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一、工程塑料簡(jiǎn)介

 

所謂工程塑料，即可替代金屬被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料。工程塑料需要具有優(yōu)良的綜合性能，與通用塑料相比，其在機(jī)械性能、耐熱性、耐久性、耐腐蝕性等方面均能滿足更高要求，此外還具有更加便于加工以及可替代金屬材料的特性。

 

工程塑料分為通用工程塑料和特種工程塑料，其中五大通用工程塑料指的是綜合性能優(yōu)良，長(zhǎng)期使用溫度可在100℃以上的一類工程塑料。主要有PA、PC、POM、PBT/PET、PPO。特種工程塑料是指綜合性能較高，長(zhǎng)期使用溫度可在150℃以上的一類工程塑料。

 

 

 

 

如果我們把“高富帥”比作性能高、產(chǎn)量多、外觀好，通過(guò)對(duì)比：

 

 

PA：產(chǎn)量突出---典型的“只剩下錢(qián)的富裕家族”，因而PA家族特需要玻纖/碳纖等不要命的馬仔來(lái)保護(hù)自己。

 

PC：性能、產(chǎn)量、外觀突出---可稱為“高富帥”；但高富帥也有缺點(diǎn)，吃不了苦頭（耐磨、耐疲勞性差），遇到點(diǎn)壓力容易發(fā)脾氣（應(yīng)力開(kāi)裂、高溫水解）

 

POM：性能高，但產(chǎn)量、外觀不突出---是只有“身高的窮小子”，打籃球是他最終的歸宿，因?yàn)镻OM身材又壯又高，又耐操；

 

PBT：性能高、產(chǎn)量、外觀都還行---中規(guī)中矩，普通老百姓，哪里需要就去哪里，流動(dòng)性、適應(yīng)性強(qiáng)，極具性價(jià)比（熔體流動(dòng)性好、快速結(jié)晶性，注塑成本低）

 

PPO：性能超高、外觀也不錯(cuò)，就是產(chǎn)量低---典型的除了沒(méi)錢(qián)，啥都有，跟PA相反，因此，PPO跟PA或者PS更富裕的家族合作才能實(shí)現(xiàn)他的實(shí)際價(jià)值（改善PPO的成型性）。

 

PC和PPO屬于非結(jié)晶性（無(wú)定形）塑料，而PBT、PA、POM則屬于結(jié)晶性塑料，非結(jié)晶性塑料和結(jié)晶性塑料，有些特性是相反的，比如流動(dòng)性，結(jié)晶性塑料通常比非結(jié)晶性塑料好；收縮率，非結(jié)晶塑料比結(jié)晶性塑料??；透光性，非結(jié)晶塑料比結(jié)晶性塑料好等等。

 

大家都知道，PC的熔體粘度大，流動(dòng)性差，然而，PPO的熔體流動(dòng)性比PC更差，加工成型性極差，純PPO樹(shù)脂不能采用注射方法成型，這樣大大限制了它的應(yīng)用。市場(chǎng)出售的產(chǎn)品均為其改良的產(chǎn)品MPPO（PPO與HIPS共混制得的改性材料）

 

所以，對(duì)于純樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，在五大通用工程塑料中，PC可以說(shuō)是當(dāng)之無(wú)愧的“高富帥”，1959年由拜耳公司率先生產(chǎn)，是現(xiàn)在用量第二大的工程塑料。

 

二、PC的簡(jiǎn)介

 

聚碳酸酯（Polycarbonate）常用縮寫(xiě)PC ，是一種無(wú)色透明的無(wú)定性熱塑性材料，其名稱來(lái)源于其內(nèi)部的碳酸酯基團(tuán)（-CO3）。PC具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩(wěn)定性好，耐熱、吸水率低、無(wú)毒、介電性能優(yōu)良，同時(shí)是五大工程塑料中應(yīng)用最廣泛的透明性材料。

 

大部分工程師應(yīng)該都知道PC是一種什么材料，它具有很多優(yōu)異的性能，然而它為什么具有這些性能，這些性能是由什么決定的，估計(jì)很少人去深入分析。對(duì)于大部分結(jié)構(gòu)工程師，他們更傾向于靠死記硬背性能參數(shù)去了解每一種材料，當(dāng)然他們也有他們的理由，畢竟我不是材料工程師，我為啥要了解得那么深入，等到用到時(shí)再查查資料就好了，這聽(tīng)起來(lái)似乎也沒(méi)啥問(wèn)題。

 

直到有一次面試一位結(jié)構(gòu)工程師，我問(wèn)他市面上大部分桶裝水瓶的材料是啥，為什么使用這種材料？

 

他的回答是PC，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是食品級(jí)PC，無(wú)毒，PC材料透明，強(qiáng)度高，且具有優(yōu)異的抗沖擊性能，使用PC材料的桶裝水瓶在搬運(yùn)過(guò)程中不易損壞，耐用。

 

這位工程師回答得不錯(cuò)，然后我又問(wèn)他，那PC是不是也可以用來(lái)制作我們平時(shí)喝熱水的保溫瓶？他不太肯定地說(shuō)應(yīng)該可以吧，畢竟經(jīng)?？吹匠胸浖苌嫌匈u(mài)，且PC材料的耐溫可達(dá)100℃以上。

 

聽(tīng)起來(lái)回答得也沒(méi)毛病，但是忽略了一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)需要從PC的化學(xué)結(jié)構(gòu)式以及它的合成過(guò)程來(lái)說(shuō)明。

 

聚碳酸酯（PC）是在分子主鏈中含有碳酸酯的高分子化合物的總稱，對(duì)于二羥基化合物的線型結(jié)構(gòu)的聚碳酸酯一般用如下通式表示：

 

 

其中，隨著酯基R的不同，可分為可分為脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多種類型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的機(jī)械性能較低，從而限制了其在工程塑料方面的應(yīng)用，僅有芳香族聚碳酸酯獲得了工業(yè)化生產(chǎn)，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下圖。

 

 

PC的合成過(guò)程如下：工業(yè)上主要采用界面縮聚法，將一定配比的雙酚A、氫氧化鈉溶液、催化劑、分子量調(diào)節(jié)劑和溶劑（二氯甲烷或二氯乙烷）加入反應(yīng)器中，于常溫常壓下通光氣進(jìn)行光氣化和縮聚反應(yīng)，最終取得聚碳酸酯。

 

 

從上面合成過(guò)程可知，雙酚A是合成PC的主要原料，反過(guò)來(lái)，如果PC這一聚合物由于某些原因發(fā)生裂解，雙酚A就會(huì)順理成章地游離出來(lái)。雙酚A從聚合鏈中斷裂并游離出來(lái)這一過(guò)程是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)而言，溫度是最重要的因素。一方面，溫度升高，分子的動(dòng)能增加，相互之間的碰撞增加，化學(xué)反應(yīng)速度增加；另一方面，溫度升高，分子內(nèi)能增加，更容易越過(guò)化學(xué)反應(yīng)的能壘，使聚合鍵從薄弱的地方斷裂，從而溶出雙酚A。

 

雙酚A，又稱雙酚基丙烷（BPA），常被用于合成聚碳酸酯（PC）和環(huán)氧樹(shù)脂等材料。在塑料制品的制造過(guò)程中，添加雙酚A可以使其具有無(wú)色透明、耐用、輕巧和突出的防沖擊性等特性，但攝入過(guò)多的BPA被認(rèn)為能導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)，影響胎兒和兒童健康。癌癥以及新陳代謝紊亂導(dǎo)致的肥胖也被認(rèn)為與此有關(guān)。歐盟認(rèn)為含雙酚A奶瓶會(huì)誘發(fā)性早熟，從2011年3月2日起，禁止生產(chǎn)含BPA的嬰兒奶瓶。

 

盡管PC瓶能承受100℃的熱水而不發(fā)生變形，但高溫使雙酚A從PC中溶出量迅速增加，因此對(duì)于經(jīng)常盛裝熱水的PC飲用瓶，應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間使用。

 

所謂的富二代，就是生下來(lái)就擁有巨額財(cái)富的人，PC的各項(xiàng)優(yōu)良性能如同“富二代”般，天生就具備。

 

圖：PC的性能數(shù)據(jù)（只供參考）

 

PC具有優(yōu)良的綜合性能，尤其是它的沖擊強(qiáng)度在熱塑性樹(shù)脂中非常突出的，在保持優(yōu)良性能基礎(chǔ)上其透光性（89%）在工程塑膠中也是佼佼者，綜觀所有常用工程塑料，在不通過(guò)共混、添加物等改性方法的情況下，PC可以說(shuō)是目前較為理想的工程塑料。

 

三、PC的分子鏈結(jié)構(gòu)：

 

PC之所以具有許多優(yōu)良的性能，這與它的分子鏈結(jié)構(gòu)是分不開(kāi)的。

 

 

1)  苯基：大共軛的苯環(huán)，是難以彎曲的僵直部分，提高了分子鏈的剛性，賦予聚合物機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐化學(xué)品性、耐候性和尺寸穩(wěn)定性，降低了聚合物在有機(jī)溶劑中的溶解性和吸水性。

 

2）氧基：又叫醚鍵，他的作用與苯基相反，增大了分子鏈的柔性，使得聚合物具有一定的韌性，但加大了聚合物在有機(jī)溶劑中的溶解性和吸水性。

 

3）羰基：增大了分子間的互相作用力，使大分子鏈間靠得更緊密，聚合物剛性增大。

 

4）酯基：極性較大的基團(tuán)，增加分子鏈之間的相互作用力，因此分子鏈更難被拉伸和斷裂。同時(shí)也是分子鏈中較薄弱的部分，易水解斷裂，使得聚合物極易溶于極性有機(jī)溶劑，也是它的電絕緣性不及非極性甚至弱極性聚合物的原因，但它的極性能夠使得聚合物更好地與其他材料相容，并具有較好的附著能力。

 

綜上所述，PC所表現(xiàn)出的性能是為各種基團(tuán)的綜合反映。

 

四、PC的優(yōu)點(diǎn)：

 

苯基加上羰基的作用超過(guò)了氧基的相反作用，導(dǎo)致剛性相當(dāng)大的分子鏈及互相間較大的吸引力使得彼此纏結(jié)不易解除，因而分子鏈相互滑動(dòng)困難，表現(xiàn)為

 

1）力學(xué)性能：聚碳酸酯是剛性與韌性的有機(jī)結(jié)合體。一般而言，一種材料剛性很好的話，它就會(huì)很脆，往地上一摔就會(huì)碎。但聚碳酸酯雖有很好的剛性，很難將其折彎，它的韌性卻也相當(dāng)好。

 

2）耐溫性：玻璃化溫度和熔融溫度較高，耐溫高，其分解溫度在300℃以上，長(zhǎng)期工作溫度可高達(dá)120℃；同時(shí)它具有良好的耐寒性，脆化溫度低達(dá)-100℃；其長(zhǎng)期使用溫度范圍是-60~120℃。

 

3）流動(dòng)性：分子鏈滑動(dòng)困難，熔體粘度高，流動(dòng)性差，注塑加工性不好。PC的熔體粘度隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大，在成型時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度改善其流動(dòng)狀態(tài)，往往要比改變剪切速率更加有效。

 

4）尺寸穩(wěn)定性好：PC的耐蠕變性在熱塑性工程塑料中是相當(dāng)好的，優(yōu)于PA和POM，因吸水而引起的尺寸變化和冷流變形均很小，同時(shí)其收縮率小，因而具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

 

5）光學(xué)性能：PC大分子鏈取向困難，不易結(jié)晶，使得聚合物處于無(wú)定形狀態(tài)，因而具有良好的透明性。

 

6）電性能：聚碳酸酯的分子極性小、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、 吸水性低，因此具有優(yōu)良的電絕緣性能，接近或相對(duì)于向來(lái)被認(rèn)為電絕緣性能優(yōu)良的PET。

 

7）阻燃性：PC具有一定的阻燃性，在不需要阻燃劑的情況下就具有UL94 V-2級(jí)阻燃性能。如果輔以少量的阻燃劑，PC就能達(dá)到較高級(jí)別的防火標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，還不會(huì)損失其優(yōu)良的光學(xué)以及力學(xué)性能，這是其他塑料產(chǎn)品根本做不到的。

 

PC材料本身可達(dá)UL94 V-2級(jí)阻燃，但仍無(wú)法滿足特殊領(lǐng)域?qū)ψ枞夹阅艿母咭?，如電子電氣和汽?chē)領(lǐng)域均要求PC阻燃等級(jí)達(dá)到V-0。

 

 

PC為什么具有一定的阻燃性？

 

極限氧指數(shù)

能維持聚合物燃燒的混合氣體中氧氣的最小體積分?jǐn)?shù)，稱為聚合物的極限氧指數(shù)（LOI），簡(jiǎn)稱氧指數(shù)（OI）。氧指數(shù)是衡量聚合物材料是否燃燒的重要指標(biāo)。由于空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)為20.9%，所以，氧指數(shù)小于21%的聚合物，一般可在空氣中被點(diǎn)燃。

 

LOI<21%屬易燃，LOI為22%~25%具自熄性，26%~27%為難燃，28%以上為極難燃。

 

 

PC的極限氧指數(shù)（LOI）可達(dá)21%-25%，具有自熄性。為什么？

 

塑料樹(shù)脂等主鏈上含有大量芳基的高聚物，如酚醛樹(shù)脂PF、聚苯醚PPO、聚碳酸酯PC、聚芳酰胺、聚酰亞胺PA、聚楓PSU等，其氧指數(shù)LOI比脂肪烴類高聚物高。這主要是因?yàn)檫@類高聚物燃燒時(shí)可縮合成芳構(gòu)型碳，產(chǎn)生的氣態(tài)可燃性產(chǎn)物少，而炭不僅本身的LOI高達(dá)65%，而且形成的炭層能覆蓋于燃燒著的高聚物表面而使火焰窒息，而PC材料燃燒時(shí)成炭率較高，能自熄。

 

五、PC的缺點(diǎn)

 

PC材料雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也具有不少缺點(diǎn)：

 

1）耐疲勞性差：聚碳酸酯抵抗周期循環(huán)應(yīng)力往復(fù)作用的能力較差。

 

2）耐磨性差：PC材料的分子鏈自由度較高，分子鏈間存在著較大的空間，易受外力影響，容易在表面產(chǎn)生劃痕和磨損。PC材料的分子結(jié)晶度相對(duì)較低，分子鏈排列比較紊亂，使得PC材料表面容易形成微觀坑洼，從而降低了其耐刮擦性能。PC材料通過(guò)加入粉狀聚四氟乙烯可提高自潤(rùn)滑性，加入玻璃纖維提高硬度，可以改善其耐磨性能。

 

3）耐應(yīng)力開(kāi)裂性差：但當(dāng)外力強(qiáng)迫取向時(shí)，大分子鏈又不易松弛，導(dǎo)致成型后制品內(nèi)應(yīng)力難以自行消除。

 

4）耐水解性差：由于分子鏈中含有-COO（酯基），在有酸或有堿存在的條件下，酯能發(fā)生水解反應(yīng)生成相應(yīng)的酸或醇。所以，常規(guī)PC耐水解穩(wěn)定性不高，不能用于重復(fù)經(jīng)受高壓蒸汽的制品。

 

5）耐化學(xué)性：聚碳酸酯能夠耐受無(wú)機(jī)及有機(jī)稀酸等化學(xué)物質(zhì)，但不耐強(qiáng)堿?？梢匀芙庠诤鹊挠袡C(jī)溶劑中，遇到丙酮等酮類溶劑時(shí)會(huì)發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂。

 

6）對(duì)缺口敏感：所謂缺口敏感，通俗來(lái)講就是當(dāng)制品邊緣由于存在缺口（崩口，毛刺）時(shí)，制品在受力的作用下，順著缺口延伸開(kāi)裂。由于PC制品內(nèi)應(yīng)力難以消除，制品存在缺口時(shí)，在力的作用下容易開(kāi)裂。

 

7）耐候性：長(zhǎng)期暴露于紫外線中會(huì)發(fā)黃變，因此，通常需要加入紫外線吸收劑以提高PC的防老化性能。

 

六、PC的改性

 

為了改善PC在性能上的不足，通過(guò)通過(guò)改性的方法，實(shí)現(xiàn)PC具備更高性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

 

常見(jiàn)的聚碳酸酯改性有纖維增強(qiáng)PC、阻燃PC和PC合金兩種。前者可以提升PC的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐熱性，而后者可以提升沖擊強(qiáng)度、電絕緣性、加工流動(dòng)性，但是耐熱性會(huì)降低。

 

PC合金

 

即將PC與其他聚合物共混，PC共混改性的主要品種：PC/ABS、PC/PS、PC/PBT、PC/PA、PC/聚烯烴、PC/LCP等。

 

1）PC/ABS合金

 

是PC的主要品種，加工流動(dòng)性好，沖擊缺口敏感度低，低溫韌性好。

 

2）PC/PS合金

 

加工流動(dòng)性好，光學(xué)性能好，成本低；

 

3）PC/聚烯烴合金

 

加工流動(dòng)性好，彈性模量高，耐應(yīng)力開(kāi)裂性好;

 

4）PC/P0M合金

 

PC和POM可按任意比例混合，既具有PC優(yōu)良的力學(xué)性能和耐熱性能，又是耐溶劑和耐應(yīng)力開(kāi)裂性顯著。

 

5）PC/(PBT、PET)合金

 

改善了PC的耐溶劑性、耐磨性、耐應(yīng)力開(kāi)裂性和加工流動(dòng)性。

 

6）PC/PA合金

 

沖擊韌性好，耐化學(xué)腐蝕性。

 

7）PC/PMMA合金

 

耐熱性好，耐UV光線，缺口沖擊強(qiáng)度高，其注塑制品的熔接縫強(qiáng)度高，有珠光色彩，可用于裝飾品的生產(chǎn)。

 

8）PC/PTFE合金

 

高的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和沖擊韌性，最大的特點(diǎn)是具有高耐磨性。PTFE在PC中可起內(nèi)潤(rùn)滑作用，添加少量的PTFE，PC的耐磨性可提高5倍。

 

玻纖增強(qiáng)

 

玻璃纖維的加入可以明顯提高PC的疲勞強(qiáng)度，較少應(yīng)力開(kāi)裂，使其拉伸、壓縮強(qiáng)度以及彈性模量均有大幅度提高，而電性能、耐化學(xué)腐蝕性仍能與純凈PC相當(dāng)。

 

阻燃改性

 

PC本身的阻燃性能可達(dá)UL-94 V-2級(jí)別，由于普通的聚合物，如聚乙烯等。但應(yīng)用于電視機(jī)、電腦、打印機(jī)的機(jī)殼和組件、變壓器線圈、汽車(chē)部件、建筑材料和其它具有高阻燃性要求的領(lǐng)域，PC的阻燃性能仍顯不足，因此有必要對(duì)PC進(jìn)行阻燃改性。