耐高温高分子材料

耐高温高分子材料

编者按：航空、航天等的发展对于合成高分子材料提出了新的要求，如耐高温、高强度、耐腐蚀、耐辐射等。近年来世界各国科学家正在开发这方面新技术，很多材料已经进行大规模生产。耐高温高分子材料一直是大家关注的热点，中塑互联塑料技术论坛的网友对耐高温高分子材料的有关问题进行了深入的讨论。本期推出耐高温高分子材料专题，对耐高温的相关问题进行整理，供读者参考。我刊今后将不定期将“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”上优秀的帖子整理刊发，敬请读者关注。

1 塑料耐热性的影响因素

问：影响塑料耐热性能的因素有哪些？玻纤增强塑料为什么能大幅度提高热变形温度？耐热性与热稳定性的区别有哪些？

答：（1）影响塑料耐热性的因素

说到热塑性材料的耐热性，就要首先问温度升高对材料起什么作用？答案是温度升高，材料变软、变形。接着问材料变软、变形是什么意思？答案是分子内运动单元（链段）无规热运动超过了分子间内聚作用。再问温度升高为什么使链段无规热运动超过了分子间内聚作用？答案是温度升高链段无规热运动加剧，分子间距离增大，导致分子间作用变弱。所以任何材料都是分子间作用和链段无规热运动矛盾的统一体。耐热性就是衡量这一矛盾统一体的平衡值，实验测试是在指定的外部加载条件下，材料达到一定变形时的温度。

分子间作用越强，无规热运动链段越大（链的刚性越大），就需要越高的无规热运动程度（温度表示无规热运动的程度）来平衡，耐热性也就越高。分子间作用是由分子间作用力种类和分子间距离共同决定的，链的刚性则是由分子内旋转的难易程度决定的。

分子间作用力的强弱依次为氢键、偶极性、非极性范德华力等；而分子间距离主要取决于分子的三维堆积密度，分子越规整、对称性越强，越有利于结晶，分子堆积密度就越高，分子间距离就越小。对于同种类的分子，结晶的晶相密度总是高于非晶相密度，这就是结晶有利于耐热性提高的原因。分子主链上引入芳香基团，链刚性增大，使无规热运动链段增大，需要更高温度的链段才能运动，这也是对称的硬链段优先结晶的原因，芳香基团的引入有利于耐热性提高。

总之，分子间作用力越强，分子间距离越小，分子链刚性越大，所需平衡的无规热运动程度（温度）就越高，耐热性就越好。依此推论，耐热性最好的热塑性材料，应为分子主链是全芳香（大刚性）、分子间作用力为尽量多的氢键（强作用力）、分子主链无任何取代基（高对称）的材料，市场中最接近的材料是全芳香聚杂环、全芳香聚酰亚胺、全芳香聚酰胺等高耐热性聚合物。

（2）玻纤增强对于塑料热变形温度的影响

热变形温度是在固定弯曲载荷下，材料达到给定小形变时的温度。玻纤增强塑料抗弯曲变形能力大幅度提高，从而热变形温度成倍增加，具体原因如下：

1）大量高模量玻纤沿平行于样条受力表面取向；

2）玻纤间高分子链段运动受阻；

3）玻纤对结晶性基体的结晶促进作用。

宏观上在聚合物里加入玻纤增加了材料本身的模量，提高了抗变形的能力，因此要在更高的温度才能使材料变形到指定值；微观上，玻纤提高了整体耐高温的能力（无机填料提高耐热性的原理），如提高复合材料的熔点等，从而表现为使热变形温度升高。

（3）耐热性与热稳定的根本区别

1）耐热性：不考虑发生的分解、降解等化学变化，只关注材料耐热的物理效应，如玻纤、滑石粉等对塑料耐热性的影响；

2）热稳定性：考虑接触光、氧、热及其他环境时，材料发生分解、降解、氧化等化学变化，如抗氧剂、光稳定剂等对塑料热稳定性的影响。

一般的高分子材料在高温下由于分子运动加剧从而改变了材料的一些物理特性，最为明显的就是弹性。塑料的热稳定性是塑料在高温环境下，还能保持物理、化学及力学、光电等使用性能的温度。耐热性是指塑料能正常连续使用的最高温度；热稳定性是指塑料保持塑料基本物理性能或其他使用性能的单一或几项性能的最高温度，通常是指短时的失效温度，如开始降解的温度、开始分解的温度等。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／www.ourplas.cn”网友智情真人、启明星、weizy0706、wang0990、ddai4701、songhx、leeview、xiaosissg、scu＿ cpse等。详情请访问：http：／／bbs.ourplas.cn／read.php？tid＝12854）

2 如何提高聚丙烯的热变形温度并保持材料的透明性

问：何种助剂或者方案可以使PP的热变形温度由80℃提高到120℃，并且不降低材料的透明性？

答：解决方案如下：

（1）加入成核剂，并更换耐高温牌号的聚丙烯；

（2）加入玻璃纤维，调整螺杆结构；

（3）使用β成核剂；

（4）采用山梨醇类成核剂，既可以提高透明性，也可以提高热变形温度；采用羧酸铝盐成核剂对透明性提高不显著，但是提高热变形温度方面要比山梨醇好，可以提高20℃左右（对于均聚聚丙烯）；

（5）采用透明、耐高温聚丙烯专用料，如韩国晓星HJ800R、J801R；

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／www.ourplas.cn”网友zcfdid、caojijie、chichi、黄云、plasday、jiey、halley、huasulong、linshuxin等。详情请访问：http：／／bbs.ourplas.cn／read.php？tid＝13615）

3 阻燃性能和耐高温性能的关系

问：材料的阻燃性能和耐高温性能有没有关系？

答：阻燃性和耐高温性能没有必然的联系，阻燃是燃烧性能，耐高温是耐热性能，一般表现为材料可以使用的温度范围。燃烧性能，可以用燃烧时需氧量来表示，也就是是不是容易燃烧这个概念。一般来说，阻燃剂的相对分子质量比较低，加入后材料的耐热性往往是下降的。当然根据不同的阻燃剂及加入的比例，其结果也不一样。耐热性的主要影响因素是材料本身的相对分子质量（影响不是特别大）、能够形成大量氢键的基团，或者其他一些原因，比如填充等。说到底二者没有必然的联系，但是二者却往往互相有影响，需要根据实际情况来看待具体的影响。

PVC的阻燃性高，但不能耐高温。对于材料而言，通常含卤素、氮、磷等，材料都能阻燃，分子链有苯环等结构的材料比含有直链结构材料的阻燃性能好。PC耐高温性能尚可，但绝对没有PVC阻燃性能好，PP无论加工还是使用，都比PVC耐高温，可事实上PP的燃烧性能很差，而PVC离火即熄，所以阻燃与耐高温没有直接关系。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／www.ourplas.cn”网友热稳定、better、xiuhu、gxh3211300、phenix、scholli、k815、tytyty、无悔、启明星等。详情请访问：http：／／bbs.ourplas.cn／read.php？tid＝13122）

4 PVC能达到多高的耐温等级

问：请教一下PVC能达到多高的耐温等级，所用的增塑剂和助剂是什么？

答：PVC制品使用温度普通在65℃，一般改性后的PVC在75～85℃，PVC有硬质和软质之分，软质PVC耐温差异主要是增塑剂的差别。

用含苯环的增塑剂可以使软电缆耐温105℃。PN1030增塑剂可以制备耐温125℃的电线电缆，采用DIC的高分子增塑剂2050加偏苯三酸三辛酯（TOTM）也可以达到125℃。用2050加少许的TOTM（加TOTM主要是为了降低成本），助剂用EPOXY和稳定剂OW－36RM可以耐温136℃。增塑剂用UN615和TOTM，可以耐温105℃。

谷索索力分布很离散，并随吊索索力增长而整体增长，但局部特性明显，不同批次吊索的提升对不同典型谷索的影响可能截然相反。脊索的就位和膜的安装均使谷索索力下降。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／www.ourplas.cn”网友better、iambest600、jokerjo、ddai4701、polyrain、pch1101、wjingqing、better、hadamc、yulihua等。详情请访问：http：／／bbs.ourplas.cn／read.php？tid＝13122）

5 耐高温耐磨工程塑料的应用领域

问：现在我这边有各种耐高温耐磨工程塑料，主要成分为PPS、PA、PTFE等，耐高温可到300℃，耐磨可以按照要求去做，想请教一下主要能应用在什么制品上？

答：主要应用领域可能有以下几个方面：

（1）航空、航天领域；

（2）汽车限位钉；

（3）高温环境下的温度传感器；

（4）高温密封件；

（5）旋梭、轴套、轴承。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／www.ourplas.cn”网友huachaofei42、chenjianxue、scholli、聚四氟乙烯、zoufaliang、engplts、mengzhou、kenny、jlcysaj、xuezhe2006、wzshi、bruce.zeng、xiaoling19。详情请访问：http：／／bbs.ourplas.cn／read.php？tid＝3410）