同為工程塑料,為什么在汽車應用中PPO爭不過PA66?來一場性能PK吧!

在五大工程塑料中,PPO相對是存在感比較低的一位。盡管它密度低,不易吸水,具有自熄性,機械性能和尺寸穩定性都很不錯,但在市場中,尤其是近些年比較火的汽車應用里并不常見。


這是什么原因呢?我們從工程塑料里選了一個和PPO綜合性能較為類似的材料PA66,比較它們的化學結構、熱性能、機械性能、耐化學性、耐環境性和加工特性。


PPO,也稱為 PPE,是一種無定形熱塑性塑料,具有卓越的尺寸穩定性、水解穩定性和高耐熱性。而PA66是一種半結晶性聚酰胺,具有優異的拉伸強度、韌性和耐磨性。


分子結構




PA66的特點是其線性結構和酰胺鍵,使聚合物鏈之間能夠形成氫鍵(圖1),這種化學結構增強了其拉伸強度、韌性和耐化學性。PA66也是一種半結晶材料,有序的結晶區域與無定形區域交錯排列。


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圖1 — PA66 的化學結構使得酰胺基團能夠形成氫鍵。圖片來源:麥迪遜集團


PPO(圖2)是聚苯醚和高抗沖聚苯乙烯 (HIPS) 的可混溶共混物。PPO是一種無定形材料,以其由苯環和甲基組成的剛性分子結構而聞名。這種結構使其具有較高的玻璃化轉變溫度、耐熱性、良好的電氣性能、優異的水解穩定性,并且可以使用無鹵阻燃劑。與聚苯乙烯 (PS) 共混后,所得材料具有可調整的熱性能和機械性能。

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圖2  — 含有 PPE 和聚苯乙烯混合物的 PPO 的化學結構。


這兩種材料的比較是一場經典的無定形聚合物與半結晶聚合物之間的較量。然而,就PA66而言,其獨特的化學結構賦予了其在韌性方面有其他半結晶材料所不具備的優勢。PPO材料則兼具無定形材料的優勢,并擁有更可定制的性能組合


熱性能




PA66是一種半結晶性聚合物,熔點 (Tm) 約為 260°C。其玻璃化轉變溫度 (Tg) 范圍為 55°C(干燥)至-37°C(100% RH)。PA66的Tg受濕度影響,因為水可作為聚合物主鏈的增塑劑。  


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圖3 — PPO 與 PA66 的模量與溫度對比。


對比PA66和PPO的模量與溫度關系,可以看出這兩種非晶態材料和半晶態材料在熱行為上存在顯著差異(圖3)。PA66在調節狀態下的玻璃化轉變溫度低于干燥狀態下的玻璃化轉變溫度。高于此玻璃化轉變溫度時,PA66在比PPO材料高得多的溫度下仍能保持模量。如果您的主要目標是滿足汽車引擎蓋下應用所需的長期高溫性能,那么PA66是更佳選擇。


PPE的Tg高達215°C,在高溫下具有優異的耐熱性和尺寸穩定性。PPE與其他聚合物共混會影響其熱轉變溫度。這會導致玻璃化轉變溫度范圍從PS含量較高的共混物110°C到PS含量較低的共混物175°C。


PPO的熱行為以穩定性為特征,從環境溫度到玻璃化轉變溫度,其模量較高。相比之下,聚酰胺材料在玻璃化轉變溫度以上時模量會降低,并且模量很大程度上取決于材料中的水分含量。因此,您可以信賴聚酰胺材料在其有效溫度范圍內具有相似的性能。

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表1 — PPO和PA66的性能比較。


PA66具有良好的韌性,以及抗沖擊、抗蠕變和抗疲勞性能。其機械性能受濕度影響,濕度越高,強度和剛度越低,但韌性越高。不過,可以通過添加玻璃纖維增強材料來調整剛度和強度。


在調節狀態下,PA66的拉伸模量較低,但拉伸強度與PPO材料相似。此外,PA66的韌性較高,幾乎與PPO材料的韌性相當。這表明,雖然聚酰胺材料的性能會受濕度影響而發生變化,但它仍然能夠為大多數應用提供足夠的強度和韌性。此外,PA66還具有優異的反復沖擊韌性、低摩擦系數和低耐磨性,因此PA66的應用范圍更廣泛。


PPO相較于PA66具有顯著優勢的點在于機械性能和熱性能方面。即使在高溫下,它也能始終保持高剛度和拉伸/彎曲強度。隨著溫度升高,模量僅會逐漸降低——這對于在嚴苛條件下要求性能穩定性的應用而言,是一項寶貴的特性。此外,PPO的拉伸強度基本不受濕度影響,并在較寬的溫度范圍內保持可預測性。與在類似環境條件下強度可能會下降的PA66相比,PPO具有更高的可靠性。這些特性使PPO成為需要耐用性和性能一致性應用的理想選擇。


耐化學性




PA66具有優異的耐化學性,使其成為適用于各行各業的多功能材料。它對碳氫化合物、油和油脂具有極強的耐受性,因此非常適合汽車和工業應用。


PA66還對多種溶劑和弱酸表現出良好的耐受性。然而,它對強酸、強堿和氧化劑的耐受性較差,這些因素會隨著時間的推移導致其結構降解。其性能會隨著所接觸化學物質的溫度和濃度而變化。


PPO具有優異的耐化學性,尤其耐酸、堿和多種有機溶劑。它具有很強的抗水解降解性能,并且由于吸濕性低,在潮濕環境中表現良好。然而,PPO對芳香烴、鹵素和某些酮類的耐受性較差。此外,當暴露于有機溶劑時,它容易發生環境應力開裂。


在特定應用領域,尤其是在暴露于碳氫化合物、油和油脂的環境中,PA66展現出比PPO更優異的耐化學性。PA66能夠承受與這些物質的長期接觸,這使其在汽車和機械部件領域極具優勢,因為這些部件經常暴露于此類環境中。相比之下,PPO易受碳氫化合物、芳香族溶劑和酮類物質的侵蝕,這可能會限制其在類似情況下的性能。雖然PPO能夠耐受多種化學品,但正是由于其對這些特定物質的敏感性,使得PA66在需要耐久性的應用領域中具有顯著優勢。這種韌性加上PA66的機械強度,凸顯了其在化學苛刻環境中的卓越性能。


雖然PPO由于無定形特性,通常更容易受到化學影響,但在多種環境下,它的性能優于PA66。這些環境包括接觸有機酸、無機氯化物、過氧化氫和防凍劑。


環境阻力




PA66擁有卓越的耐環境性能,使其成為高要求應用的可靠材料。PA66具有優異的耐熱老化性能,即使在高溫下也能長時間保持其機械性能。特殊等級(例如玻璃纖維增強 PA66)可承受高達220°C的高溫,非常適合高溫環境。


雖然PA66耐多種化學物質,但其水解穩定性可能會因長期暴露于水或潮濕環境中而受到影響,導致尺寸變化和機械性能下降。不過,市面上已有穩定劑,可在熱液條件下提供更佳的穩定性。PA66本身的抗紫外線性能有限,長時間暴露于陽光下會導致表面降解和變色。為了增強其抗紫外線性能,通常會添加穩定劑或保護涂層,使其更適合戶外應用。


PPO以其卓越的耐環境性而著稱,尤其耐潮濕和水解降解。PPO吸濕性低,即使在潮濕環境下也能保持尺寸穩定性和機械性能,非常適合需要長期接觸水的應用。此外,PPO對多種酸、堿和多種有機溶劑均表現出優異的耐受性,確保其在某些化學腐蝕性環境中具有耐久性。其固有的熱穩定性與其耐受性相得益彰,使其能夠在各種環境條件下可靠地運行。


PPO的水解穩定性優于PA66,吸水率在所有工程熱塑性塑料中屬于最低水平。這種卓越的抗吸水性確保PPO保持其機械完整性,并將性能下降或尺寸膨脹降至最低。相比之下,尼龍66會吸收水分,導致體積膨脹和干擾應力增加,同時降低剛度和強度。PPO在潮濕或潮濕條件下具有卓越的穩定性,使其成為尺寸精度和穩定機械性能至關重要的應用領域的更可靠選擇。


加工




PA66屬于半結晶材料,與PPO相比,在成型加工方面具有諸多優勢。首先,PA66的熔體粘度低于 PPO。這使其在填充注塑模具所需的壓力方面更具優勢,從而能夠實現更長的流道,并能夠填充更薄的壁厚。


PPO的尺寸控制性能優異,且成型收縮率較低。此外,它的比重也低于PA66,因此制造出的部件更輕。


結論




PPO和PA66之間的選擇取決于具體的應用需求。如果您的應用需要一種即使在需要在承受各種壓力的情況下也能表現出色,那么PA66無疑是最佳選擇。這包括汽車應用、工業工具以及高溫持續使用環境。


PPO在要求高耐熱性、尺寸穩定性和水解穩定性的應用中表現出色。