1、工程塑料及其应用 青青 岛岛 科科 技技 大大 学学 塑料工程教研室塑料工程教研室 第一章第一章 工程塑料性能工程塑料性能一第二章第二章 工程塑料成型加工工程塑料成型加工二第三章第三章 工程塑料改性工程塑料改性三第四章第四章 工程塑料在机械中应用工程塑料在机械中应用四目 录 前 言工程塑料具有一系列优异的性能工程塑料具有一系列优异的性能和很高的使用价值，是当今世界和很高的使用价值，是当今世界发展最为迅速的工程结构材料之发展最为迅速的工程结构材料之一。工程塑料作为重要的结构材一。工程塑料作为重要的结构材料，能在较宽的温度范围内承受料，能在较宽的温度范围内承受机械应力和在较苛刻的物理化学机械应力和
2、在较苛刻的物理化学环境中使用，在机械、汽车、电环境中使用，在机械、汽车、电器、建筑、化工等许多工业领域器、建筑、化工等许多工业领域得到愈来愈广泛的应用。得到愈来愈广泛的应用。1 工程塑料介绍工程塑料介绍 工程塑料具有良好的综合性能，刚性大，蠕变小，工程塑料具有良好的综合性能，刚性大，蠕变小，力学强度高，耐热性好，电绝缘性好，能够在较苛刻力学强度高，耐热性好，电绝缘性好，能够在较苛刻的化学、物理环境中长期使用，可作为结构材料使用；的化学、物理环境中长期使用，可作为结构材料使用；工程塑料又分为通用工程塑料和特种工程塑料，工程塑料又分为通用工程塑料和特种工程塑料，通用工程塑料使用温度一般在通用工程塑
3、料使用温度一般在150150以下，主要品种有以下，主要品种有PAPA、POMPOM、PCPC、PMMAPMMA、PBTPBT、PETPET、UHMWPE)UHMWPE)、PMMAPMMA等。等。特种工程塑料的使用温度一船在特种工程塑料的使用温度一船在150150以上，以上，主要品种有主要品种有PSFPSF、PESPES、PPSPPS、PIPI、LCPLCP、氟塑料等。、氟塑料等。1.1.1工程塑料类型 1)1)突出的优点之一是密度低突出的优点之一是密度低（工程塑料的密度通常在工程塑料的密度通常在(1 1.02022 2.4040g/g/cmcm3 3)只有钢铁材料的只有钢铁材料的1 1/8 8
4、1 1/4 4。）2)2)较高的比强度较高的比强度(定义：材料的定义：材料的拉伸拉伸强度与其密度之比强度与其密度之比)。3)3)良好的电绝缘性良好的电绝缘性（许多电子电器产品都离不开它许多电子电器产品都离不开它）4)4)化学稳定性好化学稳定性好（有良好的抗化学腐蚀性，如有有良好的抗化学腐蚀性，如有“塑料王塑料王”之称的聚四氟乙烯，任何之称的聚四氟乙烯，任何介质都难以腐蚀。介质都难以腐蚀。）1.1.2 工程塑料性能特点 5)5)优良的耐磨、减磨和自润滑性优良的耐磨、减磨和自润滑性（如如PAPA、POMPOM、PTFEPTFE、UHMWPEUHMWPE等工程塑料制的耐摩擦零件，可以等工程塑料制的耐
5、摩擦零件，可以在各种液体、边界和干的摩擦条件下工作。在各种液体、边界和干的摩擦条件下工作。）6)6)良好的异物埋没性和就范性良好的异物埋没性和就范性（在有磨粒或杂质存在有磨粒或杂质存在的恶劣条件下工作的零件，如齿轮，偶遇坚硬杂质在的恶劣条件下工作的零件，如齿轮，偶遇坚硬杂质时会因塑料的异物埋没性和就范性而将杂质埋没在时会因塑料的异物埋没性和就范性而将杂质埋没在齿轮内或发生适当形变而继续运转，不会像钢齿轮那齿轮内或发生适当形变而继续运转，不会像钢齿轮那样发生咬死或刮伤现象。样发生咬死或刮伤现象。）7)7)优良的吸振性、抗冲击性、抗疲劳强度以及消优良的吸振性、抗冲击性、抗疲劳强度以及消声性声性（对
6、于运动的机械零件，可使其达到平稳无声运转。对于运动的机械零件，可使其达到平稳无声运转。）1.1.2 工程塑料性能特点缺点：缺点：工程塑料的力学强度、硬度和耐热性不如金属，力学强度低工程塑料的力学强度、硬度和耐热性不如金属，力学强度低，拉伸强度约为钢的拉伸强度约为钢的1 11010；一般只能在一般只能在100100左右工作左右工作，少数可达少数可达2 20000（PEEK)PEEK)；热导热导率率只有钢铁的只有钢铁的1 1/(2002003 300)00)；尺寸稳定性差，膨胀收尺寸稳定性差，膨胀收缩变形较金属大，线膨胀缩变形较金属大，线膨胀系数约为系数约为铁铁的的5 5倍；倍；耐久性差耐久性差，
7、长期受重力作用易长期受重力作用易产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。产生疲劳，在室外长期受紫外线作用，易降低性能。1.1.2 工程塑料性能特点 1 12 21 1热性能热性能 与热传导有关与热传导有关的物理量，的物理量，与相态变化省关与相态变化省关的性能，如玻璃化转变温的性能，如玻璃化转变温度、熔点；度、熔点；与耐热性有关与耐热性有关的性质，如热变形温度、维的性质，如热变形温度、维卡软化点；卡软化点；与燃烧有关的与燃烧有关的性质性质，如阻燃性、燃烧速率。如阻燃性、燃烧速率。1.2 工程塑料的性能 1 12 21 1热性能热性能 热导热导率率、比热容、线膨胀系数、比热容、线膨胀系数。工
8、程塑料的工程塑料的热导率热导率（导热系数）一般约为（导热系数）一般约为0.22W0.22W(mK)(mK)，是铜的万分之六，不到钢铁材，是铜的万分之六，不到钢铁材料的百分之一；料的百分之一；工程塑料的工程塑料的比热容比热容比金属及无机材料大，一般为比金属及无机材料大，一般为1-2kJ1-2kJ(kgK)(kgK)，是钢铁树料的，是钢铁树料的2-42-4倍。倍。工程塑料的工程塑料的线膨胀系数线膨胀系数比金属和陶瓷大，是金属材料的比金属和陶瓷大，是金属材料的3-103-10倍，倍，因此，工程塑料制品容易因温度变化而影响尺寸的稳定性。因此，工程塑料制品容易因温度变化而影响尺寸的稳定性。线线膨胀系数随
9、温度的升高而增大，但不是线性关系。膨胀系数随温度的升高而增大，但不是线性关系。(与玻璃化温与玻璃化温度有关）度有关）1.2 工程塑料的性能 1.2 工程塑料的性能工程塑料工程塑料比热容比热容kJ(kgK)导热系数导热系数W(mK)线胀系数线胀系数10-5/K最高使用温度最高使用温度PA661.670.24990-130PC1.260.203100-125POM(共聚）1.470.209.585-90PPO1.06/6120-130PET+30%玻纤1.05/4150-160PTFE1.000.2514240-260PSF/140-150PES/170-180PI/260-316LCP/210-
10、260PEEK/230-280PPS/180-220表表1 1-1-1常见工程塑料热性能常见工程塑料热性能注：最高连续使用温度是指在注：最高连续使用温度是指在3.59MPa应力作用下一年，变形小于应力作用下一年，变形小于5%对应的温度）对应的温度）1.2 工程塑料的性能工程塑料工程塑料Tg/Tm/工程塑料工程塑料Tg/Tm/UHMWPE-70136PPO-56175PA650215PPS-60165PA1137187PET69263PA1237178PBT20224PA6650257PPS90285PA1010/200-210PEEK143334PA4678290PTFE-33327PA610
11、50213PVF-35200PA612/210PC/200表表1 1-2 2常见工程塑料玻璃化转变温度常见工程塑料玻璃化转变温度TgTg和熔点和熔点TmTm 1 1.2 2.2.2电电性能性能 电气材料根据使用电场的高低分为电气材料根据使用电场的高低分为弱电材料弱电材料和和强电材料强电材料。用于。用于通信设备、各种民用电子设备、家电、高频绝缘、印制电路等的电通信设备、各种民用电子设备、家电、高频绝缘、印制电路等的电子材料属子材料属弱电材料弱电材料；用于变压器、电动机、发电机等电器及电力输；用于变压器、电动机、发电机等电器及电力输送线路的材料为送线路的材料为强电强电材料。弱电材料的主要电性能指标
12、是材料。弱电材料的主要电性能指标是介电常数介电常数和介质损耗角因数和介质损耗角因数；强电材料主要应满足绝缘性、耐电压和长期使；强电材料主要应满足绝缘性、耐电压和长期使用性能。用性能。注：注：介电常数是表征绝缘材料在交流电场下介电常数是表征绝缘材料在交流电场下介质极化程度介质极化程度的参数，它是充满绝缘材料的电容器的电的参数，它是充满绝缘材料的电容器的电容量，与以真空为电介质时同样电极尺寸电容器的电容量的比值。容量，与以真空为电介质时同样电极尺寸电容器的电容量的比值。介质损耗角因数表征绝缘材料在交流电场下介质损耗角因数表征绝缘材料在交流电场下的能量损耗的能量损耗，是外施正弦电压与通过试样的电流之
13、间，是外施正弦电压与通过试样的电流之间的相角的余角正切，又称为介质损耗角正切值。的相角的余角正切，又称为介质损耗角正切值。1.2 工程塑料的性能 1 1.2 2.2.2电电性能性能 绝缘电阻、表面电阻绝缘电阻、表面电阻率率、体积电阻、体积电阻率、介电强度率、介电强度 施加在试样上的直流电压与流过电极间的传导电流之比，施加在试样上的直流电压与流过电极间的传导电流之比，称称为为绝缘电阻，单位为绝缘电阻，单位为。试样体积电流方向的直流电场强度与该处电。试样体积电流方向的直流电场强度与该处电流密度之比流密度之比，称为体积电阻率，单位为称为体积电阻率，单位为 cmcm。试样表面电流方向的直流电场强度与单
14、位长度的表面传导电流试样表面电流方向的直流电场强度与单位长度的表面传导电流之比，称为表面电阻率，单位为之比，称为表面电阻率，单位为。介电强度又介电强度又称称为为击穿强度，击穿强度，是指在规定的是指在规定的试验条件下，击穿电压与施加电压的两导电部分试验条件下，击穿电压与施加电压的两导电部分之间距离的商之间距离的商，单位为单位为kVkVmmmm。1.2 工程塑料的性能 1 1.2 2.3.3光学光学性能性能 1 1.透光性透光性 衡量透明工程塑料透光性的两个重要参数是衡量透明工程塑料透光性的两个重要参数是透光率和雾度透光率和雾度。透。透光率是指透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比，用百分数光率
15、是指透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比，用百分数表示，一般用于透明塑料。表示，一般用于透明塑料。雾度是指透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通雾度是指透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通量之比，用于半透明的塑料。量之比，用于半透明的塑料。1.2 工程塑料的性能 1 1.2 2.3.3光学光学性能性能 2.2.黄色指数黄色指数 无色透明、半透明和近白色不透明塑料偏离白色的程度，称为塑料黄色指数无色透明、半透明和近白色不透明塑料偏离白色的程度，称为塑料黄色指数，或塑料黄色度。或塑料黄色度。某些工程塑料某些工程塑料(如如PCPC、PA6PA6等等)常以黄色指数的变化，作为经长
16、期暴露于光和热常以黄色指数的变化，作为经长期暴露于光和热环境中性能变化的评定依据。环境中性能变化的评定依据。3 3白度白度 塑料白度是指不透明白色或近白色的粉末状树脂和板状塑料表塑料白度是指不透明白色或近白色的粉末状树脂和板状塑料表面对规定蓝光漫反射的辐射能，与同样条件下理想的全反射漫射体面对规定蓝光漫反射的辐射能，与同样条件下理想的全反射漫射体反射的辐射能之比，用百分数表示。反射的辐射能之比，用百分数表示。1.2 工程塑料的性能 拉、压、弯拉、压、弯、冲击、剪切、撕裂、硬度、蠕变冲击、剪切、撕裂、硬度、蠕变 1.3 工程塑料的力学性能1.3.11.3.1拉伸应力应变行为拉伸应力应变行为 OA
17、OA段段基本上是一条直线，应力与应变成正基本上是一条直线，应力与应变成正比，试样表现为胡克弹性行为。直线的斜率是比，试样表现为胡克弹性行为。直线的斜率是试样的弹性模量。试样的弹性模量。B B点是屈服点点是屈服点，B B点后，在应力基本点后，在应力基本不不变的变的情况下试样产生较大的变形，当应力去除后，情况下试样产生较大的变形，当应力去除后，试样不能恢复到原样，即发生了试样不能恢复到原样，即发生了塑性变形塑性变形。屈。屈服点对应的应力称为屈服应力或屈服强度。服点对应的应力称为屈服应力或屈服强度。细颈细颈现象：从现象：从C C点点直到直到D D点点。D D点之后试样的应变进入第点之后试样的应变进入
18、第二二阶段，试样阶段，试样再度被均匀拉伸，应力提高再度被均匀拉伸，应力提高，直到直到E E点被拉断点被拉断为止。相应于为止。相应于E E点的应力是拉伸强度点的应力是拉伸强度（tensile tensile strength)strength)，对应的形变称为，对应的形变称为断裂断裂标称应变标称应变(断断裂裂伸长率伸长率）(Elogation at break)。有明显屈服的工程塑料的有明显屈服的工程塑料的是作为结构材料使用时的最大应力是作为结构材料使用时的最大应力。1.3.21.3.2冲击强度（冲击强度（Impact stength)Impact stength)冲击强度冲击强度是是衡量衡量材
19、料在高速冲击状态下的韧性或对断材料在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的裂的抵抗能力的指标指标。主要有摆锤冲击试验法、落锤冲击。主要有摆锤冲击试验法、落锤冲击试验法。摆锤冲击试验又分试验法。摆锤冲击试验又分简支梁简支梁法法（Charpy)Charpy)和悬臂梁和悬臂梁(Izod)(Izod)法。法。缺口（缺口（notched)notched)与无缺口（与无缺口（unnotched)unnotched)，国内较多国内较多采用采用简简支支梁法，而国外则大多使用梁法，而国外则大多使用悬臂梁悬臂梁法。法。1.3 工程塑料的力学性能 1 1.3.3.3.3硬度硬度 硬度表征材料表面局部体积内抵抗变形
20、或破裂的能力。硬度试验可分为刻划硬度表征材料表面局部体积内抵抗变形或破裂的能力。硬度试验可分为刻划法和压入法。法和压入法。1 1.莫氏硬度莫氏硬度 莫氏硬度莫氏硬度主主要用在矿物分类上。莫氏标度从要用在矿物分类上。莫氏标度从l l到到l l0 0，(如滑石的莫氏硬度为如滑石的莫氏硬度为1 1级，级，金刚石为金刚石为1010级级)，工程塑料的莫氏标度在，工程塑料的莫氏标度在2 2-3 3之间。之间。2 2.压陷硬度压陷硬度 球压痕硬度、邵氏硬度、巴柯尔硬度、布氏使度和洛氏硬度。球压痕硬度、邵氏硬度、巴柯尔硬度、布氏使度和洛氏硬度。压陷硬度的测压陷硬度的测试原理是，把规定直径的钢球试原理是，把规定
21、直径的钢球（或针）（或针）在规定的载荷下压入试样表面，并在规定的载荷下压入试样表面，并保持一定时间，用压痕单位面积承受的力或者压痕的深度表示硬度。布氏保持一定时间，用压痕单位面积承受的力或者压痕的深度表示硬度。布氏硬度一般用于硬度值较高的塑料，邵氏硬度用于低硬度，洛氏硬度一般用于硬度值较高的塑料，邵氏硬度用于低硬度，洛氏硬硬度应用范度应用范围较广，较软、较硬的塑料均可测试。围较广，较软、较硬的塑料均可测试。1.3工程塑料的力学性能 1 1.3.4 .3.4 蠕变蠕变与疲劳与疲劳 疲劳是材料在重复载荷的长时间作用疲劳是材料在重复载荷的长时间作用 下引起的力学性能下降或破坏的现象下引起的力学性能下
22、降或破坏的现象。许多金属材料有明显的疲劳极限，而工程塑料的疲劳许多金属材料有明显的疲劳极限，而工程塑料的疲劳极限不明显，通常以循环次数的应力值作为疲劳极限。极限不明显，通常以循环次数的应力值作为疲劳极限。PC PC、PSFPSF的疲劳极限一般只有静拉伸强度的的疲劳极限一般只有静拉伸强度的1010-2020；POMPOM、PETPET的疲劳极限较高，为静拉伸强度的的疲劳极限较高，为静拉伸强度的5050。1.3 工程塑料的力学性能 表表1-31-3 常见工程常见工程塑料的塑料的疲劳疲劳强废强废 1.3 工程塑料的力学性能工程塑料工程塑料静态拉伸强度，静态拉伸强度，MPa疲劳极限，疲劳极限，MPaP
23、A67420PA668021POM6934PC657-14PET6823PSF682330%玻纤增强玻纤增强PSF13038-42 1 1.3 3.5.5摩擦和磨损摩擦和磨损 机械的减摩耐磨零件，工程塑料机械的减摩耐磨零件，工程塑料大部分大部分有自润滑性，有自润滑性，干燥状态下的干燥状态下的摩擦因数摩擦因数较低，一般在较低，一般在0.0.0202-0.5-0.50 0范围。范围。材料的材料的磨损磨损主要指在摩擦过程中，材料的表面不断损主要指在摩擦过程中，材料的表面不断损失的性能。失的性能。1.3 工程塑料的力学性能 表表1-41-4 常见工程常见工程塑料的塑料的摩擦系数与磨损量摩擦系数与磨损量
24、 1.3 工程塑料的力学性能工程塑料工程塑料摩擦系数（与玻璃），摩擦系数（与玻璃），%磨损量磨损量(9.8N),mg/103周期周期PA60.15-0.405PA660.15-0.40/POM0.15-0.3513PC/14改性聚苯醚改性聚苯醚0.18-0.2317ABS/22PTFE0.0414UHMWPE0.10-0.223 1 1.3.6 .3.6 不同温度时聚合物的力学聚集状态不同温度时聚合物的力学聚集状态 结晶结晶性塑料性塑料和和无定形塑料两类。无定形塑料两类。结晶的有结晶的有PAPA、PET PBT POM PTFE PET PBT POM PTFE 等。等。无定形无定形的的PPO
25、PPO、PCPC、PMMAPMMA、PIPI等。等。两者的两者的力学聚集态有玻璃态、高弹态、粘流态均有力学聚集态有玻璃态、高弹态、粘流态均有三种状态三种状态。但但其其力学聚集状态随着温度的变化力学聚集状态随着温度的变化有很大差异。有很大差异。1.3 工程塑料的力学性能 1 1.3.6 .3.6 不同温度时聚合物的力学聚集状态不同温度时聚合物的力学聚集状态 1.3 工程塑料的力学性能 低于低于TgTg的某一温度时，将的某一温度时，将出现不能拉伸或压缩的脆性，出现不能拉伸或压缩的脆性，该温度称为脆化点该温度称为脆化点TxTx。脆化点。脆化点与分子与分子链链的柔性有关的柔性有关，柔性柔性链链时时，T
26、xTx就接近就接近TgTg；刚性；刚性链链，TxTx就比就比TgTg低得多。聚合物在低得多。聚合物在TgTg与与T Tx x区区域内表现为可域内表现为可拉伸拉伸或压缩，而或压缩，而不变脆。不变脆。高弹态又称橡胶态高弹态又称橡胶态，连段运动，连段运动，施加外力，能产生缓施加外力，能产生缓慢的形变：如慢的形变：如果除去外力，又会缓慢地恢复原状，果除去外力，又会缓慢地恢复原状，这种状态称为高弹态。处于高弹态这种状态称为高弹态。处于高弹态的无定形聚合物具有显著的高弹性，的无定形聚合物具有显著的高弹性，其高弹形变最高可达其高弹形变最高可达1 1000000。它也。它也有明显的松弛现象，即它的形变不有明显
27、的松弛现象，即它的形变不是瞬时的，而是需要一定的松弛时是瞬时的，而是需要一定的松弛时间才能完成。间才能完成。使分子链及链段都可以移动，聚合使分子链及链段都可以移动，聚合物成为流动物成为流动 粘流态粘流态，大分子链与链段运动大分子链与链段运动。当施加外力时，分子间相互滑动而当施加外力时，分子间相互滑动而产生形变，除去外力后不能恢复原产生形变，除去外力后不能恢复原状。这种形变是不可逆形变，称为状。这种形变是不可逆形变，称为粘性流动形变或粘性流动形变或塑性形变塑性形变。结晶聚合物在熔点以下仍结晶聚合物在熔点以下仍为玻璃态而不是为玻璃态而不是高弹态，扩大了温高弹态，扩大了温度使用范围。结晶使工程塑料的
28、强度增加，从而使其应用范围也度使用范围。结晶使工程塑料的强度增加，从而使其应用范围也更为广泛。完全结晶的聚合物，在熔点以下无高弹态，不论相对更为广泛。完全结晶的聚合物，在熔点以下无高弹态，不论相对分子质量多么低也不会产生流动。当加热到熔点分子质量多么低也不会产生流动。当加热到熔点T Tm m以上，可能是以上，可能是高弹态，也可能是粘流态，高弹态，也可能是粘流态，要视要视相对分子质量而定。如果有高弹相对分子质量而定。如果有高弹态出现即在曲线上有水平部分，再升高温度到流动点以上才变态出现即在曲线上有水平部分，再升高温度到流动点以上才变成粘流态。成粘流态。耐耐酸、碱、有机溶剂、油料、气体、盐水等酸、
29、碱、有机溶剂、油料、气体、盐水等 表现在表现在外观外观、物性会发生失光、变色、雾化、开裂、龟裂、翘物性会发生失光、变色、雾化、开裂、龟裂、翘曲、分解、溶胀、溶解、发动等变化。曲、分解、溶胀、溶解、发动等变化。塑料在化学药品中是否受到腐蚀，评定的依据通常是塑料在化塑料在化学药品中是否受到腐蚀，评定的依据通常是塑料在化学药品中一定时间后的学药品中一定时间后的重量、体积、强度、色泽重量、体积、强度、色泽等变化的情况。等变化的情况。塑料受化学药品腐蚀的程度和快慢除了与介质种类有关外，还塑料受化学药品腐蚀的程度和快慢除了与介质种类有关外，还与介质的温度、压力、制品内残存的内应力、孔隙多少等因素与介质的温度、压力、制品内残存的内应力、孔隙多少等因素有关。有关。1.4 工程塑料的耐化学学性能 表表1-51-5 常见工程常见工程塑料的塑料的耐化学品性耐化学品性 1.4工程塑料耐化学性能工程塑料工程塑料不受侵蚀的药品、溶剂不受侵蚀的药品、溶剂可溶解、受影响的溶剂可溶解、受影响的溶剂PA6烃类、汽油、油、弱酸、碱强酸、甲酸、苯酚PA66烃类、汽油、油、弱酸、碱强酸、甲酸、苯酚POM 汽油、油、苯、醇类强酸、强碱PC油、醇类芳香烃、酮类、酯类、卤代烃改性聚苯醚酸、碱、油、醇类芳香烃、酮类、四氯化碳PEEK几乎所有无机、有机药品浓硫酸PI 酸、碱、有机溶剂王水PTFE 非常稳定 王水
