作為機械工程材料所使用的塑膠。塑膠是以合成樹脂為主要成分的高分子材料。它能在熱和力的作用下模塑成各種製品。塑膠中常加有固化劑、增塑劑、穩定劑、抗氧劑、阻燃劑、填充料、增強料等。塑膠有熱塑性和熱固性兩大類。20世紀80年代初,世界塑膠總產量約6000萬噸,平均年增長率7~9%。塑膠具有多功能和少無切削加工的特點,合成塑膠的能耗比冶金所需能耗低得多,如以塑膠作為1,則鋼為4.5,鋁為24。

  簡史< 1907年酚醛塑料(PF)問世,開始用於生活用品,後用作電器絕緣零件和機械零件。此後出現瞭聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP)等。這些塑料發展快、成本低、用途廣、產量大,稱為通用塑料,大量用於建築、包裝、農業、傢具、傢用電器等方面。1939年聚酰胺即尼龍(PA)出現,由於其良好的機械性能和熱性能,開始用作軸承、齒輪等重要機械零件,並被稱為工程塑料。後來又相繼有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)三元共聚體、聚碳酸酯(PC)和聚甲醛(POM)問世,連同聚酰胺,共稱為四大工程塑料。隨後,各種耐溫等級較高的工程塑料陸續商品化(見表)。事實上不少通用塑料經填充、增強、共混、共聚、接枝、交聯等改性後,也大量地應用於機械工程。酚醛(PF)、環氧(EP)、不飽和聚酯(UP)、聚氨酯(PUR)、聚鄰苯二甲酸二丙烯酯(DAP)、有機矽等熱固性塑料,亦被作為工程塑料使用(用長纖維增強的熱固性塑料則是重要的復合材料)。

各種工程塑料投產年份

  性能和用途 工程塑料除成型工藝簡便、生產效率高之外,還具有質量輕、減摩、耐磨、耐蝕、電絕緣、透明、消振和消音等特點。通過特殊改性,還可有光敏、導磁、導電等功能。它們已獲得廣泛的應用。①一般結構件:可作殼體、框架、手輪等。例如用低發泡PC制造的汽車罩殼,每件重24千克,可一次註射成型。②傳動結構件:可作齒輪、蝸輪、聯軸器等。例如200千克的齒輪坯可用鑄型尼龍(MC尼龍)一次澆鑄成型。③減摩、自潤滑件:可作軸承、導軌、活塞環等,如塑料-多孔青銅-鋼背三層復合自潤滑軸承,估計世界年消耗量達1.5億個,可在無油潤滑、邊界潤滑和水潤滑條件下工作;聚四氟乙烯纖維織物鋼背軸承的承載能力高達400兆帕;以固體潤滑劑填充、以石棉織物增強的 PF、DAP等塑料用作水泵軸承、軋鋼機軸承、船尾軸承,可大量取代滾動軸承等;以青銅等填充的聚四氟乙烯機床導軌,既耐磨又可消除粘-滑現象(爬行)。用改性的聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰亞胺等作為壓縮機活塞環,可實行無油潤滑。④耐蝕件:可制作化工容器和泵、管、閥等,如整體式聚苯硫醚離心泵,利用磁力馬達,使之與介質隔離,具有突出的耐腐蝕、耐熱性能。聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯管道外纏玻璃鋼所制成的復合管道,既耐壓又耐蝕,可節約大量不銹鋼。⑤電絕緣件:可作線圈骨架、印刷線路板等。如大型電子計算機多層印刷線路板大量采用瞭耐高溫塑料聚酰亞胺。⑥高強度、高模量結構件:可用以制作高速風機葉片、螺旋槳推進器葉輪等。如小型船舶螺旋槳推進器采用玻璃纖維增強尼龍610塑料註射成型,每隻重略大於50千克,既耐腐蝕又耐氣蝕。

  工程塑料在汽車上的應用量最大。據70年代末資料,每輛汽車有800~1000個零件采用塑料,主要為內飾件、外殼件和功能件,共重50~80千克,如儀表板、正時齒輪、保險杠、油箱、蓄電池、各種底盤襯套和罩殼車門等,可降低汽車自重和油耗。

  展望 塑料工業的發展將著眼於節約能量,提高生產率,防止公害,開拓新的應用領域。反應註射成型(RIM)和反應增強註射成型(RRIM)可使聚合和成型一步化,已成為節能高效的新工藝。互透網絡聚合物(IPN)具有彈性模量高、抗蠕變的特點。又如液晶聚合物(LCP)(或稱自增強塑料),其中對羧基苯甲酸與PETP的共聚物可隨著熔體中液晶的形成而粘度急劇下降,成型後冷卻又有突出的剛性和韌性,其沖擊強度可達玻璃纖維增強尼龍的10倍,彈性模量(見拉伸試驗)為其2倍。

  老品種的改性是重要的發展方向。用氯化聚乙烯(C)代替ABS中的丁二烯(B)制得的ACS較ABS具有較好的耐濕性。用 PC與PPS共混,可提高PC的耐燃性和耐水性。用PTFE填充的聚甲醛、聚酰亞胺具有突出的自潤滑性。用玻璃纖維增強的PC有較高的彈性模量,並可顯著改善PC的耐應力開裂性。

  聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯和芳香聚酰胺等有機纖維作為塑料的增強材料,其模量和成本介於玻纖和碳纖之間,與塑料又有良好的結合力。

參考書目

 上海勝德塑料廠、上海儀表塑料件廠、上海材料研究所:《工程塑料應用》,上海人民出版社,上海,1973。

 包筱梅:《工程塑料》,國防工業出版社,北京,1981。