什么是工程塑料？

1. 关于塑料

工程塑料是一类具有优异强度和耐热性的塑料材料的统称。更具体地说，工程塑料是高功能树脂，其典型耐热性高于 100°C，强度高于 49 MPa (500 kgf/㎠)，弯曲模量高于 2.4 GPa (24,500 kgf/㎠)。

要了解工程塑料的独特性能，需要对塑料有基本的了解。塑料是化学结构由链状聚合物组成的物质；如图 1 所示，这些分子是细长的分子，其中多达 1,000 个或更多的碳原子以柔性结构链接在一起，可以相对自由地单独移动。然而，当这些长分子堆积在一起时，它们会变得非常紧密地缠绕在一起，以至于任何一个分子都很难（至少在常温下）与其他分子分离。另一方面，在高温下，分子运动被激活，限制相邻分子的力逐渐松弛，从而使分子能够更自由地运动。这就是塑料在高温下熔化的原因。

当塑料在溶剂中破裂或变质时，这是因为它们拉长的分子彼此分离。然而，构成典型塑料的分子链的长度足以确保分子在普通使用条件下不会分离。
链状聚合物的这些行为特性足以解释塑料最重要的特征：

(1)其强度和硬度足以承受实际应用。
(2)它们在室温下是固体。
(3) 在较高温度下它们会熔化并可以模制成几乎任何形状。

2.什么是工程塑料？

在各种类型的塑料中，工程塑料一词是指提供异常高性能的特定塑料材料系列。为了防止熔化（即使在高温下）并尽可能地减少溶剂存在下的降解，必须防止塑料中的分子链移动。如第 1 栏所述，有多种策略可以实现这一目标；对于工程塑料，最常见的方法是将碳以外的原子（图2中表示为X）插入分子链中。

C-X键比C-C键更能抑制分子运动，从而提高熔化温度；插入苯环而不是单个原子会产生更大的运动抑制效果。

3.工程塑料的种类

在各类工程塑料中，应用最广泛的是通用工程塑料，其中最重要的五个品种被称为五大工程塑料。​
实现进一步的性能增强通常需要利用苯环的优势。在初级链中含有较高浓度的苯环制成的工程塑料，从而改善了各种物理性能，尤其是耐热性，有时被称为超工程塑料。

有关工程塑料和超级工程塑料的各种类别和类型的更多信息，请参阅CAE 分析基础系列，特别是第 2 卷：塑料 CAE 的基本方面。

4. 五大工程塑料概述

表 1 概述了五种主要工程塑料。

上面的三个品种是结晶树脂（参见第 2 列），按结晶度从最高到最低的顺序列出。下面的两个品种是非结晶树脂。在所有通用工程塑料中，聚碳酸酯是少有的透明的非结晶树脂。改性聚苯醚（PPE）虽然也是非结晶树脂，但PPE很少单独使用；相反，它通常用作聚合物合金材料（第 3 栏）。纯PPE耐热性高，但难以成型复杂形状；与聚苯乙烯等其他树脂合金化可产生易于成型的材料，同时提供一系列理想的性能。

下面我们简要回顾一下五种主要工程塑料的主要特点。

聚缩醛（POM）

在五种主要工程塑料中，聚缩醛具有最高的结晶度，确保了优异的耐磨性，使其成为齿轮、轴架和其他需要承受频繁滑动运动的部件的理想材料。 POM 有两种类型：均聚物和共聚物（第 3 列）。均聚物 POM 具有高熔点、优异的强度和刚性，而共聚物 POM 具有柔韧性，具有优异的耐热降解性、耐化学性和耐候性。

聚酰胺 (PA)

聚酰胺（PA）存在多种品种，其中最常用作结构材料的两种通用工程塑料是PA6和PA66。 PA 是一种结晶树脂，其中由于酰胺基团的存在而产生强大的分子间作用力，确保了优异的机械性能和耐溶剂性。最广泛使用的聚酰胺树脂牌号是在阻燃或耐热等特定领域提供特别高性能的专用牌号，以及由玻璃纤维或其他填料制成的强度增强牌号。
除了通用工程塑料PA6和PA66外，还有许多专用品种的聚酰胺树脂，包括PA612和PA12，它们含有较少的酰胺基团以减少吸水率； PA610和PA11，由植物源成分制成； PA4T、PA6T 和 PA9T，它们含有苯环以提高耐热性。

聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)

PBT是一种主链含有苯环的结晶树脂，具有优异的机械性能和耐溶剂性。该材料还具有低吸水率、良好的尺寸稳定性和出色的电性能，并且易于改性以添加阻燃剂或纤维增强材料。这些特性使 PBT 成为汽车和电气部件广泛使用的材料选择。

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯（PC）是一种主链含有苯环的非结晶树脂，是通用工程塑料中少有的透明的材料。 PC 用于制造镜头和其他光学元件，以及 DVD 等光学存储介质。 PC与ABS共混而成的合金材料具有优异的抗冲击性和良好的成型性能，用于家电外壳等产品。

改性聚苯醚(m-PPE)

M-PPE是一种非结晶树脂，在所有通用工程塑料中比重非常低，是轻量化部件的良好选择，有利于产品减重。 M-PPE耐热性好，耐无机化学品性能好，尺寸精度高；由于PPE的阻燃性，也比较容易阻燃。如上所述，尽管 PPE 具有高耐热性，但其较差的成型性能使得纯 PPE 成为难以成型为复杂形状的材料。因此，PPE 通常通过与聚苯乙烯或其他树脂合金化来进行改性，以产生具有一系列其他所需性能的易于成型的材料。近年来，PPE 已与越来越多的非聚苯乙烯树脂混合，生产出满足各种需求的新型材料。术语 M-PPE 是“改性 PPE”的缩写，旨在描述通过利用聚合物合金而变得特别易于使用的材料。

5.工程塑料的环境友好性

与通用塑料相比，工程塑料的使用减少了生产相同质量产品所需的材料成分总量；此外，主链中碳原子被其他元素取代有助于减少产品在使用后燃烧时排放的温室气体量。此外，用于生产工程塑料许多成分（包括醇、羧酸、酚、胺和酰胺）要么源自植物，要么很容易由植物源物质合成，从而有助于减少化石燃料资源的使用。例如，蓖麻油（用于制造聚酰胺 11 和聚酰胺 610 的关键成分）源自植物，而用于制造聚缩醛的福尔马林是通过甲醇氧化获得的，而甲醇又可以通过植物基发酵生产。原料。
在由工程塑料制成的众多产品中，工业部件是最重要且数量最多的产品之一，而一次性塑料（大多数通用塑料材料的主要应用）却很少见。
日益严峻的全球变暖问题要求各行各业迫切关注减少环境足迹的目标，工程塑料也不例外：在工程塑料的制造和使用中努力减少材料用量并延长产品寿命，是至关重要的。事实上，如果产品的使用寿命加倍，人们可以说它对环境的总影响（从使用到丢弃）会减半。
因此，增加各种材料的功能并延长其使用寿命的挑战是最大限度地减少对地球环境的危害的关键一步。

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第一栏：链状聚合物的性能增强策略

提高塑料材料性能（包括强度、耐化学性和耐热性）的挑战只需稍稍简单化即可简化为一个总体目标：限制分子的运动。例如，当相邻分子改变其动态构型时会发生形状变形现象，而破裂、熔化和溶解等现象则是由于相邻分子彼此分离而引起的。因此，抑制所有此类现象的发生需要抑制分子运动，并且存在多种实现此目的的策略，其中最重要的策略总结在表 2 中。

如表 2 所示，可以通过两种主要方式提高性能：通过限制分子本身的单独运动，或通过抑制分子相对于其他相邻分子的分子间运动。对于前一种情况，关键因素是塑料中链状分子的长度；对于前一种情况，关键因素是塑料中链状分子的长度。每个分子链越长，其运动受到相邻链存在的限制就越多，从而提高性能。通过在分子链中插入非碳原子或苯环以增加其刚性（图 2）或通过增加侧链的尺寸以阻碍分子运动，可以进一步增强性能。修饰主链可以提高耐热性。这些技术无一例外地用于增强工程塑料的性能（表2和表3）。

增大侧链以增加刚性的策略相对容易实施，因此可用于使通用塑料的性能多样化。然而，这种方法不影响主链的结构，因此对耐热性的改善很小。

另一种方法——加强分子间作用力——旨在防止相邻分子分离，包括结晶以产生有序构型、优化分子结构的技术以及增加分子间亲和力等策略。

第 2 列：结晶度

当链状分子伸长时，它会形成锯齿形结构，如图3所示。当处于这种状态的分子接近另一个分子时，分子会逐渐在某个固定的分子间距离处达到最大稳定的状态。随着这个过程的重复，细长的链最终形成一种由规则间隔的分子的周期性阵列组成的结构（图 3），也就是说，它们形成了晶体。晶体比非晶态物质更稳定、更致密，其强大的分子间力确保了高耐热性和良好的机械性能。
唯一能够形成晶体的聚合物是那些具有易于排列成阵列的分子结构的聚合物；由此类材料形成的塑料被称为结晶塑料。相反，不形成晶体的塑料被称为非结晶塑料。

第 3 栏：共聚物和聚合物合金

一种广泛使用的技术是将塑料 X 与塑料 Y 混合，产生一种性能介于两种成分物质之间的新材料。如图 4 所示，有两种主要方法可以实现此目的。第一种方法称为共聚，是在亚分子水平上混合组分 X 和 Y，产生称为共聚物的产品。仅含有单一分子链组分的聚合物称为均聚物。
第二种方法首先分别形成物质 X 的分子和物质 Y 的分子，然后将两种类型的分子混合以产生聚合物合金——该术语借用自冶金学，强调与金属合金的类比。

 

（作者：佐藤功技术室）

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