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塑料性能的限制及应用领域分析

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:塑料的弹性模量一般只有金属的1/10,因此,对于一些承受载荷较大的结构件,塑料是无能为力的。塑料的耐热性常用马丁耐热温度或热变形温度来表示。试样横支在双支座上,在中心受载荷时下降2.54mm时的温度为热变形温度。热固性塑料一般具有较高的马丁耐热温度,如酚醛塑料可达110℃以上。

塑料性能的限制及应用领域分析

塑料相对于金属来说,具有重量轻、比强度高、化学稳定性好、电绝缘性好、耐磨、减摩和自润滑性好等优点。另外,如透光性、绝热性等也是一般金属所不及的。但是作为塑料本身,各种塑料之间也还存在性能上的差异。造成这种差异的原因是多方面的,本节仅就塑料在力学性能、热性能、电性能、化学性能等方面做一些简单的介绍,作为设计塑料制品和选用塑料时的依据。

1.力学性能

(1)强度 与金属相比,塑料的强度和弹性模量较低,例如热塑性塑料的强度一般为50~100MPa,热固性塑料一般为30~60MPa,就是增强塑料如玻璃纤维增强尼龙,其强度也只有200MPa。塑料的弹性模量一般只有金属的1/10,因此,对于一些承受载荷较大的结构件,塑料是无能为力的。但由于塑料的密度小,其比强度和比模量并不比金属低,它是当前比强度、比模量较高的一种材料。

塑料承受冲击载荷的能力同金属一样,用冲击韧性(或称冲击强度)来衡量。

影响塑料制品强度的因素有以下三个方面:

1)大分子本身结构的影响:大分子链的主价力、分子间力和大分子的柔顺性、聚合度以及结晶度等,都直接影响高聚物的性能。在某种情况下,可能其中一种因素起决定性作用。如主价键力大、强度高,主链上含有芳杂环的高聚物比脂肪族主链的强度高、弹性模量大。相对分子质量大、分子链越长、分子间力越大,拉伸强度和冲击强度增加。结晶度增加、大分子排列规整、分子间力增大,强度增高。

此外,增加大分子的极性基团或产生氢键均可使塑料强度提高。大分子的交联能使分子链不易滑动,增加强度。分子链支化程度的增加、分子间的距离增大、分子间作用力减弱,其拉伸强度降低,但冲击强度增加。

2)添加剂的影响:塑料制品中增塑剂的加入对高聚物起稀释作用,减弱了分子间力,因而降低了塑料制品的强度。但它却使链段运动能力增强,因而冲击强度增加。加入增强剂对塑料制品性能影响也很大。如加入玻璃纤维和碳纤维,塑料强度可以成倍地增加。

3)加工成型的影响:加工成型过程中,在制品内部如果形成裂纹、夹杂物、气孔等,造成应力集中,就会降低塑料的强度和冲击韧性。

(2)摩擦、磨损性能 塑料的硬度比金属低,但是塑料的耐摩擦、磨损性能却远远优于金属。塑料的摩擦因数比较低,同时有许多塑料,如聚四氟乙烯、尼龙等本身就具有自润滑性能。因此,它是制造轴承凸轮、密封圈等一类摩擦、磨损零件的好材料,并且能在不允许用油润滑的干摩擦条件下使用。

(3)蠕变 指材料受到一固定载荷时,除了开始的瞬时变形外,随着时间的增加而变形逐渐增大的现象。对于金属材料来说,在较高温度时才有蠕变现象。而塑料则不然,在室温下受载荷后就会出现蠕变现象,载荷大时甚至发生蠕变断裂(塑料的这种现象又称为冷流)。因此,长期在载荷下工作的塑料,就需要了解它的蠕变性能,作为设计与选用的依据。

塑料蠕变的机理是高聚物在外力长时间作用下逐渐发生了位移。受力后分子伸长,其中分子由卷曲逐渐改变而伸直,有的分子也可能发生位移,导致不可逆的塑性变形。

影响蠕变的因素有聚合物的结构、环境温度以及作用力大小等。分子链的柔顺性对蠕变影响较大。玻璃化温度可作为一种大致衡量的依据,一般玻璃化温度高则耐蠕变性较好。分子链主链含有芳杂环时耐蠕变性较好。

2.热性能

塑料的热性能主要有耐热性、导热性、热膨胀性及燃烧性等。(www.xing528.com)

(1)耐热性 塑料的耐热性是用来确定它最高允许使用的温度范围。塑料的耐热性常用马丁耐热温度或热变形温度来表示。

马丁耐热温度是将长条形标准试样(120mm×15mm×10mm)按水平方向夹住一端,另一端加以静弯曲力矩,在弯曲应力为5MPa作用下慢慢升温。当样品末端弯曲到规定的变形值时的温度,即为塑料的马丁耐热温度,以摄氏温度(℃)表示。

热变形温度是另一种测定塑料耐热性的方法。试样(127mm×12.7mm×3.2mm)横支在双支座上,在中心受载荷(1.86MPa±0.05MPa,或0.46MPa±0.01MPa)时下降2.54mm时的温度为热变形温度。

常用热塑性塑料的马丁耐热温度一般都在100℃以下,只有少数几种塑料(如聚碳酸酯、聚砜)在100℃以上。玻璃纤维增强的热塑性塑料,马丁耐热温度能显著提高(100℃以上)。热固性塑料一般具有较高的马丁耐热温度,如酚醛塑料可达110℃以上。

(2)导热性 塑料的导热性能是用导热系数来表示。单位面积和单位厚度的物体,它的两个平行面的温度如果相差1℃,在单位时间内所传递的热量,称为该物体的导热系数。单位为kJ/(m·h·℃)。

塑料的导热性不好,导热系数一般为0.84~2.51kJ/(m·h·℃)。塑料的导热性与金属相比,相差很大,钢为189kJ/(m·h·℃),铸铁为42~168kJ/(m·h·℃),铜为1386kJ/(m·h·℃)。

(3)膨胀系数 塑料受热后要膨胀,膨胀多少是以膨胀系数来表示。样品温度升高1℃所增加的长度与它原来长度之比,叫做线胀系数。

塑料的膨胀系数是比较大的,比金属要大3~10倍。因此,在制造带有金属嵌件的,或者与金属件紧紧结合在一起的塑料制品时,常常会因为膨胀系数相差过大而造成开裂、脱落或松动等。

(4)耐燃烧性 在空气中,不同品种的塑料,燃烧时会出现不同的燃烧现象。利用这些燃烧特性可以简易地鉴别塑料品种。

3.化学性能

一般塑料都有较好的化学稳定性,对酸碱等化学物质具有良好的抗腐蚀性能。这是因为高分子化合物的分子链很长,而且是缠结在一起的,许多分子链上的基团包在里面,即使接触到能与分子中的某一基团起反应的试剂,只有露在外面的基团才比较容易与试剂起反应。

另外,塑料中的大分子链上含有碳-碳键、碳-氢键、碳-氧键,这些都是牢固的共价键,而且分子链上能发生反应的官能团较少,因此塑料不容易和别的物质发生化学反应,具有较好的化学稳定性。

塑料的耐化学性(或称化学稳定性)是指塑料受化学介质腐蚀的程度和快慢。这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、孔隙多少等因素有关。这就使评定塑料是否耐某种化学介质带来了复杂性。因此,目前尚无统一的评定标准。

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