高性能聚苯硫醚树脂在工程塑料项目中的应用

＊李沃源

（浙江新和成股份有限公司 浙江 312500）

提要：工程塑料是化工新材料行业的重要组成部分，也是其中发展活力和潜力较大的板块。工信部等多部委2017年联合发布的《新材料产业发展指南》提出了先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料三大重点发展方向，其中工程塑料被列入重点发展领域的先进基础材料，并对其进行了扶持发展。在对聚苯硫醚树脂性能特点和工程塑料品种阐述的基础上，对高性能聚苯硫醚树脂在工程塑料项目中的应用，如汽车部件、住宅设施及精密设备、电气/电子部件、机械工业和化工领域上等进行了相关研究。

引言

聚苯硫醚是一种新型功能工程塑料，其分子中含有对苯硫醚的重复结构单元，分子主链上含有苯硫醚，其分子质量为10000～50000[1]。聚苯硫醚是一种无结晶熔点的线型或支链聚合物。交联前为线型结构，交联后为热固性结构，当被充分加热和冷却时，可以软化到一定程度[2]。聚苯硫醚是由硫化钠和二氯苯在强极性溶剂中缩聚而成。生产方法包括麦式法、对卤代苯硫酚盐自缩聚法、芳香族多卤化物和碱金属硫化物溶液缩聚法等。聚苯硫醚的相对密度为1.36，树脂为白色粉末或颗粒，硬脆，结晶度高，熔融黏度强。聚苯硫醚有两种类型的分子质量，即低分子质量和高分子质量。由于熔流值高，难以直接模塑成型，所以除喷涂外，其他方法在成型时都要经过一定程度的交联，并掺入一定量用于注塑、模压和挤出成型的玻璃纤维或无机填料中。高分子质量聚苯硫醚不需交联，可直接用于塑料制品的加工。

PPS具有对称的刚性主链，是由重复对位取代的苯环和硫原子组成的结晶聚合物的一部分。PPS是具备高性能，高达280℃的高熔点，可以替代金属的特种工程塑料，位于聚合物性能金字塔的顶端[3]，如图1所示。为此，基于PPS树脂的卓越性能，使其符合要求苛刻的工程塑料项目对材料的要求。

图1 聚合物性能金字塔

1.高性能聚苯硫醚树脂的特点

（1）高性能PPS树脂是一种具有高硬度的结晶聚合物。其晶体含量约为65%。结晶速度快、流动性好、成型周期短。

（2）优异的耐热性。其熔点可达275～291℃，热变形温度为135℃，玻璃纤维强化后热变形温度可达260℃。在空气和氮气中，聚苯硫醚的初始和弱化温度约为400℃，在700℃的空气中分解，在1000℃的惰性气体中仍能保持40%的重量。长期使用温度为200～240℃，气体阻隔热阻和长期连续使用的热稳定性优于目前所有的工程塑料[4-5]。

（3）具有良好的力学性能。具有极高的刚性，表面硬度高，高湿条件下刚性下降极少，并具有优良的耐蠕变性和耐疲劳性、耐磨性，其耐磨性可通过填充氟树脂及碳纤维等润滑剂而大幅提高。

（4）具有优异的耐腐蚀性和耐化学性。除强氧化酸（如浓硫酸、硝酸等）外，还能承受其他酸、碱和盐的腐蚀，不溶于200℃以下的任何有机溶剂，其耐腐蚀性几乎相当于聚四氟乙烯。此外，PPS还具有良好的耐气候和辐射性能，其性能不会受到多次强紫外线和Y射线的照射以及中子辐射的影响。

（5）具有较小的吸水率（仅0.008%）和吸油率，较小的成型收缩和线膨胀系数，其产品尺寸稳定，变形小，即使在一些潮湿、油性腐蚀性气体环境中，仍能保持尺寸稳定性，因此可以用于精密成型。

（6)电性能优异。高性能PPS树脂在高温、高湿下体积电阻率变化很小，其介电常数随温度和频率变化很小，加之离子杂质含量低，能浸渍于260℃的焊锡槽中，所以足够承受表面焊接电子元件的热冲击，适用于对电性能有极高要求的产品。其电阻率高，介电性能低。

（7)高性能PPS树脂熔体黏度极低，流动性好，极易与玻纤润湿接触，因而易于填充，用其制备的玻纤或玻纤－无机填料增强注塑级粒料，抗冲击、抗弯、延展性极高。

（8)高性能PPS树脂对玻璃、铝、不锈钢等的粘接强度非常高，对玻璃的粘接强度甚至比玻璃的黏结力还要大。

2.工程塑料品种概述

工程塑料是一种可以作为结构材料长期承受机械应力，并在较宽的温度范围和较为苛刻的化学物理环境下使用的塑料材料。工程塑料与一般塑料相比，具有更优异的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等优点，并且与金属材料相比，具有重量轻，便于复杂的产品设计，成型时能耗小等优点。工程塑料在电子电器、建筑、汽车、机械、航空航天等工业部门的应用非常广泛。工程塑料按用量、性能和适用范围分为通用工程塑料和专用工程塑料两大类。

其中，通用工程塑料主要包括尼龙（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯醚（PPO）等以及近年来在工程塑料应用中发展迅速的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）[6]。

特种工程塑料是指一种综合性能高、长期使用温度在150℃以上的工程塑料，主要包括聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、液晶聚合物（LCP）、聚砜（PSF）等具有独特优异物理性能的特种工程塑料[7]。

3.高性能PPS树脂在工程塑料的应用

作为工程塑料，PPS成型材料具有许多优良特性，可代替金属、热固化性树脂等，为此被广泛应用于各个领域。

(1)汽车零部件上的应用

汽车零部件用途是未来PPS应用最广泛的领域，如图2所示PPS应用于电驱动单元部件。因为PPS除了具有杰出的连续耐热性、耐药品性（汽油、机油等）等高性能外，还由于可提高生产效率（可注塑成型），使成本大大降低。

图2 PPS应用于电驱动单元部件

目前PPS除了可以取代以往使用的金属部件和酚醛树脂，PPS在新用途部件上的应用正在加速[8]。特别是在以发动机相关机器为中心的驱动类、制动类、燃料类、照明类、冷却类零件和控制这些机器的控制类零件方面，PPS在汽车零件使用的详细情况如表1所示。

表1 PPS在汽车零部件用途明细表

(2)住宅设施/OA/精密设备上的应用

住宅设备中以热水器为代表的用水相关设备多使用“超硬PPS（40% GF）”。这是由于“超硬PPS（40% GF）”除具有PPS的耐热水性以外，还具有耐压、韧性好的特点。正在逐步替代过去以黄铜为代表的金属材料和变形PPE材料[9]。

因具备低结晶度性能而利于尺寸精度的“改性PPS（30%GF）”适用于精密设备零部件用途。同时，由于具有优异的低摩擦、低磨损性能，适用于对滑动特性有特殊需要的项目用途，如齿轮、轴承等。在激光复印机、打印机等用途方面，多使用既具有PPS耐热固定性能，又有利于其他特殊类型，如齿轮或轴承周围滑动、导电等。其中PPS在住宅设施/OA/精密设备上的应用，如表2所示。

表2 PPS在住宅设施/OA/精密设备上的应用明细表

(3)电气/电子零部件上的应用

在SMT工序中除高耐热性、精密成型性、尺寸稳定性等以外，PPS还具有不添加阻燃剂就可以达到UL-94V-0级的高度阻燃性[10]。对于以连接器为代表的电气/电子部件来说，这些特性可以称为最好的成型材料。主要使用具有PPS一般特性和适当成型性的玻纤强化/非强化交联型PPS和线型PPS低毛刺型，适用于精密复杂的成型品，如连接器等。此外，玻纤/矿物填充强化的交联型PPS和线型PPS适用于光学示波器，如对尺寸稳定性和刚性有要求。可超低压成型的PPS适用于微线圈及电子部件的密封。其中PPS在电气/电子零部件上的应用如表3所示。

表3 PPS在电气/电子零部件上的应用明细表

(4)机械工业和化工领域上的应用

近年来，PPS通过化学改性与玻璃纤维、矿物填料或碳纤维等混配成复合材料制成成品在机械工业和化工领域上也被广泛的应用，其中PPS在机械工业和化工领域上的应用如表4所示。

表4 PPS在机械工业和化工领域上的应用

(5)锂电池领域上的应用

锂电池是指在电化学体系中含有锂的电池，由于锂金属的化学性能比较活泼，对其进行加工处理的环境要求非常高，这也是锂电池没有被大规模应用的原因。随着信息时代的到来，以体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快为特点的微电子技术发展壮大，小型精细化设备不断增多的同时，对电池的要求也随之提高，由此，锂电池进入广泛实用阶段。而聚苯硫醚（PPS）具有优异的耐热性、绝缘性、电性能等特点，与锂电池领域对材料的要求相契合，是锂电池的“亲密伴侣”。

(6)环保领域上的应用

废气、废尘的主要排放源是钢铁厂、垃圾焚烧炉、热电厂、水泥厂、炭黑厂等领域，水泥厂可采用常温除尘的袋式除尘，但像钢铁厂、焚烧炉、电热厂这些领域产生的废气、废尘具有温度高、湿度大、腐蚀性等问题，这便要求除尘材料具有很强的耐高温、耐腐蚀等性能。而纤维级PPS具有很高的热稳定性，可以在200～240℃下连续使用，即使在260℃的高温下放置1000h仍然能保持60%的强度。PPS的耐腐蚀性能更是与具有“塑料之王”之称的聚四氟乙烯相近，就阻燃性而言，PPS纤维制品不易燃，无需添加阻燃剂就可达到UL-94V-0标准。因此，PPS纤维制品在以上领域的应用可以大大提高除尘设备的使用寿命。其中，被应用最广泛的产品便是除尘滤袋。

4.结束语

高性能聚苯硫醚树脂由于具有优异的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性和尺寸稳定性，在工程塑料项目中广泛应用于电子电器、建筑、汽车、机械、航空航天等行业，但在进行PPS成型作业时还需注意以下几个方面：（1）预干燥。当粒料干燥温度过高或干燥超过必要时间时，会出现色调和流动性的变化；（2）料筒设定温度。合理的料筒温度一般设定在300～340℃之间，勿加热至350℃以上，特别是混合有PTFE（氟树脂）的产品，其温度范围为290～320℃，勿超过330℃以上；（3）料筒内的停留时间。一般300℃时设定为60min以内，320℃时设定为30min以内；（4）在发生树脂分解或类似事态时，需降低料筒温度排出料筒内残留的树脂。成型停止时，排出料筒内残留树脂后，请切断加热器电源。此外，还需遵从“废弃物处理及清扫的相关法律”委托指定的废弃物处理单位或地方自治体处理废料、转子、熔渣等。