耐高溫高分子材料

耐高溫高分子材料

編者按：航空、航天等的發(fā)展對于合成高分子材料提出了新的要求，如耐高溫、高強度、耐腐蝕、耐輻射等。近年來世界各國科學家正在開發(fā)這方面新技術，很多材料已經(jīng)進行大規(guī)模生產(chǎn)。耐高溫高分子材料一直是大家關注的熱點，中塑互聯(lián)塑料技術論壇的網(wǎng)友對耐高溫高分子材料的有關問題進行了深入的討論。本期推出耐高溫高分子材料專題，對耐高溫的相關問題進行整理，供讀者參考。我刊今后將不定期將“中塑互聯(lián)，http：／／bbs.ourplas.cn”上優(yōu)秀的帖子整理刊發(fā)，敬請讀者關注。

1 塑料耐熱性的影響因素

問：影響塑料耐熱性能的因素有哪些？玻纖增強塑料為什么能大幅度提高熱變形溫度？耐熱性與熱穩(wěn)定性的區(qū)別有哪些？

答：（1）影響塑料耐熱性的因素

說到熱塑性材料的耐熱性，就要首先問溫度升高對材料起什么作用？答案是溫度升高，材料變軟、變形。接著問材料變軟、變形是什么意思？答案是分子內(nèi)運動單元（鏈段）無規(guī)熱運動超過了分子間內(nèi)聚作用。再問溫度升高為什么使鏈段無規(guī)熱運動超過了分子間內(nèi)聚作用？答案是溫度升高鏈段無規(guī)熱運動加劇，分子間距離增大，導致分子間作用變?nèi)酢Ｋ匀魏尾牧隙际欠肿娱g作用和鏈段無規(guī)熱運動矛盾的統(tǒng)一體。耐熱性就是衡量這一矛盾統(tǒng)一體的平衡值，實驗測試是在指定的外部加載條件下，材料達到一定變形時的溫度。

分子間作用越強，無規(guī)熱運動鏈段越大（鏈的剛性越大），就需要越高的無規(guī)熱運動程度（溫度表示無規(guī)熱運動的程度）來平衡，耐熱性也就越高。分子間作用是由分子間作用力種類和分子間距離共同決定的，鏈的剛性則是由分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度決定的。

分子間作用力的強弱依次為氫鍵、偶極性、非極性范德華力等；而分子間距離主要取決于分子的三維堆積密度，分子越規(guī)整、對稱性越強，越有利于結(jié)晶，分子堆積密度就越高，分子間距離就越小。對于同種類的分子，結(jié)晶的晶相密度總是高于非晶相密度，這就是結(jié)晶有利于耐熱性提高的原因。分子主鏈上引入芳香基團，鏈剛性增大，使無規(guī)熱運動鏈段增大，需要更高溫度的鏈段才能運動，這也是對稱的硬鏈段優(yōu)先結(jié)晶的原因，芳香基團的引入有利于耐熱性提高。

總之，分子間作用力越強，分子間距離越小，分子鏈剛性越大，所需平衡的無規(guī)熱運動程度（溫度）就越高，耐熱性就越好。依此推論，耐熱性最好的熱塑性材料，應為分子主鏈是全芳香（大剛性）、分子間作用力為盡量多的氫鍵（強作用力）、分子主鏈無任何取代基（高對稱）的材料，市場中最接近的材料是全芳香聚雜環(huán)、全芳香聚酰亞胺、全芳香聚酰胺等高耐熱性聚合物。

（2）玻纖增強對于塑料熱變形溫度的影響

熱變形溫度是在固定彎曲載荷下，材料達到給定小形變時的溫度。玻纖增強塑料抗彎曲變形能力大幅度提高，從而熱變形溫度成倍增加，具體原因如下：

1）大量高模量玻纖沿平行于樣條受力表面取向；

2）玻纖間高分子鏈段運動受阻；

3）玻纖對結(jié)晶性基體的結(jié)晶促進作用。

宏觀上在聚合物里加入玻纖增加了材料本身的模量，提高了抗變形的能力，因此要在更高的溫度才能使材料變形到指定值；微觀上，玻纖提高了整體耐高溫的能力（無機填料提高耐熱性的原理），如提高復合材料的熔點等，從而表現(xiàn)為使熱變形溫度升高。

（3）耐熱性與熱穩(wěn)定的根本區(qū)別

1）耐熱性：不考慮發(fā)生的分解、降解等化學變化，只關注材料耐熱的物理效應，如玻纖、滑石粉等對塑料耐熱性的影響；

2）熱穩(wěn)定性：考慮接觸光、氧、熱及其他環(huán)境時，材料發(fā)生分解、降解、氧化等化學變化，如抗氧劑、光穩(wěn)定劑等對塑料熱穩(wěn)定性的影響。

一般的高分子材料在高溫下由于分子運動加劇從而改變了材料的一些物理特性，最為明顯的就是彈性。塑料的熱穩(wěn)定性是塑料在高溫環(huán)境下，還能保持物理、化學及力學、光電等使用性能的溫度。耐熱性是指塑料能正常連續(xù)使用的最高溫度；熱穩(wěn)定性是指塑料保持塑料基本物理性能或其他使用性能的單一或幾項性能的最高溫度，通常是指短時的失效溫度，如開始降解的溫度、開始分解的溫度等。

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2 如何提高聚丙烯的熱變形溫度并保持材料的透明性

問：何種助劑或者方案可以使PP的熱變形溫度由80℃提高到120℃，并且不降低材料的透明性？

答：解決方案如下：

（1）加入成核劑，并更換耐高溫牌號的聚丙烯；

（2）加入玻璃纖維，調(diào)整螺桿結(jié)構(gòu)；

（3）使用β成核劑；

（4）采用山梨醇類成核劑，既可以提高透明性，也可以提高熱變形溫度；采用羧酸鋁鹽成核劑對透明性提高不顯著，但是提高熱變形溫度方面要比山梨醇好，可以提高20℃左右（對于均聚聚丙烯）；

（5）采用透明、耐高溫聚丙烯專用料，如韓國曉星HJ800R、J801R；

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3 阻燃性能和耐高溫性能的關系

問：材料的阻燃性能和耐高溫性能有沒有關系？

答：阻燃性和耐高溫性能沒有必然的聯(lián)系，阻燃是燃燒性能，耐高溫是耐熱性能，一般表現(xiàn)為材料可以使用的溫度范圍。燃燒性能，可以用燃燒時需氧量來表示，也就是是不是容易燃燒這個概念。一般來說，阻燃劑的相對分子質(zhì)量比較低，加入后材料的耐熱性往往是下降的。當然根據(jù)不同的阻燃劑及加入的比例，其結(jié)果也不一樣。耐熱性的主要影響因素是材料本身的相對分子質(zhì)量（影響不是特別大）、能夠形成大量氫鍵的基團，或者其他一些原因，比如填充等。說到底二者沒有必然的聯(lián)系，但是二者卻往往互相有影響，需要根據(jù)實際情況來看待具體的影響。

PVC的阻燃性高，但不能耐高溫。對于材料而言，通常含鹵素、氮、磷等，材料都能阻燃，分子鏈有苯環(huán)等結(jié)構(gòu)的材料比含有直鏈結(jié)構(gòu)材料的阻燃性能好。PC耐高溫性能尚可，但絕對沒有PVC阻燃性能好，PP無論加工還是使用，都比PVC耐高溫，可事實上PP的燃燒性能很差，而PVC離火即熄，所以阻燃與耐高溫沒有直接關系。

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4 PVC能達到多高的耐溫等級

問：請教一下PVC能達到多高的耐溫等級，所用的增塑劑和助劑是什么？

答：PVC制品使用溫度普通在65℃，一般改性后的PVC在75～85℃，PVC有硬質(zhì)和軟質(zhì)之分，軟質(zhì)PVC耐溫差異主要是增塑劑的差別。

用含苯環(huán)的增塑劑可以使軟電纜耐溫105℃。PN1030增塑劑可以制備耐溫125℃的電線電纜，采用DIC的高分子增塑劑2050加偏苯三酸三辛酯（TOTM）也可以達到125℃。用2050加少許的TOTM（加TOTM主要是為了降低成本），助劑用EPOXY和穩(wěn)定劑OW－36RM可以耐溫136℃。增塑劑用UN615和TOTM，可以耐溫105℃。

谷索索力分布很離散，并隨吊索索力增長而整體增長，但局部特性明顯，不同批次吊索的提升對不同典型谷索的影響可能截然相反。脊索的就位和膜的安裝均使谷索索力下降。

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5 耐高溫耐磨工程塑料的應用領域

問：現(xiàn)在我這邊有各種耐高溫耐磨工程塑料，主要成分為PPS、PA、PTFE等，耐高溫可到300℃，耐磨可以按照要求去做，想請教一下主要能應用在什么制品上？

答：主要應用領域可能有以下幾個方面：

（1）航空、航天領域；

（2）汽車限位釘；

（3）高溫環(huán)境下的溫度傳感器；

（4）高溫密封件；

（5）旋梭、軸套、軸承。

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