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1、第七讲 工程塑料的选用原则,各种常见材料性能比较,高分子材料不适用性的场合,1.要求材料强度特别高,2.要求材料耐热温度特别高,3.要求材料尺寸精度高,4.高绝缘的材料,5.高导电材料,6.高磁性材料,高分子材料适用性的场合,1.要求制品轻质,2.要求制品比强度高,3.制品形状复杂,4.中低载荷作用下的结构制件,5.要求制品的耐腐蚀好,6.要求综合性能好的制品,7.要求具有自润滑性的制品,8.要求制品具有防震、隔热、隔音性能,工程塑料选用基本原则,满足制品最终使用性能和耐久性原则,充分发挥改性技术和助剂的作用原则,降低成本原则,注意制品特性原则,综合平衡原则,3.制品的成本,2.原料的可加工性
2、,工程塑料选用主要考虑因素,加工难易性加工成本加工废料加工精度加工形状,高分子材料选择的主要因素,1.制品的使用条件,2.制品的使用环境,3.制品的加工性能,4.原料的成本,受力情况,受力性质,拉伸力压缩力冲击力弯曲力扭曲力剪切力摩擦力压力,受力类型,恒定力非恒定力（渐增减变化，周期性变化）,受力状态,受力大小,静止接触摩擦接触,制品的使用条件,受力类型,受力性质,A.受恒定外力或者渐增（减）力的制品,如螺母、垫片、密封圈等,B.受间歇循环应力的制品,如齿轮、凸轮、活塞环等,要求材料的耐蠕变性能要好，即在长期载荷作用下，制品的尺寸变化应尽可能小。常用的材料有：PPO，ABS，PSF，PC，PO
3、M以及相应的玻璃纤维增强的工程塑料。,要求所用材料的耐冲击性和耐疲劳性要好，以保证长期使用。常用的材料有：PC，PA，PPO，POM，PET以及PBT。,受力状态,A.静止接触的制品,如螺母、垫片等,B.受摩擦接触的制品,如齿轮、轴承等,要求材料的耐蠕变性能要好，即在长期载荷作用下，制品的尺寸变化应尽可能小。常用的材料有：PPO，ABS，PSF，PC，POM以及相应的玻璃纤维增强的工程塑料。,要求所用材料具有高耐磨损性、低摩擦系数以及自润滑性。常用的耐磨材料有：PA、POM、PI、PB、PEEK以及UHMWPE等,聚合物制品的电性能,制品在高压下使用,2.制品在常温、低压下使用,要求具有优秀的
4、耐电晕性，并且介电强度、体积电阻要高；介电常数、介电损耗要小。适合的材料有 PE，XLPE以及PI等。,大多数的非强极性塑料都可以满足，如：PVC，PP，PS，ABS，POM，PC等等。,聚合物制品的电性能,3.制品在高温，中低压下使用,4.制品用于绝缘开关,只有少数耐热塑料材料可以满足需要，如PI，PPS，PPO，PSF等,要求耐电弧性比较好，POM，PSF，聚苯酯，PI等,聚合物制品的电性能,5.制品用于电容器介质,6.制品在高频下使用,要求材料的介电常数要小，介电损耗要小并且不随频率升高而增大。常用的材料有：PET，PP，PS，PC及PI等,要求选用电性能不随频率升高而下降的材料，以保证
5、高频下的电性能。常用的材料有：PE，PP，PS，PI以及PPO等,聚合物制品的尺寸精度要求,聚合物制品的尺寸精度要求,聚合物制品的尺寸精度要求,1.原料收缩影响（成型收缩率）,收缩越大，相应制品的尺寸精度就越低,结晶型高分子的收缩率为1%左右，非结晶型高分子的收缩率为0.5%左右。,有些聚合物的收缩率不稳定，比如POM成型后几周内还要变化。,塑料材料进行增强或无机填充后，其收缩率会大大下降，一般可下降1-4倍。比如PP的收缩率1-2.5%，而30%GF-PP的收缩率下降到0.4-0.8%。PA1010收缩率1.3-2.3%，30%GF-PA1010收缩率0.3-0.6%。,收缩率还与加工条件、
6、制品设计、模具等因素相关,聚合物制品的尺寸精度要求,2.原料蠕变的影响,蠕变会引起尺寸的变化，比如拧紧的螺母，几个月后变松,长期载荷作用下较高精度的制品，一定要选择用耐蠕变性能好的聚合物材料。如PPO，ABS，PSF以及PC等。,纯聚合物经增强或填充改性后，其耐蠕变性能会大大提高，可以用于长期载荷下的较高精度制品。如纯PET的蠕变值为10%，23%GF-PET的蠕变值为2%。,聚合物制品的尺寸精度要求,3.线性膨胀的影响（线性膨胀系数）,纯聚合物经增强或填充改性后，其线性膨胀系数可以下降2-3倍，如纯PA6的线性膨胀系数为8.3，30%GF-PA6的线性膨胀系数为。,聚合物制品的渗透性要求,渗
7、透性是指气体、液体在其中透过大小，对于渗透性大的材料成为透过材料，对于透过性小的材料成为阻隔材料。,透过性制品；包括微孔材料以及选择性透过的材料，用于液体和其他的过滤和分离。包括：离子交换膜，微孔过滤膜等。,阻隔性制品；碳酸饮料、食品保鲜包装材料，如汽水瓶、真空袋等。可以选用的材料有PVDC，PAN，PEN，PET，PA以及其复合材料。,塑料的渗透性,聚合物制品的尺寸精度要求,原料吸水的影响,塑料材料在吸水后引起体积膨胀，导致尺寸增大，严重影响精度。因此在潮湿环境中应用的制品，如果要求尺寸精度时候，不宜选用高吸水性塑料，具体如PA和PVA等。,除了氟塑料，大部分聚合物在相应溶剂中都会产生溶胀，
8、引起制品尺寸变化。因此，对于和化学介质接触的制品，要选用介质不引起溶胀的材料以保证尺寸精度。如在脂肪烃，芳香烃以及卤代烃介质中，不宜用PS制品。,原料溶胀的影响,聚合物制品的透明性要求,高透明的材料,PMMA，PC，PS等,中等透明的材料,PVC，PP，PE等,不透明的材料,ABS，POM,一般经过增强或填充，聚合物制品的透光性下降,聚合物制品的外观要求,不同的塑料材料制成的制品围观不同，如用ABS，PP，PS等原料制成的制品表面光泽好，用PS、ABS为原料制成的制品色泽鲜亮。,经过填充或增强的制品外观性能往往下降。,现在开发出的塑料使用的光亮剂，能够提高塑料表面的光泽。,制品颜色也很重要。不
9、同国家民族对于颜色喜好不同。在绝缘电缆中，不同颜色代表不同极相。,聚合物制品的使用环境,聚合物制品的使用环境,环境温度,环境温度会影响材料的力学性能、电性能、耐腐蚀性能,热变形温度使用温度脆化温度,聚合物制品的使用环境,2.环境湿度,环境湿度对低吸水性制品的使用性能影响小，如POM，PVC，PPO等。对于SI和F4制品而言，不受湿度影响；对于高吸水性材料PA，PVA等制品影响比较大，尤其对力学性能和电性能影响更大。,机械强度：除了冲击强度外，聚合物材料的强度都随湿度增加而下降。例如PA66的吸水率从2%到6%，拉伸强度从60MPa到40MPa；PA1010的吸水率从0.4%到1.2%，弯曲强度
10、从60MPa到40MPa。,电性能：随湿度升高，电绝缘性变差、体积电阻和介电强度下降，介电常数和介电损耗升高。例如，PA1010，吸水率从0.3%到0.4%，介电常数冲3.6到4。,聚合物制品接触的介质介质对于制品的影响,对于微生物环境介质，细菌，霉菌等会让制品生物降解,聚合物制品的使用环境,腐蚀性的介质如硫酸，高锰酸钾等会对制品产生强烈的破坏作用；对于强极性溶剂，会造成制品应力开裂、溶解溶胀等破坏。,高潮湿的情况下，强吸水性制品会发生水解反应,与人体接触的物品，如日用品，玩具等，要求无毒或低毒,聚合物制品接触的介质制品对于介质的影响,聚合物制品的使用环境,日用品，装饰材料，建筑材料等制品，要
11、求阻燃性好,对于瓶体、管道等压力容器，要求耐爆破压力要高,在人体内长期使用的医用器械或者替代物，要求绝对无毒，生物相容好，抗血酸好，无致癌嫌疑等；,食用、药品、医疗器械以及化妆品包装材料，要求绝对无毒，树脂无毒也要求添加剂无毒，加工过程要求也较高。,光、氧的作用,光、氧的存在会引起塑料的老化、降解。对于PE，PP，PS，ABS，PA，POM、PU以及PMMA等易产生光、氧老化的塑料材料，尤其是作为地膜、棚膜、太阳能装置以及汽车保险杠等，要求必须加入抗氧剂和光稳定剂或者选用抗光、氧作用的塑料材料。,辐射作用,辐射也会导致聚合物制品的降解，绝大多数聚合物材料的耐辐射性能都不好，只有氟树脂、PI，P
12、PO/PPS，UHMWPE，聚苯酯等耐辐射较好。因而在核电站使用的塑料配件，采用上述几种；比如在核电站使用的电缆，常常采用PI和PPS。,环境的光、氧、辐射,聚合物制品的使用环境,在建筑材料、电子电器和交通工具上塑料制品均要求材料有相应的阻燃性，各种塑料的燃烧性能可分为可燃、慢燃、自熄的和不燃四个等级。,塑料的燃烧性与阻燃,塑料的加工性能,塑料的加工性能,性能满足使用条件时，优先选择加工性能好的材料,三大类难加工的材料：,易分解的树脂,比如PVC，PVC的熔点170度，热分解温度140度，熔融之前已经分解，加入增塑剂,POM，PA等在加工易发生氧化降解，加入抗氧剂,塑料的加工性能,三大类难加工
13、的材料：,2.热固性树脂,包括EP，UP，酚醛树脂等 常用压制成型,3.熔体粘度高,包括PTFE，UHMWPE，PPO及聚苯酯等，在达到熔融温度时，树脂处于熔融状态，但是粘度特别高，虽然熔融但是不流动。一般采用烧结或者冷挤压的方法加工成坯料，再用机械加工的方法获得所需形状，因而很难制备特别复杂形状的制品。如果对于塑料制品性能要求不是很苛刻，可以共混改性。比如PPO中加入PS改性，但是原有性能会下降。,塑料的加工成本,加工设备成本,压延成型（1000k）注射成型（500k）挤出成型（300k）中空吹塑（250k）压制成型（40k）真空吸塑成型（20k）,选用设备投资小加工设备,生产一次性饮水杯，
14、可以注塑也可以吸塑成型，选择吸塑成型；HDPE的面包周转箱，注塑和压制成型，选择压制成型,选择本公司现有的加工设备,塑料的加工成本,加工能耗,优选不需要干燥直接加工的原料,常用塑料干燥条件,塑料的加工成本,加工能耗,优选不需要后处理的聚合物原料残余应力，会引起应力开裂，消除内应力。,常用塑料后处理条件,塑料的加工成本,加工能耗,优选选择加工温度低的原料,尽可能选择对设备磨损和腐蚀小的原料,塑料的加工成本,加工精度,注塑 挤出 注吹成型 挤吹成型 压制成型 压延成型真空吸塑成型,加工形状,注塑 可以生产复杂的制品；压延、真空吸塑、压制、缠绕成型可以制成大面积的制品；如大型化工储罐及游船，都可以采
15、用缠绕成型制成。,塑料的加工废料,透明性制品卫生性要求很高的制品易分解的树脂其他品种的制品，加工废料可以重复使用，比如POM塑料，加工废料可以加入30%，循环使用10次；MPPO塑料，废料可以加入20%，循环5次以上；,真空吸塑成型 挤吹成型注塑压延成型压制成型挤出,废料的产生率：,真空吸塑成型的一次性杯子，废料率高达30%,聚合物制品的成本,聚合物制品的成本,原料价格、加工费用、使用寿命、使用维护,注塑制品，原料价格占产品的60-70%；挤出制品，原料价格占产品的70-80%。,1.塑料原料价格,中价位的塑料，大概在几千元每吨。价格顺序：ABSEVAPOMPMMAPBTPA6PA66PCPA
16、610 MPPOPA1010,低价位的塑料，大部分热塑性塑料和通用热固性塑料都是低价位原料，大概在千元每吨。价格顺序：PP HDPE PS PVC LDPE LLDPE PET,高价位的塑料，具有特殊功能，上万每吨。包括F4、F3、PPS、PI、PES、PEK、PEEK、聚苯酯。F4的价格在1万每吨，PI的价格在4万每吨。,聚合物制品的成本,应该考虑制品的整体价格，不仅仅看单次使用价格。比如普通LDPE大棚膜的价格是10k，使用周期农作物一茬；长寿LDPE的价格15k，使用寿命是两茬；尽可能选择长寿的塑料制品，其次选择加入防光、氧、热以及生物降解的抗老化改性的塑料材料。,2.塑料制品的使用寿命
17、,3.制品的维护成本 尽量选择不需要维护的制品。比如生产齿轮的原料有PA、POM、PC、PBT、MPPO等。仅从维护成本上来看，PA和POM具有自润滑性，在使用过程中可以不加或者少加润滑剂。,聚合物原料的来源,优选工厂库存的原料优选通用的原料优选已经进入生产成熟期的聚合物原料优选市场上不紧俏的原料优选产地比较近的原料优选国产原料考虑进口原料,电绝缘材料的选用,塑料的电性能及选用,绝大多数塑料具有良好的绝缘性，因此用作电气绝缘介质材料是塑料的最大用途之一。绝缘塑料在电气工程上的用途主要用来制造电线电缆、印刷线路板、电气开关、接插件和电子电气设备的机壳等。在塑料绝缘制品设计和应用中,我们必须了解介
18、电强度、介电常数、介质损耗、绝缘电阻和耐电弧的几个常用电绝缘性能指标。,从塑料在电场作用下极化性能的角度将塑料大致分为三类。,第一类是非极性的或弱极性的塑料电介质，主要有PP、PE、PS、F4、F46和其他纯碳氢型的热塑或热固材料等。它们常具有很小的介电常数(约2-2.8)，很小的介质损耗角正切值(约为10-3-10-4)和较大的电阻系数(1016-1018)，而且这些性能很少受外场频率相温度、湿度等影响。,非极性塑料是最好的高频绝缘材料，如聚烯烃塑料，聚酰亚胺在室温以上也有良好的高频适应性；有机硅、PPO塑料也常在高频电器中使用。然而，大部分极性塑料和纤维素填充塑料不宜使用。高频高压绝缘材料
19、只有为数甚少的材料可选择，如交联聚乙烯、F4和F46适用。,第二类是极性较大的材料，主要有增塑PVC及其共聚物、酚醛塑料、氨基塑料、纤维素塑料和尼龙等。它们一般具有比第一类材料大得多的介电常数(4-10)和介质损极角正切值(0.20.02)，电阻系数也较低(1011-1014)。,第三类材料是介于两类之间，几乎包括其他所有塑料。它们的介电常数和介质损耗正切适中，在3-5之间，tg在10-2-10-3之间，电阻率大约在10141016之间。其中主要有聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚酯、聚碳酸酯、有机硅、聚酰亚胺等。,在低压电机、变压器、电线电缆中，绝缘材料的耐热性是十分重要的选用指标，因为这类积热性电
20、气设备和部件，其绝缘材料的破坏过程主要是热老化。绝缘材料长期在热和热氧作用下，发生一系列的物理化学反应最后导致脆化、开裂等；使其在工作电压下击穿或短路。,填充酚醛塑料(电木)和氨基塑料(电玉)是常用低压电器的主要绝缘材料。脲醛和胺醛塑料主要用于制造防爆电器、熔断器、开关等需要灭弧的绝缘零部件。如这类电器需要更高的耐热性时，一般都采用耐热耐电弧的增强有机硅塑料。,由于热塑性塑料具有许多优良性能，特别是环境适应性能，因此近年来在低压绝缘中的应用越来越多。主要有热塑性增强聚酯、聚碳酸酯和玻璃纤维增强尼龙。聚烯烃塑料、聚酯塑料和纤维素塑料等不宜用于经常出现电弧的电气设备和部件中，如开关、继电器等，因为它们既不耐电弧又不耐烧。,对于电线电缆的绝缘，在较低的电压下可使用聚氯乙烯、聚烯烃塑料作为电缆绝缘层，低电压高温情况可使用四氟塑料作为电缆绝缘层。,在高压条件下，由于绝缘材料中存有气隙，因此常常会产生电晕，从而大大加快了材料的老化破坏。作为这类绝缘材料，必须是质地均匀密实的抗电晕良好的材料，在高压电场作用下，绝缘材料的介质损耗发热已具有相当大的重要性。因此对于要选用耐压强度高，介电常数和介质损耗正切都小的抗电晕材料，如交联聚乙烯等。,
