高性能聚苯硫醚樹脂在工程塑料項(xiàng)目中的應(yīng)用

＊李沃源

（浙江新和成股份有限公司 浙江 312500）

提要：工程塑料是化工新材料行業(yè)的重要組成部分，也是其中發(fā)展活力和潛力較大的板塊。工信部等多部委2017年聯(lián)合發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》提出了先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料三大重點(diǎn)發(fā)展方向，其中工程塑料被列入重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域的先進(jìn)基礎(chǔ)材料，并對(duì)其進(jìn)行了扶持發(fā)展。在對(duì)聚苯硫醚樹脂性能特點(diǎn)和工程塑料品種闡述的基礎(chǔ)上，對(duì)高性能聚苯硫醚樹脂在工程塑料項(xiàng)目中的應(yīng)用，如汽車部件、住宅設(shè)施及精密設(shè)備、電氣/電子部件、機(jī)械工業(yè)和化工領(lǐng)域上等進(jìn)行了相關(guān)研究。

引言

聚苯硫醚是一種新型功能工程塑料，其分子中含有對(duì)苯硫醚的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，分子主鏈上含有苯硫醚，其分子質(zhì)量為10000～50000[1]。聚苯硫醚是一種無(wú)結(jié)晶熔點(diǎn)的線型或支鏈聚合物。交聯(lián)前為線型結(jié)構(gòu)，交聯(lián)后為熱固性結(jié)構(gòu)，當(dāng)被充分加熱和冷卻時(shí)，可以軟化到一定程度[2]。聚苯硫醚是由硫化鈉和二氯苯在強(qiáng)極性溶劑中縮聚而成。生產(chǎn)方法包括麥?zhǔn)椒?、?duì)鹵代苯硫酚鹽自縮聚法、芳香族多鹵化物和堿金屬硫化物溶液縮聚法等。聚苯硫醚的相對(duì)密度為1.36，樹脂為白色粉末或顆粒，硬脆，結(jié)晶度高，熔融黏度強(qiáng)。聚苯硫醚有兩種類型的分子質(zhì)量，即低分子質(zhì)量和高分子質(zhì)量。由于熔流值高，難以直接模塑成型，所以除噴涂外，其他方法在成型時(shí)都要經(jīng)過(guò)一定程度的交聯(lián)，并摻入一定量用于注塑、模壓和擠出成型的玻璃纖維或無(wú)機(jī)填料中。高分子質(zhì)量聚苯硫醚不需交聯(lián)，可直接用于塑料制品的加工。

PPS具有對(duì)稱的剛性主鏈，是由重復(fù)對(duì)位取代的苯環(huán)和硫原子組成的結(jié)晶聚合物的一部分。PPS是具備高性能，高達(dá)280℃的高熔點(diǎn)，可以替代金屬的特種工程塑料，位于聚合物性能金字塔的頂端[3]，如圖1所示。為此，基于PPS樹脂的卓越性能，使其符合要求苛刻的工程塑料項(xiàng)目對(duì)材料的要求。

圖1 聚合物性能金字塔

1.高性能聚苯硫醚樹脂的特點(diǎn)

（1）高性能PPS樹脂是一種具有高硬度的結(jié)晶聚合物。其晶體含量約為65%。結(jié)晶速度快、流動(dòng)性好、成型周期短。

（2）優(yōu)異的耐熱性。其熔點(diǎn)可達(dá)275～291℃，熱變形溫度為135℃，玻璃纖維強(qiáng)化后熱變形溫度可達(dá)260℃。在空氣和氮?dú)庵?，聚苯硫醚的初始和弱化溫度約為400℃，在700℃的空氣中分解，在1000℃的惰性氣體中仍能保持40%的重量。長(zhǎng)期使用溫度為200～240℃，氣體阻隔熱阻和長(zhǎng)期連續(xù)使用的熱穩(wěn)定性優(yōu)于目前所有的工程塑料[4-5]。

（3）具有良好的力學(xué)性能。具有極高的剛性，表面硬度高，高濕條件下剛性下降極少，并具有優(yōu)良的耐蠕變性和耐疲勞性、耐磨性，其耐磨性可通過(guò)填充氟樹脂及碳纖維等潤(rùn)滑劑而大幅提高。

（4）具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐化學(xué)性。除強(qiáng)氧化酸（如濃硫酸、硝酸等）外，還能承受其他酸、堿和鹽的腐蝕，不溶于200℃以下的任何有機(jī)溶劑，其耐腐蝕性幾乎相當(dāng)于聚四氟乙烯。此外，PPS還具有良好的耐氣候和輻射性能，其性能不會(huì)受到多次強(qiáng)紫外線和Y射線的照射以及中子輻射的影響。

（5）具有較小的吸水率（僅0.008%）和吸油率，較小的成型收縮和線膨脹系數(shù)，其產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，變形小，即使在一些潮濕、油性腐蝕性氣體環(huán)境中，仍能保持尺寸穩(wěn)定性，因此可以用于精密成型。

（6)電性能優(yōu)異。高性能PPS樹脂在高溫、高濕下體積電阻率變化很小，其介電常數(shù)隨溫度和頻率變化很小，加之離子雜質(zhì)含量低，能浸漬于260℃的焊錫槽中，所以足夠承受表面焊接電子元件的熱沖擊，適用于對(duì)電性能有極高要求的產(chǎn)品。其電阻率高，介電性能低。

（7)高性能PPS樹脂熔體黏度極低，流動(dòng)性好，極易與玻纖潤(rùn)濕接觸，因而易于填充，用其制備的玻纖或玻纖－無(wú)機(jī)填料增強(qiáng)注塑級(jí)粒料，抗沖擊、抗彎、延展性極高。

（8)高性能PPS樹脂對(duì)玻璃、鋁、不銹鋼等的粘接強(qiáng)度非常高，對(duì)玻璃的粘接強(qiáng)度甚至比玻璃的黏結(jié)力還要大。

2.工程塑料品種概述

工程塑料是一種可以作為結(jié)構(gòu)材料長(zhǎng)期承受機(jī)械應(yīng)力，并在較寬的溫度范圍和較為苛刻的化學(xué)物理環(huán)境下使用的塑料材料。工程塑料與一般塑料相比，具有更優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，并且與金屬材料相比，具有重量輕，便于復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，成型時(shí)能耗小等優(yōu)點(diǎn)。工程塑料在電子電器、建筑、汽車、機(jī)械、航空航天等工業(yè)部門的應(yīng)用非常廣泛。工程塑料按用量、性能和適用范圍分為通用工程塑料和專用工程塑料兩大類。

其中，通用工程塑料主要包括尼龍（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯醚（PPO）等以及近年來(lái)在工程塑料應(yīng)用中發(fā)展迅速的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[6]。

特種工程塑料是指一種綜合性能高、長(zhǎng)期使用溫度在150℃以上的工程塑料，主要包括聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、液晶聚合物（LCP）、聚砜（PSF）等具有獨(dú)特優(yōu)異物理性能的特種工程塑料[7]。

3.高性能PPS樹脂在工程塑料的應(yīng)用

作為工程塑料，PPS成型材料具有許多優(yōu)良特性，可代替金屬、熱固化性樹脂等，為此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

(1)汽車零部件上的應(yīng)用

汽車零部件用途是未來(lái)PPS應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，如圖2所示PPS應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)單元部件。因?yàn)镻PS除了具有杰出的連續(xù)耐熱性、耐藥品性（汽油、機(jī)油等）等高性能外，還由于可提高生產(chǎn)效率（可注塑成型），使成本大大降低。

圖2 PPS應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)單元部件

目前PPS除了可以取代以往使用的金屬部件和酚醛樹脂，PPS在新用途部件上的應(yīng)用正在加速[8]。特別是在以發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)機(jī)器為中心的驅(qū)動(dòng)類、制動(dòng)類、燃料類、照明類、冷卻類零件和控制這些機(jī)器的控制類零件方面，PPS在汽車零件使用的詳細(xì)情況如表1所示。

表1 PPS在汽車零部件用途明細(xì)表

(2)住宅設(shè)施/OA/精密設(shè)備上的應(yīng)用

住宅設(shè)備中以熱水器為代表的用水相關(guān)設(shè)備多使用“超硬PPS（40% GF）”。這是由于“超硬PPS（40% GF）”除具有PPS的耐熱水性以外，還具有耐壓、韌性好的特點(diǎn)。正在逐步替代過(guò)去以黃銅為代表的金屬材料和變形PPE材料[9]。

因具備低結(jié)晶度性能而利于尺寸精度的“改性PPS（30%GF）”適用于精密設(shè)備零部件用途。同時(shí)，由于具有優(yōu)異的低摩擦、低磨損性能，適用于對(duì)滑動(dòng)特性有特殊需要的項(xiàng)目用途，如齒輪、軸承等。在激光復(fù)印機(jī)、打印機(jī)等用途方面，多使用既具有PPS耐熱固定性能，又有利于其他特殊類型，如齒輪或軸承周圍滑動(dòng)、導(dǎo)電等。其中PPS在住宅設(shè)施/OA/精密設(shè)備上的應(yīng)用，如表2所示。

表2 PPS在住宅設(shè)施/OA/精密設(shè)備上的應(yīng)用明細(xì)表

(3)電氣/電子零部件上的應(yīng)用

在SMT工序中除高耐熱性、精密成型性、尺寸穩(wěn)定性等以外，PPS還具有不添加阻燃劑就可以達(dá)到UL-94V-0級(jí)的高度阻燃性[10]。對(duì)于以連接器為代表的電氣/電子部件來(lái)說(shuō)，這些特性可以稱為最好的成型材料。主要使用具有PPS一般特性和適當(dāng)成型性的玻纖強(qiáng)化/非強(qiáng)化交聯(lián)型PPS和線型PPS低毛刺型，適用于精密復(fù)雜的成型品，如連接器等。此外，玻纖/礦物填充強(qiáng)化的交聯(lián)型PPS和線型PPS適用于光學(xué)示波器，如對(duì)尺寸穩(wěn)定性和剛性有要求?？沙蛪撼尚偷腜PS適用于微線圈及電子部件的密封。其中PPS在電氣/電子零部件上的應(yīng)用如表3所示。

表3 PPS在電氣/電子零部件上的應(yīng)用明細(xì)表

(4)機(jī)械工業(yè)和化工領(lǐng)域上的應(yīng)用

近年來(lái)，PPS通過(guò)化學(xué)改性與玻璃纖維、礦物填料或碳纖維等混配成復(fù)合材料制成成品在機(jī)械工業(yè)和化工領(lǐng)域上也被廣泛的應(yīng)用，其中PPS在機(jī)械工業(yè)和化工領(lǐng)域上的應(yīng)用如表4所示。

表4 PPS在機(jī)械工業(yè)和化工領(lǐng)域上的應(yīng)用

(5)鋰電池領(lǐng)域上的應(yīng)用

鋰電池是指在電化學(xué)體系中含有鋰的電池，由于鋰金屬的化學(xué)性能比較活潑，對(duì)其進(jìn)行加工處理的環(huán)境要求非常高，這也是鋰電池沒(méi)有被大規(guī)模應(yīng)用的原因。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，以體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快為特點(diǎn)的微電子技術(shù)發(fā)展壯大，小型精細(xì)化設(shè)備不斷增多的同時(shí)，對(duì)電池的要求也隨之提高，由此，鋰電池進(jìn)入廣泛實(shí)用階段。而聚苯硫醚（PPS）具有優(yōu)異的耐熱性、絕緣性、電性能等特點(diǎn)，與鋰電池領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笙嗥鹾?，是鋰電池的“親密伴侶”。

(6)環(huán)保領(lǐng)域上的應(yīng)用

廢氣、廢塵的主要排放源是鋼鐵廠、垃圾焚燒爐、熱電廠、水泥廠、炭黑廠等領(lǐng)域，水泥廠可采用常溫除塵的袋式除塵，但像鋼鐵廠、焚燒爐、電熱廠這些領(lǐng)域產(chǎn)生的廢氣、廢塵具有溫度高、濕度大、腐蝕性等問(wèn)題，這便要求除塵材料具有很強(qiáng)的耐高溫、耐腐蝕等性能。而纖維級(jí)PPS具有很高的熱穩(wěn)定性，可以在200～240℃下連續(xù)使用，即使在260℃的高溫下放置1000h仍然能保持60%的強(qiáng)度。PPS的耐腐蝕性能更是與具有“塑料之王”之稱的聚四氟乙烯相近，就阻燃性而言，PPS纖維制品不易燃，無(wú)需添加阻燃劑就可達(dá)到UL-94V-0標(biāo)準(zhǔn)。因此，PPS纖維制品在以上領(lǐng)域的應(yīng)用可以大大提高除塵設(shè)備的使用壽命。其中，被應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品便是除塵濾袋。

4.結(jié)束語(yǔ)

高性能聚苯硫醚樹脂由于具有優(yōu)異的機(jī)械性能、電性能、耐化學(xué)性、耐熱性、耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，在工程塑料項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用于電子電器、建筑、汽車、機(jī)械、航空航天等行業(yè)，但在進(jìn)行PPS成型作業(yè)時(shí)還需注意以下幾個(gè)方面：（1）預(yù)干燥。當(dāng)粒料干燥溫度過(guò)高或干燥超過(guò)必要時(shí)間時(shí)，會(huì)出現(xiàn)色調(diào)和流動(dòng)性的變化；（2）料筒設(shè)定溫度。合理的料筒溫度一般設(shè)定在300～340℃之間，勿加熱至350℃以上，特別是混合有PTFE（氟樹脂）的產(chǎn)品，其溫度范圍為290～320℃，勿超過(guò)330℃以上；（3）料筒內(nèi)的停留時(shí)間。一般300℃時(shí)設(shè)定為60min以內(nèi)，320℃時(shí)設(shè)定為30min以內(nèi)；（4）在發(fā)生樹脂分解或類似事態(tài)時(shí)，需降低料筒溫度排出料筒內(nèi)殘留的樹脂。成型停止時(shí)，排出料筒內(nèi)殘留樹脂后，請(qǐng)切斷加熱器電源。此外，還需遵從“廢棄物處理及清掃的相關(guān)法律”委托指定的廢棄物處理單位或地方自治體處理廢料、轉(zhuǎn)子、熔渣等。