塑料耐高温的限度

塑料耐高温的限度

我们平常所说的塑料只是高分子材料中的一种，高分子材料除了塑料外还有薄膜、纤维、涂料、橡胶等。高分子是一种由小分子经化学反应而形成的长链状的大分子，也叫聚合物。它们的分子量可以达到几万甚至上千万。高分子材料有的由碳、氢两种元素组成，如我们最常见的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和各种橡胶等。氧和氮也常常成为高分子的组分，如聚酯、有机玻璃、环氧树脂、尼龙等。硅橡胶主要是由硅和氧组成，也含有部分碳和氢。聚四氟乙烯主要是由碳和氟组成。现在人们所见到的高分子材料都是有机化合物。

随着化学工业的发展，塑料的品种越来越多，用途也越来越广，可以说，在日常的生活中，我们随时随地都能用到塑料制品。但很多塑料制品不太耐高温。例如，第二次世界大战后，由于超音速飞机和航天事业的发展，要求比铝合金更轻、强度更高的材料，因为飞机或火箭的自身重量越轻，载重量就越大，起飞或发射的成本就越低。波音747飞机的重量如能减少1千克，起飞一次就可以节约450美元，减少航天飞机1千克重量，发射一次就可以节约3万美元。当然，人们自然而然地会想到塑料是很轻的，能否用到飞机上。但是，当飞机速度达到音速的2倍时，飞机表面的温度可达到100℃；现代的战斗机速度可以达到音速的2．5倍，这时表面温度可达到180℃；如果速度为音速的3倍，表面温度可达到300℃。因此，不耐高温的塑料是不能用作飞机的外壳材料的。除了飞行器之外，若在电机上使用耐热高分子材料也具有十分明显的效益。如将电机上使用的高分子材料的耐温等级由A级（105℃）提高到H级（180℃），则可以节约铜20%，硅钢片30%～40%，铁25%，在相同功率时，电机体积可以减少30%～50%，寿命可延长几倍到十几倍。因此，发展耐高温的高分子材料很早就成为科学家研究的热点。

塑料的耐热性与两个指标有关：一个是分解温度，在这个温度附近塑料就开始分解。这个分解温度是由人为设定的一种方法测定的，即将样品放在一个特制的天平上，以一定速度升温，当样品重量开始减少时的温度就定为分解温度。实际上塑料只能在分解温度以下200℃左右使用。另一个指标叫玻璃化温度，也可以理解为塑料开始软化的温度。塑料一般的使用温度应当在它的玻璃化温度以下50℃。

一般家庭中常用的塑料，如聚乙烯、聚丙烯等的分解温度和玻璃化温度都很低。含氟和硅的高分子材料热稳定性很好，它们的分解温度都在400℃左右。在20世纪50年代，化学家发现由苯环及某些杂环为主要组分构成的高分子材料具有很高的分解温度和玻璃化温度，同时也具有很高的机械性能，耐辐射、耐化学腐蚀，是一类新型的高分子材料。由于这类高分子材料的结构单元主要是芳香环和杂环，所以也称为芳杂环高分子。到了20世纪70年代末已发展出几十类，几百个品种的芳杂环高分子。近年来已经工业化的有聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚酮、芳香聚酰胺（芳香尼龙）、芳香聚酯（液晶聚合物）、聚酰亚胺等。这些聚合物都具有很高的热稳定性，例如芳香尼龙的玻璃化温度在300℃以上，聚醚砜、聚醚酮的分解温度在450℃～550℃，有些聚酰亚胺的玻璃化温度更接近其分解温度，而且最高的分解温度司以达到600%，使用温度可以达到400℃左右。这个温度目前被认为是有机高分子材料使用温度的极限，因为作为结构最规整、最紧凑的金刚石和石墨在空气中的热分解温度也只在600%～700%。所以要想得到使用温度较高，尤其是长期使用温度在400℃以上的有机高分子材料是困难的。人们设想，比有机高分子材料更耐热的聚合物应该是无机高分子。这些高分子不是由热稳定性有限的碳碳键组成，例如由二氧化硅组成的石英在1500℃左右才能软化，但它常温下硬而脆，不能像有机高分子材料那样强韧而得到广泛的应用。要得到强而韧的无机高分子必须使它具有长链状结构。可以形成这种结构的无机元素有几十种，对它们的研究也已有半个世纪以上，但目前仍未能得到理想的无机聚合物，主要原因是这些聚合物大都容易水解，此外也难以得到高分子量、高强度。所以，这方面的工作还有待以创新的思维来突破。

芳杂环高分子的应用范围很广，聚酰亚胺薄膜和漆包线可以耐180%或更高的温度，被用在要求有高可靠性的场合，如航空航天、电气机车、冶炼厂、吊车等方面的电机或导线的绝缘材料。聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚酮、芳香聚酯和聚酰亚胺作为工程塑料还具有自润滑、耐磨、密封等作用，更由于轻质、高强，司以代替某些金属，使机电产品变得更轻、更小、更可靠。由芳香尼龙纺得的纤维除了有比尼龙高几倍的强度外，还能耐火，所以用作战斗机驾驶员的飞行服和降落伞，也用作消防队员的消防服，这些织物即使在遇火时也不会燃烧、熔化、皱缩，因此能够起很好的保护作用。耐热聚合物与碳纤维制成的复合材料具有比金属更高的强度和刚性，是代替金属制造飞机和火箭的材料。美国正在建造的速度为声速2．4倍的大型客机，有一半结构材料准备使用聚酰亚胺碳纤维复合材料，预计每架飞机需用30吨。这种飞机投入使用后，由美国洛杉矶到上海的飞行时间可以由现在的12小时缩短为4小时多一点。这些高分子材料还由于具有高的绝缘性能和很低的热膨胀性在微电子工业中起着关键的作用。更先进的光电材料也以这类高分子为基础正在活跃地研究中。

可以预见，在21世纪，耐高温的芳杂环聚合物会在工业技术和人们生活中发挥越来越大的作用。