塑料的特性与应用领域

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：例如，号称塑料王的聚四氟乙烯，除了熔融的碱金属以外，目前还没有找到一种溶剂能使它溶解或溶胀的物质。据统计，目前塑料材料在人类的呼吸系统、循环系统、消化系统、运动系统、神经系统和感觉系统中都得到了广泛的应用。

塑料的密度通常比金属低，即使经过填充或增强，其密度的增加也是有限的。从材料的使用角度来说，许多场合是以体积计，因而塑料常常较金属具有更高的性能价格比。塑料的成型加工性能也远好于金属，成型过程的能量消耗远低于金属。

1.密度小

由于构成塑料的元素种类、分子链结构和空间排列形式及聚集状态等因素，决定了塑料材料是一种密度小、质量轻的材料。塑料的密度（ρ）一般为0.83～2.20g/cm³。最轻的塑料是聚4-甲基-1-戊烯，密度只有0.83g/cm³，比水还轻；最重的塑料是聚四氟乙烯，密度为2.20g/cm³。大多数塑料的密度在1.0～1.5g/cm³。总的说来，塑料的平均密度约为铝的1/2、钢的1/5、铅的1/8。以空气或其他气体作为填料的泡沫塑料的密度更小，可达10^-2～10^-3g/cm³，几乎只是软木的1/9～1/10，是一般木材的1/30～1/35。

塑料的密度小，对于要求减轻自重的机械及装备具有特别重大的意义，尤其是汽车、飞机、船舶、建筑和宇宙航行器等。例如，汽车工业重要变革之一是提高时速，降低能耗。其主要的办法是更多地采用塑料件以减轻车体质量。美国福特汽车公司制造的38.2kW、气缸容量1L的塑料发动机，较金属发动机质量轻，耗油量减少5%，噪声减少3.1dB，废气排量减少20%。目前，已出现的以塑料为车身的小轿车，车身质量只有186kg，比钢板制车身轻86kg，如2004年上海国际橡塑展会上展出了美国GE公司生产的塑料外壳高级跑车。

航空航天工业进步着眼点之一就是减轻机体质量，以加快速度，节约能耗。例如，美国洛克希德航空公司复合材料中心采用新型热塑性树脂为母体的增强复合材料制造的战斗机前体结构，结构件质量可减轻40%，紧固件质量减轻73%。以F-16战斗机为例，机重若减少10%，其飞机滑跑距离则会缩短30%，航程增加20%，有效载荷增加30%。2000年，美国战斗机用高级塑料复合材料占结构总质量的50%。对于大型喷气式客机，其中塑料零件就有12万个，使用玻璃钢的总质量达2.2t。欧洲各国的航空航天发展规划都非常重视使用先进的高性能新型合成材料和高级复合材料，在宇宙空间站、人造卫星和航天飞船上用于制造蜂窝式结构的外壳、机体外板及其他结构件，塑料材料在人造卫星和宇宙飞船中的用量已占到该类设备总体积的一半。

在船舶工业领域，一艘载重15t的小货轮，其用钢制造船身重量为6t，若改用塑料制造船身则重量仅为1.5t。现在还出现了长50m的大型塑料船。此外，用塑料制成的房屋冬暖夏凉，隔声绝热，防震抗震，便于搬迁，特别适于野外工作人员居住。

2.比强度和比刚度高

塑料的强度虽然比金属低，但由于塑料的密度比金属小，所以比强度（即强度与密度之比R_m/ρ）相当高，尤其是玻璃纤维增强塑料的比强度达到甚至超过一般钢材的水平，见表2⁃1。

表2⁃1 部分塑料与金属的力学性能比较（单位：GPa）

塑料的比刚度（又称比弹性模量，即弹性模量与密度之比E/ρ）也较高。通常认为，塑料的力学性能远比金属差，但许多场合下塑料的比强度是很高的。

图2⁃2所示为几种金属与增强塑料的比强度和比刚度的比较。从图中可知，玻璃纤维增强塑料的比强度虽然很高，但是它的比刚度却相形见绌。碳纤维和硼纤维增强塑料不仅比强度高，而且比刚度也很高。

比强度和比刚度高，对某些场合（如空间技术领域）具有重要意义。例如，碳纤维和硼纤维增强塑料制成的人造卫星、火箭、导弹上的结构零件，不但强度高，刚度好，而且质量轻。

图2⁃2 塑料与金属的比较

1—钛合金 2—铝合金 3—高强度钢 4—70%玻璃纤维环氧塑料 5—75%高强度玻璃纤维环氧塑料 6—70%硼纤维环氧塑料 7—60%高强度碳纤维环氧塑料 8—60%高模量碳纤维环氧塑料

3.塑料具有优异的化学稳定性

塑料具有优异的化学稳定性。有些塑料对汽油、煤油、苯、丙酮和乙醇等有机溶剂十分稳定，有些塑料对酸、碱、盐、气体和蒸汽具有很强的耐腐蚀性。例如，号称塑料王的聚四氟乙烯，除了熔融的碱金属以外，目前还没有找到一种溶剂能使它溶解或溶胀的物质。聚四氟乙烯对强酸、强碱及各种氧化剂等腐蚀性很强的介质都完全稳定，甚至沸腾的王水、原子能工业中用的强腐蚀剂五氟化铀对它也不起作用。塑料由于具有优异的化学稳定性，是一类理想的化工结构材料，在化学工业中获得了越来越广泛的应用，如吸收塔、干燥塔、冷却塔、排气筒、槽车、储槽、泵、管道、阀门、气瓶和衬里等。

在医学工程领域，聚甲基丙烯酸甲酯在20世纪30年代就成为牙托、假牙、牙体修复及人工颅骨的主要材料。到了20世纪40年代，眼科医生用它作为接触眼镜来矫正高度近视和治疗眼球外伤及角膜溃疡症。20世纪50年代以后，开始用塑料制造人体内的人工脏器，如人工气管、人工肾、人工血管、人工心脏瓣膜和脑积水引流装置等。用于外科学和生物医学工程的塑料必须能在长时期与生命组织和人体血液接触的情况下发挥作用，这是一种化学和生物化学错综复杂的特定环境。例如，作为永久植入人体的塑料材料应具备生物稳定性，无排异反应，无凝血现象，能经受消毒而不变性；作为非永久植入人体的塑料材料，则要求在完成其使命后的不长时间内分解为对人体无毒的小分子，然后经新陈代谢排出体外。据统计，目前塑料材料在人类的呼吸系统、循环系统、消化系统、运动系统、神经系统和感觉系统中都得到了广泛的应用。至于用塑料制造的医疗器械，如一次性使用的注射器、输液袋（或瓶、管）、手术器械和消毒杀菌设备等，更是日渐增多并逐渐取代了传统的玻璃材料。

4.塑料的绝缘性能好

塑料对电、热和声都具有良好的绝缘性能，被广泛地用作电绝缘材料、绝热保温材料及隔声吸声材料。由于塑料具有卓越的电绝缘性能和耐电弧性，因而被广泛地在电动机、电器、仪器仪表和电子器件等中用作绝缘材料和制作结构零件，如电动机、变压器、电线电缆、开关、接插件、收音机、收录机、电视机、摄像机和计算机等。

电子电气产品目前正向短、小、轻和薄方向发展。对高电磁性能塑料合金、超导电塑料、电磁波屏蔽材料、光机性能材料和高性能复合材料等，在量和质方面都提出了更高要求。高性能电线、电缆，通信用塑料、光纤，新型传感器用塑料及信息技术处理中用的各种记录、存储材料，CAD用静电记录膜，缩微用胶片等在信息化社会中需求量日益增大，这些都将大大促进塑料的发展。

塑料作为绝热保温材料和隔声吸声材料的应用范围也日益扩大。例如，泡沫塑料广泛用于车辆、船舶、建筑、电冰箱、冷藏箱、冷冻库的绝热保温和剧场、影院、音乐厅、讲演厅的隔声吸声。由于塑料具有吸振和消声作用，因而用塑料制成的机械零件（如轴承、齿轮、滑轮和凸轮等）可以显著减小噪声，或实现无噪声传动。例如，纺织机械中的金属传动零件，若80%改用塑料来制造，则可大大减小织布机车间的打击织梭机和传动机械摩擦碰撞造成的巨大噪声，改善工作环境。

5.塑料具有突出的耐磨性和自润滑性

许多塑料具有突出的减摩和耐磨性能，这是因为塑料的摩擦因数很低，磨耗极小。有些塑料还具有优良的自润滑性，用作传动零件时不必加油润滑。用塑料制成的传动零件（如齿轮、轴承、轴瓦、凸轮、滑轮和带轮等），不但能够实现无噪声传动，而且还可以实现无油润滑。

近年来，塑料机床导轨发展很快，若在机床金属导轨上粘贴或喷涂一层具有优良的减摩、耐磨性能的塑料（如尼龙1010），就能克服导轨容易磨损的缺点，延长机床的使用寿命，而且便于检修，这对于大型机床具有特别重要的意义。

塑料作为耐磨材料，也广泛用于火车、汽车、电车和升降机等用的制动块。例如，用石棉酚醛塑料制成的制动块，比生铁的使用寿命高出5倍。

6.塑料具有多种防护性能

塑料的耐腐蚀性和绝缘性能等，实质上都体现出塑料对其他物质的防护性。塑料的防护性是多种多样的，塑料还具有防水、防潮、防透气、防振、防辐射和阻燃等性能，从而更加拓宽了塑料的应用领域。利用塑料薄膜既透光又保暖的特性，大量用作农用薄膜，此外，还可利用彩色薄膜有目的地控制光质，以促进和控制农作物的生长。例如，应用蓝色塑料薄膜可使茄子产量明显提高；利用绿色塑料薄膜温室种植香蕉，经济效益也很高。用塑料薄膜育稻秧，每亩地可节省稻种5～8kg，能提早15～26天收割，亩产可提高50～100kg。塑料薄膜用于农田灌溉的水渠可以减少水流渗入地下，用于护根可以防止杂草生长和土壤水分蒸发。用于制作给水和排水的管道和容器及其水利设施，塑料往往是首选材料。渔网、鱼箱、鱼筐和鱼篓等现在也都使用塑料材料，既经久耐用又容易清洗。

多数塑料的透气、透湿、透水、吸水等性能比传统的包装材料（如木材、纸张等）要小得多，塑料是一种理想的新型包装材料。包装至今仍是塑料应用的最大领域，其发展仍大大超过其他传统包装材料。随着经济的发展，生活水平的提高，对包装材料，除在性能方面如高阻透性、高耐热性、高机能性、保鲜、无菌等有更高要求外，还要节省原料，降低能耗、适应环保要求。塑料包装材料与传统包装材料比较，考虑材料生产所需能耗量、有害气体（CO₂、NO_x和SO_x）排放等环境影响因素，塑料包装材料有较多的优越性，见表2⁃2。

表2⁃2 同规格纸和塑料包装制品在能耗、质量和环境影响方面的比较

可以看出，塑料与纸包装材料比较，节省能量，节约资源，环境负荷较轻，废弃物产生量少，包装仍将成为塑料的主要应用领域。

我国水泥和化肥产量均居世界首位，目前50%以上的水泥包装使用复合编织袋。此外，复合编织袋还用于矿产品、化工产品、合成树脂、原盐、食糖、棉花和羊毛等的包装。由于我国纸张和黄麻资源缺乏，塑料包装作为主要包装材料是必然趋势。我国是粮食生产大国，年产量接近5亿吨，需要大量的包装材料。我国粮食的小包装在一些大城市中已有了起步并取得了进展。我国粮食销售小包装的比例如果要达到发达国家的水平，每年至少需要各种塑料基材100万吨。食品、饮料、药品、洗涤用品、化妆品和化工产品等在我国迅速发展对复合膜、包装膜、容器和周转箱等包装制品的需求。例如，饮料包装的50%使用聚酯瓶，即每年需100亿个左右。还有方便食品、乳制品、罐头食品、味精、糖果和饼干等需要各种包装材料几百万吨。此外，药品包装也有很大市场。综上所述，包装材料制品总需求量约为550万吨/年。有些具有特殊防护性能的塑料在国防及尖端科学技术中起着重要的作用。例如，芳杂环塑料（聚砜、聚苯醚、聚酰亚胺等）不但具有突出的耐高温、耐超低温和耐辐射特性，而且还具有优良的力学性能、电绝缘性能、耐化学性能和阻燃性能，可以用于制造雷达天线罩、飞机和宇宙飞船发动机的零件及防核辐射的飞行服等。

7.塑料具有卓越的成型性能

塑料的可塑性很好，可以用许多高生产率的成型加工方法来制造产品，这样就可节约原料，节省工时，简化工艺过程，且对工人技术要求低，易于组织大批量生产。

塑料在建材工业中获得广泛应用，除其自身的优良性能外，也与世界能源日益紧张有关。从材料生产能耗比较，如以PVC为1，则钢材为4.5，铝材为8.8。从加工及使用能耗比较，塑料管比金属管可减少输水能耗约5%，塑料窗比铝窗可节省采暖能耗约30%，硬质PVC塑料生产能耗仅为铸铁管和钢管的30%～50%，塑料给水管比金属管降低生产能耗可达50%左右。

由于塑料具有如此卓越的成型性能，所以许多传统材料（如金属、陶瓷、玻璃和木材等）正逐渐被塑料所取代。此外，一般的塑料都有一定的粘结能力。有一种号称万能胶的环氧树脂，它不但可以粘结木材、橡胶、皮革、玻璃和陶瓷等非金属材料，而且还可以粘结钢、铜和铝等金属材料。塑料的着色范围宽，可以染成各种颜色。塑料的光学性能较好，有些塑料（如有机玻璃、聚苯乙烯等）可制成晶莹透明的产品。

以上仅是塑料的一些主要特性。塑料虽有上述特性，但在某些性能上也存在着不足之处，如强度和硬度远不及金属材料高，耐热性也低于金属，导热性也差，且吸湿性大，易老化等。塑料的这些缺点或多或少地影响与限制了它的应用范围，但可以采用不同的工艺途径加以克服或改进，使之成为预期的、符合要求的材料。

塑料的特性与应用领域

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