特种工程塑料研究与发展趋势

特种工程塑料研究与发展趋势

作者：孙卫东

一、概述

特种工程塑料，又称高性能工程塑料，是继通用塑料、工程塑料之后的第三代高分子材料。它是从上世纪六十年代为满足电子、电气、航空、航天等军工及汽车工业等领域要求而发展起来的一类综合性能优异的工程塑料。随着科学技术的发展，人类对太空的不断探索、全球电子信息领域的高速推进、新型能源工业、生物医学工程及汽车工业等领域的发展，有力地推动了特种工程塑料的研究与开发，并使其应用达到了前所未有的高度。目前已实现工业化生产的主要有以下几大类品种：含氟塑料；聚芳酯（Polyarylate，PAR）聚苯酯（Poly （p—Hydroxybenzate），PHB）；砜聚合物（聚砜（Polysulfone，PSU）、聚芳砜（Polyphenysulfone，PPSU）、聚醚砜（Polyethersulfone，PPSU））；聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide，PPS）；聚芳香族聚酮（聚芳醚酮（Polyaryletherketone，PAEK、聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮酮（PEKK））；聚酰亚胺（Polyimide，PI）及热致液晶聚合物（Thermotropic Liquid Crystal Polymer TLCP）等等。

二、特种工程塑料的特点：

1、结构特点：

特种工程塑料大都具有刚性骨架，有的大分子主链上含有大量的芳环、杂环，有的共轭双键还以梯形或半梯形结构有序排列，分子的规整性好。它们的化学结构使大分子链的构象变化势垒很高，呈现出高刚性和高熔点（或高粘流温度）的特点，即使在高温下其分子链仍保持相对固定的排列。

大分子链中大量芳环、杂环及梯型结构的存在，使其化学键能高于一般线性C-C键，在高温下使用不易发生降解和裂解。对于那些双排碳链的梯型结构，即使受热或辐照后，部分链断裂，也不大可能同时断在并排的两点上，所以大分子链不至于切断，使相对分子质量下降。还有这种结构在消耗外界多余的能量之后，有可能使断裂键重新愈合。这些大分子中的环行结构多数按对位连接，主链具有最高的热稳定性。并且含氢量很少，聚合物与氧反应的可能性也小。因此，特种工程塑料的物理力学性能和化学性能比通用工程塑料优异[1],。

2、性能特点：

①耐温性能优越：既耐低温又耐高温，且能够经受高低温的交变冲击。在液氮（-196℃）甚至液氢（-253℃）中，它仍能保持韧性。分解温度很高，并有高的热氧化稳定性，在氧气气氛中的分解温度往往与惰性气氛中的十分接近。软化点、玻璃化转变温度和熔点都高。它们的热变形温度至少是170℃，连续使用温度在150℃以上，在180℃空气中能够保持50%力学性能，在115℃下至少能够使用十年以上（105 h），在80℃或更高温度下能够耐多种化学介质。热变形温度高，使用温度范围广。

②力学性能好：拉伸强度在45Mpa以上，弯曲模量在2000Mpa左右，弹性模量大。

③综合性能优异：尺寸稳定，耐模损，难燃，耐辐射，低放气，介电性能优异，耐老化，抗水解，对大多数化学介质稳定等等。

3、加工及其他特点：

大多数特种工程塑料可采用常规的塑料加工方法如注射、挤出加工，可采用普通的成型加工设备注射、挤出、模压成制品，有的还可作复合材料、薄膜、纤维和涂料。但其不同之处在于：

①加工温度高，通常在300~400℃；

②注射压力大，一般在120~160MPa；

③模具必需加热，与通用塑料的冷却相反。加热温度达到80~140℃。

原材料价格高，产品附加值高：原材料和产品销售价格为普通工程塑料的十倍到几十倍（通

用工程塑料价格为1.5~10美元/kg，特种工程塑料价格有的高达40~400美元/kg）。

三、特种工程塑料主要品种及应用领域：

1、氟塑料：

目前已工业生产并进行市场销售的氟塑料产品有聚四氟乙烯（PTFE）、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(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(又称聚全氟乙丙烯FEP)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)等十余种品种约100多个牌号。广泛的应用于汽车、半导体、建筑及通讯领域，其在用途正在逐步扩大。

①氟树脂的主要种类、特性及用途

表1列出了具有代表性的氟树脂的种类、特性及用途[2],[3]。

表1 具有代表性的氟树脂的种类、特性及用途

序号名称特性用途

1 聚四氟乙烯（PTFE）耐热、耐化学药品、耐电器性能（高频特性）、非粘接及自润滑性。使用温度范围-200～250℃。1）悬浮树脂：模压板材；密封件、阀体、轴承和电器部件等的模压制品；定向及不定向薄膜；用于减摩耐磨的填充改性制品；多孔板、管的过滤制品。2）分散树脂：生料带、双向拉伸膜、膨体密封材料、薄壁推压管及电线包覆层。

3）分散液及涂料：织物涂复、浸渍。

2 四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物（PFA）可熔融加工成形状复杂的制品，与PTFE性能相同。使用温度范围-200～200℃。半导体领域硅片承载器、容器及衬里、电线包覆膜、焊条、管材等。

3 四氟乙烯-六氟丙烯共聚物（FEP）可熔融加工成型，其他性能与PTFE相同。使用温度范围-85～200℃。电线包覆材料、薄膜（变压器绝缘、栽培室等）、管材、衬里等。

4 乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE) 抗剪切机械强度、电绝缘性能、耐放射线、易加工，使用温度范围-60～180℃。薄膜材料、电线包覆、电缆、电脑机内配线等。

5 聚三氟氯乙烯（PCTFE）机械强度、光学性能优良、在极低的温度下尺寸稳定性好、耐冲击、使用温度范围-200～200℃。高压用密封材料、管材、生物试剂及医药输送容器、医疗用具、精密机械及器具的包装膜。

6 乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE) 机械强度、可熔融加工性、使用温度范围-80～180℃。充压电缆。

7 聚偏氟乙烯（PVDF）机械强度大、耐磨耗性能优良、使用温度范围-40～150℃。阀体、泵等的衬里、管材、特种电线电缆、压电薄膜、超声波探头等。

8 聚氟乙烯(PVF) 机械强度优良、耐侯性好、最高使用温度160℃。用做内外装饰薄膜材料。

②氟塑料加工技术及应用现状

2002~2004年中国氟聚合物供需情况见表2。[4]

表2 2002~2004年中国氟聚合物供需情况

项目 2002年 2003年 2004年

国内PTFE产量 14000 18000 25000

国内PTFE消耗量 13000 17300 20000

国内FEP产量 330 400 700

PTFE树脂出口 3700 4900 8000

PTFE树脂进口 3800 5000 5500

PTFE制品出口 2100 2300 3900

PTFE制品进口 580 570 800

其他氟聚合物的出口 200 350 350

其他氟聚合物的进口 3800 5000 5400