塑料及其制品的性能分析与优化

本节介绍的性能有力学性能、热性能、化学阻抗性能、渗透性、阻燃性、耐候性、电性能、光学性能、摩擦磨损和硬度，侧重于介绍性能的测量指标、测试技术，有助于合理选择材料和分析塑料制品的失效形式，进而拟订塑料制品的性能指标和测试方法。

1.力学性能

塑料件受到各种载荷时的应力分析，通常可参照金属材料的力学分析方法。但由于塑料材料性能的特殊性，在长期静载荷作用下，塑料的应变行为和塑性破坏，对时间和温度有明显的依赖性。在塑料制品的工程设计中，必须考虑静载荷下的形变行为和屈服现象，此外，还必须考虑塑料件对冲击载荷的响应特性。

（1）静载荷下的形变行为

1）应力与应变 在静载荷下塑料制品的弹性和塑性形变，会改变塑料件的形状和尺寸。为防止塑料制品在使用寿命期限内变形失效，首先应了解影响塑料力学性能的因素。

应力-应变行为是静态载荷下塑料力学性能的最重要特征。由于塑料品种的多样性，更因为塑料制品对环境、工作条件及加工工艺的依赖性和敏感性，掌握塑料件所用材料在特定条件下的应力-应变行为，是进行制品力学设计和测试的先决条件。下述五个方面是影响塑料力学性能的主要因素。

①材料。固态高分子聚合物的力学性能，主要取决于主链的化学结构。共聚、支化与侧基、嵌段与接枝也都影响了化学结构。影响塑料性能的因素有：相对分子质量分布及其分子取向、交联、结晶度与结晶形态、增塑、增韧、增强、聚合物的混合等。

按照材料短期拉伸应力-应变曲线及其断裂形态，塑料可分为脆性和塑性两类，如图1-1所示。具有如图b、c和d拉伸曲线的塑料为塑性材料。b曲线无明显的屈服点。d曲线是典型的塑性材料的拉伸应力-应变曲线，具有比例极限、屈服应力、拉伸强度和断裂伸长率。曲线d上（1）区是材料失去弹性后，应力开始缓慢变化的屈服区；（2）区为“应力软化”的颈缩范围；（3）区为大应变的冷拉状态区域；（4）区是断裂前“应变硬化”阶段。

图1-2是四种塑料的拉伸应力-应变曲线。右图为应变5%范围内的放大图。由左图可知常用的PC、PC/ABS、ABS和HIPS，具有115%、58%、90%和40%的拉断伸长率。

②温度。与金属相比，塑料是对环境温度很敏感的材料。聚合物的状态转变温度有：玻璃态转化温度T_g；无定形聚合物的软化温度T_f；结晶型聚合物的熔点T_m。在塑料工程中，通常以一定载荷下的热变形温度作为塑料制品使用的环境温度上限。

图1-1 各种塑料的应力-应变曲线

a—脆性断裂；b—稍有屈服后断裂 c—颈缩后断裂 d—颈缩并冷拉后断裂

温度会影响固态聚合物的塑性和断裂形式。图1-3是聚丙烯（PP）从-60℃到100℃各状态下的拉伸应力-应变曲线。低温下聚丙烯呈脆性断裂；温度升高后，可观察到颈缩屈服现象，但断裂伸长率不超过10%；在高于玻璃态转化温度T_g后，出现稳定的颈缩和冷拉现象；在更高的温度下，聚丙烯呈黏流态。

图1-2 四种热塑性塑料的拉伸应力-应变曲线

图1-3 PP在各温度下的应力-应变曲线

注：应变速率ε=5.2%min^-1，T_g=-20℃。

③时间。在长时期的应力或应变作用下，塑料的响应有蠕变和松弛行为。塑料的力学性能是时间的函数。在间歇应力作用下，还存在应变的回复现象。黏弹性在塑料制品设计和应用中必须考虑。此外，塑料试样在施加载荷时的应力或应变速率也必须关注，应限制在“静态”范围内。例如试样拉伸速度应在250mm/min以下。

④压力。在气体或液体静压力下，各种塑料的力学行为对一些特殊场合使用的塑料制品至关重要。静压增加了试样实际密度，使材料中的裂纹、疵点和弱点得到密合或压缩。因此，聚合物随着静压增加，弹性模量和屈服应力随之略有增大。

⑤加工。塑料制品大多在材料加热后成型。塑料经加热成黏流态或高弹态，在压力下流动变形。冷却固化成型后，塑料制品力学性能有异于塑料原有性能。成型中产生的熔合缝、取向和残余应力影响着制品力学性能。在塑料件中截取的试样与原材料试样的应力-应变行为，有着明显的差异。

力学负载按负载与试样关系，有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转五种基本类型，如图1-4所示。

比较同一材料在拉伸和压缩负载下的两种应力-应变曲线，脆性PS在压缩负载下有屈服点，并有更高的压缩强度和断裂压缩率，许多聚合物的压缩强度是拉伸强度的1.5～4倍。

2）弹性模量。弹性模量是固态塑料刚性的量度。它的重要性在于胡克定律建立的应力与应变的线性关系。

图1-4 塑料试样的五种基本负载类型

a）拉伸 b）压缩 c）弯曲（悬臂、三点、四点） d）剪切 e）扭转

弹性模量是材料于屈服点以下的弹性范围内，在外力作用下所测得材料对变形的阻抗。也就是作用应力σ和产生的应变ε的比值，即

通常存在拉伸弹性模量E（或E_t）、压缩模量、弯曲弹性模量和剪切模量G。

在图1-4d所示的剪切单元中，剪切应力σ_S和剪切应变γ分别为

在剪切或扭转试验中测得的剪切弹性模量为

设单向拉伸期间，试样拉伸方向也即纵向应变为ε_L，在试样横截面上应变为ε_T。它们比值称泊松比，即

泊松比υ的最大理论值为0.5，常用塑料的υ为0.35左右。橡胶和软塑料的泊松比接近0.5。当υ=0.5时，E=3G，剪切模量G为最小。一些典型材料的拉伸弹性模量E_t、弯曲弹性模量E_b、泊松比υ、屈服应力σ_y和硬度见表1-5。

表1-5 典型材料的力学性能

注：硬度一列，HBW表示布氏硬度，R、M为洛氏硬度的标尺。

图1-5 单向取向的弹性模量

a）单向取向材料 b）弹性模量E_L、E_T、G_TT和GLT

塑料工程中使用得最多的是拉伸应力-应变试验。现代的万能力学性能测试仪还能进行弯曲和压缩应力-应变试验。区别于金属材料的力学测试仪，它能测试各种温度状态下塑料试样的力学性能。

3）各向异性。注射成型塑料件和合成纤维是各向异性材料。它们在两个相互垂直方向的弹性模量不同。两者之比最高可达5～6倍；有的相差很小，可以忽略。各向异性材料对应存在不同的泊松比。从理论上完整地描述各向异性材料的模量要用繁琐的数学矢量。工程上是依照材料取向的对称性来测量和描述其模量。如图1-5所示，这类单向取向系统有纵向拉伸模量E_L、横向拉伸模量E_T、横向剪切模量G_TT和纵向剪切模量G_LT。G_LT也称为纵-横剪切模量。

单向取向塑料制品包括有：纤维、薄膜、一个方向热拉伸的薄片、含有一个方向纤维增强的塑料管或板。一些窄长条的注塑件主要是单向取向，但大多数注塑件是复杂的各向异性，为单向和双向取向的组合。

塑料工程中各向异性系统是双向取向，或称平面随机取向。如图1-6所示的四个独立弹性模量E_P、E_T、G_P和G_T，说明在b图中还有两个对应的泊松比。典型双向取向的塑料制品有：经两个方向拉或吹的薄膜、滚轧加工的板、短纤维在平面上随机取向的复合制品。

4）弯曲弹性模量。常用矩形梁试样的三点弯曲测试方法（如图1-4c中所示）测得。弯曲弹性模量为

对应的最大拉伸应力和最大应变为

式中 L₀——两支承点之间距离；

F——在间距L₀中间的负载；

Y——测得的L₀中央的变形量；

C——试样宽度；

D——试样厚度。

图1-6 双向取向的弹性模量

a）双向取向材料 b）弹性模量E_P、E_T、G_P和GT

我国塑料拉伸性能测定相关标准是GB/T 1040.1～4—2006、GB/T 1040.5—2008，塑料压缩性能测定相关标准是GB/T 1041—2008，塑料弯曲性能测定相关标准是GB/T 9341—2008。

5）影响弹性模量的因素。常用塑料材料的弹性模量大致为10³～10⁴MPa。影响弹性模量的因素主要有以下几点：

①聚合物主链的刚性和侧基的极性，使材料具有较高模量。

②结晶型塑料的结晶度和热固性塑料的交联度高，会使模量有所提高。

③塑料取向方向模量高于各向同性的该种塑料的模量；垂直取向方向的模量低于无取向材料。

④塑料模量是温度T的函数，也是时间t的函数。温度升高至T_g、T_f或T_m以上时模量有很大下落。图1-7和图1-8展现了几种塑料的弯曲强度和弯曲弹性模量对温度的依赖。蠕变现象的特征是弹性模量随时间推延而下降。

⑤填料使塑料模量改变，大致按“混合规律”推断。高模量刚性填料使塑料模量增大；反之，低模量的填料或空气做填料使塑料的模量减小。

⑥塑料对于试验速度和应变速率是敏感的。试验加载速度快，模量值略高些。

图1-7 几种塑料的弯曲强度与温度的关系

1—GF充填PF 2—EP 3—木粉充填PF 4—GF增强PC 5—PPO 6—GF增强POM 7—POM 8—PC 9—ABS 10—PE

（2）屈服现象 在塑料制品设计和使用中，屈服点是个重要参量。屈服条件是静载荷下塑料件设计的依据。塑料件的失效过程中可观察到剪切屈服和银纹屈服。

图1-8 几种塑料的弯曲弹性模量与温度的关系

1—GF充填PF 2—EP 3—木粉充填PF 4—PPO 5—GF增强PC 6—GF增强POM 7—PC 8—POM 9—ABS 10—PA 11—PE

1）屈服条件。塑性塑料的屈服应变ε_y通常在5%～15%范围内。屈服应力σ_y取决于聚合物种类是无定形还是结晶型，也取决于温度和应变速率等条件。聚合物在加载超过屈服点后再卸载，其应力与应变表现十分复杂。它既有弹性恢复的滞后，又有永久变形的塑性，还有着明显的时间和温度的依赖性。

对脆性塑料或某些塑料的某种受力状态，例如剪切或压缩，在应力-应变曲线上没有屈服点。此时，塑料工程中所需的屈服应力σ_y，可由近似约定获得。如图1-9所示，一种方法是在应变ε=2%时，作应力-应变曲线起始部分的平行线AB，与曲线1交点B的应力可作为屈服应力。另一种方法是对应力-应变曲线2的起始部分和最终部分，作两条切线OE和EC。此两条切线的交点E所对应的应力，即为屈服应力。

在静载塑料结构件设计中，应以2%左右的应变和低于屈服点的应力作为制品设计或校核计算的允许值，以保证制品在短时期内的刚性。

2）屈服失效。塑料制件的颈缩和银纹化通常作为受载失效的先兆。塑料件的屈服失效过程一般分为剪切屈服和银纹屈服两类。前者从材料的剪切流动角度，认为塑性形变材料的密度是很少或没有改变；而银纹屈服属于膨胀屈服。两者的微观构象是不同的。

①剪切屈服。由于几何上的或材料结构上的原因，塑料件上出现塑性变形总是非均匀的，塑性变形仅发生在局部部位。该部位的应力和应变高于其他未进入塑性变形的部位。在其几何上更加削弱后，使应力更集中，变形量更大。而塑性的塑料在拉伸力下出现颈缩后，又由于冷拉而变硬，抑制了应力升高，使塑料件在结构上稳定下来。

塑料件的非均匀塑性变形，可简化成拉伸受力状态下的三种几何形状下的屈服变形模型，如图1-10所示，有圆柱体上的颈缩、矩形薄板上的倾斜细颈和柱体内的剪切带。

图1-10a所示圆柱上的颈缩，在颈缩的三个方向都存在变形速率。圆柱上的颈缩是一种无约束的非均匀塑性变形。

图1-10b所示为薄板上的倾斜细颈。对于宽度比厚度大得多的薄板，与拉力垂直的宽度方向不产生变形。拉力作用下形成局部向里收拢变薄的倾斜细颈。沿着斜细颈长度方向的伸长变形速率为零。倾斜细颈的方向角的理论值β=54.7°。该细颈的上半部分与下半部分不发生剪切错动。

图1-9 脆性聚合物的屈服应力

1—平行（∥）取向方向 2—垂直（⊥）取向方向

图1-10 拉伸状态下三种塑性变形模型

a）圆柱上的颈缩 b）薄板上的倾斜细颈 c）柱体内的剪切带

图1-10c所示为柱体内的剪切带。在塑料件内的诱发点上，由于简单剪切生成圆盘状的剪切带。在理想的塑性条件下，此极薄的剪切带与拉伸方向成45°倾角。又经剪切带周边材料的弹性变形调整，形成剪切面。塑料件的横截面不变，但有错动。

②银纹屈服。一些透明的无定形聚合物和某些结晶型聚合物及环氧树脂，由于应力或环境因素的作用，会在表面或内部出现微小成片银纹带。银纹的界面使光线全反射而出现银色闪光。银纹与裂纹有密切关系，但它不是裂纹。由微纤构成的银纹具有体积膨胀的特性。银纹中含有沿着作用应力方向取向的微纤与空隙相间排列。而普通裂纹中不含有任何高分子材料。银纹化是部分固态聚合物在塑性流动中产生的现象。这些高分子材料宏观的屈服失效、蠕变断裂、疲劳破坏和环境应力开裂前都有银纹化现象。光学和透明塑料制品不允许有银纹出现。

（3）冲击载荷 塑料制品在使用或运输过程中的撞击会使其变形或断裂。冲击失效是高速负载作用下发生的力学现象。瞬时施加的冲击载荷使塑料件具有很高的应变速率。

1）冲击试验和冲击强度。冲击试验是在高速冲击载荷作用下，用于测定材料抗冲击性能的方法。冲击强度是评价材料抵抗冲击能力或判断材料脆性与韧性程度的量度。抗冲击性能是难于准确表征的力学参数之一。即使是用标准试样及标准试验方法，也只能得出在特定条件下只有相对比较意义的试验结果。高分子材料冲击试验的方法有摆锤式、落锤式和拉伸冲击式。

最常见的摆锤式冲击试验有简支梁式（GB/T 1043.1—2008）和悬臂梁（GB/T1843—2008）两种形式试验。它们的冲击速度为2.9～3.8m/s。简支梁试样冲击也称为三点弯曲冲击，是一种高速的弯曲试验。简支梁冲击强度a_k的单位为J/cm²或kJ/m²。悬臂梁的a_k用J/cm或J/m。

这两类试样又分无缺口和带缺口两种。缺口试样的冲击强度反映了材料的抗裂纹扩展的性能，表1-6列有若干塑料带缺口悬臂梁的测试结果；而无缺口试样的冲击强度反映了试样裂纹引发前所吸收的能量。

表1-6 若干塑料带缺口悬臂梁式冲击强度（单位：J/m）

试样被冲断后的飞出功为实际总冲击能的29%～83%。因为断裂过程和断裂特征不同而差别很大，所以很难对材料作规律性的评价。目前已普遍采用仪器化的摆锤冲击仪，在冲击断裂过程中，能自动记录试样承受的冲击载荷随时间的变化，从而计算断裂过程所吸收能量。

冲击断裂形式主要分塑性和脆性两大类。冲击下的塑性断裂有明显的屈服现象，有颇大的应变，是在颈缩中断裂的。脆性断裂是一种多裂口断裂，有细小尖片，并有表面光滑的区域。冲击中首批活动裂纹，瞬时转变成不稳定生长的裂缝，触发断裂。无定形聚合物的断裂断面上，除光滑的镜面外，其余为较粗糙的指纹状。结晶型聚合物的断裂断面，多数呈麻纹状态。

落锤式冲击仪能改变落锤重量和高度，能使板状或片状试样开裂或断裂，也适用于泡沫塑料的抗冲击性能分析。它是一种平板弯曲的冲击试验。仪器化的落锤冲击仪，能测出冲击能量，还能获得试样材料的冲击应力-应变曲线。

拉伸冲击试验是在一定温度和拉伸速率下，评价材料撕裂所需能量，适合韧性的塑料薄膜的试样，能在拉伸状态下，较精确地确定材料的断裂强度和拉断伸长率。

2）影响抗冲击性能的因素。塑料试样及制品上，缺口、环境温度和湿度、冲击速度及材料取向会影响抗冲击性能。

①缺口和应力集中。有缺口塑料件的冲击强度较弱的主要原因是缺口造成了应力集中。塑料件表面的人为缺口或刻痕、塑料件中的裂纹或其他缺陷，都会使冲击强度明显下降。

各种聚合物及其复合材料对缺口敏感性是不同的。表1-6所列多种塑料带缺口的悬臂梁的冲击强度可以说明这一点。图1-11表明不同聚合物的缺口尖角曲率半径对冲击强度的影响。缺口尖角的曲率半径越小，应力越小，冲击强度越低。

②温度和湿度。无定形聚合物在温度升高到邻近玻璃态转化温度T_g或更高时，冲击强度有很大的提高。结晶型聚合物处于T_g以上，比在T_g之下有更大的冲击强度。须注意，塑料制品在低温下呈现冲击脆性，但对不同塑料的影响程度不同。在湿度较高的环境下，吸水率较高的聚酰胺比干燥状态的冲击强度高几倍。

③冲击速度。韧性塑料随着应变速率提高，将由塑性断裂转变为脆性断裂。不同聚合物及复合材料对冲击速度的敏感性有差异。聚碳酸酯PC和增韧的塑料对载荷速度的敏感性较低。在同样的冲击能量下，高的冲击速度易于使脆性材料断裂。

④材料取向。如果冲击力平行于材料取向方向，通常会使冲击强度增加。反之，如果冲击力垂直取向方向，则抗冲击性能变差。塑料件在使用中，其取向对抗冲击性能有害而无利。取向的注塑件在冲击载荷下会在最弱方向断裂。但塑料制品表面具有压缩应力，能有效提高其表面的抗冲击性能。

2.热性能

以短期热性能、低温下脆化、长时间的热降解和高温加工四个领域进行塑料的热性能的测试研究。

图1-11 五种聚合物的缺口尖角曲率半径对冲击强度的影响

（1）短期热性能 聚合物的短期热性能有熔点、软化温度及力学性能随温度的变化，还有线胀系数和热导率。所指的力学性能有屈服应力、拉伸强度和硬度。所有这些性能的测量已达到相当高的精确度。但是不能以这些短期热性能来推测长时期的老化性能。这些性能被用来比较材料和进行质量控制，并限制材料的应用。

成型的热固性塑料和硫化的橡胶制品已经交联，不存在熔点或软化温度。这些材料有一个分解温度。

拉伸或弯曲的应力-应变试验应该在加热箱中进行，以提供一定温度下的短期的屈服应力、弹性模量和拉断伸长率。绝热的“热箱”也应该可用液态CO₂进行低温试验。

热变形温度HDTUL（Heat deflection temperature under load）或HDT，是塑料试样浸在一种等速升温的液体传热介质中，在简支梁的静弯曲负载作用下，试样弯曲变形达到规定值时的测定温度。如图1-12所示，传热介质常用低黏度的变压器油或硅油。其等速升温的速度为（12℃±1℃）/6min。若砝码负载为W，试样宽度为b、高度为t，两支座中心间距离为L，则试样的最大弯曲正应力为

负荷与试样的几何参数，使试样产生最大弯曲正应力σ=1.82MPa或0.45MPa。在试样中点弯曲变形量达到0.21mm时，此时的温度即为相应应力σ下的热变形温度。以上所述是GB/T 1634.1～3—2004中的塑料负荷变形温度测定方法。对应美国标准ASTMD648、德国标准DIN 53458，国际标准ISO 75，各标准测得热变形温度值相差不大。ASTM D648标准中，试样中点下垂量为0.254mm。表1-7所列各种材料的热性能均为ASTM标准所测。玻璃纤维增强能改善大多数塑料的高温强度和刚度，热变形温度明显提高。

维卡软化温度是塑料于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升温条件下，试样被1mm²针头压入1mm时的温度。我国相关标准是GB/T 1633—2000《热塑性塑料维卡软化温度（VST）的测定》。在使用负荷1000g时与国外ASTM D1525和ISO 306标准相似。本方法适用于质量控制和材料热性能比较。对于无定形或低结晶的塑料，此种测试方法排除了软化以前蠕变变形的影响。目前，维卡试验方法还被用于橡胶密封垫的热性能测试。

图1-12 热变形温度测量仪的示意图

a—负荷W b—传热介质 c—试样

（2）低温下脆化 在低温下所有聚合物都会增加刚度，减小柔度，无定形聚合物和结晶型聚合物中的无定形形态转变到玻璃态。低温也降低了分子链上结合键的柔度，减小了自由体积。所有这些导致了塑料在低温下的脆化，减小了冲击阻抗能力。

标准的低温下拉伸试验要耗费许多时间。其拉伸模量的数据很难理解。因此设计了一些扭转试验的方法测得剪切弹性模量。例如，对应ISO 458，ASTM D1043定义了专门的扭转试样被冷冻变形时的温度。又如：对应ISO 974，ASTM D746将截面0.25in×0.075in（1in=25.4mm）试样的自由端伸出1in，浸泡在低温液体中，在控制温度下降过程中，对试样进行冲击。当10个试样中有5个被击断时，认定为脆化温度。我国相关标准是GB/T 5470—2008《塑料 冲击法脆化温度的测定》。它仅适用于软质塑料。

（3）长时间的热降解 在长时处于高温下，一些原因促使塑料产生不可逆的降解：被空气中的臭氧攻击而氧化；增塑剂添加成分的挥发；由于较快的蠕变速度和较差的抗疲劳性，引起聚合物分子链的逐步断裂。一些聚合物的分子结构中存在敏感的弱点，例如支链、不饱和的双键、聚合时剩余的引发剂、活性的氢原子或不稳定的分子链的始末端。这些弱点是氧、臭氧、潮气、各种辐射的射线或者热的攻击点。热降解的结果几乎都是高分子链的断裂，导致平均相对分子质量的下降。在这热解聚过程中，分子链束的始末端越来越多，使材料的热稳定性越来越差。当然，每种聚合物在一定条件下有各自的热降解的机理。

各种塑料在较高的温度下长期连续安全工作的合适温度，国外手册上已有UL温度指标（Underwriters Laboratories temperature index）。它的全称是无负载下连续安全工作的额定温度。试样在负载作用下，会增加塑料热性能的复杂性。因此，该试验试样要排除力学应力的作用，大量试样要在加热箱中按设定温度保温60000h（美国UL746）或20000h（ISO 2578），再测试电性能（E）和力学性能（M）为原有性能50%时的UL温度。各种塑料的热性能见表1-7。其中：E是指仅考虑电性能达到50%的合适温度；E+M是电性能和力学性能均达到50%的工作温度；E+M′是指电性能和力学性能达标，但不考虑冲击性能。

表1-7 各种塑料的热性能（单位：℃）

注：TS指热固性塑料。

有一种UL温度指标是安全的最高连续使用温度MCUT（Maximum continuous use temperature），在MCUT下的空气中，塑料制品使用100000h，即11.4年，对热-氧降解老化有材料性能稳定的安全期。可与表1-7上的UL温度作比较。各种塑料的MCUT与聚合物的合成和混合有关，与塑料配方和加工相关。表1-8列出了各品种聚酰胺和酚醛树脂的安全最高连续使用温度。

表1-8 安全的最高连续使用温度（单位：℃）

另外，还有一种短时的热性能测试方法——热重量分析法（TGA，Thermograrimetric analysis）。用热重量分析测试仪，让试样以一定速率升温。降解物质的挥发和汽化，使试样质量损失。例如：PVC试样在惰性气体或真空中被加热至275℃，就有汽化的HCl析出。随着温度继续升高进一步降解，试样成为不饱和主链、焦炭和微小残片的混合物。此方法可作为聚合物热保护途径研究和质量控制的测试手段。

（4）高温加工 塑料替代金属的重要性能指标之一是最高耐受温度。它包括分解温度、熔融温度和短期耐热工作的温度范围。表1-9所列为加热成型时各种塑料加工时的最高温度。

表1-9 加热成型时各种塑料的最高温度（单位：℃）

（续）

注：TS指热固性塑料。

塑料的分解温度是指在此温度附近降温后，可保持原有的全部性能。表1-9中的分解温度是试样在惰性气体中试验确定的。如果在大气中，由于氧的作用而分解较快。聚合物分解过程主要是热能促使结合键断裂，故表中数据与空气中测得分解温度有差异。

耐热性更高的还有聚苯并味唑PBI，短期耐热可达600℃以上。用前述的TGA方法，在惰性气体里质量损失5%。倘若在空气中保温10h，试验达370℃，有质量损失5%。能耐此高温是由于主链上有芳烃的闭环结构，使聚合物的刚性、熔点和转化温度提高。分子链段转动困难而耐热的聚合物，还有聚醚醚酮PEEK、聚酰胺-酰亚胺PAI和聚苯硫醚PPS等。

主链上含有非碳的无机原子，也能提高热稳定性，例如聚硅氧烷（为硅和氧结合的分子链）。各种硅油、含硅脂和硅橡胶，虽然化学稳定性差，但工作温度可达-90～250℃。由硅橡胶改性的聚二甲基硅氧烷PDMS，有优良的低温柔软性，玻璃态转化温度T_g=-125℃。

聚四氟乙烯PTFE的连续工作温度为185～150℃。氟塑料有良好的热稳定和耐低温性能。碳—氟结合的键合能为461kJ/mol，高于碳-氢的键合能408 kJ/mol。氟原子比氢原子大，盘旋在碳—碳主链周围起了护套作用。PTFE是高结晶度的聚合物，结晶熔点为327℃。平均相对分子质量有（10～100）×10⁶，380℃时黏度高达10¹²Pa·s。PTFE发生分解温度为400℃，但在230～330℃经200h以上也会发生分解，甚至加热温度150～220℃并且施加负载，超过1000天也会分解。PTFE不能注射加工，常用烧结方法成型。氟塑料中聚三氟氯乙烯PCTFE、全氟（乙烯—丙烯）共聚物FEP和全氟烷氧基聚合物PFA可以注射成型。

3.化学阻抗

塑料制品和薄膜的耐蚀性，与材料的吸水性和水解关系密切。

（1）耐蚀性 描述聚合物的这项性能，要用化学试剂浸渍试验方法，需进行范围广又大量的化学试验，要控制一定温度和经历较长的规定时间。取出试样后，要立即作质量和力学性能的测试，也有测量试样厚度的。力学性能主要是测试弹性模量、有缺口的悬臂梁冲击和硬度等。然后与原始试样的质量和力学性能作对比。目前技术手册上绝大多数的塑料耐化学性能数据，是根据国外的ISO 175和ASTM D543塑料耐化学试剂性能标准测定的。我国对于塑料、玻璃纤维增强热固性塑料的相关测试标准分别是GB/T11547—2008、GB/T 3857—2005。大约有50种具有潜在腐蚀作用的化学试剂在无负荷作用下，轮流浸渍测试。

被浸渍后的试样有体积膨胀的现象，甚至出现裂纹或/和裂缝。聚合物在化学液体中浸泡，其膨胀过程有两个阶段：第一阶段，可溶的聚合物表面被化学溶剂溶解和吸收；第二阶段，溶液通过聚合物的自由体积而扩散。化学阻抗能力表现在化学溶液在聚合物中的扩散速率，归结于溶液与聚合物产生的各种化学反应。

聚四氟乙烯在强酸、碱和溶剂中有优异的化学稳定性。但溶液或熔融状态的碱金属能夺取PTFE中的氟原子，生成金属氟化物，附结在材料表面，从而使PTFE表面具有可粘结的特性。如用溶有金属钠的氨液浸渍PTFE，在其表面变色后可用环氧树脂粘结。PTFE溶于二氯二氟甲烷类的碳氢氟化物，有5%～10%的膨胀量，但并不渗透，而且是可逆的。

（2）吸水和水解 塑料的吸水性是个重要的性能。水是“万能的溶剂”。水解反应使许多聚合物的主链降解，促使材料的拉伸强度和刚度下降，增大了蠕变的速率。最典型的是聚酰胺的水解过程。水中的氢原子能攻击酰胺基N—H—O中的氢原子，与带负电的氢原子结合，使主链断裂。聚酰胺分子结构中酰胺基密度减小，能改善吸水性能。半结晶的聚酰胺中的无定形区的水解反应更加迅速。因此，聚酰胺等塑料在挤出或注射前，对物料要充分干燥。聚酯和聚氨酯也有类似的弱点。

水会影响复合塑料中颗粒填料或增强纤维与基体聚合物的结合程度。结合界面上的脱粘会导致材料的破坏。填料和玻璃纤维经混料前的偶联剂处理，可阻止水分扩散。这些偶联剂如硅烷等都是憎水的。纯热固性聚合物的水分的吸收和扩散是很低的。但是用木粉等吸水性填料充填后，吸水大增。

吸水使塑料材料产生缓慢水解，还使塑料件的尺寸不稳定。聚酰胺注塑件在模塑后要作调湿处理。吸水塑料件的绝缘性变差，是电气零件潜在的危险。吸水量和吸水百分率是选用塑料品种的重要指标。我国相关标准是GB/T 1034—2008《塑料 吸水性的测定》，此标准等同ISO 62和ASTM D570。表1-10是ASTM D570标准测试的各种塑料的吸水率，是将试样浸入23℃的蒸馏水24h，测得的相对于原始质量的吸水百分率。

表1-10 各种塑料的吸水率

4.渗透性

聚合物的渗透性是区别于金属的特征之一。在固态聚合物的高分子链之间有很大的自由空间。因此，气态和液态的小分子能容易地渗过聚合物表面，并在高分子结构中扩散。许多聚合物材料的渗透性，既是优点也是缺点。例如：液态饮料用塑料容器容易渗透，CO₂等会引起化学侵蚀和溶解。纯涤纶PET纤维的衣料，因PET的憎水性，不透气和水，身着不舒服。与天然棉纤维混纺后才有改善。可以控制渗透的薄膜是一项高技术产品。PTFE多孔薄膜，厚度为20～40μm，孔隙率为65%～85%，可用于外科手术用的皮肤覆盖材料。

气体或液体在聚合物的高浓度一侧，向着低密度的另一侧渗透，以一定温度和时间可测得渗透量。其单位时间的渗透量为渗透系数P_g。渗透是一个很复杂的溶解-扩散过程。气体与液体的渗透机理不同。无定形和结晶型聚合物的被渗透的机理也不同。其中气体对无定形聚合物的渗透最简单。常用O₂和CO₂等气体对各种塑料薄膜进行渗透试验。考核和比较各种塑料及其品种的透气性，对食品等包装材料的选择有指导意义。我国塑料薄膜透气性试验相关标准是GB/T 1038—2000。对应有ISO2556和ASTM D1434气体渗透率标准。表1-11是ASTM标准测得的各种塑料在30℃下对O₂和CO₂的渗透系数。其中对水汽的渗透系数相当于透湿系数。

表1-11 各种塑料薄膜在30℃下的渗透系数 [单位：10¹⁰ cm³·cm/（cm²·s·cmHg）]

（续）

注：1cmHg=1333.22Pa。

透气性试验是在一定温度下，试样两侧保持一定的气体压差，测量试样低压侧的气体压力变化。按下式计算透气系数

式中 ——在稳定透过时，单位时间内低压侧气体压力变化的算术平均值（cmHg/s）

V——低压侧体积（cm³）；

S——试样的试验面积（cm²）；

d——试样厚度（cm）；

T——试验温度（K）；

p₁-p₂——试样两侧的压差（cmHg）；

T₀，p₀——标准状态下的温度和压力（K，cmHg）。

在模塑制品生产中，通常用直接试验方法获知渗透结果。对于模塑瓶和挤出塑料管，是通过测试气体压力损失或液体渗漏，得到与壁厚的关系。

5.阻燃性

建筑行业和交通工具上应用的塑料制品，首先考虑材料的是阻燃性。防止火灾和环境保护要求人们重视塑料燃烧性的研究。如表1-12所示，各种塑料有可燃、慢燃、自熄和不燃之分。

表1-12 各种塑料的可燃性

（续）(www.xing528.com)

含有氟和氯的塑料是不燃的。聚四氟乙烯是阻燃材料。未增塑的聚氯乙烯，在燃烧中分解的HCl有抑制作用，高温下释放的烟雾，含有毒的氯气。聚碳酸酯和聚氨酯是自熄的塑料，当火焰和热量撤去后燃烧会熄灭。绝大多数热塑性塑料容易点燃和燃烧。塑料升温加热达到点燃温度后，分解和氧化塑料表面材料，生成可燃气体，各种复杂的反应和自由基的产生，促使了燃烧和生成热量，伴随着有大量烟雾和有害气体逸出。燃烧的最终残留物是碳。表层碳的生成，如同屏障，有阻燃作用。

用户安全和防火法规要求塑料材料阻燃。塑料的阻燃性，根据它所在海平面高度上支持塑料样品燃烧的最低含氧量，即氧指数OL来评定。我国相关标准是GB/T2406.1—2008和GB/T 2406.2—2009，对应的是ASTM D2863和ISO 4589标准。氧指数是在规定条件下，试样在氧、氮混合气体中，维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度，以氧气所占的体积百分数表示。普通大气中的氧指数是22%，故在表1-12中超过此值的塑料大致是自熄和不燃的。

另一方法是GB/T 4610—2008规定的点着温度测定，对应ASTM D1929标准。点着温度是在规定的试验条件下，从材料中分解出的可燃气体，经外火焰点燃并燃烧一定时间的最低温度。它的试样是粒度0.5～1.0mm的颗粒塑料。

美国保险商实验所的UL94燃烧标准，目前被广泛引用。它是将试样水平和垂直放置，用本生灯（Bunsen burner）点燃，观察试样燃烧速度、自熄和滴落物。依阻燃性提高顺序：94HB水平、94V-2、94V-1、94V-0、94V-5。其中94HB为水平燃烧，其他均为垂直燃烧。图1-13所示是UL94塑料试样的可燃性的检测方法。它们对应我国标准是GB/T 2408—2008《塑料 燃烧性能的测定 水平法和垂直法》。

图1-13 UL94塑料试样的可燃性检测

a）UL94HB水平燃烧测试 b）UL94V2-V1-V0垂直燃烧测试 1—测试的塑料试样 2—标记线 3—本生灯 4—棉花 5—金属丝网

UL94HB水平燃烧的测试，用于慢燃不能自熄的塑料。此为UL94阻燃性的最低等级。经常是垂直方向的V-0、V-1或V-2方式不能通过时，才采用这种方法。UL94V0是保险阻燃等级。UL94V-1评定方法与V-0类似。它允许自燃时间较长一些。UL94V-2评定方法与V-1相同，但它允许燃烧的熔体滴下时能点燃棉花。UL94V-5是最严格的检测方法。

此外，我国还有GB/T 2407—2008，用于评定硬质塑料的可燃性；GB/T 6011—2005，用于评定纤维增强塑料的可燃性。电加热的炽热棒用碳化硅制成，主要以烧蚀距离来评定。

提高塑料材料的阻燃性有许多途径，常用的是添加阻燃剂。由于各种塑料的燃烧过程很复杂，故阻燃剂的品种也很多。它们起抑制燃烧和阻碍火焰蔓延的作用，使用得最多的是氯、溴、锑、磷和铝的化合物。有的阻燃剂在高温时熔融渗出到表面，形成密封膜；有的热分解后产生不燃气体，稀释可燃气体；有的促使塑料炭化消耗热能，减小引燃可能性；有的捕获羟基，延缓燃烧反应过程。

阻燃剂使用不当，会在注射加工时逸出刺激性气体，腐蚀模具和螺杆等成型机械零件。含阻燃剂的塑料是热敏感性物料，成型加工时需慎重对待。

采用无机填料（如氢氧化铝、碳化钙和玻璃纤维等）也有阻燃作用。随着它们的含量增加，可燃成分减少、发热量降低、阻燃性提高。燃烧时制品表面生成灰化的无机被膜，对氧气有隔离作用。

将自燃聚合物与不燃聚合物共混，如ABS和聚氯乙烯共混，可使ABS阻燃性提高。制品表面被覆不燃物质和难燃物质后，火焰的直接作用被阻隔。

6.耐候性

耐候性是指塑料暴露在日光、冷热和风雨等气候条件下的稳定程度。耐候性与热氧老化、光氧老化、湿热老化、化学老化、臭氧老化和生物老化等有关。它是塑料性能在气候条件下的一项综合评估。

气候条件通常是指受到太阳直接辐射时塑料抗紫外线辐射的能力。绝大多数塑料在受到紫外线辐射后性能下降；塑料制品的表面出现褪色和银纹；表面硬度也有丧失。

紫外线UV（Ultraviolet radiation）不能透过窗玻璃。但室外的紫外线照射足以使聚合物分子链破裂，使塑料变色，最终脆裂和粉化。波长在280～320nm的UV对聚合物最为危险。室外的热和湿气又加快了UV降解的过程。组合作用具有更大的危险性。

我国塑料自然气候暴露试验方法的相关标准是GB/T 3681—2011。它是一种长时期的低成本的比较试验法：根据我国气候条件以热带、温带、寒带、高原和沙漠来设置暴露场地；按标准制作的试样，置于室外的暴露试样架上，此架面向正南，一般倾斜45°；暴露角使试样获得最大的年辐射量；然后定期测试试样的几项性能，与原始值比较。在受到紫外线辐射的6～12个月里，绝大多数塑料的抗冲击性能会降低。

表1-13是ASTM D1435标准中各种塑料的室外耐候性（暴露架倾斜45°，在美国南部测得）。表中列出了各种热塑性塑料的耐候特征，更说明了紫外线稳定剂的作用。光稳定剂或称UV稳定剂，是能够抑制塑料光老化的添加剂，主要有光屏蔽剂和紫外线吸收剂两种。塑料中添加炭黑作为光屏蔽剂，可使紫外线能量转变成热能，且成本低廉。倘若室外使用塑料件不能是黑色，则用白色颜料和无机颜料起光反射作用，同时添加紫外线吸收剂，使塑料避免与紫外线直接作用，保护塑料制品。

表1-13 各种塑料的室外耐候性

为了测试紫外线稳定剂的作用，国外有实验室的加速试验方法。ASTM D499对应ISO 4892，是将试样放入特殊的箱里，用碳弧灯产生的紫外线辐射，让试样交替循环加温和干燥；ASTM D2565对应ISO 4892，是用氙弧灯和水的耐候性试验标准。

7.电性能

塑料和橡胶因具有电绝缘性，被广泛地用来制造电线电缆、印制电路板、电气开关、接插件和电子电气设备的机壳。所有的聚合物和大多数塑料都是电的绝缘体，但其绝缘性能各有差异。塑料制品的绝缘性能，不仅与聚合物种类有关，还与各种添加剂性能有关。绝缘性能还与温度、交变电场频率、湿度等环境因素有关。

（1）塑料的绝缘性能 塑料的绝缘性能有相对介电常数和介质损耗；塑料的耐压性能有介电强度、耐电压性和耐电弧性；功能塑料的导电性能有电阻和电阻率、体积电阻系数和表面电阻系数塑料件的电学性能，将决定电工产品设计时的材料选择，塑料件的设计和试验方法的确定。

1）相对介电常数。在电极形状一定的电场作用下，某塑料为介质时的电容C_x与以真空为介质的电容C_v之比，称为相对介电常数（ε），即

ε表征了塑料储蓄电能大小的物理量。聚合物及添加剂的极化程度越高，在电极上感应产生电荷越多，相对介电常数越大，该塑料的绝缘性越差。ε最低的是聚四氟乙烯，ε=2.1；较高的是PA6，ε=4.7。ε值与温度、频率、潮湿环境等有关。

相对介电常数ε也被称为介电常数或介电系数。对电极施加有直流电场或交流电场，我国有GB/T 1409—2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数推荐方法》。此标准对应ASTM D150。

图1-14 介质损耗

2）介质损耗。在交变电场作用下，塑料介质在取向极化过程中，伴随着有能量的损耗。介质中耗散功率与外加电压和电流乘积的比值，被称为介质损耗，可表达为

为外加压与电流的相位差。如图1-14所示，δ=90°-，称为损耗角。Icos=I_ctanδ，相当于ab部分的电流被损耗。当→90°时，cos→tanδ，tanδ称为介质损耗角正切或介质损耗因数。

介质损耗角正切tanδ，是表征该绝缘材料在交流电场下能量损耗的一个参量，是外施电压与通过试样的电流之间相角的余角正切。在10⁶Hz交变电压下，tanδ最低的是聚乙烯，tanδ=0.0001；较高的是PA6及环氧树脂，tanδ=0.03。为方便起见，常用角度的弧度单位来描述。因为δ→0，tanδ→δ（弧度），1μrad=10^-6 tanδ。tanδ与频率、温度和湿度，以及使用的添加剂有关。

3）介电强度。也被称为击穿强度E_b。它是在规定试验条件下，在连续升高的电压下电极间试样被击穿时的电压与试样厚度之比，常用kV/mm作为单位。我国关于绝缘材料电气强度试验方法的相关标准有GB/T 1408.1—2006、GB/T 1408.2—2006、GB/T1408.3—2007。击穿电压U_b，是用连续均匀升压或逐级升压方法，使试样发生击穿时的电压值，单位为kV。国外的介电强度测试有ASTM D149标准。表1-14所列为美国所测各种塑料的短时电性能。

表1-14 各种塑料的短时电性能

4）耐电压性。耐电压性表示塑料的耐压能力。耐压试验是一种非破坏性试验，适用于已成型的塑料制品。耐电压是试样在一定电压作用下，在规定的时间内没有发生击穿的电压值，以kV和min为单位表示。将制品放到电压试验装置上，停留1min，若制品未被击穿，就称该电压为塑料制品的耐电压值。

5）耐电弧性。其表示塑料对电弧、电火花的抵抗能力。测试时，将钨棒磨成的两根电极放在塑料试样上，极间距6mm，两电极间施以高压，以电弧破坏试样所需时间（s）来表示塑料的耐电弧性。我国相关标准是GB/T 1411—2002《干固体绝缘材料 耐高压、小电流电弧放电试验》。表1-14中的耐电弧时间系按ASTM D495标准测得。它的两电极间距为6.35mm。

6）体积电阻率。塑料的电阻是一定条件下的实验值。它与试样形状、电压施加方法和环境因素有关。我国相关标准是GB/T 1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》，对应国外有ASTM D257标准。绝缘电阻取决于体积电阻和表面电阻，均以Ω表示。在电工塑料件应用时，关注的是体积电阻率和表面电阻率。它们有严格的测试条件。

体积电阻率也称体积电阻系数，是在试样体积电流方向的直流电场强度，与该处的电流密度之比。

式中 ρ_V——体积电阻率（Ω·cm）；

V——电极间直流电压（V）；

I_V——流经试样体积间的电流（A）；

S——测量电极面积（cm²）；

t——试样厚度（cm）。

铜的ρ_V=2×10^-6Ω·cm。一般ρ_V=10⁸Ω·cm以上的塑料为绝缘体，如聚酰胺11的ρ_V=3×10¹⁴Ω·cm，聚四氟乙烯的ρ_V=10¹⁸Ω·cm。

7）表面电阻率。也称表面电阻系数，是沿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。在平板试样上，内外放置两个圆形电极，外环形电极内径为D；内圆电极直径为d，D>d；在试样上两极间的环形表面上作用有径向漏电流则有

式中 p_S——表面电阻率（Ω）；

D——环电极内径（cm）；

d——测量电极的直径（cm）；

V——电极间的直流电压（V）；

I_S——流经试样表面的电流（A）。

（2）电绝缘塑料材料的选用 应从塑料的极性、温度与湿度、添加剂和静电等方面，讨论电绝缘塑料材料的选用和改性。在工业生产时还必须全面考虑加工工艺、生产率和成本。

电绝缘材料又称电介质。塑料是良好的绝缘材料，但是，在外电场作用下还是会发生电导、极化、损耗和击穿等现象。塑料在电场作用下，会有很小的漏电流。用体积电阻率（ρ_V）和表面电阻率（ρ_S）表述塑料的绝缘电阻；又用相对介电常数（ε）来表征塑料被极化程度；用介质损耗因数（tanδ），又称介质损耗角正切，表述在交变电场下能量的损耗程度；用介电强度（E_b）描述施于塑料试样两端的外电场强度高于某临界值。电流使材料丧失绝缘性而被击穿。电工工程用耐电压性（kV或min）和耐电弧性（s）作为防止电击穿的指标。表1-15列出了常用塑料的电性能。这些性能数据都是在标准测试条件下获得的。各种塑料材料制品的介电性能，因添加剂、温度与湿度、加工工艺等影响而有差异。

塑料材料应对强电的绝缘，通常是指工业用电380V以上的电压。在高压下工作的变压器、开关和电真空附件等，必须防止电导和击穿，对塑料有介电强度要求，还有阻燃和长期使用的要求。对电力输送几百千伏耐压的电缆料，还有耐候性要求。

对通信、雷达和微波无线电装备等，塑料材料应对交流高频电流绝缘，首先要求选用相对介电常数ε和介质损耗因数tanδ数据小的塑料。必须关注塑料在高频下的极化和损耗。表1-16列示塑料的介质损耗因数和使用频率范围。

加入小分子的阻燃剂和增塑剂等极性物质，会增加塑料的介电损耗，还会使介电强度下降。添加各种矿物无机填料和玻璃纤维的塑料，也会导致增大相对介电常数ε和介质损耗因数tanδ。吸水的玻璃纤维增强塑料在老化后，介质损耗明显增大。

塑料不吸潮也不润水时，其电性能基本不变。当塑料吸潮时，材料的体积电阻率和表面电阻率都下降，而ε和tanδ有上升。塑料不吸潮但润水时，表面电阻率下降。受水分影响较大的塑料有酚醛塑料、脲醛塑料、聚酰胺和纤维素塑料。充填木粉等有机填料和玻璃纤维增强塑料，受水分影响较大。有机硅和聚四氟乙烯基本不受潮湿影响。

表1-17的耐热等级反映绝缘材料热性能指标。添加无机填料比添加有机材料，有B、F和H的较高的耐热等级。要达到200℃以上耐热等级，要选用聚四氟乙烯和聚酰亚胺等耐热塑料。

塑料在加工和使用过程中接触和摩擦会产生静电。由于塑料的漏导速度很慢，例如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的静电可持续几个月。塑料的吸水性有利于静电的漏导。吸水性好的塑料例如聚酰胺和醋酸纤维素等，随吸水增加，静电荷降低。一般塑料的体积电阻率在10¹⁵Ω·cm以上，容易积累静电。因此，塑料件表面极易受到污染；而在10¹⁰Ω·cm以下的、电绝缘性较差的塑料不易污染。

因此，抗静电塑料越来越受到人们的重视。简便有效的方法是使用抗静电剂。抗静电剂多半是亲水性的表面活性物质，具有不断向聚合物表面迁移的性质。其分子结构一端带有亲水基团，朝向聚合物表面，并吸附水分，形成一层导电膜，从而提高了聚合物表面的导电性，使静电加速疏导，避免积蓄。外静电剂用涂覆、浸渍或喷雾方法涂于制品表面；内静电剂是在塑料成型前加入，效果较好具有永久性。具有导电材料填充的复合塑料，体积电阻率为10⁴～10⁷Ω·cm，为防静电的塑料。

表1-15 常用塑料的电性能

表1-16 塑料的介质损耗因数和使用频率范围

表1-17 耐热等级及适用材料

8.光学性能

总透光率T_t是可见光透过材料的光通量T₀与入射光通量T_i之比。

但光线在材料中通过时，有角度偏离的散射现象。定义透明塑料的最大偏离角度为2.5°。这部分偏离的透射光通量T_s与入射光T_i之比，称为扩散透光率T_d。

T_d说明了材料的散射特性。扩散透光率T_d与总透光率T_t之比称为雾度h_a。

总透光率大且雾度小的塑料才是透明度好的材料。一些塑料的总透光率和雾度等性能见表1-18。一些无定形聚合物是透明的；结晶型聚合物的散射现象减小了透光率，产生如雾般的模糊。透光塑料玻璃和光学塑料透镜要求透光率高且雾度小；照明灯罩要求有高的透光率，但雾度要高，以消除光源的眩目。

光线通过透明材料时产生折射现象，是由于光在不同介质中传播速度不同所引起的。透明材料的折射率，定义为光在真空中传播速度与光在该材料中传播速度之比。折射率n_D在数值上可表述为入射角i的正弦与折射角r的正弦之比。

表1-18 一些塑料的性能

注：最高连续使用温度指该温度下90d不变形。

试验时用专门波长的钠光测得塑料的折射率n_D，如表1-18所列。较大的折射率会使光学透镜中光线偏离，造成图像失真。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的折射率小于普通无机玻璃，与光学无机玻璃折射率相近。

折射率大于1的任何透明材料，当光线从材料内向空气中折射时，入射角大于某个临界角度时，光线不能折射到空气而全部被内部反射。将透明PMMA、聚苯乙烯PS或聚碳酸酯PC等制成细丝，有弯折时都可使光线沿细丝传递。此种“光管效应”现已用于光导纤维。单根塑料纤维（直径0.15～3.0mm）用来传递电子信息或直接制成医用窥视潜镜。用无机玻璃制造的光导纤维，在外层也被覆透明塑料，以起防振和保护作用。

聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，俗称有机玻璃，是光学性能最好的塑料。用来制造光学透镜、太阳镜、光纤和光盘等。聚苯乙烯PS是很普及的光学塑料，用来制造照相机透镜和光纤等。聚碳酸酯PC是综合性能优良的透明工程塑料，用来制造防护玻璃和大型灯罩等。它们为三大透明塑料。

透明塑料与无机硅玻璃相比，质轻、耐冲击，容易着色和加工。制造平板或略弯的透明塑料板成本较低，所以大量用来制造安全防爆的透明制品，例如汽车上前后车灯。透明塑料着色或涂上荧光材料，制造反射亮度高的各种信号制品，应用也很多。但是透明塑料不耐磨，易刻划痕迹；制品的尺寸稳定性差；不耐高温和低温，耐候性差；有的塑料在阳光下会泛黄。

苯乙烯-丙烯腈共聚物，常缩写成AS或SAN。AS的透光率与PS相当，但折射率稍低。透明状态AS，用于灯具的外壳，家用电器的表盘、按钮和小壳体等。半透明的AS，用于工艺装饰品或日用品。

苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物MS，透光率优于PS，耐候性和耐磨性优于PMMA，可替代PMMA，用于注射成型的透明塑料。

二甘醇双烯丙基碳酸酯ADC（CR-39），是透明的热固性塑料，抗冲击且硬度高，用来制作各种经染色或镀膜的眼镜片。

JD系列光学塑料是聚醚砜PES的衍生共聚物，也属热固性塑料。国内研制和批量生产光学塑料，采用浇铸法生产透镜。

聚甲基丙烯酸羟乙酯HEMA，是软质隐形眼镜材料，具有高吸水性，镜片的透气性和生理相容性好。

聚4-甲基-1-戊烯（poly-4-methyl-1-pentene）简写为PMP，商品名为TPX。它是结晶型的透明塑料，熔体黏度低、便于成型，有较好的耐热性，但硬度低、成型收缩率大，用于医疗器械、食品容器和照明用具。

透明聚酰胺Trogamid-T，对苯二甲酰三甲基己二胺是无定形的聚合物，吸水率较高，雾度低，具有工程塑料的综合力学性能和耐热性。

9.摩擦磨损

塑料用于轴承、齿轮和带轮时，必须熟悉塑料的摩擦磨损和硬度性能。高分子聚合物及其复合塑料在摩擦与磨损性能方面表现奇异，因此成为现代“摩擦学”的重要研究对象。塑料与金属相比，摩擦和磨损具有其特殊性。对这个问题的深入了解，不仅有助于塑料轴承和齿轮的设计，也提供了塑料及橡胶的传动螺母、导轨、滑轮、传送带和刹车片等制品设计的理论基础。

（1）摩擦 摩擦系数是受众多因素影响的物理量。

1）滑动摩擦。根据黏附剪切理论，两个接触物体的表面由于存在表面粗糙度（Ra），它们间的实际真实接触面积比起表观面积是十分小的。Ra=10μm的两表面接触时，真实接触面积只占表观接触面积的0.01%～1%。两表面间的摩擦力，是接触点峰尖的弹性、或弹性和塑性变形的结果。这些接触点的切向变形形成了摩擦阻力。设真实接触面积为A，接触面上法向正压力为N，则有

式中，σ_y是摩擦副中软材料的屈服应力。摩擦力F正比于σ_y，且由于

F=τA （1-18）

式中，τ是摩擦副中软材料的剪切强度。由此，摩擦系数定义成

大多数塑料的剪切强度与屈服应力之比为1/3，因此f值在0.2～0.4之间。

静摩擦系数是两接触固体之间产生初始运动所需克服的切向阻力F和施于接触表面上的正压力N之比，如图1-15a所示，可用倾斜滑板上的滑块，以有初始滑动时的滑板倾角θ求得。表1-19列出了13种材料组成摩擦副的静摩擦系数f_s。滑板以13°/s的速率增加倾角，接触压力为184Pa，公称接触面为4cm×4cm，在室温20℃和湿度60%RH环境中，且界面干燥时，测得f_s。在特定条件下的这些数值，还与摩擦副的上下位置有关，摩擦系数数值有较大离散性。因此，确定摩擦数据时，必须与实验操作条件尽可能接近。

图1-15 测量摩擦系数的装置

a）测静摩擦系数 b）测动摩擦系数

动态摩擦系数的测定如图1-15b所示。用重物经定滑轮拖曳运动物体，f_k=F/N。表1-20是接触压力为80Pa，滑动速度为6.2cm/s，于常规环境条件下测得的f_k值。通常动摩擦系数f_k小于静摩擦系数f_s。结晶型热塑性塑料有较小的f_k（0.1～0.25），且不受材料组合影响。

表1-19 13种材料组合的静摩擦系数fs

表1-20 11种材料组合的动摩擦系数fk

（续）

2）滚动摩擦。滚动摩擦系数f_r比滑动摩擦系数小一个数量级。工程中常见的是钢柱或钢珠在塑料或橡胶表面上的滚动。滚动摩擦阻力很小，传统的斜面法可以测量，但装置复杂又需精密，故常用振子法。利用振子双向位移幅度随时间衰减求出摩擦力矩M或摩擦力F，也可直接测量滚动体速度的降低来推算。

图1-16 滚动摩擦的平衡力图

按理论力学的滚动摩擦平衡条件（如图1-16所示），驱动力矩需克服的摩擦力矩M应为

M=FR=Pe （1-20）

式中 F——切向摩擦力；

R——旋转体半径；

P——作用于滚动体上的负荷；

e——偏心距。

由此得滚动摩擦系数为

滚动摩擦理论基于弹性力学的赫兹公式，还须考虑塑料黏弹性造成的滞后损失。由于滚动体负荷P的作用，在塑料平板上产生凹陷的弹性变形。滚动体向前滚离时，弹性变形不能瞬时完全恢复，有极小部分滞后恢复的变形，阻碍了滚动体的运动。平板表面硬度越高，滚动摩擦阻力矩M越小。滚动摩擦系数f_r与滚动体半径R成反比。滚动摩擦系数f_r还与平板温度、表面粗糙度、滚动体速度和空气阻力有关。

3）影响摩擦的因素。大多数实用塑料在环境温度80℃以下，摩擦系数随温度升高而提高。湿度提高会使吸水率较强的塑料品种（PA6等）的f_k值变大，但对一般塑料（PA12、PE等）并无影响。对不吸水的PTFE，湿度提高反而使动摩擦系数下降。

塑料的表面粗糙度会影响摩擦性能。例如注射成型时缓慢冷却，对塑件表面抛光，可降低动摩擦系数。润滑剂通常能降低摩擦系数，但必须选择适宜的润滑剂，避免油或润滑液对塑料产生溶胀现象。

对称分子链排列的聚合物具有较小的摩擦阻力。交联热固性树脂与钢的摩擦系数f_k平均值为0.51。无定形塑料与钢的f_k=0.22～0.48。PC、ABS和PVC的f_k较低。结晶型塑料f_k=0.11～0.31。PE和PTFE因分子结构对称性较好而有较低的摩擦系数。

随着聚合物相对分子质量增大，摩擦系数有所提高。结晶型高聚物的摩擦系数通常较小，随着高聚物结晶度提高使动摩擦系数降低。平行取向方向的动摩擦系数，通常比垂直取向方向的小。

玻璃纤维或碳纤维充填的增强塑料，可获得较高刚性，因而减小了摩擦。硅油、聚四氟乙烯、石墨和二硫化钼充填可有效降低塑料的动摩擦系数。

（2）磨损 影响磨损的首要因素是材料及摩擦副材料的配对。影响摩擦的因素也对磨损起作用。摩擦与磨损是同一过程的两个方面。磨损关系到运动件的工作寿命和精度。

1）磨损类型和机理。粘着磨损和磨粒磨损是塑料制品的主要磨损类型。其他还有腐蚀磨损、老化磨损和蠕变磨损等。在工程实际中，塑料件磨损往往是多种因素的综合结果。

粘着磨损是磨损量最大的一种磨损类型。它的磨损量与滑动距离成正比，与载荷成反比，但与软材料的硬度或屈服应力成反比。在界面上生成转移膜的现象是它的特征。

固态聚合物在合适速度下，产生向对摩表面转移的薄膜。不仅会转移到聚合物表面，也会转移到对磨的金属或玻璃等表面。发育良好的转移膜是连续成片的，例如PT_- FE、UHMWPE、HDPE和LDPE所生成的转移膜。也有断续的例如PA66和POM等。而PP和PMMA等形成转移膜较困难，而且是成块或成条状。对摩擦起平衡作用的转移膜厚度为2～3nm，能起到对界面的润滑作用，使磨损速率趋于稳定。转移膜的产生取决于滑动速度、温度和路程，与负载关系不大。转移膜产生和破碎是剪切磨损过程。PT_- FE在高聚物中剪切强度最低，在粘着剪切过程中先形成取向转移膜，而后形成纤维状细条，最终生成细丝磨屑，此时有很高磨损速率。

磨粒磨损是硬质颗粒在摩擦界面上对软材料起刨削作用。根据硬质颗粒状态可分为自由状态的磨蚀和冲击磨蚀。在硬质点对塑料的刨削过程中，伴有较大的弹性和塑性变形。磨粒磨损的速率不但与材料表面压痕硬度、表面破裂的强度和应变有关，还与磨损的类型、形态和尺寸有关。

2）磨损量。磨损量是依据重量变化或尺寸变化进行测定的。塑料的磨耗量比金属的少，但由于塑料易受温度、湿度及静电场等影响，测试工作比金属材料困难得多。只有那些与实际工作条件接近的试验装置，才能对磨损性能作出较为可靠的预测。

在磨损试验中，磨损量正比于载荷N与摩擦距离S。磨损量W的关系式可表示为

W=KNS （1-22）

式中，K为磨损系数，表征为在单位载荷下，单位滑动距离的磨损量，常以载荷1N、滑动距离1mm的体积磨损量（mm³）表示，也称为磨损比例常数，用于比较材料的耐磨性能。表1-21所列数据是用旋转钢圆盘端面对塑料试样圆销端面，短时快速测试的结果。摩擦距离为100m，速度为0.208m/s，载荷为33N。此表可用于比较各种塑料的磨损性能。

表1-21 几种塑料的磨损系数K [单位：10^-8 mm³/（N·mm）]

还可用摩擦面的磨损深度d来表达磨损量。由式（1-22）得到关系式为

其中S=vt，N=pA

式中 v——相对运动速度；

t——摩擦时间；

p——接触压强；

A——表观接触面积。

在塑料径向轴承的设计和试验中，采用径向磨损系数K_r，将径向磨损量与其他工作参数联系起来，则有：

d_r=10³K_rpvt （1-24）

式中 d_r——轴承径向磨损深度（mm）；

p——径向压力（MPa）；

v——轴表面速度（m/s）；

t——工作时间（s）；

K_r——径向磨损系数（mm²/N）。

10.硬度

硬度是材料对一定形状硬物压入的阻抗能力。对于完全结晶的金属，其硬度与材料的塑性及材料表面的耐磨性有较好的必然联系。而对于塑料与橡胶，由于微观结构的复杂性和具有黏弹性，以上的关系有较大近似。由于硬度测量方便，它经常作为塑料、橡胶材料及其制品的一项综合力学性能，来比较材料和制品的质量。

（1）邵氏硬度 使用邵氏（Shore）硬度计，将规定形状的压针在弹簧压力下压入试样，把压针压入试样的深度转换为邵氏硬度值。邵氏硬度分为邵氏A和邵氏D两种：邵氏A的压针尖端有个微小平面，适用于较软的塑料和橡胶；邵氏D适用于较硬的塑料和橡胶。我国相关标准是GB/T 2411—2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》。

（2）球压痕硬度和洛氏硬度 我国相关标准是GB/T 3398.1—2008《塑料 硬度测定 第1部分：球压痕法》和GB/T 3398.2—2008《塑料 硬度测定 第2部分：洛氏硬度》。GB/T 3398.1—2008是参考ISO 2039-1：2001制定的。球压痕硬度是指以规定直径的钢球，在试验负荷作用下垂直压入试样表面，保持一定时间后单位压痕面积上所承受的平均压力。GB/T 3398.2—2008是参考ISO 2039-2：1987制定的。洛氏硬度根据钢球直径和主负荷大小有四种标尺。常用的是M和R标度。M标尺时钢球直径为6.35mm，主负荷为980.7N。R标尺时钢球直径为12.7mm，主负荷为588.4N。

（3）布氏硬度 布氏硬度也是一种球压痕硬度，常用于金属材料，也可用于刚硬塑料，以便进行硬度对比。用一定直径的球压头在恒定负荷下压入试样，用负荷除以球压头造成的球形凹穴的面积，就是布氏硬度标度。

（4）巴氏硬度 用巴氏（Barcol）硬度计测量。压头顶端有直径0.157mm小平面，此圆锥体压头在标准弹簧的压力下压入试样，以压痕深浅来表征试样的硬度。我国相关标准是GB/T 3854—2005《纤维增强塑料巴氏（巴柯尔）硬度试验方法》，适用于测定纤维增强塑料及其制品的硬度，也可用于非增强的硬塑料。

（5）刮痕硬度 刮痕（Scratch）硬度是指材料对另一种材料刻划的阻抗能力，用于塑料测试的是比尔巴姆（Bierbaum）试验法。用正方体的钻石的尖角对准试样，以3g重负荷刻划试样，用负荷除以抓痕宽度的平方表示其硬度，也有采用不同硬度铅笔刻划试样的柯氏（Kohinoor）试验法。

表1-22是国外测得的各种常见塑料的硬度，可供对照。表1-23中的各种硬度标度的比较，只是经验数据，仅供参考。

表1-22 各种常见塑料的硬度

表1-23 塑料的各种硬度标度的比较

（续）