树脂选材方法及其应用考虑

1.根据塑料原料的性能选材

树脂的性能是决定塑料用途最关键的一条。对于特定的塑料制品而言，都有特殊的性能要求。如塑料农膜，则要求耐候、耐光性好，透光性要高，还要有耐低温使用性；如要生产汽水瓶，一方面要求透明性要高，另一方面还要求有良好的阻隔性，使瓶内CO₂气体不逸出，同时又要求有良好的冲击性，不至于落地即破。对于树脂的性能，在选材时主要从以下几方面考虑。

（1）树脂本身的性能 树脂本身的性能通常指树脂的力学性能，如拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、自润滑性、刚性及耐磨性等；耐热性，如最高使用温度、最低使用温度；耐环境性能，如耐酸，碱性，耐溶剂性，耐氧化性，耐日光、紫外光、臭氧、二氧化硫、湿气、酸气等。比如，对于工业配件如轴承，要求原料具有耐冲击、耐磨、耐热、耐润滑油及自润滑性等性能；对于化工配件，则主要要求其耐蚀性好，能耐酸、碱液及各种溶剂。

（2）树脂的适用性 主要指塑料的污染性及毒性。有些树脂本身或其添加剂具有低毒性，在医疗及食品包装方面的应用受到限制。如PVC中单体氯乙烯（VC）含量高，则有低毒性，所以用于医疗及食品方面时要求用无毒PVC，即PVC中VC单体含量要小于10×10^-6，而且要选用无毒助剂。PE、PP、PET、PI等可用于医疗及食品的树脂毒性都十分低。

（3）树脂的透明性 对于有些应用场合，如农膜、光学仪器、灯具材料等，要求树脂具有良好的透明性。但大部分树脂都不具有透明性，有的也只是薄膜透明而制品不透明。

（4）树脂的着色性 对于有些场合，塑料外观也是十分重要的。有些树脂不易制成各种鲜艳的颜色，限制了其应用范围。如有些树脂本身的固有颜色比较深，如PF、UP等，难以制成各种浅颜色，只能制成黑色、棕色、深蓝等。又如氯化聚醚本身带稻草黄色，PSF及PPO本身带琥珀色，EP为黄色至青铜色等，它们都很难制成白色制品，只有PS、ABS、MF等可制成各种美丽的颜色。

（5）树脂的成型收缩率 一般收缩率大的树脂，产品精度不高，但收缩率可以精确计算者例外，如PC的收缩率虽为0.5%～0.7%，但通过精确计算，可以用于高精度产品的生产。一般情况下，收缩率大的树脂进行玻璃纤维增强后，收缩率可大大降低，如PP、PA及PBT等。未增强的PP树脂，因收缩率大，难以用于工程塑件，玻璃纤维增强后，可广泛用于各种工业配件。常见树脂收缩率见表3-1。

表3-1 常见树脂收缩率

（6）耐蠕变性能 有些树脂制成制品后，产品精度很高，可以满足要求。但在应用中，受到外力作用时，则发生变形，影响原有的精度，难用于工业配件。几种树脂在70℃下的压缩变形见表3-2。从表中可以看出，PA的压缩变形最大，且随温度升高，其压缩变形还会增大。因此，PA难用于生产工业配套零件。而大多数树脂的耐蠕变性都很好。如POM、ABS、PSF及PC等，可用于生产工业配套零件。

表3-2 几种树脂的压缩变形

2.根据塑料制品的用途选材

根据制品用途选材实质上是按制品的性能选材，不同的用途，要求塑料制品具有不同的特性。塑料制品的性能通常包括力学性能、热稳定性、尺寸稳定性、耐化学腐蚀性、光学性能、气体阻隔性、电绝缘性等诸多方面。下面从塑料的几个主要应用领域出发，分析根据制品性能和用途进行选材的一般思路，在实际生产中应综合各方面因素，并经反复试验方能得到合适的材料。

（1）制品的力学性能 对制品的力学性能要求需从三个方面考虑：一是受力的大小，可分为中低载荷和高载荷；二是受力的类型，有拉伸、压缩、弯曲、冲击、剪切等；三是受力的性质，包括固定载荷和间歇载荷。不同的制品因受力的情况不同，对塑料材料的力学性能要求也不同，见表3-3。

表3-3 塑料制品受力类型对材料力学性能要求

在选材时首先要考虑塑料制品的受力类型和性质，结合使用环境，最终选取合适的塑料品种。举例如下：

1）一般结构零件。主要包括螺母、螺栓、垫片、支架、管件、手柄、方向盘等，受力不大，一般为固定载荷，可选用硬质PVC、HDPE、PP、HIPS及热固性塑料；对力学性能要求较高的特殊场合可选用PA、POM、PC及玻璃纤维增强塑料。

2）受间歇载荷作用的制品。如齿轮、齿条、链轮、链条、活塞环、凸轮等。这类制品要具有较高的抗弯、耐冲击、耐疲劳性，优良的耐磨性，一定的耐热性，对有些场合还要求有自润滑性，以保证长期使用中的性能稳定。常用材料有PA、GFPA、POM、PPO、PC、GFPC、GFPET、GFPBT、UHMWPE、PT_- FE、PEEK、PI及布基酚醛等。

（2）制品的热性能 衡量制品耐热性能好坏的指标有热变形温度、马丁耐热温度、维卡软化点和玻璃化转变温度（T_g）等，其中以热变形温度最为常用。同一种塑料上述耐热性指标数值并不相同，一般关系如下：维卡软化点>热变形温度>马丁耐热温度，见表3-4。

表3-4 塑料材料的热性能

根据热变形温度的大小，可把塑料的耐热性分成四种类型，见表3-5。应注意的是影响塑料耐热性的因素很多，热变形温度是在一定负载下测得的数据，负载不同，塑料的耐热性相差甚远，并不能完全代表材料的使用温度。

表3-5 部分塑料品种的耐热性

在根据制品的耐热性选取塑料材料时还应考虑下述问题：

1）通过填充、增强、共混、交联改性的塑料，耐热性可大大提高。如PA6填充质量分数为5%云母，热变形温度由70℃提高到145℃，用质量分数为30%的玻璃纤维增强后可提高到215℃；ABS与PC共混后，热变形温度由93℃提高到125℃；HDPE交联改性后，热变形温度由原来的80℃提高到90～110℃。

2）充分考虑受热环境，如受热时间长短及受热介质等。如湿式耐热，应选用低吸水性塑料品种，而不宜选用PA类，以免高温降解；与化学物质接触应考虑塑料的耐蚀性。

3）制品受热时的载荷大小。无载荷或低载荷时耐热性好，高载荷时耐热性低。

由于耐热性好的塑料品种价格较高，生产中应尽量选用通用塑料中耐热性好的品种，或通过改性来达到较高的耐热性要求。

（3）制品的化学稳定性 制品的化学稳定性包括耐化学药品性、耐溶剂应力开裂性、耐环境应力开裂性。影响塑料材料化学稳定性的因素很多，材料因素主要有化学组成、聚集态和所含助剂；环境因素主要有温度、湿度、受力状况等。

对一些大分子中存在酯基、酰胺基、醚基及硅氧基的塑料，在酸、碱及水存在的环境中，易发生水解反应。如PET不耐酸、碱及高温水；PA易吸湿，不耐酸；PF和UP不耐碱；而PVC、PE、PP及PS等树脂的耐酸、碱、水性均很好。大分子主链或支链含有—CH₃、—C₆ H₅基团，往往不耐汽油、苯、甲苯等非极性溶剂。对于强氧化剂（如浓硫酸、浓硝酸和王水等），除PTFE外，其他塑料品种几乎均易受到侵蚀。溶剂介质的腐蚀主要与塑料的溶度参数有关，这在非晶塑料的选用中尤其重要。综合来看，常用塑料的耐化学腐蚀性可表示为：氟树脂>氯化聚醚>PPS>PVC、PE、PP>PC、PET、POM、PA、PSU、PI>PF、EP、UP。

在塑料防腐材料的实际选用中要针对介质的种类、状态、浓度、温度及氧化性，视制品的受力及强度要求，以及成本和成型加工等各方面因素，做出综合评定，最终选取合适的塑料材料。

（4）制品的光学性能 材料光学性能的指标常用透光率、雾度、折射率等来表征。一般纯净的无定形塑料，大都无色透明，结晶高聚物的结晶度越大，透光性和透明性越差。但通过加入成核剂和拉伸等方法改变结晶结构，可获得透明的结晶塑料制品，如PET和PP双轴拉伸薄膜等。

除透明性外，在选用中还应注意制品的应用场合和具体要求。用于光盘材料时要求其性能受环境影响小，耐蠕变性能好，具有长期的力学稳定性；用于隐形眼镜时则要求高度稳定的光学性能，高吸水率，高透氧性，卫生无毒，生理相容性好，柔软而有弹性。常用透明塑料选用实例见表3-6。

表3-6 常用透明塑料材料的选用举例

① 二甘醇双烯丙基碳酸酯。

② 聚甲基丙烯酸羟乙酯。

（5）制品的阻隔性 是指制品对气体、液体、香味、药味等具有的一定屏蔽能力，一般用透过系数来表征，即一定厚度（1mm）的塑料制品，在一定压力（1MPa）、一定温度（23℃）、一定湿度，单位时间（1d=24h）、单位面积（1m²）内透过小分子物质的体积或质量，通常以透过O₂、CO₂和水蒸气三种小分子物质为标准。塑料的透过系数越小，阻隔性能越好。几种阻隔性能较好的塑料品种的透过系数及其应用见表3-7。

表3-7 几种塑料的透过系数及其应用举例

① 乙烯-乙烯醇共聚物。

② 聚丙烯腈及其共聚物。

③ 聚萘二甲酸乙二醇酯。

选择阻隔性塑料时，除要考虑阻隔性大小外，还应考虑制品的环境适应性、加工性能和成本高低等因素。在实际选用中可采用多种材料复合的方法，如LDPE/PP/LDPE、LDPE/PET/LDPE、PE/EVOH/PE、PP/EVOH/PP、PE/PA/PE、PP/PA/PE、BOPP/PP等，以求得性能、加工及成本等诸方面的平衡。也可通过拉伸、共混、表面电镀、表面涂覆、表面化学处理等来提高塑料的阻隔性能，以满足不同的包装要求。(www.xing528.com)

（6）制品的电性能 可以用介电常数、体积电阻率、介电强度、耐电弧性等参数表征。总体来说，塑料材料的电性能优异，而且品种多，适应于不同电性能要求的场合。

塑料都是优良的电介质，介电常数较小，但不同塑料介电常数也有明显差别。非极性塑料介电常数在1.8～2.5F/m之间，如PE、PP、PS、FA；弱极性塑料在2.5～3.5F/m之间，如PMMA、PBT、PET、PC；极性塑料在3.5～8F/m之间，如PVC、PF、PA等。作为绝缘电线电缆等为减少能量损耗宜选用介电常数较小的塑料品种，用作电容器则可选用介电常数稍大的品种，目前常用于电容器的是双向拉伸PP和PET薄膜。

电阻率有表面电阻率和体积电阻率，作为绝缘材料一般电阻率应大于10¹⁰Ω·cm。塑料材料的电阻率绝大多数符合绝缘材料的要求。一般用途的电线电缆可选用PVC；对于高频高压场合，需选用电阻率高、介电常数小、高介电强度的PE和XLPE；硬质制件可选用HDPE、PP、PTFE、PI等；作为电工类绝缘材料和制品（如闸盒、继电器、接触器、封装材料等），要求有较高的介电强度、耐电弧性和耐热性，一般选用热固性塑料，常用氨基塑料、酚醛塑料和环氧塑料等；在电子工业，对各种元器件除电气性能要求外，还对力学性能、耐热性和成型加工性能有较高的要求，可根据具体情况选用，常用的塑料品种有PP、PA、PC、POM、PET、PBT、PSU、PPS、PI、PTFE等。

（7）制品的燃烧与阻燃性 塑料是有机化合物，分子内含有大量碳、氢等可燃元素，有些品种易燃，阻燃性差。但大分子结构中若含有卤素及氮、磷、硫等原子或主链结构中含有芳环类，则材料具有一定的阻燃性或自熄性。一般塑料的燃烧与阻燃性能可用氧指数（OI）表征。OI<22%属易燃塑料，OI在22%～27%之间为自熄性塑料，OI>27%为阻燃性塑料。常用塑料的OI值见表3_-8。

对于要求制品阻燃的场合，除可根据制品的性能选用阻燃塑料品种外，还可采用添加阻燃剂的方法来达到阻燃的目的。

3.根据塑料制品的成本选材

经济适用性是塑料选材中的一个重要因素，只有物美价廉的制品才具有市场竞争力。塑料制品的成本主要包括原料价格、加工费用、使用寿命、维护费用几方面。

表3-8 常用塑料的OI值

（1）原料价格 制品成本中原料价格占的比例最大，占注射制品的60%～70%、挤出制品的70%～80%。一般市场上常见的通用塑料的价格都比较低，如PP、HDPE、PS、PVC、LDPE、LLDPE、PET、PF、EP和UP等，属于低价格一类；而工程塑料，如ABS、EVA、POM、PMMA、PBT、PA6、PA66、PA610、PC、PPO及PU等是中等价格一类；一些特种塑料，如PTFE、PPS、PEK、PEEK、LCP、阻隔树脂、耐热树脂等为高价塑料。因此，我们在选用时，首先考虑如下五点：

1）通用塑料可不可以选用，如果可以，则尽量选用通用塑料。

2）如通用塑料大部分性能可以满足需要，而只有小部分性能不能满足需要，则可以通过改性来提高其性能，这样既可满足需要，成本又没有太大提高。

3）如通用塑料通过改性也满足不了需要，则考虑选用工程塑料。

4）如工程塑料也有几项性能满足不了要求，则通过玻璃纤维增强改性，使其满足需要，成本提高不大。

5）工程塑料也满足不了要求，则必须选择功能树脂。

对于已选树脂，降低树脂成本的方法主要有两种。

第一种，添加填料。在不影响使用性能要求的前提下，应尽可能加一些填料，降低成本。常用的填料有CaCO₃、滑石粉等，详见第2章。

第二种，共混。高价格的树脂往往可以共混一些价格比较便宜的通用塑料品种，如在工程塑料中混入一些HDPE及PP等，可降低成本。具体实例有ABS_- PS、ABS-PVC等。

实际上，同一种塑料不同规格和牌号的品种之间，性能和价格也有较大差异，应引起注意。

（2）加工费用 主要包括设备成本、加工能耗和废品废料等，是制品成本的重要组成部分，因此，应尽量以低加工成本来完成制品。

1）设备成本。生产中尽量选用现有设备。如要生产农用大棚膜，可选用LDPE、LLDPE和PVC树脂。这三种树脂的价格、性能及来源都相差不多，而加工方法则不同，LDPE、LLDPE常用吹塑方法成型，PVC则常用压延方法成型。若工厂现有压延机，则选用PVC为原料；若有挤出机，则选用LDPE、LLDPE为好。同时，不同的加工方法，加工设备的价格不同，从减少投资来看，应依次选择下列方法：真空吸塑成型、压制成型、中空吹塑成型、挤出成型、注射成型、压延成型。

2）加工能耗。主要是指在成型加工中因加热和提供动力而消耗的电能。一般工程塑料成型前需进行干燥处理，成型后制品易残留内应力而要求进行后处理，相应能耗就会增加。通用塑料较少需要干燥处理和后处理，能耗较低。此外，成型加工温度较高的塑料品种，如PC、PSU、PPO等加工能耗也会增大。

3）废品废料。塑料加工废料产生率因成型方法不同而不同，具体顺序如下：真空吸塑成型>中空吹塑成型>注射成型>压延成型>压制成型>挤出成型。其中真空吸塑成型产生废料最多，如成型一次性口杯废料率高达30%。生产中的废料应尽量重新利用，以提高材料的利用率，降低原料成本。

（3）使用寿命。对于非一次性使用的塑料制品，使用寿命的延长就意味着价格的降低。如普通大棚膜一般使用一季，长寿大棚膜可使用两季，尽管后者的售价是前者的1.5倍，但在整个使用寿命期限内采用长寿大棚膜价格却降低了25%。选用合适的塑料原料，对塑料进行稳定化处理均可延长制品的使用寿命，但制品的售价往往会提高。

4.根据制品的使用环境条件选材

使用环境是指材料或制品在使用时所经受周围环境的温度、湿度、介质等条件，以及风、雨、雪、雾、阳光及有害气体等因素的影响。所以，在塑料选材时，应考虑拟选用材料对环境的适应能力。

（1）环境温度 塑料材料的性能对温度有较大的依赖性，常用塑料品种的使用温度大多在150℃以下，环境温度超过150℃后只有增强塑料和特种工程塑料可选。在具体选用时应注意环境温度不能超过塑料的使用温度和脆化温度。

（2）环境湿度 环境湿度对塑料的性能影响不大，但对易吸湿性塑料品种，如PA类等则有较大影响，吸湿后会使力学强度、电性能和尺寸稳定性下降。

（3）接触介质 塑料制品与大气、水、化学药品、生物、食品等接触，其性能会发生一定变化。如与化学药品接触会受到腐蚀，与微生物接触会产生生物降解等，因而在塑料材料选用中应针对不同的接触介质选用不同的品种。另外，当塑料用于与食品及与人体等接触的物品时，要求其卫生、无毒，尤其是长期用于与人体接触或需植入人体内用作人体器官的医用塑料制品，除要求绝对无毒外，还要求与人体的生理相容性好，无副作用。

对于长期在户外使用的塑料制品，如大棚膜、汽车保险杠等需加入稳定剂来提高其耐候性。

5.根据塑料制品的特殊要求选材

（1）铰链制品 要求选用的原料耐疲劳性能好，常选用PP，也可以选用PA、POM、PET、PE及PEVA等，一般不选用PC。

（2）带嵌件制品 有些树脂不易放入嵌件，如PS、PP及POM等，这些树脂生产的塑料制品容易产生应力集中，并且对缺口敏感程度大。

（3）厚壁制品及大平面制品 不宜选择收缩率大的树脂品种，收缩率太大，制品容易产生翘曲和凹痕。

（4）不准加润滑油的场合 要求树脂具有自润滑性，具有自润滑性的树脂有氟树脂、PA、POM及PI等，它们常用于无油真空泵及拉链等制品。

6.根据塑料原料的来源选材

在选择树脂时，要考虑所选原料是否容易得到，尤其对几个价格相近的树脂品种，要尽可能选择来源广泛的树脂。在具体选择时，主要从以下几个方面考虑：

1）尽可能选用本工厂库存的原料。

2）尽可能选用通用塑料，因为通用塑料生产厂家多，容易买到。

3）尽可能选用市场上不紧俏的树脂。

4）尽可能选用产地近、运程短的树脂，以节省运费。

5）尽可能选用国产树脂品种，以节省关税和运费。

6）最后才选择进口树脂。

7.根据计算机辅助设计专家系统选材

随着计算机技术的应用越来越广泛，给塑料制品设计及塑料材料选择带来了福音。计算机辅助选材是建立在塑料品种的性能数据库和全面分析制品使用条件和环境的基础上的，因而数据库的大小和准确性、输入制品使用条件和环境的可靠性，以及能否兼顾制品的加工、成本、安全、外观等因素，就成了其选材是否成功的关键。由于计算机辅助选材涉及面广，影响因素复杂，各方面情况波动大，目前还难以代替人工选材，但正在不断地发展和完善中。目前，有关选材方面的国产化支持软件已逐渐成熟并开始应用。

总而言之，要给塑料制品选择一个合适的树脂原料，是一项十分复杂的工作，要考虑很多方面的因素，进行归纳和综合评价，最终选出所需材料。