第二节　塑料的基本特性

一、基本特点

塑料的应用之所以备受重视，发展前途广阔，其原因除了其原材料丰富、价格低廉、成型加工性能好外，还具有其他材料（如金属、陶瓷、玻璃等）所不能比拟的特殊物理性能和化学特性。塑料可制备成像钢一样的强度、像铜一样的韧性、像陶瓷一样的坚硬、像玻璃一样的透明、像橡胶一样的柔韧、像棉花一样的轻盈、像黄金一样稳定和像海绵一样的多孔性等，灵活的可设计性和可配制性使其可根据应用要求制备各种各样的品种和规格，不同品种和规格的塑料具备各种各样的力学、化学、热学和电学特性，这是工程结构的设计和应用迫切需要的，将其作为工程材料，可使工程结构具备以下优越特性：

l．质量轻，可大幅度减轻工程结构的质量

塑料密度低，一般为l.0～2.0g/cm ³ ，只有钢的l/8～l/4，铜的l/9～l/5，铝的l/2。这就是说在同等体积时，采用塑料制件，要比等体积的钢制件减重87.5%～75%，比铜制品减重88.9%～80%，比铝制品减重50%。这对于像航天飞行器、飞机、导弹、火箭、坦克装甲车辆、火炮、枪械和弹药这些对质量要求十分苛刻的武器装备来说，采用塑料制件可大幅度地减轻体积质量，增大战斗载荷。而像汽车之类的产品质量的减轻，可明显降低燃料消耗。

2．化学稳定性，可避免腐蚀和锈蚀现象

塑料对酸、碱和有机溶剂均具有良好的耐腐蚀性，在大气环境中和湿热条件下不会像金属材料那样发生腐蚀或锈蚀。特别是聚四氟乙烯可耐各种酸、碱和有机溶剂的腐蚀，甚至可在连黄金也能溶解的“王水”中煮沸。这一特性对于制备化工机械设备、船舶设备以及高湿热、盐雾条件下使用的设备非常可贵。

3．优异的电绝缘性能是电气电子设备的优良选材

几乎所有的塑料都具有优越的电绝缘性能，其介电损耗较小，耐电弧性优良，可与陶瓷和橡胶相媲美。这一特性在电机、电器、无线电、电线电缆和电子工业中具有独特的意义，是上述工业领域不可多得的材料。

4．优良的耐磨、减摩和自润滑性是机械工业必备的特性

塑料制备的各种摩擦部件可在各种液体（包括腐蚀介质、油及水等）、边界摩擦和干摩擦等条件下有效地工作。一般来说像聚甲醛、聚碳酸酯、氯化聚醚、聚酰胺、聚四氟乙烯和酚醛等塑料，均可在无油、少油或水以及各种腐蚀介质中正常工作。若在上述材料中加入各种固体润滑剂作填料，可明显降低其摩擦因数，进一步提高耐磨特性。这是金属材料所无法比拟的。同时也成为机械工业，特别是传动设备不可缺少的工程材料。

5．突出的比强度和比模量是其他材料所不具备的

比强度是拉伸强度/密度之比，比模量是弹性模量/密度之比。由于塑料密度小（l.0～2.0g/cm ³ ），所以其比强度和比模量十分突出，特别是碳纤维增强环氧其比强度为l.03×l0 ⁶ m ² /s ² ，比模量为l.0～l.5×l0 ⁹ m ² /s ² ，而普通碳钢的比强度为0.l3×l0 ⁶ m ² / s ² ，比模量为0.27×l0 ⁹ m ² /s ² 。可见碳纤维增强环氧的比强度比钢高3～8倍，比模量比钢高3～6倍。这一特性对于空间技术领域（如卫星、火箭运载装量、导弹和航天飞行器等）十分重要。

6．优良的吸声、减振、耐冲击、耐疲劳特性可显著改进工作环境

在高速机械传动设备中采用塑料零部件后可提高转速。采用塑料齿轮后设备运转平稳无声。加之塑料自身的柔韧性可吸收振动能量和冲击能量，可明显改善工作环境，降低噪声，此外塑料弹性模量低于钢铁，但却有利于它的弹性压缩，因而可减少载荷应力的集中，便于压力均匀分布。

7．原材料价格低廉，树脂可添加性好

在树脂中可添加大量的价格低廉、来源丰富的填料（如木粉、纸浆、矿石粉、陶土、布屑、滑石粉等），一是可改性材料的刚性/冲击性能平衡度，二来可增大体积，降低制品成本。也可加入纤维增强材料（如玻璃纤维、碳纤维、芳纶等）以提高塑料制品的刚性与强度，提高制品的应用档次。

8．优越的成型加工性能可使制品综合成本明显降低

塑料成型加工方法众多，在成型加工过程中，所使用的温度、压力要比其他材料（金属、陶瓷、玻璃）低得多，且成型加工周期短，设备投资低，故制品的综合成本低廉。

9．可设计性、可配制性卓越为改性提供了机遇

树脂多为线型高分子材料，具有良好的可塑性，是一种可改变原料种类、数量比例和排列方式的材料。可按照最终制品的应用要求和使用的环境条件，设计原材料配方，配制出适用于不同要求的材料体系。塑料的可设计、可配制性主要通过以下途径得以实现。

（l）可根据产品性能要求，选择适当的树脂基体，如果不合适，还可更换树脂类型，为了加工方便或提高基体树脂的特性，还可采用改性技术（如掺混、合金化、复合化等手段）对基体树脂进行改性，以满足制品的作用要求为准。

（2）根据制品设计要求，或进一步提高质量，应适当选择增强材料（如玻璃纤维、芳纶、碳纤维、超拉伸聚乙烯纤维等）、填料和其他助剂等制备增强塑料。

（3）利用先进的增强技术（如长纤维增强、混杂增强、增强材料与填料复合添加等技术），通过对纤维与填料表面的适当处理就可制备界面性能好，整体效应优良的高质量产品。

（4）通过改变纤维的排列、取向，也可使材料适应于不同方向强度设计要求。

（5）改善树脂与纤维界面状况，防止介质的渗透和扩散而引起的制品脱层，延长工程塑料制品的使用寿命。

（6）采用多层复合结构，制成厚截面工程塑料制品结构，以适应不同层次对工程塑料制品强度及其他性能的要求，充分发挥材料的作用。

（7）采用内嵌金属嵌件的方法，制备可满足特殊强度要求的制品。

l0．利用改性技术可弥补其本身的不足，是塑料可塑性的突出表现

（l）力学性能。事物往往具有两重性，塑料也有许多缺点。例如其力学强度差，特别是刚性更差。一般尼龙弹性模量仅为l39MPa，仅为钢的l/l00，增强塑料的弹性模量为2758MPa，只有钢的l/5。这就使塑料在工程结构中应用受到一定限制。为了改进这些特性，而采用增强改性技术，用刚性更好的碳纤维增强热固性工程树脂，所制得的产品弹性模量可达6875MPa，其刚性达钢的2/3，而采用多向编织增强的高性能增强塑料刚性更高。但由于塑料密度低，所以其比刚性远远大于钢，这样就为工程结构选材提供了更多的机会。

（2）耐热性。塑料的耐热性较低，长期使用温度仅为l00℃，只有极少量品种使用温度可超过200℃。为了改进这一性能，可采用纳米改性技术。可使塑料的耐热性提高50～75℃。可使通用塑料达到工程塑料的使用温度，使通用工程塑料达到特种工程塑料的使用温度。而特种工程塑料会具备更高的使用温度，进而扩大了其应用领域。

（3）热膨胀系数。塑料的热膨胀系数很大，大多数热塑性塑料的热膨胀系数在l0×l0 ^-5 K ^-l 左右，约为普通碳素钢的l0倍，所以塑料对金属的嵌合性不理想。为了改进这一缺陷，而通过填充和增强改性加以解决，用玻璃纤维增强的聚碳酸酯，其线膨胀系数可降至2×l0 ^-5 K ^-l ，已接近铝的线膨胀系数。

（4）导热性。塑料的热导率只有金属的l/200～l/600，散热性极差，特别是对摩擦零部件十分不利。解决这一缺陷的方法是在树脂基体内加入少量的金属粉末、纤维、炭黑和碳纤维等导热材料，可明显提高其热导率，改善工作状态。从另一个方面来说，热导率低，其隔热性更好，用于隔热绝热材料又是塑料的应用领域。

（5）蠕变性。塑料在长期载荷作用下，即便温度不高也会渐渐地产生塑性流动，即蠕变，常温下称之为冷流。聚四氟乙烯的冷流性最为突出。这一缺点可通过填充某些填料或对成型进行适当控制加以解决或将蠕变控制在一定的范围内。另外，像聚四氟乙烯这样难成型加工的塑料，正是利用其冷流性采用较低的压力（2.l～3.4MPa）冷压烧结成型。

（6）易燃性。塑料是有机高分子材料，属易燃材料，遇热或火焰会引起火灾。这一缺陷会影响塑料应用范围。可采用添加卤化物阻燃剂的方法制备具有阻燃特性、自熄性能的塑料制品。

（7）老化性。塑料在光、热、氧和水的作用下会发生老化，造成制品表面变色、龟裂、开裂或粉化，这是制约塑料应用的严重缺陷。为解决这一问题，各国都对塑料自然老化和加速人工老化进行了深入的研究。研制出行之有效的防老剂（如抗氧化剂、紫外线吸收剂等），使塑料耐老化性能明显提高。

另外，塑料与金属相比，还存在吸湿性大、膨胀收缩率大、变形严重、在溶剂或机械压力作用下易发生应力开裂等缺陷，这些缺陷或多或少地影响或限制了它的使用范围。但由于塑料的可塑性及可改进性特点，可采用不同的途径和改性技术加以克服或改进。根据应用要求和使用的环境条件，在树脂中加入适当的有机和无机填料或助剂，可以提高和改善塑料的综合特性。

塑料可使用的填料和助剂种类繁多，可以说凡是化学稳定性优良的有机或无机化合物均可作为其填料或助剂使用。但选用填料时，应根据塑料的品种、使用环境条件时性能的改进程度不同而定。而且填料作助剂的改性效果通常与添加量、粒度、几何形状、在树脂体系内的形态结构等因素有着密切的关系。因此，欲达到预期的改性目的，必须经过试验研究后方可确定出合适的填料或助剂。

二、塑料的性能

主要塑料性能见表l-l～表l-5。