塑料材料
设计师和发明家们在下一个千年中使用的首选材料将是塑料。没有任何家族的材料像塑料一样,能让设计师和发明家们以非常低廉的价格完成自己的发明创造。
工程塑料是指能在工程上作为结构材料应用的塑料。与通用塑料相比,其耐热性和力学性能高得多;与金属相比,其比强度和比模量均超过钢铁,而且易加工,便于组装。此外,它还具有良好的耐磨性、抗震性、自润滑性、电绝缘性、耐腐蚀性及化学稳定性。目前,工程塑料中产量大、应用广的品种主要有聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酯(PBT、PET)和聚苯醚(PPO)。
(3)、按塑料材料受热后的性能表现不同,分为热塑性塑料和热固性塑料两种。前者定义为在整个特征温度范围内,能反复加热软化和反复冷却硬化,且在软化壮态采用模塑、挤出或二次成型通过流动能反复模塑为制品的塑料,如PE、PP、PS、PVC等。热固性塑料则为经加热或其它方法如辐射、催化等固化时,能变成基本不溶、不熔产物的塑料,如酚醛树脂、脲醛塑料等。
讲述塑料的故事是因为它所创造的奇迹是科学促进经济的典范。它展示了一项科学成就如何在几十年时间里逐步得到改进和完善,转变为成千上万种可靠的、容易制造的商业产品,渗透到人们生活的方方面面。
有两个因素推动着塑料的发明不断向前。一个因素是民用市场的需求;另一个因素是战争。
19世纪中叶,人们试图寻找一种价格便宜、容易改变形状的合成材料作为木材、琥珀、橡胶、玻璃等许多天然材料的代用品。它应该既可以在热力和压力下改变形状,也能在冷却后保持形状。英国人帕克斯把氯仿与蓖麻油混合到一起,得到一种像动物茸角一样坚硬的物质;这就是第一种人造塑料。
20世纪50年代出现了用塑料制成的食品容器、水罐、肥皂盒等家用制品;60年代出现了可以充气的椅子。到了70年Baidu Nhomakorabea,由于环保主义者指出塑料制品不能自行降解,人们对塑料制品的热情降低了。
但是,到了80年代和90年代,由于汽车和计算机制造业对塑料的巨大需求,塑料进一步巩固了自己的地位。要想否认这种无处不在的平凡物质是不可能的。50年前,世界上每年只能生产几万吨塑料;如今,全世界每年的塑料产量超过1亿吨。美国每年的塑料产量超过钢、铝和铜产量的总和。
人们对塑料的定义很多,一种比较公认的说法是:以合成的或天然的高分子化合物为基本成分,加以填料、增塑剂、稳定剂及其它添加剂等配合料,在将制造或加工过程中的某一阶段能流动成型或借原地聚合或固化而定形,其成品状态为柔韧性或刚性固体,称之为塑料。
人们把上文所说的合成的或天然的高分子化合物总称为高聚物。它是一种(均聚物)或几种(共聚物)结构单元用共价键连接在一起的,多少是由规则的连续序列所构成。高聚物结构的主要特点是:分子量大(一般在104~107之间),并且分子量具有多分散性;其次,高分子链的几何形状极其复杂,比较典型的有线性、支化、星性、梳性、梯形、网状等多种形态。
聚酰胺6——聚已内酰胺,别名,尼龙6,锦纶6,缩写代号PA6。密度1.14g/cm3,熔点215~220℃,具有优良的耐磨性,面油性,耐化学品腐蚀性和自润滑性,较高的机械强度,硬度,韧性和耐热性,电性能良好,耐紫外线和日光,低温性能优良,易吸水,尺寸稳定性差。易深于硫酸,甲酸和酚类中。
聚酰胺66——聚自己二酰已二胺,别名尼龙66,锦纶66,缩写代号PA66,密度1.14~1.15 g/cm3,熔点252~260℃,具优良的耐磨性、自润滑性、耐油性、耐热性、耐化学药品性。电气绝缘性、耐低温性和机械强度。与尼龙6相比,尺寸稳定,有较高的硬度、刚性和抗蠕变性能。能耐酸、碱和大多数的无机盐的水溶液,能耐卤代烷、烯类、酯类、酮类等有机溶剂,易溶于硫酸,酚类和甲酸。吸水性大,能燃烧,但具自熄性。
(2)、按树脂的名称命名塑料,如以聚乙烯树脂为原料的塑料称为聚乙烯塑料,以聚丙烯或聚氯乙烯树脂为原料的塑料称为聚丙烯或聚氯乙烯塑料,等等。如果塑料中包括两种或两种以上的树脂,例如由聚乙烯和聚丙烯两种树脂所制得的塑料,则称为这几种树脂的共混塑料。在此情况下,塑料和树脂的名称虽然相同,但应注意两者的区别,它们除了组分上不同外(树脂仅是塑料的组分之一),树脂不但可以制成塑料,而且还可以制成纤维、橡胶、涂料、粘合剂等,它们通常也是以树脂的名称来命名的。
(4)、按用途分,有通用塑料、工程塑料、特种塑料。通用塑料一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料,如PE、PP、PVC、酚醛等塑料。从广义上讲工程塑料指凡是可以作工程材料的塑料或者说凡是可以作结构材料的塑料,但是从狭义上讲一般指具有某些金属性能,能承受一定的外力作用,并有良好力学性能和尺寸稳定性以及在高、低温下仍具有优良性能的塑料,如聚酰胺、聚砜、聚碳酸酯等。特种塑料一般是指具有特种功能(如耐热、自润滑等),可应用于特殊要求的塑料,如氟塑料、有机硅塑料等。
后来,铁匠出身的美国人海厄特试图用人造材料制造台球,取代用象牙制造的台球。尽管他未能解决这个问题,但他却发现:把樟脑与一定量的溶剂混合到一起,就能得到一种在加热以后可以改变形状的材料。海厄特把这种材料称之为赛璐珞。这种新型塑料具有用机器和非技术工人大规模生产的特性。它为电影行业带来了一种坚固而又富有弹性、能够把影像投射到墙上的透明材料,并使照相成为一种具有广大市场的活动。
用途:齿轮、轴、螺钉、工具外壳、电气仪表零件和外壳、各种家电外壳、航空透明材料、车船挡风玻璃等。
POM是具有高结晶度和高结晶速率的工程塑料。目前无充填、非增强品级约占70%,几乎全部用于注射成型品。密度1.47 g/cm3,均聚物熔点175℃,共聚物熔点165℃,使用温度-40~100℃,热分解温度235~240℃。具有很高的刚性、硬度、机械强度、冲击韧性、优越的耐疲劳性、耐磨性、自润滑性、耐蠕变性和电绝缘性,优良的着色性、光泽度、尺寸稳定性和耐化学药品性塑料材料。但不耐强酸、强氧化剂、酚类和卤化物,耐候性较差、易燃,高温熔融时易产生刺激性强烈的甲醛,并有鱼腥味。
赛璐珞还促进了家用唱片业的发展,并且最终取代了早期的圆柱唱片。后来的塑料可用于制造乙烯基唱片、盒式磁带;最后由聚碳酸脂制成激光唱片。
1907年,移民到美国的比利时人贝克尔发明了酚醛塑料。这种新材料取得了极大的成功。用酚醛塑料制造的产品有电话、绝缘电缆、钮扣、飞机螺旋浆等。
若干年以后,杜邦公司的试验室也是在偶然情况下取得了另一项突破:制成了被称之为人造丝绸的产品尼龙。1930年,在杜邦公司试验室工作的科学家华莱士.卡罗瑟斯把一根加热的玻璃棒侵入长分子有机化合物中,获得了一种非常富有弹性的材料。大约8年后,杜邦公司推出了尼龙。
PC是通用工程塑料中唯一非结晶性透明材料。主具有优异的耐冲击性、耐热性、耐酸、介电性及耐寒性。
透明颗粒,密度1.20 g/cm3,熔融温度220~230℃,长期使用温度为-60℃~120℃,热分解温度340℃。熔融粘度高,透光率达85~90%,吸水性低,但对湿气的吸附性强,尺寸稳定性好,易着色,刚硬而具韧性,冲击强度尤为突出,抗弯,抗拉,抗压强度十分优越,耐热性、耐寒性、耐蠕变性、电绝缘性和耐大气老化性能优良,耐药品性较差,对室温水、稀酸、氧化剂、还原剂、油脂、脂肪烃和环烷烃稳定,但不耐碱、胺、酮、酯、芳香烃等,能溶于二氯甲烷、二氯乙烷、氯苯、甲酚等,而疲劳性较差,易产生应力开裂,对缺口敏感。可用玻纤增强提高其性能和使用寿命。
目前,人类使用的材料主要有四大类,即木材、水泥、钢铁、塑料。其中塑料是20世纪才发展起来的一大类新材料。由于自然条件的限制,木材的产量不可能有大的增长;水泥有良好的用途,但使用范围有局限性;世界钢铁的产量近十几年来几乎处于停滞不前的状态;而塑料的品种多,性能各具特色,适应性广,生产塑料所消耗的能量较金属低,因此,唯有塑料工业保持着继续发展的势头。到90年代塑料的体积年产量已赶上钢铁,塑料在国民经济中已成为不可或缺的材料。
那么,在我们日常生活中经常碰到的,而且作为都属于高分子合成材料的塑料、橡胶和纤维怎样划分呢?我们知道,随着温度的升高,高聚物的聚集状态发生着明显的变化。对于无定型高聚物,有玻璃态、高弹态和粘流态这三种聚集态;对结晶及部分结晶高聚物则除了上述之态外,还有界于熔融温度Tm和玻璃化转变温度Tg之间的皮革态。
聚酰胺1010——聚癸二酰癸二胺,别名尼龙1010,锦纶1010,缩写代号PA1010。密度1.03~1.05g/cm3,熔点195~210℃,吸湿性低,耐寒性好,有抗菌的作用,有高度延性、刚性、耐磨性和自润滑性,富有弹性,冲击时只弯曲不断裂,介电性能较好。不溶于烃、酯类、低级醇及一般有机溶剂,能溶于浓硫酸、酚类(苯酚、甲酚等)和甲酸等。
在常温上下的一定温度范围内,人们从聚集态来区分高聚物,把它分成三大基本类型:处于玻璃态的就是塑料;处于高弹态的就是橡胶;处于玻璃态但有相当量的结晶就能制成纤维。这就构成了塑料、橡胶和纤维三大合成材料。
(1)、根据塑料的组成不同,可分为单组分塑料和多组分塑料。前者主要由树脂组成,其中仅加入少量辅助材料,如着色剂、润滑剂、抗氧剂等。属于这种塑料的有未加填料的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等;多组分塑料则以树脂、填料、增塑剂等为主要成分,如酚醛塑料、软质聚氯乙烯等。
单丝__强度足以在工业纺织操作中用作纱或在其它应用中作为实体的单根长丝。
人们随处可见经久耐用的塑料的身影:垃圾袋、袜子、计算机、饮料瓶、电话机、汽车,甚至连协和式超音速飞机的机头也是用塑料制造的。塑料有一个庞大的家族:莱克拉、特氟隆、聚苯乙烯泡沫、阿斯特罗草皮、有机玻璃、人造荧光树脂、赛璐珞、赛纶、尼龙等等。
聚酰胺610——聚癸二酰已二胺,尼龙610,锦纶610,密度1.07~1.09 g/cm3,熔点215~220℃,能缓慢燃烧,但离火后自熄。与PA6、PA66相比,吸水性低、尺稳定性好、耐磨、耐油、耐强碱弱酸和一般有机溶剂,可溶于酚类和甲酸,有较高的韧性、机械强度和电性能。刚性低,加工性良好。
尼龙首先在军事领域得到了广泛的应用,降落伞和鞋带等军用品都是用尼龙制成的。随后,广大妇女成为尼龙的热心使用者,20世纪40年代,尼龙袜供不应求,一些商人开始以冒充尼龙袜。
与此同时,英国科学家们在一项科学试验中,发现试管的底部有一种白色的蜡状沉淀物。经过化验,发现这种物质是极好的绝缘材料,它的特性与玻璃不一样,雷达波能够从中穿过。科学家们称之为聚乙烯。它被用来建造为雷达站遮风挡雨的房屋,使雷达在阴雨浓雾气候条件下仍然能捕捉敌方飞机的踪影。
层合塑料——用或不用粘结剂,借加热,加压把相同或不相同的两层或多层结合为整体的塑料材料。
注塑、挤出和吹塑塑料——一般指能在机筒温度下熔融流动,在模具中迅速硬化的塑料,如一般热塑性塑料。
铸塑塑料——能在无压或稍加压力情况下,倾注于模具中并能硬化为一定形状制品的液态树脂混合料。如单体浇注尼龙等。
反应注塑模塑料——一般指液态原材料,加压注入模腔内,使具反应固化制得成品,如聚氨酯类。
模塑粉__主要由热固性树酯和填料等经充分混合、辊压、粉碎而得,如酚醛塑料模塑粉等。
增强塑料__组合中含有高强度纤维,使某些性能比原来树酯有较大的提高的塑料。
微孔塑料__或称发泡塑料、泡沫塑料,整体内因存在大量相互连通或不连通的小孔空穴而降低了密度的塑料。
PA66是Du Pont公司于60年率先实现工业化的产品。它具有耐热性、力学性能、成型加工性相平衡的优点,因而在汽车、机械、电气电子、办公自动化设备、建材等领域广泛应用。其需求量列五大工程塑料之首位。PA的品种构成为:PA6约占55%,PA66约占35%,PA610、PA1010及其共聚产品约长10%。