、化工管道、阀门和外科医疗器械等.
3)聚酰亚胺:
聚酰亚胺是含氮的环形结构的耐热性树脂,其强度硬度较高,使用温度可达260℃;但加工性较差,脆性大,成本高.主要用于特殊条件下工作的精密零件,如喷气发动机供燃料系统的零件,耐高温高真空用自润滑轴承及电气设备,是航空航天工业中常用的高分子材料.
热固性塑料
热固性塑料是树脂经固化处理后获得的.所谓固化处理就是树脂中加入固化剂并压制成型,使其由线型聚合物变为体型聚合物的过程.热固性塑料具有耐热性高,刚度大,抗蠕变性能好,尺寸稳定性高;但脆性大,不易成形.
酚醛塑料( PF-bakelite ):
酚醛塑料中的酚醛树脂是酚类和醛类的缩聚产物.根据酚类和醛类的反应摩尔比及反应介质PH值的差异,可以分别得到热固性和热塑性两类材料.苯酚上与羟基邻位或对位的3个氢原子都很活泼,均能与甲醛发生两种情形下的缩聚反应:
交联线性链结构
热固性
1.1~1.5
>7
热塑性
0.8~0.9
<7
产物
甲醛与苯酚摩尔比
PH 值1) 酚醛树脂:
苯酚邻位氢原子与甲醛的缩聚反应如下:
热塑性酚醛树脂:只有加入能与之反应的固化剂,才能固化.热固性酚醛树脂:制备时反应不彻底,在热的作用下可继续进行缩聚反应形成高度交联网状结构.
2) 酚醛塑料:
热塑性酚醛树脂
固化剂添加剂压塑粉压坯成品混合模压加热①以热塑性酚醛树脂为原料:
通常作粘胶剂或浸渍增强剂压制成层状塑料.
② 以热固性酚醛树脂为原料:
有一定的强度和硬度、良好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性及电绝缘性、热导率低,成本低廉.酚醛塑料所用的填料分为粉状、纤维状、层状.
③ 应用以木粉为原料的酚醛塑料粉又称胶木粉或电木粉,它价格低廉,但性脆、耐光性差,用于制造手柄、瓶盖、电话及收音机外壳、灯头、开关、插座等.以云母粉、石英粉、玻璃纤维为填料的塑料粉可用来制造电闸刀、电子管插座、汽车点火器等.以石棉为填料的塑料粉可用于制造电炉、电熨斗等设备上的耐热绝缘部件.以玻璃布、石棉布等为填料的层状塑料的可用于制造轴承、齿轮、带轮、各种壳体等.
环氧塑料(EP-epoxy plastics ):
环氧塑料是以环氧树脂为基,加入填料及其它添加剂而制成.树脂中每个分子含有两个或两个以上环氧基团:
1) 环氧树脂:
(CH2—CH—)
O
环氧树脂中最常用的是双酚A型环氧树脂:
n=0~7
其中,R为2) 环氧塑料:
环氧树脂有"{wn}胶"之称.其粘性好,强度高,具有良好的耐热性、耐腐蚀性、尺寸稳定性,优良的电绝缘性能.主要用于:仪表构件、塑料模具、精密量具、电子元件的密封和固定、粘合剂、复合材料等.
塑料制品的成形工艺
将塑料原料放入成型模加热熔化,加压,使塑料充满整个型腔,同时发生交联反应而固化. 模压成型主要用于热固性塑料,适用于形状复杂或带有复杂嵌件的制品,但生产率低、模具成本较高.
模压成形:
将塑料原料在注射机料筒内加热熔化,通过推杆或螺杆向前推压至喷嘴,迅速注入封闭模具内,冷却后即得塑料制品.
注射成型:
主要用于热塑性塑料.能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品.
挤出成型:
将原料在料筒中加热至流动状态,同时通过螺杆向前推压至机头,通过不同形状和结构的口模连续挤出,获得不同形状的型材,如管、棒、带、丝、板等.
挤出成形的生产效率高,可自动化连续生产,一般使用热塑性塑料作原料.
吹塑成形:
熔融态的塑料坯通过挤出机或注射机挤出后,置于模具内,用压缩空气将此坯料吹胀,使其紧贴模内壁成型而获得中空制品.
吹塑成型还可以用压缩空气将型坯连续吹胀成薄膜.
真空成形(吸塑成形):
将热塑性塑料板(片)材置于模具上,四周加紧并加热;待塑料进入高弹态后,对模腔抽真空,使板材在大气压作用下紧贴模腔内壁,冷却后硬化成形.
抽真空前
抽真空后
浇注成形:
又称浇塑法,根据浇注方式的差异可分为静态铸型、嵌铸型和离心铸型等. 在液态树脂中加入适量固化剂,然后浇入模具型腔中,在常压或低压及常温或适当加热条件下固化成型.此法主要用于生产大型制品,设备简单,但生产率低.
第二节 橡胶橡胶