工程塑料选用的重要性能与测试

1、WORD11/11工程塑料选用的重要性能与测试1969年美国化学业务开发公司，曾给工程塑料下了一个定义：“工程塑料是指具有长期作为结构材料并在较宽温度围，在机械应力和较为苛刻的化学物理环境中使用的塑料”。可见，工程塑料主要是作为工程结构材料，加工制造各种机械零件、电子电器、仪表设备的结构零部件，在耐热、强度、电绝缘、耐化学腐蚀、耐候和耐低温性方面优于通用塑料，在耐磨、绝缘、耐腐蚀性方面优于金属。工程塑料中，产量大、可作为结构材料的品种称为“通用工程塑料”，如尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、热塑性聚酯、改性聚苯醚和超高分子量聚乙烯等，是工程塑料的主体，产量和消费占工程塑料的95以上。而产量少、价格昂贵、

2、可做结构材料或特殊用途、性能更优异的品种称为“特种工程塑料”，也叫超级工程塑料，高性能工程塑料。如聚苯硫醚、聚砜、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚芳酯、液晶聚合物、聚醚醚酮等，主要用于宇航、航空、国防和尖端工业。工程塑料定义不全一样，也有定义为：工程塑料是用于汽车、机械部件、电子电器等工业用的塑料，拉伸强度大于50MPa，弯曲弹性模量大于2GPa，耐热性150以上的塑料，耐热性更好，能在150以上长期使用的品种称为特种工程塑料，故也有人叫高温工程塑料。可见除高机械性能外，耐热性、电性能和长期耐用性是关键性能。1工程塑料性能工程塑料性能包括物理性能、机械性能、热性能、电性能、化学性能。物理性能包括：密

3、度、透气性、透湿性、透水性、透明性、吸水性、折射率、透光率。机械性能包括：拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、弯曲弹性模量、抗蠕变性、冲击强度、疲劳强度、硬度、耐摩擦和磨耗性。热性能包括：热变形温度、维卡软化点、玻璃化温度、阻燃性、相对温度指数、线膨胀系数、导数系数、分解温度、熔体流动速率、耐寒性、尺寸稳定性。电性能包括：表面电阻系数、体积电阻系数、击穿强度、相对介电系数、介质损耗角正切、漏电起痕指数、灼热电阻丝引燃性。化学性能包括：耐化学药品性、耐老化性、耐候性、耐辐照性。由上可见，大部分性能是通用塑料也需进行测试的，工程塑料不仅机械性能明显优于通用塑料，而且作为长期使用结构材料，除了要求高机械性

4、能和耐热性外，具体应用还提出专门特殊要求，如有些机械部件的摩擦和耐磨性，汽车、电子行业要求的阻燃性、耐热老化性、漏电起痕指数、尺寸稳定性等。2通用和工程塑料性能比较表1为代表性的通用塑料、通用工程塑料和特种工程塑料（结晶型和非结晶型）的性能比较。表1 通用塑料和工程塑料基础性能比较通用塑料通用工程塑料特种工程塑料PSPPPCPOMPESPEEK结晶性非结晶型结晶型非结晶型结晶型非结晶型结晶型透光率，%91半透明88半透明不透明透明不透明密度 g/cm31.050.911.201.421.371.32拉伸强度 MPa463850758694弯曲弹性模量 MPa310015002500370027

5、003700Izod冲击强度 J/m（缺口）1731900808685热变形温度 （0.46MPa）88113140170210300熔点，175178334耐溶剂性*：优秀，：良好，：一般工程塑料具有优于通用塑料的平衡的拉伸强度、弯曲弹性模量和耐热性，表2列出不同工程塑料性能的比较，作为开发市场和应用参考。无增强材料时，mPPO密度最小，PBT、POM密度大，POM弯曲弹性模量最高，而PA最小（由于吸湿），PC的Izod冲击强度最高。表2 工程塑料物性对比ABSPA6PA66POMPCmPPOPBTGFRPBTPPSPARPSFPESPEEKPEI脂肪族PK轻量性加工性成型收缩率吸水性耐沸水

6、性耐低温性韧性抗蠕变性耐溶剂性耐候性阻燃性电性能耐摩擦磨耗性体积成本刚性耐热性注：特优，：优良，：一般，：差工程塑料应用重要性能与测试限于时间，只介绍通用塑料不测试而工程塑料选材和应用时经常用到的性能，目前中文书刊介绍较少或未见介绍，特别是涉与应用于工程塑料最大的两个应用领域（电子电器和汽车）的重要性能和有关标准。21安全防火认证防火和电气安全认证是众所周知的对材料进行分类的手段，包括对塑料材料进行分类，而加工塑料是在“机械应力和较为苛刻的化学物理环境中使用”，尤其是用做高新、尖端产品重要零部件，因而其认证显得尤为重要。有许多组织机构按照防火和电气试验标准认证材料，这些组织被视为是中介性的，其

7、中包括：总部设在美国、可能是世界上最大的保险商试验室（Underwriters Laboratories Inc.,缩写UL）、加拿大标准协会（CSA）、英国标准协会（BSI）、德国电子联合会（VDE）、法国标准化协会（AFNOK）等。UL是世界上最大的一家独立的安全测试组织，制定的测试试验被用于防火和电气安全认证的各种方法。UL是一家非赢利单位，作为第三者对工业制品的安全性进行评价的团体。下设七个分部：（1）电子；（2）加热、空调和冷冻；（3）受伤和化学毒害；（4）防火；（5）防盗和信号；（6）航海；（7）跟踪系统。每年评价110万件以上制品，认证新制品170亿件左右。UL对树脂进行评估和认

8、证的目的是为了给产品的潜在用户提供一些参考性数据。它之所以被视为参考性工具，是因为从理论上讲，这些测试并不设计产品的具体应用，并不意味是预测产品的实际使用性能，而是以一组针对性的具体标准来表明材料固有的特性。这些测试有助于判断树脂材料的制品是否符合UL对产品的另一项规定要求。这些规定就是要求产品制造厂要说明产品的组成，通常是整个制品是否符合UL的最终产品标准。UL有数百项标准，其中四项标准特别涉与塑料的参考试验，并可反映材料分级的特性，评估塑料的四项标准为：UL94塑料燃烧试验；UL746A聚合物短期性能评估；UL746B聚合物长期性能评估；UL746C用于电子设备的聚合物评价。22耐热性通用

9、塑料、通用工程塑料和特种工程塑料的耐热性差别大，也是区分它们的重要性能指标，表1中的不同塑料的热变形温度（HDT），便能说明这一点，耐热性是材料最高使用温度的重要参考依据。塑料具有优良的电性能，故常用于电子电器领域，在使用中由于发热，为电子电气制品安全，必须要进行工程塑料的耐热性评估。由于受热发生变形，性能下降的测试方法主要为HDT和维卡软化点，对热的耐久性，则用相对温度指数（RTI）来衡量，属长期性能，特别是用于判断电子电器制品用塑料是否适用非常必要，但要取得RTI数据，需花费11.5年时间，不适应制造厂要求，而工程塑料使用温度相对高，电子制品和部件小型化、轻量化，用RTI来衡量是否可用显得

10、尤为重要，在后面讨论。塑料的HDT与能连续使用温度见图1：图1 塑料热变形温度和能连续使用温度由图1可见，一般热变形温度越高，能连续使用温度越高，但也有例外，PTFE的HDT不高，但能连续使用温度高。另外，玻纤增强后一般材料HDT和能连续使用温度（特别是结晶型树脂，如PA、PBT、PET、POM、PP）都明显提高。23长期性能评价长期性能评价UL746B与短期性能评价UL746A一起使用，作为UL746A的补充。UL746A考察材料的短期性能，是为了给材料生产厂和用户提供有关材料的一些物理、电气、着火和燃烧性，有关电气和着火性能指标被UL用作“性能分级”（简称PLCs）。PLCs有效地将材料用

11、数据依据其性能进行归类分级，有助于最终用户和安全工程师选材时作为参考。另外，这些UL746A指标还可以确认不采用原先选用树脂时是否可用新材料替代的可能性。UL746A测试包括：阻燃性*、HWI*（灼热电阻丝引燃性）、HAI*（高电流电弧引燃性）、HVTR*（高压电弧痕迹率）、D-495*（ASTM耐电弧性）、体积电阻系数、漏电起痕指数（CTI）、击穿强度、拉伸强度、弯曲强度、热变形温度、尺寸稳定性、组成分析包括红外光谱（IR）、热重分析（TGA）、差热扫描量热分析（DSC）和相对温度指数（RTI）。*这些数据登记在UL黄卡上，黄卡有UL试验并认定的，关于安全性的评价数据。用户更关心和实际意义更

12、大的是长期性能评价，也有人称长期耐用性或耐热老化性，或称工作（服务）温度，UL746B就是考察一些关键或主要性能随时间和不断升高的温度而产生的变化，即测试材料在规定温度下的热老化，测试随不同温度下老化时间后的性能，包括冲击强度、拉伸强度、电性能、燃烧性、尺寸变化率，一般做拉伸强度、冲击强度、电绝缘性三项。这项测试将一定形状样品在至少4个不同温度（不同塑料测试温度也不同）进行试验，观察其变化直至失效，样品在四个不同温度老化箱中进行老化，保持原有性能50以上者，就为未老化，得出每个温度对应时间。根据4个不同温度和时间结果作图，找出40，000h仍保持50性能的温度（见图2），以温度定量判别材料是否

13、可用，即超过此温度，材料可能过早降解，而不能合格服务。这是UL746B的老方法“定温度法”，求出材料使用寿命。2000年新推出“定时间法”，优点可以缩短试验时间，在5000h结束试验，定时间法固定4个时间：552h（23天）、1008h（6周）、2016h（12周）和5040h（30周），分别得到2个性能保持率50以上的温度和2个保持率50以下的温度，计算出保持50的温度，因而得出4个温度，据此作保持性能50的温度和时间关系图，作线并外推至40，000h温度。每个温度取5个试样，共20个试样，机械性能（拉伸强度、冲击强度）和电性能（电绝缘）是基本项目。都是采用外推法。取决于应用的要求，可以测定

14、更多的有关性能RTI值，采用替代材料时，需要与原材料的RTI比较。图2 时间和温度关系图通过对塑料性能随时间而发生变化的评价，可以大致上确定塑料的实用温度上限，为材料对温度耐久性的评定方法，应指出的是这种方法只测定热老化，并未考虑蠕变，作为对长时间受温度和负荷的用途的评定还是不够的。总之，RTI值是指材料特定性能未达不能接受的损坏的最高服务温度，是选材的关键性能指标。24阻燃性和安全认证工程塑料在家电、电子电器、汽车、建材、电线电缆上广泛使用，用量呈上升趋势，但这种C、H、O组成的有机化合物是可燃性材料，从防火、人身安全等方面考虑都需阻燃化，制定塑料阻燃性法规，因而出现了许多试验方法，其中有国

15、家制定的，也有专门组织、有关工业与其协会、民间团体、企业制定的规格和试验方法，其中对塑料工业比较重要的制定标准和试验方法的制定单位或协会有：UL、IEC（国际电工技术委员会）、ISO、MVSS（美国汽车标准协会）等。被工程塑料最终用户普遍认可和使用最多的是UL94标准。UL94燃烧测试标准根据材料在火焰点燃时，着火趋向以与火焰移去后继续燃烧的特性对材料进行分级，按UL标准进行测试结果能比较不同材料的相关燃烧特性或者验证某一给定材料的燃烧性能变化。UL94标准制定中参照了许多ASTM和ISO中有关模具、火焰测试和耐热指数等的测试方法。按火焰试验和燃烧结果分级，UL94中有三种不同火焰测试方法，表

16、3列出了测试方法和与其相关的ASTM和ISO测试方法、IEC的类似标准，ASTM和ISO是著名的测试方法标准化开发组织，IEC是世界电气与电子工程标准的权威组织，全世界有100多个国家将它的标准作为制定本国标准的依据。表3是燃烧测试方法分类和几种标准的对应。表3 燃烧测试方法分类测试方法燃烧性等级ASTMISOIEC水平燃烧HBD6351210707垂直燃烧V0,V1,V2D380112017075英寸火焰5VA，5VBD504810351241水平燃烧试验和垂直燃烧试验水平燃烧试验和垂直燃烧时试验是最具代表性、历史最悠久、应用最广泛的燃烧性测试方法，均为塑料表面火焰传播试验方法。我国也有对应

17、标准：GB/T 2408 塑料燃烧性能试验方法 水平燃烧法；GB/T 4609塑料燃烧性能试验方法 垂直燃烧法。德国DIN 53459塑料检验：用一根灼热棒在接触塑料试样时和接触后的性能判定。ISO 1210 塑料以小试样接触小火焰的方法测定塑料燃烧性能。IEC 707 测定固体电子绝缘材料暴露于燃烧源时可燃性试验方法。UL水平燃烧（94HB）按一根条状样品的最大燃烧速率进行分级，由于条状试样在测试中是处于一个平面上，这项测试被称为水平燃烧测试。达到UL94HB标准，并不能说明树脂具自熄性。垂直燃烧试验（94 V0，V1，V2），目的是区别材料的自熄性，“自熄”是指火焰移开后会停止燃烧。垂直燃

18、烧速率反映了燃烧时材料的自熄效率、熔融滴落情况和发光情况，垂直燃烧分级要求见表4。表4 垂直燃烧分级要求94 V094 V194 V2单个样品点燃后燃烧时间/秒1030305个样品火焰的总持续时间/秒50250250第2次点燃样条后火焰持续时间/秒和发光时间之和/秒306060燃烧滴落物是否引燃脱脂棉不能不能能需指出的是达到UL94 V2级或更高阻燃性材料，试样还需老化后进行燃烧试验，以确认其老化后不丧失阻燃性。242 125mm垂直燃烧试验UL945V（125mm垂直燃烧）系列测试专门用来测试密封用品的材料。样品： 51/2厚度（条）66厚度（板）测试方法：条状样品。每种厚度样品总数为10个

19、（2组），5个样品在23，50RH状态调节48h，另5个样品在70下状态调节7天（168h）后测试。用芯蓝色1.5（长）、总长5灯火焰置于样品底角，与底面成20角，使蓝色火焰接触样品，燃烧5秒，移开5秒，重复5次上述操作（见图3）。图3 UL945V燃烧试验达级要求第5次燃烧后，样品燃烧和发光时间小于60秒；燃烧熔滴不点燃置于样品下12（300mm）处的干态材料脱脂棉；不烧穿板状试样。一种材料的条状试样通过5V标准后，还需进行板状试样试验，板状试样呈水平放置，火焰置于试样底面中央，其他方法同条状试样试验。5VA燃烧等级表示板状（片）样品被烧穿，5VB燃烧等级则表示未被烧穿。UL94等燃烧试验法

20、，根据塑料试样的可燃与否、燃烧速率、烧损长度、滴落物引起着火等情况，以与其他燃烧现象来测定塑料燃烧性能的等级，很适合实际塑料制品耐燃等级与档次的评定，在工业上很有实用价值，如要求电视机后壳材料，不低于UL94 V1级。由于制品，特别是电子元部件小型化，UL94阻燃性测试还需说明试样厚度。其它有关UL试验还有：UL114（办公室设备），UL1270（音响机器），UL1410（电视机、录音机），UL746D（聚合物材料加工制品）等。243 其它标准和测试方法氧指数（OI）法的测试标准有ASTM 2863和ISO4589，日本为JIS K 7201。我国对应标准为GB/T 2406 塑料燃烧性能试验

21、方法 氧指数法。该法突出优点为能定量地精确测定塑料燃烧性能的数值，并且精度高，重复性好，是目前研究开发和生产阻燃塑料的主要测试方法之一，适用于工艺研究、配方设计和产品开发。一般OI30相当于UL94 V0级。相当并不是相等，不能代替阻燃性，但由于其测试相对快捷简单，有利于加快开发速度。除了上面提到电子电器和办公自动化用材料UL阻燃标准（1410，114，1270，746D）等外，电线和电缆、建筑和汽车等行业也对材料有专门标准。汽车行业中，美国FMVSS（联邦机动车安全标准）302（装饰材料），日本JIS D 1201（汽车用装饰材料试验法），我国也有对应标准GB/T 8410。欧盟制定了关于汽

22、车用材料试验方法和评价标准，按不同适用部件进行不同试验，包括水平燃烧试验、熔融滴落试验和垂直燃烧试验。我国的GB/T 8624是建筑材料燃烧性能分级方法，GB T5464建筑材料不燃性试验方法，GB T5454纺织织物燃烧性能测定氧指数法等。值得指出的是世界阻燃化技术方向是同时要求低有害性和低发烟性，欧美和日本发达国家也有各种相应标准。FMVSS 302和JIS D1201等标准中均有发烟试验与指标。25漏电起痕指数随着汽车、家电、通信、机床工业发展，高压电器开关、变压器线圈骨架、耐高温继电器、小型薄壁电子电器元件、低压真空接触器线圈与开关板等对高绝缘性阻燃工程塑料需求增加，即要求采用漏电起痕

23、指数Comparative Tracking Index.,缩写（CTI）符合的树脂，CTI定义为材料耐50滴电解液不形成漏电痕迹的最高电压值（V），叫法甚多，有：比较起痕指数，耐漏电起痕指数，相比漏电起痕指数，相比电痕化指数等。固体绝缘材料在电场和电解液的联合作用下，逐渐形成导电通路的过程叫漏电起痕，通常是由于固体绝缘材料表面降解产生了碳粒从而形成了表面电流，环境潮湿、材料表面粗糙、有杂质时会加速发生这种效应、漏电导致材料介电失败，甚至介电热而引起材料的燃烧，由于部分放电导致集中连续蚀损该部分，形成像树木枝状痕迹。常用测试标准为IEC法：测试标准 IEC 60112 湿润条件下固体绝缘材料的

24、比较起痕指数的耐起痕指数测定方法，UL 746A法、ASTM D3638法和IEC法十分相近，其他方法还有DIN法，Dust&Fog（尘雾法），高压微电流耐弧试验法，Differential Wot法和Dip Track法。IEC法是目前主要测试方法，缺点为测定电压上限为600V，结果波动大，Dip Track法能测定电压上限达3000V，而且与实用结果相关性强。我国有关标准为GB/T 4207，评定在严格环境条件下使用的电气绝缘材料耐电痕化和蚀损的试验方法。CTI是衡量漏电起痕性敏感性指标，指在电极作用下往试样表面滴下50滴0.1电解液（氯化铵）后，材料不发生漏电痕迹的最高电压值。IEC 6

25、0112 为电解液滴定法，1979年发布，1986年修订。测试装置如图4所示。图4 CTI测试装置示意图试样尺寸：15154mm，表面应平整，无裂痕；（厚度3 mm或以上）；铂电极电压：100600V（铂电极尺寸：2052mm，即横截面5mm2mm）；频率：4660Hz；电解液：0.10.002氯化铵（用蒸馏水或脱离子水稀释）；电解液滴落速度：30秒一滴；试样与滴液喷嘴距离：3040mm；铂电极间距：（4.0 0.1）mm，夹角：60；每个电极对试样表面的作用力为（1 0.05）N；环境温度：（23 5） 。取5个不同试验点。按IEC 60112标准，CTI值由高到低分成6个等级：600V，0

26、级；400V600V 1级；250V400V 2级；170V250V 3级；100170V 4级；100V 5级。该测试方法简单，缺点为偏差大，电极形状、材质、测定电路等因素不同都会导致测试结果偏差较大，必须予以注意。试样表面应清洁，无灰尘、脏物、指印、油脂、脱膜剂或其他影响结果的污物；同一试样做多点试验，试验点之间要有足够的距离，避免前一次试验飞溅的污物而导致发生偏差。26 HWI和GWITHWI（Hot Wire Ignition）灼热电阻丝引燃性表示需要引燃标准样品或整个样燃烧所需的平均秒数（s），样品缠绕在散发一定电能的电阻丝上，测试方法按ASTM D3874-84或UL 746A中规

27、定方法。按HWI值的UL分级（PLC）见表5。表5 HWI值和PLCHWI值（平均点燃时间）/ s12060119305915297147PLC012345GWIR（Glow-WireIgnition Temperature）或GWR（Glow Wire Resistance）和HWI测试目的基本一样，主要用于欧盟国家。GWIT评价最终制品的燃烧性，是指灼热电阻丝（glow-wire）末端不引起试验时一定厚度试样点燃的最高温度，用于比较材料的引燃温度。配混热塑性塑料燃烧行为不仅是材料的特性，还取决于应用中的形状和壁厚，靠模拟火灾危险过程来评价，即与加热的电阻丝（wire）接触30 s后的着火危

28、险性来判断，测试方法按IEC60695-2-13。GWIT测试方法为环形电阻丝加热到特定温度（550、650、750、850、960）后，要测试样品在一定水平负荷下与热电阻丝接触，根据样品在升高温度时表面的着火危险性进行评价。复杂形状部件取最薄壁厚处为样品，在23，50RH下预处理24h，电阻丝温度取决于部件应用要求，样品表面应无火焰，不发灼热光（glowing），与加热电阻丝接触离开后30 s熄灭。为模拟由热源引起的热应力效果。HWI与GWIT单位不同，后者为温度，似乎更直观、方便，是比HWI更新的材料阻燃性测试方法。GWIT是电子制品和部件用塑料重要性能，涉与到大型家电、小型家电、信息技术

29、和通讯设备、照明设备、电子电气工具、玩具、休闲和运动器械、医疗设备、监控设备、自动售货机等消费和工业用电子/电气设备领域。27 阻燃性对应标准阻燃性 FlammabilityASTMISO其他阻燃级 Flame RatingUL94Glow Wire Ignition IndexIEC60695-2-12Glow Wire Ignition TemperatureIEC60695-2-13Limited Oxygen IndexD-2863ISO4589-1-228 工程塑料选用原则选用原则与一般材料一样，取决于性能要求和成本，加工性是性能，但也与成本有关，注意对特殊和功能性的性能要求，缩小选

30、材围。随着科技发展、检测手段科学化，环境安全意识和要求的提高，以与工程塑料应用于更多高新领域，制品小型化、薄壁化，部件周围空间小，散热差，对材料耐热老化性要求提高。阻燃性、长期耐热老化性（RTI）和漏电起痕指数（CTI）和GWIT测试的重要性不断提高，指标在不断提高，如阻燃性试样厚度从1/8（3.17 mm）发展到1/16，1/32，甚至1/64（0.4mm），评价方法也在进步。 WEEK、RoHS和ELV31 WEEK、RoHS和ELV容WEEK（废电子电器设备）、RoHS（电子电器设备中指定禁用有害物）、ELV（报废汽车）是欧盟（EU）制定的指令，WEEK和RoHS分别于2005年8月13

31、日和2006年7月1日起执行，ELV于2003年7月起执行。产品进入欧盟国家需提供严格的合格证书，任何投放到欧洲市场的产品（进口到欧盟成员国国家或欧盟成员国生产和可以销售的产品）必须符合RoHS，而WEEE最小化电子电器设备无论在使用时或成废料时两种情况下对环境的冲击，2005年8月13日起对进入欧盟的十类机电产品由生产企业负责回收或加收“报废金”。WEEK是关于废电子电器设备回收再利用的指令。RoHS是关于电子电器设备中禁用有害物的指令，禁用有害物有6种：铅、镉、汞、6价铬、多溴联苯类（PBB）和多溴联苯醚（PBDE），镉最大允许含量为100 ppm ，铅、汞、6价铬、PBB和PBDE上限为1000 ppm 。ELV是关于报废汽车的指令，有2个容，一为2003年7月以后生产的汽车禁用铅、镉、汞和6价铬四种有害物，镉小于100 ppm ，其他3种金属1000 ppm以下；第二为提高报废汽车回收利用率，生产厂设计和生产汽车必须考虑材料容易回收，目标为2006年1月1日起回收汽车85，其中80回收再利用，2015年分别提高为95和85，到2007年回收费用成本的全部或大部分由制造厂承担。32 禁用有害物代表性的测试方法有害物代表性测试方法镉ICP、原子吸收光谱、荧光X线铅ICP、原子吸收光谱、