特种工程塑料
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什么是特种工程塑料[1]
特种工程塑料是指性能更加优异独特、尚未大规模工业化生产或生产规模较小、用途相对较窄的一些塑料，如聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚醚酮(PEK)、液晶聚合物(LCP)等。
特种工程塑料的特点[2]
相对于通用工程塑料而言，特种工程塑料具有更加优越、独特的性能，长期使用温度可超过177℃，目前尚未大规模生产。按照阶段划分，将特种工程塑料定义为继通用塑料、工程塑料之后的第三代高分子材料。特种工程塑料具有如下特点：
(1)暴露于某些苛刻环境时，超乎寻常的稳定性以及超越传统聚合物的性能。
(2)以非弹性热塑性材料为主，主要通过挤出或注射方法成型加工。
(3)研究开发、推广费用高，售价高。特种工程塑料的高性能与高成本并存，从而使其性价比与通用工程塑料相比不够优越。多年来，特种工程塑料的应用一直集中在军事、航天等尖端领域。近年来，逐步向电子、电气、汽车等民用领域转移。此外，特种工程塑料的售价通常为10美元／kg，某些品种甚至达到40～100美元／kg，而通用工程塑料的价格一般为4～7美元／kg。
目前，以下几大类材料均具有特种工程塑料的特点：芳香族聚酮[聚醚醚酮(PEEK)与聚醚酮酮(PEKK)]；高性能聚酰胺、液晶聚合物、聚芳酯、聚对苯二甲酸环己基二甲醇酯、聚苯硫醚(PPS)、砜聚合物以及热塑性PI等。
特种工程塑料的应用[2]
特种工程塑料的一个典型特征是生产量相对较小，用途特殊。这类材料最初是为了满足国防军工或人类科学探索的需求而诞生的。目前，其应用正向民用方面转移。
1.航空航天领域
由于航天器特殊的使用环境，因此要求其结构材料具有轻质、高强度、耐高温、高阻燃的特点。PI、PEEK、PPS及聚酰胺酰亚胺等材料具有较高的热变形温度以及连续使用温度，所以在航空工业中应用最为广泛。
由于PEEK材料可满足上述所有要求，且易加工，因此在航空工业越来越广泛地替代金属而应用于航空器的制作。例如，Victrex PEEKTM优异的耐摩擦性能以及高于260℃的连续使用温度使其在航空发动机部件以及飞行器外壳中得到广泛的应用。测试表明，PEEKTM的耐雨水腐蚀性能只略逊于高级陶瓷及特殊金属合金。PEEKTMTM材料优异的阻燃特性(高达35％ 的极限氧指数以及UL 94-V 0的阻燃级别)使其完全胜任航空器内部组件的制作。此外，PEEKTM材料优异的高温机械性能保持率、耐蠕变与断裂性能、易于加工以及轻质等特性还使其应用于飞机发动机整流罩、变压器外壳、电池支架、燃料线托架以及踏板支撑物等部件。
PI是另一类重要的航空航天材料．其综合性能更为优异，同时其应用环境也更为苛刻。美国国家航天局(NASA)开发出可应用于371℃的PMR-II-50材料。随着人类太空探索的不断深人，需要发展返回式运载火箭来替代老化的航天飞机，因此急需可短期(几百小时)工作于315～399℃的用于推进器以及飞机机身的轻质聚合物复合材料。据研究，在机身组件中使用可稳定工作于343～399℃的聚合物复合材料可不必再对机身绝热保护，从而可减轻飞行器的质量。质量减轻将会增加载重能力及提高燃料效率等。目前，最有希望应用于该领域的PI材料之一是美国NASA研制的“6F-PI”。它在PMR-II-50材料基础上采用苯乙炔封端，解决了PMR—II一50脂环结构端基热氧化不稳定性，因此具有更为优异的性能。
除了作为耐热材料使用外，近年来，PI作为太空环境稳定材料也受到广泛的重视。原子氧(AO)、紫外线(uv)以及真空紫外线(VUV)普遍存在于近地轨道中 AO较少地存在于海拔更高的太空，但UV、VUV、电子、质子以及其他粒子辐射却普遍存在。这些辐射源具有足够的浓度和能量使有机材料中的化学键断裂，从而引起材料物理、机械及光学性能的改变。高相对分子质量PI薄膜具有优良的柔韧性、耐溶剂性、耐热稳定性．高玻璃化转变温度(Tg)，在很多情况下具有优异的耐uv辐射性，但易受AO作用而发生降解。目前，解决此问题的手段主要是在PI薄膜表面涂覆氧化铝、氧化硅、氧化铬以及氟聚合物等，但通常需要专门的设备，且存在涂覆不均匀等问题。更为重要的是涂层的热膨胀系数与PI薄膜不匹配、热环化过程中常会出现破裂、分层等问题。
针对上述问题，美国NASA Langley研究中心开发了一系列含苯氧磷(PPO)结构的PI材料。X射线光电子谱测试表明，当暴露于AO环境时，含PPO材料的表面会形成多聚磷酸层。该阻隔层可防止下层聚合物材料进一步受到辐射而降解。
2.电子信息领域
特种工程塑料在电子信息领域的应用。主要包括：(1)电子元器件(如接插件、插座、绝缘线圈及齿轮等)；(2)集成电路(IC)的封装材料与耐无铅焊接材料；(3)先进的通讯零部件(如光波导材料、手机部件等)。由于特种工程塑料优异的综合性能(如在很薄的状态下依然能够保持良好的尺寸稳定性等)，因此许多移动通讯制作厂商在其新一代移动通讯设备的研发过程中将目光投向特种工程塑料。
特种工程塑料在微电子工业中的另一个重要应用是作为IC装配材料。近几年．随着环境保护呼声的日益高涨，环保型电子材料的研制、开发成为电子材料领域中的热点话题之一。目前，在IC装配中广泛使用的Sn-Pb焊料，由于Pb的毒性问题而越来越多地面临着来自环境保护的压力嘲 欧盟对于无卤、无铅环保电子材料加以规范。多溴联苯、多溴联苯醚以及铅等化学物质被明确规定于2008年1月1日起禁止使用。因此，无铅焊料的研制与开发受到了广泛重视。目前开发的无铅焊料的焊料熔点较传统的Sn-Pb焊料高30～40℃，因此，无铅焊接的再焊峰值温度也随之从传统焊料的210～235℃ 升高到240～260℃。目前，电子器件装配过程中使用的元件与电路板材料通常是环氧树脂以及双马来酰亚胺-三嗪树脂等。它们能够很好地承受现行组装工艺的温度(210～235℃)。当再流焊温度超过260℃，即目前广泛使用的环氧树脂材料的耐高温极限时，就会带来许多可靠性问题，如零件胀裂、打线拉脱、封装失效甚至芯片破裂等。
无铅焊料的发展带来的上述问题迫使人们对封装材料与封装设计重新改进。除了耐热、耐湿性环氧树脂材料外，特种工程塑料也成为关注焦点之一。在微电子封装中，高流动性、高耐热性PPS树脂正在取代热固性环氧树脂用作IC的封装材料等。IBM公司在其新型IC器件设计过程中采用了综合性能优异的高性能热塑性塑料——聚醚酰亚胺以及聚砜树脂作为可回收聚合物包封材料。这些材料可以耐焊接高温，而且其热塑性的本质使其可以进行再加工处理。
3.医疗卫生领域
近年来。合成高分子材料被广泛用作生物医用材料(如人造器官、导尿管、内诊镜等)。由于医用高分子材料可以通过控制组成和结构而使材料具有不同的物理化学性质(如耐生物老化，作为长期植入材料、便于加工与消毒等)，因此受到了世界各国的普遍重视，成为生物材料中用途最广、用量最大的品种。
随着现代医学技术的不断发展，医用高分子材料越来越多地与生物组织或血液组织接触。因此材料的生物功能性以及生物相容性显得越来越突出。某些特种工程塑料(如聚醚砜、PEEK、PPS等)具有优良的生物相容性、尺寸稳定性、耐化学药品腐蚀性。易于加工、可经受反复消毒处理及耐水解等。因此逐渐被应用到医疗器械的制作、药物缓释系统及人造骨骼等领域。
InvibioTM公司专门生产生物材料。为全世界医疗市场提供医疗器械以及人造器官用高品质PEEK材料。目前，该公司主要有两类产品，PEEK-CLASSIX与PEEK-OPTIMA。PEEK-CLASSIX用于制作与血液或组织接触少于30天的医疗器具，其应用领域包括：导尿管、管道系统、药物释放、血液处理、腹腔镜、外科手术器械、内诊镜以及分析仪器等。PEEK-OPTIMA则适用于长期移植，是一种结晶度为30％～35％ 的PEEK材料，熔融温度为343℃，Tg为145℃。由于该材料具有加工简单、生物相容性优良、低毒、可经受反复消毒、耐化学药品腐蚀性和耐辐射性优异等特点．因此投入市场后得到了广泛认可，被许多国际著名医疗机构认定为可靠的移植材料， 目前已经通过美国食品与药物管理局认证。
整形外科、牙科及心肺科是PEEK－OPTIMA应用最为广泛的领域。瑞士Bettlach的Mathys医疗机构使用PEEK－OPTIMA替代乙二醇缩醛用于手指移植研究。与乙二醇缩醛相比，该材料具有优异的耐化学药品腐蚀与水解性能、耐摩擦、磨损性能和广泛的生物相容性以及高强度、可反复消毒处理等特性，因此更适于活体内医疗器具的制作。法国移植制造厂商Scient'X选择PEEK—OPTIMA用于颈椎、腰椎移植研究。采用该材料作为体内支架具有如下优点：一是它的弹性模量与皮层骨接近．可改善骨骼与移植物间界面；二是由于该材料本身具有射线透过性。因此对于后期手术判断具有很大的帮助。此外，美国明尼苏达洲Lifecore医疗机构选用PEEK—OPTIMA材料替代钛合金用于牙齿移植。
4.能源领域
高性能电池制造中的应用是特种工程塑料在能源领域中应用最为典型的体现之一。燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。由于燃料电池具有能量转换效率高、环境友好、噪音小以及可靠性高等优点，被认为是21世纪最有发展前途的“绿色能源”。近20年来受到了世界各国科学家的高度重视，被列为未来世界十大科技之首。按照电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。其中PEMFC以其结构紧凑、高效节能、稳定可靠、冷启动时间短、环境友好、燃料来源广以及制造简单等优点越来越受到重视。
PEMFC的核心部分是质子交换膜。它不仅作为隔膜材料，而且也是电解质和电极活性物质的基底。此外，它还具有传导质子、分离氧化剂与还原剂的作用。目前，商业化的质子交换膜主要有美国Du Pont公司的Nafion系列全氟磺酸膜、Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi公司研制的Aciplex膜、日本Asahi Glass公司研制的Flemion膜、日本氯工程公司研制的C膜以及加拿大Ballard公司研制的Ballard膜等。近年来，随着高效质子交换膜研究的不断深人，特别是直接甲醇燃料电池的发展，Nafion膜等传统膜材料暴露出了越来越明显的缺陷，如成本高昂、甲醇分子易于透过而引起阴极催化剂中毒、对温度和含水量要求高以及制作困难等。新一代PEMFC要求质子交换膜在电池工作条件下可长期保持较高的机械性能、良好的热稳定性能以及气密性。某些特种工程聚合物材料可以满足上述要求，因此逐渐纳人了研究范围。PBI、PEEK、聚苯砜以及PI经适当磺化或掺杂后，均表现出良好的性能。虽然这方面的研究尚处于基础阶段．但这类价格低廉、性能优良的质子交换膜所蕴藏的巨大潜力无疑将使其在不久的将来得到普遍应用。
发展特种工程塑料的建议[3]
特种工程塑料在军事工业，航空航天、电子／电气、汽车、医疗卫生和能源等高科技领域都能大显伸手。特种工程塑料产业是技术密集型，资本集约型产业，也就是说研发技术水平高，开发投资费用大。特种工程塑料是技术陇断性强的产业，国外，很多有名望的企业公司不愿技术转让和技术合作，有可能还将继续对我国进行技术禁运。当然也不排除随着我国科学技术水平提高，外国公司像得固萨公司样到中国来投资合作，共同开发特种塑料。
(一)坚持自力更生，艰苦奋斗，奋发图强发展特种工程塑料。特种工程塑料的目的运用是高新技术产业，技术密集性高，国外大公司在短期内可能继续对我们禁运，所以发展特种工程塑料就目前而言，只能依靠本国技术力量，国家可否指定行业协会协调重大项目的研究工作，必要时可组织全国的力量共同攻关，突破技术，创新技术，让我国的特种塑料好省多快地发展。
(二)强放大工程研究，让设计人员走到科研生产第一线，实现科研、设计和生产一条龙攻关，让放大工程所需的实验数据做全。
(三)从具有一定加工经验的人员中挑选有经营头脑的人员从事今后销售服务工作，让他们指导用户更好运用新产品，扩大用户、扩大产量、增加效益。
(1)注重知识产权保护工作，尤其注意专利侵权纠纷工作，使能做到既不侵他人的权，又不让别人侵我们自己的权。加大知识产权保护力度，提升产品等级。努力创新增加收益，从而促进特种塑料的发展。
(2)技术更新，产品不断更新则是现代工艺的特点。高新技术产业技术更新快，必然对特种工程塑料也会提出新品应用的要求。就聚酞亚胺而言，在推广热塑性聚酞亚胺的同时，PBI/PEEK以合金、聚醚酚亚胺姐妹品种Extem系列产品以及含苯氧磷(PPO)的聚酞亚胺等都有发展的远景，就大品种而言，聚酞亚胺应该开发工业生产工艺。
(3)抓住机遇，大胆与外资合作开发本国所需的项目。这里包括像PI的成型加工技术，液晶高分子的生产和加工技术，枫聚合物的生产技术等。
(4)特种工程塑料质量应标准化、规范化、更好地参与国际竞争。建议在行业协会统策下，切实地把此项工作抓起来，管起来，让工作取得成效。
