刚性的非晶态高聚物往往有较好的透明性,且对可见光的作用呈各向同性。为保持这种性质,在塑料成型时应避免应变取向及留下流动痕迹。同种高聚物,处于结晶态时的密度总高于非晶态。由于折射率总是与密度成正比关系,使得部分结晶的高聚物表现为由具有不同折光指数的分散区域构成,对可见光而言,这种差异导致散射。如果这些区域(微晶或片晶、球晶)的尺寸大小与可见光波长相当,则散射就会很大。因而经接枝共聚的抗冲击型高聚物及结晶态高聚物大多表现为半透明或不透明,它们的透明度随晶体尺寸的减小而增加。如果控制结晶过程在快速冷却条件下进行,能使所得晶体变细。当生成的晶体粒度低于可见光波长时,高聚物转呈透明。
(第四节)常用高分子材料
一、塑料
按塑料的使用范围,通常分为通用塑料和工程塑料两大类。通用塑料一般仅能作非结构材料使用,产量大,价格低廉,因此用途广泛。工程塑料具有突出的综合性能(强度、刚性、韧性、耐热、耐腐蚀、耐磨等),能在较广的温度范围内,在承受机械应力和较为苛刻的化学物理环境中,作为结构材料使用。
1.主要通用塑料
(1)聚乙烯(PE)CH2-CH2。其性能依密度不同而有差异,主要分为低密度(0.910~0.925)、中密度(0.926~0.940)和高密度(0.941~0.965)三类。工业上应用最广泛的是低、高密度两类。低密度聚乙烯分子量约为25000~50000(数均分子量),是在1000大气压以上经自由基聚合反应制得,具有较高的支链结构,柔软性较好,主要用来加工塑料薄膜及软管、泡沫塑料等。高密度聚乙烯分子量约为80000~200000(粘均分子量),主要用配位络合催化剂在低压条件下生产,大分子支链极少,结晶度高,质坚韧,机械强度及熔点均高于低密度聚乙烯,供制造承受不高的零件、管材、电缆绝缘层、家用器具,也可用于火焰喷涂。聚乙烯的使用温度为-70℃~100℃。
(2)聚丙烯(PP)CH2-CHCH3。数均分子量约为75000~200000。由单体经低压配位聚合制得。链节上的侧甲基提高了聚合物的刚性。它的表面硬度、耐磨性及透明度比聚乙烯好,耐热性更高,不受外力时在150℃仍不变形,绝缘性及耐化学腐蚀性也好,低温性能差于聚乙烯,只能在-20℃以上使用,可用于加工包装薄膜、一般机械零部件、高频绝缘层、化工及建筑用管道及板材,还可拉成纤维,织成各种织物。
(3)聚氯乙烯(PV(:)CH2-CHCl。主要用单体经悬浮聚合工艺制备。数均分子量约为36000~85000。链节上的极性侧氯原子加大了分子间作用力,阻碍了单键内旋,使其刚度、强度均优于聚乙烯。聚氯乙烯塑料需在树脂中添加数量较多的添加剂。软聚氯乙烯塑料多采用分子量较大的树脂添加增塑剂制得,用挤出或压延法加工为薄膜、人造革、软管、软带、绝缘电缆等。硬质聚氯乙烯塑料为便于加工成型,多采用分子量较小的树脂,不含或少量添加增塑剂,供制硬板、硬管,并可焊接加工。一般使用温度为-15℃~60℃,抗冲击强度较低,可经共聚、共混、增强等方法提高其热稳定性和韧性。
(4)聚苯乙烯(PS)CH2-CH。由单体经本体聚合、悬浮聚合等方法制成。通用级聚苯乙烯具非晶态结构,数均分子量为50000~100000,其机械性能一般,抗张强度、抗冲击强度、弯曲强度及伸长率随分子量增大而增加,吸水率很低,透明度高,高频绝缘性能很好。大分子链上的苯环的空间位阻使链段僵硬,链段间聚集规整性差,使其耐热性较低(软化点为80℃),抗冲击性差。经橡胶改性后的抗冲级聚苯乙烯的韧性、冲击强度及耐磨性均得到提高。通用级聚苯乙烯用注模、压制、挤出等方法制成各种工业用品如仪表外壳、仪器零件、高频绝缘制件等。聚苯乙烯泡沫塑料比重仅为0.033,是优良的隔音、防震、防湿、保冷材料。
2.主要工程塑料
(1)ABS。主要使用的接枝共聚工艺中,先用丁二烯与苯乙烯共聚得丁苯胶乳,然后加入苯乙烯、丙烯腈单体,经乳液聚合接枝得胶乳,经后处理得腈丁苯树脂。随化学组成、物理聚集态结构及合成方法的不同,构成了一系列性能有所差异的三元聚合物。ARS塑料具有优良的综合性能,包括高抗冲性能、耐溶剂以及较好的加工性、绝缘性、尺寸稳定性。缺点是耐热性较差,长期使用温度为60℃~70℃,耐候性也不够好。广泛用于制造汽车零部件及其它机器零件、各种仪器仪表外壳、冰箱及深冷设备衬里,还可用作硬质塑料(如聚氯乙烯)的改性剂。
ABS与其它热塑性树脂易于混合,可与聚碳酸酯、聚砜、聚氨酯等进行掺合共混改性。
(2)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。用通常生产普通高密度聚乙烯的方法经过改变工艺条件控制分子量制得,其分子量高达10。以上。与普通高密度聚乙烯相比,它有优良的抗冲击强度,在工程塑料中名列前予,这种性能可保持到-70℃左右。它的抗张屈服强度、耐蠕变性、耐摩擦性、耐磨耗性均优于普通高密度聚乙烯。它表现优良的自润滑性。作为工程材料,用于制作需高耐磨性的设备衬里和各类机械的耐磨、耐冲击、自润滑性零件(如蜗坪、导轨、齿轮、轴承等)。
(3)聚砜(PSF)。这是一类在分子主链上含有砜基和芳核(SOO)的非结晶性热塑性工程塑料。目前主要有普通双酚A型聚砜(简称聚砜)、非双酚A型聚芳砜(简称聚芳砜)、聚醚砜(也称聚芳醚砜)三大类。聚砜类塑料的特点是耐热性优良,耐蠕变性、高温机械性能、高温介电性能优异。例如,聚芳砜的冲击强度比聚酰亚胺高3~4倍,抗张强度也高于后者,且在260℃空气中加热1000小时无变化,在316℃空气中加热1680小时后其抗张强度才有显著下降,但仍能保持初始强度的50%。聚醚砜在100℃下的模量居热塑性工程塑料的最高值。聚砜在水中或190℃高温下仍能保持良好的介电性能。聚芳砜在超低温(-240℃)及高温(260℃)下均有良好的电性能。聚砜类塑料耐酸、碱、水蒸气的性能极好,并能耐各种常用工业有机溶剂。它们适宜于制造各种高强度、低蠕变性、高尺寸稳定性、需在较高温度下使用的制品,广泛用于电子电器、机械设备、医疗器械及交通运输领域中。
(4)聚碳酸酯(Pc)。工业上实用的为聚双酚A碳酸酯OCCH3CH2OCO。它有突出的抗冲击强度及耐蠕变性,较高的耐热性和耐寒性,可在-100℃~140℃范围内使用,可见光的透过率可达90%以上,抗张、抗弯强度较高,并有较高的伸长率和刚性,在宽广的温度范围内有良好的电性能,吸水性低。它有良好的成型加工性能。经纤维增强后能显著改善其应力开裂性,较大幅度地提高其机械性能及耐热性,但冲击强度下降,透明性丧失。与多种高聚物进行熔融共混,能改善其应力开裂性及耐磨性。聚碳酸酯与聚芳酯的共缩聚物为聚酯碳酸脂,兼具了聚碳酸酯优异的冲击强度和聚芳酯的高热变形温度。聚碳酸酯广泛用于制作传递中、小负荷的机械零部件、高强度绝缘部件、医疗器材等。