淺談特種工程塑料在連接器中的應(yīng)用
特種工程塑料與通用工程塑料相比，其具有更高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的耐化學藥品性、耐輻照性以及耐燃燒性能，同時其剛度、強度、韌性、蠕變及疲勞性能也得到改善。
特種工程塑料根據(jù)塑料受熱后的性質(zhì)不同，可劃分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。熱塑性特種工程塑料是指在工程領(lǐng)域中應(yīng)用的性能優(yōu)異的熱塑性塑料，具有強度高、韌性好和耐高溫等特點。
目前，已工業(yè)化生產(chǎn)的熱塑性特種工程塑料品種很多，主要包括：聚苯硫醚（ＰＰＳ）、聚醚酰亞胺（ＰＥＩ）、熱塑性聚酰亞胺（ＴＰＩ）、聚醚砜（ＰＥＳ）、聚醚醚酮（ＰＥＥＫ）、液晶聚合物（ＬＣＰ）等。本文介紹了常用熱塑性特種工程塑料的種類、特點，并探討了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及在連接器上的應(yīng)用。
1、熱塑性特種工程塑料的種類及特點
特種工程塑料被定義為繼通用塑料、工程塑料之后的第三代高分子材料，暴露于嚴苛環(huán)境時，超乎尋常的穩(wěn)定性以及超越傳統(tǒng)聚合物的性能；通常以非彈性熱塑性塑料為主，并通過擠出或注射方式實現(xiàn)成型。
常用的熱塑性特種工程塑料的種類及特點如下：
１）聚苯硫醚：英文簡稱ＰＰＳ，是以苯環(huán)和硫原子交替排列構(gòu)成的線性高分子化合物，具有耐高溫、耐輻射、耐腐蝕、耐磨、阻燃、高模量、高尺寸穩(wěn)定性、電性能優(yōu)良、成型加工性能良好等特點；
２）聚醚酰亞胺：英文簡稱ＰＥＩ，是一種芳族高分子聚合物，具有韌性好、交變耐高低溫（－１５０℃～１７０℃）性能穩(wěn)定、高頻絕緣性好、抗輻照、抗ＵＶ、防火阻燃、透微波、駐波系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定、成型性能好等特點；
３）熱塑性聚酰亞胺：英文簡稱ＴＰＩ，是主鏈上含有亞胺環(huán)和芳香環(huán)，具有鏈形結(jié)構(gòu)的聚合物，在其加工過程中不會發(fā)生化學交聯(lián)。ＴＰＩ具有出色的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、韌性和耐損傷性等特點；
４）聚醚砜：英文簡稱ＰＥＳ，是一種琥珀色透明的無定形聚合物，具有優(yōu)異的抗蠕變性能、耐溶劑性能、阻燃性、耐熱性、耐環(huán)境應(yīng)力開裂性以及良好的水解穩(wěn)定性等；
５）聚醚醚酮：英文簡稱ＰＥＥＫ，是一種全芳香族半結(jié)晶性聚合物，具有優(yōu)異的耐熱性、高強度、耐腐蝕性、阻燃性、耐摩擦性、耐輻照、絕緣性和加工性能，與其他熱塑性特種工程塑料相比，具有優(yōu)異的長期耐高溫蠕變性和耐疲勞性能；
６）液晶聚合物：英文簡稱ＬＣＰ，與其他有機高分子材料相比，具有較為獨特的分子結(jié)構(gòu)和熱行為，它的分子由剛性棒狀大分子鏈組成，受熱熔融或被溶劑溶解后不再具有固體物質(zhì)的大部分性質(zhì)，而形成一種兼有固體和液體部分性質(zhì)的過渡中間相態(tài)———液晶態(tài)，其分子排列表現(xiàn)出良好的各向異性。這使得ＬＣＰ具有高強度、高模量、自增強性能、突出的耐熱性能、優(yōu)異的耐冷熱交變性能、優(yōu)良的耐腐蝕性、阻燃性、耐輻照性能、電性能和成型加工性能。
以上六種未改性熱塑性特種工程塑料的典型性能指標參見表１。
2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國際上，特種工程塑料的研發(fā)始源于２０世紀６０年代后期，歐美國家對特種工程塑料進行了大量研究和開發(fā)，到目前已形成十余種具有應(yīng)用價值并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的品種；在我國，特種工程塑料起步于２０世紀９０年達中后期，與國外領(lǐng)先企業(yè)相比差異巨大，迄今未能形成較大規(guī)模，多數(shù)產(chǎn)品對外依存度高達７０％以上。
特種工程塑料是關(guān)乎國家安全的戰(zhàn)略性尖端材料，西方國家從“冷戰(zhàn)”時期開始對我國實行特種工程塑料的出口管制。為了突破技術(shù)的封鎖，我國從上世紀６０年代開始就投入大量的人力、物力來支持特種工程塑料的自主研發(fā)。我國對特種工程塑料的主要品種都跟進研究，并且在ＰＰＳ、ＰＥＩ、ＴＰＩ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ等部分樹脂品種已實現(xiàn)國產(chǎn)化，但國內(nèi)廠家的產(chǎn)能規(guī)模、合成工藝、產(chǎn)品性能、以及應(yīng)用開發(fā)等與國外仍存在差距。
筆者通過查閱相關(guān)資料及市場調(diào)研，對ＰＰＳ、ＰＥＩ、ＴＰＩ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ的國內(nèi)外成熟廠家分別進行梳理如下：
１）聚苯硫醚ＰＰＳ
目前，世界主要ＰＰＳ生產(chǎn)廠家大多分布在美國、日本、德國等。日本是最大的生產(chǎn)國，其生產(chǎn)能力占世界總產(chǎn)能的５０％以上。國外主要生產(chǎn)廠家包括美國菲利浦石油公司、日本吳羽化學工業(yè)公司、德國拜爾公司、美國特佛隆公司等。
在２０世紀７０年代，我國組織上海華東化工學院、上海合成樹脂研究所、天津合成材料研究所、廣州化工研究院、四川大學等單位對聚苯硫醚進行了生產(chǎn)與應(yīng)用的研究開發(fā)工作。現(xiàn)階段我國已成為世界上繼美國、日本、德國之后第四個實現(xiàn)聚苯硫醚產(chǎn)業(yè)化的國家，主要生產(chǎn)廠家包括：新和成、沃特、成都拓鈦科技、上海漢特特種工程塑料、江蘇邦正新材等。
２）聚醚酰亞胺ＰＥＩ
ＰＥＩ是美國ＧＥ公司在１９７０年研制的，１９８２ 年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，商品名稱為ＵＬＴＥＭ。該公司采用增強和改進等方法，已使ＰＥＩ發(fā)展成１２個系列５０多個品種，其中有通用、增強、耐磨、耐高溫、低翹曲、高流動和塑料合金等適合各種用途多系列產(chǎn)品。世界上ＰＥＩ主要的生產(chǎn)廠家主要包括美國的ＧＥ公司、ＬＮＰ公司、荷蘭的Ａｋｚｏ工程塑料公司、日本工程塑料公司等。
我國對聚醚酰亞胺的研制開發(fā)工作始于１９８０年，由中科院長春應(yīng)用化學所和上海合成樹脂所承擔研制任務(wù)，成功開發(fā)了ＰＥＩ樹脂及具有增強性能的塑料，并已小批量生產(chǎn)，基本上達到國外同類產(chǎn)品的性能。而ＰＥＩ在國內(nèi)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，品種少、價格高，基本依賴進口。ＰＥＩ加工成型溫度較高，且由于對其成型工藝和應(yīng)用研究較少，ＰＥＩ在國內(nèi)的推廣和應(yīng)用也受到影響。
３）熱塑性聚酰亞胺ＴＰＩ
２０世紀５０年代初，ＴＰＩ開始進入人們的視野并逐漸發(fā)展，到６０年代，ＴＰＩ開始走向商品化和工業(yè)化。１９９７年，日本三井公司報道了一種可以注射和擠出成型的新型ＴＰＩ塑料顆粒。２００６年底，美國ＧＥ公司（現(xiàn)為ＳＡＢＩＣ）制備了一種全新的ＴＰＩ，使該材料的耐熱溫 度從２２０℃提高至３００℃。
我國開發(fā)生產(chǎn)ＴＰＩ的廠家很少，主要有中科院長春應(yīng)用化學研究所和上海合成樹脂研究所兩家，產(chǎn)品牌號分別為ＹＨＰＩ和ＹＳ２０等，但由于過去國內(nèi)需求較小，相關(guān)原料工業(yè)化水平不高等原因，產(chǎn)量一直很小，更缺乏系列化產(chǎn)品的研究和生產(chǎn)。
４）聚醚砜ＰＥＳ
聚醚砜ＰＥＳ最初在上世紀７０年代由英國ＩＣＩ公司成功開發(fā)并實現(xiàn)商品化，直到９０年代初一直由該公司獨家生產(chǎn)并向西方工業(yè)國家供應(yīng)。１９９２年ＰＥＳ專利期滿后，由西德ＢＡＳＦ公司，美國Ａｍｏｃｏ公司和日本住友化學公司開始生產(chǎn)。
我國關(guān)于ＰＥＳ的研發(fā)始于“七·五”計劃，由吉林大學特種工程塑料研究中心獨家承擔研發(fā)任務(wù)，至“九.五”末已完成ＰＥＳ材料的國產(chǎn)化工作，并成功實現(xiàn)商業(yè)化，現(xiàn)該公司名稱為長春吉大特塑工程研究有限公司。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，市場上聚醚砜的生產(chǎn)研發(fā)廠家也逐漸萌生。現(xiàn)階段主要的聚醚砜生產(chǎn)廠家包括：長春吉大特塑、優(yōu)巨新材、浩然特塑等。
５）聚醚醚酮ＰＥＥＫ
自２０世紀７０年代末，英國帝國化學工業(yè)（ＩＣＩ）公司首先成功開發(fā)了ＰＥＥＫ 材料，１９９９ 年 ＩＣＩ 公司的 ＰＥＥＫ 被威格斯收購，到目前為止，威格斯是全球最大 的ＰＥＥＫ生產(chǎn)商，產(chǎn)能居全球首位。比利時索爾維公司、德國贏創(chuàng)公司分別是全球第二、三大生產(chǎn)廠商。
我國于２０世紀８０年代開始ＰＥＥＫ技術(shù)研發(fā)，國 內(nèi)ＰＥＥＫ行業(yè)代表性的研發(fā)機構(gòu)是吉林大學，在“八· 五”期間完成了試驗室小試和中試，并制備出了公斤級中試產(chǎn)品，經(jīng)測試主要物性達到國外ＰＥＥＫ樹脂同等水平，滿足了軍方試用的急需，并取得了我國第一批專利的授權(quán)。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，國內(nèi)ＰＥＥＫ市場已逐漸成熟.
６）液晶聚合物ＬＣＰ
ＬＣＰ是人們在尋找機械強度和耐熱性高，并且具有金屬材料加工精密性的材料過程中發(fā)現(xiàn)的。２０世紀６０年代初，美國杜邦公司率先開展ＬＣＰ的研究工作，并于２０ 世紀７０年代工業(yè)化成功。目前市場上的商品有索爾維的Ｘｙｄａｒ?、塞拉尼斯的Ｖｅｃｔｒａ?和Ｚｅ?ｎｉｔｅ?、住友的Ｓｕｍｉｋａｓｕｐｅｒ?等。
相對而言，國內(nèi)企業(yè)進入ＬＣＰ領(lǐng)域較晚，產(chǎn)品長期依賴美國、日本進口。隨著５Ｇ進程加速，ＬＣＰ材料市場需求快速增長，國產(chǎn)化需求更加迫切。近年來，國內(nèi)企業(yè)不斷進行技術(shù)儲備開發(fā)，ＬＣＰ樹脂生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟。例如：沃特特種新材料、金發(fā)科技、上海普利特復合材料等企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)ＬＣＰ樹脂，國內(nèi)ＬＣＰ產(chǎn)能快速增長，國產(chǎn)化進程加速。
3、在連接器中的應(yīng)用
熱塑性特種工程塑料最初是為了滿足國防軍工或人類科學探索需求而誕生的，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、電子信息、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域、能源領(lǐng)域等。目前，許多熱塑性特種工程塑料的應(yīng)用已不再限于航天軍用，而逐漸普及到民用領(lǐng)域。熱塑性特種工程塑料被認為是一種理想的高性能連接器材料。
攝于英威達展臺
聚苯硫醚因其剛性、耐熱性、阻燃及電性能等方面均展現(xiàn)出突出的綜合優(yōu)勢，同時國內(nèi)生產(chǎn)廠家對ＰＰＳ進行增韌、導熱、低介電的復合改性，使得ＰＰＳ常作為連接器中的絕緣體、殼體等結(jié)構(gòu)支撐件材料。
聚醚酰亞胺經(jīng)改性后展現(xiàn)出優(yōu)異的高強度、高剛性、耐高溫和耐磨性、耐腐蝕等性能，可用于高溫連接器的結(jié)構(gòu)材料、以及連接器的耐磨結(jié)構(gòu)件材料等。
熱塑性聚酰亞胺因其具有熱穩(wěn)定性、耐摩擦性、抗腐蝕性和可加工性、良好的阻燃性等優(yōu)點，在作為特殊使用環(huán)境下連接器的耐磨結(jié)構(gòu)件上有一定的應(yīng)用前景。
聚醚砜材料展現(xiàn)出耐高熱變形溫度、高沖擊強度和優(yōu)良成型性，可作為高性能連接器中的支撐結(jié)構(gòu)零件被選用。
聚醚醚酮材料因其優(yōu)異的物理性能和化學性能在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域，替代鋁、鈦等金屬材料制造零部件，在傳統(tǒng)制造業(yè)，該材料滿足我們對產(chǎn)品“輕量化”設(shè)計的需求，且由于其力學性能高、耐熱、耐磨損、耐腐蝕，ＰＥＥＫ可以做到“以塑代鋼”，替代部分高性能金屬零件，用于制造連接器中的耐磨連接機構(gòu)或結(jié)構(gòu)支撐件等。
液晶聚合物因其在高頻下具有低的介電常數(shù)、低電損耗因子數(shù)，目前被廣泛的應(yīng)用于５Ｇ通訊領(lǐng)域，如作為高速連接器的絕緣結(jié)構(gòu)材料等。
4、結(jié)語
我國熱塑性特種工程塑料的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進步，但與國外同類品種比較仍存在一定的差距，就整個行業(yè)來講生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量水平有待進一步提高。
在雙碳背景下，隨著民用領(lǐng)域制造產(chǎn)品輕量化、微型化的趨勢，要求產(chǎn)品越來越薄的同時又不能犧牲安全性、強度和外觀效果，因此提供更出色的電氣性能、機械性能、無鹵防火特性以及滿足客戶對節(jié)能環(huán)保的要求，將成為未來熱塑性特種工程塑料領(lǐng)域關(guān)注的重點。