高性能聚苯硫醚PPS樹脂特性及應用
2023-07-14 14:57:08點擊：
聚苯硫醚是一種新型功能工程塑料，其分子中含有對苯硫醚的重復結構單元，分子主鏈上含有苯硫醚，其分子質量為10000~50000。聚苯硫醚是一種無結晶熔點的線型或支鏈聚合物。交聯前為線型結構，交聯后為熱固性結構，當被充分加熱和冷卻時，可以軟化到一定程度。
聚苯硫醚是由硫化鈉和二氯苯在強極性溶劑中縮聚而成。生產方法包括麥式法、對鹵代苯硫酚鹽自縮聚法、芳香族多鹵化物和堿金屬硫化物溶液縮聚法等。
聚苯硫醚的相對密度為1.36，樹脂為白色粉末或顆粒，硬脆，結晶度高，熔融黏度強。聚苯硫醚有兩種類型的分子質量，即低分子質量和高分子質量。由于熔流值高，難以直接模塑成型，所以除噴涂外，其他方法在成型時都要經過一定程度的交聯，并摻入一定量用于注塑、模壓和擠出成型的玻璃纖維或無機填料中。高分子質量聚苯硫醚不需交聯，可直接用于塑料制品的加工。
PPS具有對稱的剛性主鏈，是由重復對位取代的苯環和硫原子組成的結晶聚合物的一部分。PPS是具備高性能，高達280℃的高熔點，可以替代金屬的特種工程塑料，位于聚合物性能金字塔的頂端，如圖1所示。為此，基于PPS樹脂的卓越性能，使其符合要求苛刻的工程塑料項目對材料的要求。
1. 高性能聚苯硫醚樹脂的特點
(1)高性能PPS樹脂是一種具有高硬度的結晶聚合物。其晶體含量約為65%。結晶速度快、流動性好、成型周期短。
(2)優異的耐熱性。其熔點可達275~291℃，熱變形溫度為135℃，玻璃纖維強化后熱變形溫度可達260℃。在空氣和氮氣中，聚苯硫醚的初始和弱化溫度約為400℃，在700℃的空氣中分解，在1000℃的惰性氣體中仍能保持40%的重量。長期使用溫度為200~240℃，氣體阻隔熱阻和長期連續使用的熱穩定性優于目前所有的工程塑料。
(3)具有良好的力學性能。具有極高的剛性，表面硬度高，高濕條件下剛性下降極少，并具有優良的耐蠕變性和耐疲勞性、耐磨性，其耐磨性可通過填充氟樹脂及碳纖維等潤滑劑而大幅提高。
(4)具有優異的耐腐蝕性和耐化學性。除強氧化酸(如濃硫酸、硝酸等)外，還能承受其他酸、堿和鹽的腐蝕，不溶于200℃以下的任何有機溶劑，其耐腐蝕性幾乎相當于聚四氟乙烯。此外，PPS還具有良好的耐氣候和輻射性能，其性能不會受到多次強紫外線和Y射線的照射以及中子輻射的影響。
(5)具有較小的吸水率(僅0.008%)和吸油率。較小的成型收縮和線膨脹系數，其產品尺寸穩定，變形小，即使在一些潮濕、油性腐蝕性氣體環境中，仍能保持尺寸穩定性，因此可以用于精密成型。
(6)電性能優異。高性能PPS樹脂在高溫、高濕下體積電阻率變化很小，其介電常數隨溫度和頻率變化很小，加之離子雜質含量低，能浸漬于260℃的焊錫槽中，所以足夠承受表面焊接電子元件的熱沖擊，適用于對電性能有極高要求的產品。其電阻率高，介電性能低。
(7)高性能PPS樹脂熔體黏度極低，流動性好。極易與玻纖潤濕接觸，因而易于填充，用其制備的玻纖或玻纖－無機填料增強注塑級粒料，抗沖擊、抗彎、延展性極高。
(8)高性能PPS樹脂對玻璃、鋁、不銹鋼等的粘接強度非常高。對玻璃的粘接強度甚至比玻璃的黏結力還要大。
2. 工程塑料品種概述
工程塑料是一種可以作為結構材料長期承受機械應力，并在較寬的溫度范圍和較為苛刻的化學物理環境下使用的塑料材料。工程塑料與一般塑料相比，具有更優異的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性等優點，并且與金屬材料相比，具有重量輕，便于復雜的產品設計，成型時能耗小等優點。工程塑料在電子電器、建筑、汽車、機械、航空航天等工業部門的應用非常廣泛。工程塑料按用量、性能和適用范圍分為通用工程塑料和專用工程塑料兩大類。
其中，通用工程塑料主要包括尼龍(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)等以及近年來在工程塑料應用中發展迅速的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
特種工程塑料是指一種綜合性能高、長期使用溫度在150℃以上的工程塑料，主要包括聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PSF)等具有獨特優異物理性能的特種工程塑料。
3. 高性能PPS樹脂在工程塑料的應用
作為工程塑料，PPS成型材料具有許多優良特性，可代替金屬、熱固化性樹脂等，為此被廣泛應用于各個領域。
(1)汽車零部件上的應用
汽車零部件用途是未來PPS應用最廣泛的領域，如圖2所示PPS應用于電驅動單元部件。因為PPS除了具有杰出的連續耐熱性、耐藥品性(汽油、機油等)等高性能外，還由于可提高生產效率(可注塑成型)，使成本大大降低。
目前PPS除了可以取代以往使用的金屬部件和酚醛樹脂，PPS在新用途部件上的應用正在加速。特別是在以發動機相關機器為中心的驅動類、制動類、燃料類、照明類、冷卻類零件和控制這些機器的控制類零件方面，PPS在汽車零件使用的詳細情況如表1所示。
(2)住宅設施/OA/精密設備上的應用
住宅設備中以熱水器為代表的用水相關設備多使用“超硬PPS(40%GF)”。這是由于“超硬PPS(40%GF)”除具有PPS的耐熱水性以外，還具有耐壓、韌性好的特點。正在逐步替代過去以黃銅為代表的金屬材料和變形PPE材料。
因具備低結晶度性能而利于尺寸精度的“改性PPS(30%GF)”適用于精密設備零部件用途。同時，由于具有優異的低摩擦、低磨損性能，適用于對滑動特性有特殊需要的項目用途，如齒輪、軸承等。
在激光復印機、打印機等用途方面，多使用既具有PPS耐熱固定性能，又有利于其他特殊類型，如齒輪或軸承周圍滑動、導電等。其中PPS在住宅設施/OA/精密設備上的應用，如表2所示。
(3)電氣/電子零部件上的應用
在SMT工序中除高耐熱性、精密成型性、尺寸穩定性等以外，PPS還具有不添加阻燃劑就可以達到UL-94V-0級的高度阻燃性。對于以連接器為代表的電氣/電子部件來說，這些特性可以稱為最好的成型材料。主要使用具有PPS一般特性和適當成型性的玻纖強化/非強化交聯型PPS和線型PPS低毛刺型，適用于精密復雜的成型品，如連接器等。
此外，玻纖/礦物填充強化的交聯型PPS和線型PPS適用于光學示波器，如對尺寸穩定性和剛性有要求。可超低壓成型的PPS適用于微線圈及電子部件的密封。其中PPS在電氣/電子零部件上的應用如表3所示。
(4)機械工業和化工領域上的應用
近年來，PPS通過化學改性與玻璃纖維、礦物填料或碳纖維等混配成復合材料制成成品在機械工業和化工領域上也被廣泛的應用，其中PPS在機械工業和化工領域上的應用如表4所示。
(5)鋰電池領域上的應用
鋰電池是指在電化學體系中含有鋰的電池，由于鋰金屬的化學性能比較活潑，對其進行加工處理的環境要求非常高，這也是鋰電池沒有被大規模應用的原因。隨著信息時代的到來，以體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快為特點的微電子技術發展壯大，小型精細化設備不斷增多的同時，對電池的要求也隨之提高，由此，鋰電池進入廣泛實用階段。而聚苯硫醚(PPS)具有優異的耐熱性、絕緣性、電性能等特點，與鋰電池領域對材料的要求相契合，是鋰電池的“親密伴侶”。
(6)環保領域上的應用
廢氣、廢塵的主要排放源是鋼鐵廠、垃圾焚燒爐、熱電廠、水泥廠、炭黑廠等領域，水泥廠可采用常溫除塵的袋式除塵，但像鋼鐵廠、焚燒爐、電熱廠這些領域產生的廢氣、廢塵具有溫度高、濕度大、腐蝕性等問題，這便要求除塵材料具有很強的耐高溫、耐腐蝕等性能。
而纖維級PPS具有很高的熱穩定性，可以在200~240℃下連續使用，即使在260℃的高溫下放置1000h仍然能保持60%的強度。PPS的耐腐蝕性能更是與具有“塑料之王”之稱的聚四氟乙烯相近，就阻燃性而言，PPS纖維制品不易燃，無需添加阻燃劑就可達到UL-94V-0標準。因此，PPS纖維制品在以上領域的應用可以大大提高除塵設備的使用壽命。其中，被應用最廣泛的產品便是除塵濾袋。
4.結束語
高性能聚苯硫醚樹脂由于具有優異的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性和尺寸穩定性，在工程塑料項目中廣泛應用于電子電器、建筑、汽車、機械、航空航天等行業，但在進行PPS成型作業時還需注意以下幾個方面：
(1)預干燥。當粒料干燥溫度過高或干燥超過必要時間時，會出現色調和流動性的變化；
(2)料筒設定溫度。合理的料筒溫度一般設定在300~340℃之間，勿加熱至350℃以上，特別是混合有PTFE(氟樹脂)的產品，其溫度范圍為290~320℃，勿超過330℃以上；
(3)料筒內的停留時間。一般300℃時設定為60min以內，320℃時設定為30min以內；
(4)在發生樹脂分解或類似事態時，需降低料筒溫度排出料筒內殘留的樹脂。成型停止時，排出料筒內殘留樹脂后，請切斷加熱器電源。此外，還需遵從“廢棄物處理及清掃的相關法律”委托指定的廢棄物處理單位或地方自治體處理廢料、轉子、熔渣等。
參考資料：《高性能聚苯硫醚樹脂在工程塑料項目中的應用》浙江新和成李沃源，技術應用與研究2022.9.23
公司：上海帝潤化工有限公司，專業的 塑料潤滑劑 供應商。技術咨詢熱線：021-52683036
圖源：泰諾風
聚苯硫醚是由硫化鈉和二氯苯在強極性溶劑中縮聚而成。生產方法包括麥式法、對鹵代苯硫酚鹽自縮聚法、芳香族多鹵化物和堿金屬硫化物溶液縮聚法等。
聚苯硫醚的相對密度為1.36，樹脂為白色粉末或顆粒，硬脆，結晶度高，熔融黏度強。聚苯硫醚有兩種類型的分子質量，即低分子質量和高分子質量。由于熔流值高，難以直接模塑成型，所以除噴涂外，其他方法在成型時都要經過一定程度的交聯，并摻入一定量用于注塑、模壓和擠出成型的玻璃纖維或無機填料中。高分子質量聚苯硫醚不需交聯，可直接用于塑料制品的加工。
PPS塑料制品 圖源：騰煜高分子
PPS具有對稱的剛性主鏈，是由重復對位取代的苯環和硫原子組成的結晶聚合物的一部分。PPS是具備高性能，高達280℃的高熔點，可以替代金屬的特種工程塑料，位于聚合物性能金字塔的頂端，如圖1所示。為此，基于PPS樹脂的卓越性能，使其符合要求苛刻的工程塑料項目對材料的要求。
圖1聚合物性能金字塔
1. 高性能聚苯硫醚樹脂的特點
(1)高性能PPS樹脂是一種具有高硬度的結晶聚合物。其晶體含量約為65%。結晶速度快、流動性好、成型周期短。
(2)優異的耐熱性。其熔點可達275~291℃，熱變形溫度為135℃，玻璃纖維強化后熱變形溫度可達260℃。在空氣和氮氣中，聚苯硫醚的初始和弱化溫度約為400℃，在700℃的空氣中分解，在1000℃的惰性氣體中仍能保持40%的重量。長期使用溫度為200~240℃，氣體阻隔熱阻和長期連續使用的熱穩定性優于目前所有的工程塑料。
(3)具有良好的力學性能。具有極高的剛性，表面硬度高，高濕條件下剛性下降極少，并具有優良的耐蠕變性和耐疲勞性、耐磨性，其耐磨性可通過填充氟樹脂及碳纖維等潤滑劑而大幅提高。
(4)具有優異的耐腐蝕性和耐化學性。除強氧化酸(如濃硫酸、硝酸等)外，還能承受其他酸、堿和鹽的腐蝕，不溶于200℃以下的任何有機溶劑，其耐腐蝕性幾乎相當于聚四氟乙烯。此外，PPS還具有良好的耐氣候和輻射性能，其性能不會受到多次強紫外線和Y射線的照射以及中子輻射的影響。
(5)具有較小的吸水率(僅0.008%)和吸油率。較小的成型收縮和線膨脹系數，其產品尺寸穩定，變形小，即使在一些潮濕、油性腐蝕性氣體環境中，仍能保持尺寸穩定性，因此可以用于精密成型。
(6)電性能優異。高性能PPS樹脂在高溫、高濕下體積電阻率變化很小，其介電常數隨溫度和頻率變化很小，加之離子雜質含量低，能浸漬于260℃的焊錫槽中，所以足夠承受表面焊接電子元件的熱沖擊，適用于對電性能有極高要求的產品。其電阻率高，介電性能低。
(7)高性能PPS樹脂熔體黏度極低，流動性好。極易與玻纖潤濕接觸，因而易于填充，用其制備的玻纖或玻纖－無機填料增強注塑級粒料，抗沖擊、抗彎、延展性極高。
(8)高性能PPS樹脂對玻璃、鋁、不銹鋼等的粘接強度非常高。對玻璃的粘接強度甚至比玻璃的黏結力還要大。
2. 工程塑料品種概述
工程塑料是一種可以作為結構材料長期承受機械應力，并在較寬的溫度范圍和較為苛刻的化學物理環境下使用的塑料材料。工程塑料與一般塑料相比，具有更優異的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩定性等優點，并且與金屬材料相比，具有重量輕，便于復雜的產品設計，成型時能耗小等優點。工程塑料在電子電器、建筑、汽車、機械、航空航天等工業部門的應用非常廣泛。工程塑料按用量、性能和適用范圍分為通用工程塑料和專用工程塑料兩大類。
其中，通用工程塑料主要包括尼龍(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)等以及近年來在工程塑料應用中發展迅速的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
特種工程塑料是指一種綜合性能高、長期使用溫度在150℃以上的工程塑料，主要包括聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、液晶聚合物(LCP)、聚砜(PSF)等具有獨特優異物理性能的特種工程塑料。
3. 高性能PPS樹脂在工程塑料的應用
作為工程塑料，PPS成型材料具有許多優良特性，可代替金屬、熱固化性樹脂等，為此被廣泛應用于各個領域。
(1)汽車零部件上的應用
汽車零部件用途是未來PPS應用最廣泛的領域，如圖2所示PPS應用于電驅動單元部件。因為PPS除了具有杰出的連續耐熱性、耐藥品性(汽油、機油等)等高性能外，還由于可提高生產效率(可注塑成型)，使成本大大降低。
PPS應用于電驅動單元部件
PPS應用于IC調節器
目前PPS除了可以取代以往使用的金屬部件和酚醛樹脂，PPS在新用途部件上的應用正在加速。特別是在以發動機相關機器為中心的驅動類、制動類、燃料類、照明類、冷卻類零件和控制這些機器的控制類零件方面，PPS在汽車零件使用的詳細情況如表1所示。
表1 PPS在汽車零部件用途明細表
(2)住宅設施/OA/精密設備上的應用
住宅設備中以熱水器為代表的用水相關設備多使用“超硬PPS(40%GF)”。這是由于“超硬PPS(40%GF)”除具有PPS的耐熱水性以外，還具有耐壓、韌性好的特點。正在逐步替代過去以黃銅為代表的金屬材料和變形PPE材料。
因具備低結晶度性能而利于尺寸精度的“改性PPS(30%GF)”適用于精密設備零部件用途。同時，由于具有優異的低摩擦、低磨損性能，適用于對滑動特性有特殊需要的項目用途，如齒輪、軸承等。
在激光復印機、打印機等用途方面，多使用既具有PPS耐熱固定性能，又有利于其他特殊類型，如齒輪或軸承周圍滑動、導電等。其中PPS在住宅設施/OA/精密設備上的應用，如表2所示。
表2 PPS在住宅設施/OA/精密設備上的應用明細表
(3)電氣/電子零部件上的應用
在SMT工序中除高耐熱性、精密成型性、尺寸穩定性等以外，PPS還具有不添加阻燃劑就可以達到UL-94V-0級的高度阻燃性。對于以連接器為代表的電氣/電子部件來說，這些特性可以稱為最好的成型材料。主要使用具有PPS一般特性和適當成型性的玻纖強化/非強化交聯型PPS和線型PPS低毛刺型，適用于精密復雜的成型品，如連接器等。
此外，玻纖/礦物填充強化的交聯型PPS和線型PPS適用于光學示波器，如對尺寸穩定性和剛性有要求。可超低壓成型的PPS適用于微線圈及電子部件的密封。其中PPS在電氣/電子零部件上的應用如表3所示。
表3 PPS在電氣/電子零部件上的應用明細表
(4)機械工業和化工領域上的應用
近年來，PPS通過化學改性與玻璃纖維、礦物填料或碳纖維等混配成復合材料制成成品在機械工業和化工領域上也被廣泛的應用，其中PPS在機械工業和化工領域上的應用如表4所示。
表4 PPS在機械工業和化工領域上的應用
(5)鋰電池領域上的應用
鋰電池是指在電化學體系中含有鋰的電池，由于鋰金屬的化學性能比較活潑，對其進行加工處理的環境要求非常高，這也是鋰電池沒有被大規模應用的原因。隨著信息時代的到來，以體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快為特點的微電子技術發展壯大，小型精細化設備不斷增多的同時，對電池的要求也隨之提高，由此，鋰電池進入廣泛實用階段。而聚苯硫醚(PPS)具有優異的耐熱性、絕緣性、電性能等特點，與鋰電池領域對材料的要求相契合，是鋰電池的“親密伴侶”。
鋰離子動力電池蓋板PPS絕緣環
(6)環保領域上的應用
廢氣、廢塵的主要排放源是鋼鐵廠、垃圾焚燒爐、熱電廠、水泥廠、炭黑廠等領域，水泥廠可采用常溫除塵的袋式除塵，但像鋼鐵廠、焚燒爐、電熱廠這些領域產生的廢氣、廢塵具有溫度高、濕度大、腐蝕性等問題，這便要求除塵材料具有很強的耐高溫、耐腐蝕等性能。
而纖維級PPS具有很高的熱穩定性，可以在200~240℃下連續使用，即使在260℃的高溫下放置1000h仍然能保持60%的強度。PPS的耐腐蝕性能更是與具有“塑料之王”之稱的聚四氟乙烯相近，就阻燃性而言，PPS纖維制品不易燃，無需添加阻燃劑就可達到UL-94V-0標準。因此，PPS纖維制品在以上領域的應用可以大大提高除塵設備的使用壽命。其中，被應用最廣泛的產品便是除塵濾袋。
高溫PPS濾袋 圖源：特邦環保
4.結束語
高性能聚苯硫醚樹脂由于具有優異的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性和尺寸穩定性，在工程塑料項目中廣泛應用于電子電器、建筑、汽車、機械、航空航天等行業，但在進行PPS成型作業時還需注意以下幾個方面：
(1)預干燥。當粒料干燥溫度過高或干燥超過必要時間時，會出現色調和流動性的變化；
(2)料筒設定溫度。合理的料筒溫度一般設定在300~340℃之間，勿加熱至350℃以上，特別是混合有PTFE(氟樹脂)的產品，其溫度范圍為290~320℃，勿超過330℃以上；
(3)料筒內的停留時間。一般300℃時設定為60min以內，320℃時設定為30min以內；
(4)在發生樹脂分解或類似事態時，需降低料筒溫度排出料筒內殘留的樹脂。成型停止時，排出料筒內殘留樹脂后，請切斷加熱器電源。此外，還需遵從“廢棄物處理及清掃的相關法律”委托指定的廢棄物處理單位或地方自治體處理廢料、轉子、熔渣等。
參考資料：《高性能聚苯硫醚樹脂在工程塑料項目中的應用》浙江新和成李沃源，技術應用與研究2022.9.23
公司：上海帝潤化工有限公司，專業的 塑料潤滑劑 供應商。技術咨詢熱線：021-52683036
- 上一篇：連體蓋時代來了？兼容PET瓶和HDPE瓶 2023/7/14
- 下一篇：8種常用醫用塑料簡介 2023/7/14