特種工程塑料
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什麼是特種工程塑料[1]
特種工程塑料是指性能更加優異獨特、尚未大規模工業化生產或生產規模較小、用途相對較窄的一些塑料，如聚苯硫醚(PPS)、聚酰亞胺(PI)、聚碸(PSF)、聚醚酮(PEK)、液晶聚合物(LCP)等。
特種工程塑料的特點[2]
相對於通用工程塑料而言，特種工程塑料具有更加優越、獨特的性能，長期使用溫度可超過177℃，目前尚未大規模生產。按照階段劃分，將特種工程塑料定義為繼通用塑料、工程塑料之後的第三代高分子材料。特種工程塑料具有如下特點：
(1)暴露於某些苛刻環境時，超乎尋常的穩定性以及超越傳統聚合物的性能。
(2)以非彈性熱塑性材料為主，主要通過擠出或註射方法成型加工。
(3)研究開發、推廣費用高，售價高。特種工程塑料的高性能與高成本並存，從而使其性價比與通用工程塑料相比不夠優越。多年來，特種工程塑料的應用一直集中在軍事、航天等尖端領域。近年來，逐步向電子、電氣、汽車等民用領域轉移。此外，特種工程塑料的售價通常為10美元／kg，某些品種甚至達到40～100美元／kg，而通用工程塑料的價格一般為4～7美元／kg。
目前，以下幾大類材料均具有特種工程塑料的特點：芳香族聚酮[聚醚醚酮(PEEK)與聚醚酮酮(PEKK)]；高性能聚酰胺、液晶聚合物、聚芳酯、聚對苯二甲酸環己基二甲醇酯、聚苯硫醚(PPS)、碸聚合物以及熱塑性PI等。
特種工程塑料的應用[2]
特種工程塑料的一個典型特征是生產量相對較小，用途特殊。這類材料最初是為了滿足國防軍工或人類科學探索的需求而誕生的。目前，其應用正向民用方面轉移。
1.航空航天領域
由於航天器特殊的使用環境，因此要求其結構材料具有輕質、高強度、耐高溫、高阻燃的特點。PI、PEEK、PPS及聚酰胺酰亞胺等材料具有較高的熱變形溫度以及連續使用溫度，所以在航空工業中應用最為廣泛。
由於PEEK材料可滿足上述所有要求，且易加工，因此在航空工業越來越廣泛地替代金屬而應用於航空器的製作。例如，Victrex PEEKTM優異的耐摩擦性能以及高於260℃的連續使用溫度使其在航空發動機部件以及飛行器外殼中得到廣泛的應用。測試表明，PEEKTM的耐雨水腐蝕性能只略遜於高級陶瓷及特殊金屬合金。PEEKTMTM材料優異的阻燃特性(高達35％ 的極限氧指數以及UL 94-V 0的阻燃級別)使其完全勝任航空器內部組件的製作。此外，PEEKTM材料優異的高溫機械性能保持率、耐蠕變與斷裂性能、易於加工以及輕質等特性還使其應用於飛機發動機整流罩、變壓器外殼、電池支架、燃料線托架以及踏板支撐物等部件。
PI是另一類重要的航空航天材料．其綜合性能更為優異，同時其應用環境也更為苛刻。美國國家航天局(NASA)開發出可應用於371℃的PMR-II-50材料。隨著人類太空探索的不斷深人，需要發展返回式運載火箭來替代老化的太空梭，因此急需可短期(幾百小時)工作於315～399℃的用於推進器以及飛機機身的輕質聚合物複合材料。據研究，在機身組件中使用可穩定工作於343～399℃的聚合物複合材料可不必再對機身絕熱保護，從而可減輕飛行器的質量。質量減輕將會增載入重能力及提高燃料效率等。目前，最有希望應用於該領域的PI材料之一是美國NASA研製的“6F-PI”。它在PMR-II-50材料基礎上採用苯乙炔封端，解決了PMR—II一50脂環結構端基熱氧化不穩定性，因此具有更為優異的性能。
除了作為耐熱材料使用外，近年來，PI作為太空環境穩定材料也受到廣泛的重視。原子氧(AO)、紫外線(uv)以及真空紫外線(VUV)普遍存在於近地軌道中 AO較少地存在於海拔更高的太空，但UV、VUV、電子、質子以及其他粒子輻射卻普遍存在。這些輻射源具有足夠的濃度和能量使有機材料中的化學鍵斷裂，從而引起材料物理、機械及光學性能的改變。高相對分子質量PI薄膜具有優良的柔韌性、耐溶劑性、耐熱穩定性．高玻璃化轉變溫度(Tg)，在很多情況下具有優異的耐uv輻射性，但易受AO作用而發生降解。目前，解決此問題的手段主要是在PI薄膜錶面塗覆氧化鋁、氧化硅、氧化鉻以及氟聚合物等，但通常需要專門的設備，且存在塗覆不均勻等問題。更為重要的是塗層的熱膨脹繫數與PI薄膜不匹配、熱環化過程中常會出現破裂、分層等問題。
針對上述問題，美國NASA Langley研究中心開發了一系列含苯氧磷(PPO)結構的PI材料。X射線光電子譜測試表明，當暴露於AO環境時，含PPO材料的錶面會形成多聚磷酸層。該阻隔層可防止下層聚合物材料進一步受到輻射而降解。
2.電子信息領域
特種工程塑料在電子信息領域的應用。主要包括：(1)電子元器件(如接插件、插座、絕緣線圈及齒輪等)；(2)集成電路(IC)的封裝材料與耐無鉛焊接材料；(3)先進的通訊零部件(如光波導材料、手機部件等)。由於特種工程塑料優異的綜合性能(如在很薄的狀態下依然能夠保持良好的尺寸穩定性等)，因此許多移動通訊製作廠商在其新一代移動通訊設備的研發過程中將目光投向特種工程塑料。
特種工程塑料在微電子工業中的另一個重要應用是作為IC裝配材料。近幾年．隨著環境保護呼聲的日益高漲，環保型電子材料的研製、開發成為電子材料領域中的熱點話題之一。目前，在IC裝配中廣泛使用的Sn-Pb焊料，由於Pb的毒性問題而越來越多地面臨著來自環境保護的壓力嘲 歐盟對於無滷、無鉛環保電子材料加以規範。多溴聯苯、多溴聯苯醚以及鉛等化學物質被明確規定於2008年1月1日起禁止使用。因此，無鉛焊料的研製與開發受到了廣泛重視。目前開發的無鉛焊料的焊料熔點較傳統的Sn-Pb焊料高30～40℃，因此，無鉛焊接的再焊峰值溫度也隨之從傳統焊料的210～235℃ 升高到240～260℃。目前，電子器件裝配過程中使用的元件與電路板材料通常是環氧樹脂以及雙馬來酰亞胺-三嗪樹脂等。它們能夠很好地承受現行組裝工藝的溫度(210～235℃)。當再流焊溫度超過260℃，即目前廣泛使用的環氧樹脂材料的耐高溫極限時，就會帶來許多可靠性問題，如零件脹裂、打線拉脫、封裝失效甚至晶元破裂等。
無鉛焊料的發展帶來的上述問題迫使人們對封裝材料與封裝設計重新改進。除了耐熱、耐濕性環氧樹脂材料外，特種工程塑料也成為關註焦點之一。在微電子封裝中，高流動性、高耐熱性PPS樹脂正在取代熱固性環氧樹脂用作IC的封裝材料等。IBM公司在其新型IC器件設計過程中採用了綜合性能優異的高性能熱塑性塑料——聚醚酰亞胺以及聚碸樹脂作為可回收聚合物包封材料。這些材料可以耐焊接高溫，而且其熱塑性的本質使其可以進行再加工處理。
3.醫療衛生領域
近年來。合成高分子材料被廣泛用作生物醫用材料(如人造器官、導尿管、內診鏡等)。由於醫用高分子材料可以通過控制組成和結構而使材料具有不同的物理化學性質(如耐生物老化，作為長期植入材料、便於加工與消毒等)，因此受到了世界各國的普遍重視，成為生物材料中用途最廣、用量最大的品種。
隨著現代醫學技術的不斷發展，醫用高分子材料越來越多地與生物組織或血液組織接觸。因此材料的生物功能性以及生物相容性顯得越來越突出。某些特種工程塑料(如聚醚碸、PEEK、PPS等)具有優良的生物相容性、尺寸穩定性、耐化學藥品腐蝕性。易於加工、可經受反覆消毒處理及耐水解等。因此逐漸被應用到醫療器械的製作、藥物緩釋系統及人造骨骼等領域。
InvibioTM公司專門生產生物材料。為全世界醫療市場提供醫療器械以及人造器官用高品質PEEK材料。目前，該公司主要有兩類產品，PEEK-CLASSIX與PEEK-OPTIMA。PEEK-CLASSIX用於製作與血液或組織接觸少於30天的醫療器具，其應用領域包括：導尿管、管道系統、藥物釋放、血液處理、腹腔鏡、外科手術器械、內診鏡以及分析儀器等。PEEK-OPTIMA則適用於長期移植，是一種結晶度為30％～35％ 的PEEK材料，熔融溫度為343℃，Tg為145℃。由於該材料具有加工簡單、生物相容性優良、低毒、可經受反覆消毒、耐化學藥品腐蝕性和耐輻射性優異等特點．因此投入市場後得到了廣泛認可，被許多國際著名醫療機構認定為可靠的移植材料， 目前已經通過美國食品與藥物管理局認證。
整形外科、牙科及心肺科是PEEK－OPTIMA應用最為廣泛的領域。瑞士Bettlach的Mathys醫療機構使用PEEK－OPTIMA替代乙二醇縮醛用於手指移植研究。與乙二醇縮醛相比，該材料具有優異的耐化學藥品腐蝕與水解性能、耐摩擦、磨損性能和廣泛的生物相容性以及高強度、可反覆消毒處理等特性，因此更適於活體內醫療器具的製作。法國移植製造廠商Scient'X選擇PEEK—OPTIMA用於頸椎、腰椎移植研究。採用該材料作為體內支架具有如下優點：一是它的彈性模量與皮層骨接近．可改善骨骼與移植物間界面；二是由於該材料本身具有射線透過性。因此對於後期手術判斷具有很大的幫助。此外，美國明尼蘇達洲Lifecore醫療機構選用PEEK—OPTIMA材料替代鈦合金用於牙齒移植。
4.能源領域
高性能電池製造中的應用是特種工程塑料在能源領域中應用最為典型的體現之一。燃料電池是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的高效發電裝置。由於燃料電池具有能量轉換效率高、環境友好、噪音小以及可靠性高等優點，被認為是21世紀最有發展前途的“綠色能源”。近20年來受到了世界各國科學家的高度重視，被列為未來世界十大科技之首。按照電解質的不同，燃料電池可分為鹼性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池以及質子交換膜燃料電池(PEMFC)等。其中PEMFC以其結構緊湊、高效節能、穩定可靠、冷啟動時間短、環境友好、燃料來源廣以及製造簡單等優點越來越受到重視。
PEMFC的核心部分是質子交換膜。它不僅作為隔膜材料，而且也是電解質和電極活性物質的基底。此外，它還具有傳導質子、分離氧化劑與還原劑的作用。目前，商業化的質子交換膜主要有美國Du Pont公司的Nafion系列全氟磺酸膜、Dow化學公司的Dow膜、日本Asahi公司研製的Aciplex膜、日本Asahi Glass公司研製的Flemion膜、日本氯工程公司研製的C膜以及加拿大Ballard公司研製的Ballard膜等。近年來，隨著高效質子交換膜研究的不斷深人，特別是直接甲醇燃料電池的發展，Nafion膜等傳統膜材料暴露出了越來越明顯的缺陷，如成本高昂、甲醇分子易於透過而引起陰極催化劑中毒、對溫度和含水量要求高以及製作困難等。新一代PEMFC要求質子交換膜在電池工作條件下可長期保持較高的機械性能、良好的熱穩定性能以及氣密性。某些特種工程聚合物材料可以滿足上述要求，因此逐漸納人了研究範圍。PBI、PEEK、聚苯碸以及PI經適當磺化或摻雜後，均表現出良好的性能。雖然這方面的研究尚處於基礎階段．但這類價格低廉、性能優良的質子交換膜所蘊藏的巨大潛力無疑將使其在不久的將來得到普遍應用。
發展特種工程塑料的建議[3]
特種工程塑料在軍事工業，航空航天、電子／電氣、汽車、醫療衛生和能源等高科技領域都能大顯伸手。特種工程塑料產業是技術密集型，資本集約型產業，也就是說研發技術水平高，開發投資費用大。特種工程塑料是技術隴斷性強的產業，國外，很多有名望的企業公司不願技術轉讓和技術合作，有可能還將繼續對我國進行技術禁運。當然也不排除隨著我國科學技術水平提高，外國公司像得固薩公司樣到中國來投資合作，共同開發特種塑料。
(一)堅持自力更生，艱苦奮鬥，奮發圖強發展特種工程塑料。特種工程塑料的目的運用是高新技術產業，技術密集性高，國外大公司在短期內可能繼續對我們禁運，所以發展特種工程塑料就目前而言，只能依靠本國技術力量，國家可否指定行業協會協調重大項目的研究工作，必要時可組織全國的力量共同攻關，突破技術，創新技術，讓我國的特種塑料好省多快地發展。
(二)強放大工程研究，讓設計人員走到科研生產第一線，實現科研、設計和生產一條龍攻關，讓放大工程所需的實驗數據做全。
(三)從具有一定加工經驗的人員中挑選有經營頭腦的人員從事今後銷售服務工作，讓他們指導用戶更好運用新產品，擴大用戶、擴大產量、增加效益。
(1)註重知識產權保護工作，尤其註意專利侵權糾紛工作，使能做到既不侵他人的權，又不讓別人侵我們自己的權。加大知識產權保護力度，提升產品等級。努力創新增加收益，從而促進特種塑料的發展。
(2)技術更新，產品不斷更新則是現代工藝的特點。高新技術產業技術更新快，必然對特種工程塑料也會提出新品應用的要求。就聚酞亞胺而言，在推廣熱塑性聚酞亞胺的同時，PBI/PEEK以合金、聚醚酚亞胺姐妹品種Extem系列產品以及含苯氧磷(PPO)的聚酞亞胺等都有發展的遠景，就大品種而言，聚酞亞胺應該開發工業生產工藝。
(3)抓住機遇，大膽與外資合作開發本國所需的項目。這裡包括像PI的成型加工技術，液晶高分子的生產和加工技術，楓聚合物的生產技術等。
(4)特種工程塑料質量應標準化、規範化、更好地參與國際競爭。建議在行業協會統策下，切實地把此項工作抓起來，管起來，讓工作取得成效。
