如何选用具有抗氧、抗紫外线性能的耐热性塑料

塑料一般在T_g以下呈刚硬特性，高于T_g则易发生变形，所以每一种塑料都有一个最高使用温度的限度，它们比金属、陶瓷等材料的最高使用温度低得多。一般通用塑料的耐热温度<100℃，工程塑料的在100～150℃之间，特种工程塑料的则高于200℃。其中，PBI的耐热温度可达450℃，均三芳基三嗪环聚合物（TSIR）的可达1200℃，但这些材料的加工性差，且价格昂贵，只宜用于特殊工程。

塑料的耐热性可用各种资料中给出的热变形温度、维卡软化温度、马丁耐热温度、使用温度（连续或短期使用、最高使用温度）、UL温度指标等指标值来评定。此外，也可从T_g、T_m值间接地分析耐热性。但是，利用使用温度评选材料时需注意有些材料长期使用温度不高，但瞬间使用温度很高，如CF-PE或石墨/玻璃纤维/PF的长期使用温度<200℃，但瞬间耐温可达3000℃。因此，选料时还要按制品长期及短期使用温度要求区别择取。

此外，由于塑料受热达T_d（分解温度）时会发生热分解和热氧化分解，致使释放有害介质，所以选料时应尽量选择不易分解的材料，以利于成型加工和改善使用条件。

在所有的评定塑料耐热性的指标中除UL温度指标外，其他指标都是对塑料力学性能而言的，即在该指标的温度值以下塑料可保持正常的力学性能（强度、刚性），但不一定能保证其他物理性能（如耐蚀性、电性能、耐辐射性等）。而对某一制品而言，其耐热性应决定于制品的各项性能要求，即所选料在允许使用温度下，在使用期内，其各项主要性能指标（如力学性能、电学性能、化学性能、耐候性等）应都能满足制品正常工作的要求。因此，在按耐热性选料时，除考虑满足力学性能外，还考虑满足制品其他性能要求，同时还应考虑制品实际工作条件与数据测试条件的差别对性能指标值的影响。其主要影响因素如下：

1）环境湿度的影响。通常，在湿热条件下材料热稳定差，耐热温度比干燥条件下低，尤其对吸湿性材料更明显，因此在高温潮湿条件下工作的制品应选用吸水性低的品种，即分子结构中不含酯基、酰胺基、亚胺基、缩醛基、醚基的聚合物，同时应取允许使用温度稍高一些的材料。

2）接触介质的影响。当制品在有腐蚀介质的环境中工作时，材料的耐热温度会降低，而且随着温度升高腐蚀作用又会增大，造成恶性循环。因此，不能单一地只考虑耐热性来选择，而需选用耐热耐腐蚀的塑料。

3）使用环境的影响。塑料在无氧环境中受高温作用才会发生热降解，而在有氧环境中，只要在一定温度下，氧分子会剧烈地攻击分子结构引起热氧老化，降低材料的耐热性。此外，还有光氧化、臭氧老化、生物老化、辐射线老化等，都会降低材料的耐热性，这种情况应选择有抗氧、抗紫外线等性能的耐热性塑料。

4）有无负载的影响。塑料制品在有、无载荷作用下的耐热性大不相同，无论受何种形式的负载都会不同程度地降低耐热性，尤其对那些会引起滞后热反应的负载，如振动、摩擦负载等影响更大。所以在查阅热变形温度等数据时必须注意负载大小。

5）区别制品耐热性指标。评定塑料耐热性的指标有多种，其含意不同，用途也不同，如热变形温度、维卡软化温度、马丁耐热温度、球压温度等指标是根据温度升高时力学性能的变化情况来判断材料耐热性大小的，而且都是短期耐热性试验方法，通常只宜用作初选料时的参考数据，且当制品不是在常温下使用时，也不能用这些数据作为设计值。UL温度指数的测试方法是用热老化试验来评价塑料力学性能、电性能在长期热老化下的热稳定性的，可确定在性能保持50%时的破坏时间所对应的温度，即UL温度指数，外推时间按UL746B标准为60000h，所以可作为材料长期使用的连续耐热温度。

实际上，不同用途的制品，其耐热性要求也是不同的，有的制品要求材料能在长期连续工作温度下使用，有的要求能耐瞬间最高温度，例如结构零件要求材料的允许使用温度必须在制品最高使用温度时能保持力学性能的最低允许值，而绝缘制品则需按电性能的最低允许值作为使用温度的上限。通常，材料的允许使用温度必须大于实际使用温度。总之，不同用途的制品有不同的耐热性温度指标，因此在选料时常需掌握塑料确切的允许使用温度上限值，包括保持塑料性能的长期、短期、连续、间歇的允许最高使用温度。

本节按各种塑料的耐热性概况、各种塑料按热变形温度和使用温度高低分类进行介绍，以便于检索选料。

1.不同类型塑料的耐热性能概述

（1）无定形塑料 当外界温度低于T_x时发生脆化；当温度高于T_g向T_f递增时材料许多性能会发生急剧的变化，尤其是力学性能变化更大；当温度高于T_f时，则成粘流态，塑料失去固有物性，发生不可逆的形变，只可供成型加工。因此，对这类塑料T_x～T_f的温度范围内为结构材料的使用温度范围。凡T_x低于室温而T_g高于室温的料，均可作结构材料，T_x～Tg的温度范围越大，则使用温度范围越广。如果T_g低于室温T_f高于室温，则这种材料可作弹性材料，而且T_g越低于室温，T_f越高于室温越好。对结构件用料，当使用温度低于T_g时脆性增大，如果分子链为柔曲性的结构，则T_x接近T_g，如果是刚性结构，则T_x比T_g低得多，所以一般聚合物在T_x～T_g区域内可承受拉伸、压缩、弯曲等外力，当使用温度高于T_f时，则呈高弹态，不能保持使用性能。

（2）结晶型塑料 虽然在其结构中有部分无定形结构，但结晶型聚合物与无定形塑料的流变特性不同，其脆化温度比无定形料略高，随着温度上升超过玻璃化温度后不出现高弹形变，没有明显的高弹形变，直至熔融温度T_m时，即呈现粘流态，其间只有较小而缓慢的形变，它的使用温度上限即为T_m。在T_g～T_m之间，结晶型聚合物密度、熔点、强度、硬度一般较高，与键运动有关的弹性、冲击强度、伸长率、透明性和溶解性较低。在T_g～T_m范围内结晶型聚合物既有一定的刚性，又有一定的韧性，T_m越高耐热性越好。

（3）热固性塑料 热固性塑料加热时不会软化或熔化，如果温度升高到某值，则分子运动加剧，分子链断裂，化学结构破坏而发生分解，该温度称为分解温度T_d，故T_d是使用温度的上限。因此，热固性塑料的使用温度高，耐热性好，一般热稳定性优于热塑性塑料。

（4）改性（或增强）塑料 它们的热性能由分子组成和内部结构所决定。热行为实际上是内部分子运动对外界热能作用的一种反映，因此通过改变其组成和结构可以改变温度变化对材料性能的影响，如可将原来热性能不好的材料，改性后变成耐热性好的材料；结晶型树脂经玻璃纤维增强后热变形温度一般可提高3倍以上；HDPE热变形温度可从49℃提高到127℃；ABS与PC共混后，热变形温度从93℃可提到125℃。

2.按热变形温度评定耐热性

这里按热变形温度指标值将常用塑料分为四档：低耐热类塑料、中耐热类塑料、高耐热类塑料和超高耐热类塑料。

1）低耐热类塑料。这类树脂热变形温度小于100℃，具体品种有PE、PS、PVC、PET、PBT、ABS、PMMA等。

2）中耐热类塑料。这类树脂热变形温度在100～200℃之间，具体品种有PP、PVF、PVDC、PSF、PPO、PC、PAR等。

3）高耐热类塑料。其热变形温度在200～300℃之间，具体品种有PPS、CP、PAS、POB、可熔PI、AF、EP、PF、F4、PEEK等。

4）超高耐热类塑料热变形温度>300℃，具体品种有：PBI、不熔PI、PBP、LCP、AP的Ekonol系列PES、PAS、PBI及SI等。

每档塑料的热变形温度指标值分别汇总于表19-115～表19-118，各表中的数据测试条件是AST-MD-648标准（1.82～1.86MPa、20～23℃），（）内的数据是在0.46MPa下测得的。

表19-115 低耐热类塑料

（续）

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表19-116 中耐热类塑料

续表

表19-117 高耐热类塑料

注：名称中的百分数为加入填料的百分数。

表19-118 超高耐热类塑料

3.按使用温度评定耐热性

使用温度可分为长期连续使用温度及瞬间最高使用温度两种。有的塑料瞬间耐热性好，有的长期耐热性好，性能不一。通常，热固性塑料瞬间耐热性好，且瞬间耐热温度远远高于长期耐热温度，如GFPF长期耐热温度为200～300℃，但瞬间耐热温度高达3000℃，成为耐烧蚀材料。此外，热固性塑料不会软化或熔化，故它的使用温度上限应取分解温度。表19-119～表19-122所列为不同测试条件下，测得的各种塑料的使用温度。

表19-119 常用塑料的耐热温度

（续）

表19-120 用球压试验法测定用于家用电器的热塑性塑料的使用温度

表19-121 各种塑料的使用温度

表19-122 热固性树脂的最高使用温度

①括号内的值适用于热绝缘制品。

②括号内的值适用于厚度<0.8mm的制品。

③括号内的值适用于难燃制品、厚度<0.8mm的制品。

④括号内的值适用于热绝缘和被覆线引出密封用制品。