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为什么塑胶原料会表现出不同的耐热性呢?

发布日期:2022-04-26

首先从塑胶内部分子的热运动说起,塑胶内部分子容易受到温度的影响,温度的升高对塑胶高分子运动提供两个作用:

一,是运动单元动能增加,令其活化;

二,温度升高,体积膨胀,提供了运动单元可活动的自由空间。(运动单元可以是侧基、支链、链节、链段、整个分子链)。

所以,塑胶的耐热性本质上取决于分子的结构。

分子间作用越强、无规热运动链段越大(链的刚性越大),就需要更高的无规热运动程度(温度表示无规热运动的程度)来平衡,耐热性也就越高。分子间作用是由分子间作用力种类和分子间距离二者共同决定的,链的刚性则是由分子内旋转的难易程度决定的。关于高分子链的刚性和柔性,可以点击之前这篇文章了解:塑胶原料篇:高分子的结构,影响着材料的诸多性能。

分子间作用力的强弱依次为氢键、偶极、非极性范德华等项作用;而分子间距离主要决定于分子的三维堆积密度,分子越规整、对称性越强(越有利于结晶),分子堆积密度就越高,分子间距离就越小。关于聚合物的结晶性,可以点击之前这篇文章了解:塑胶原料篇:聚合物的聚集态结构,对聚合物性能的影响。

对于同种类的分子,结晶的晶相密度总是高于非晶相密度,这就是结晶有利于耐热性提高的原因。分子主链上引入芳香基团,链刚性增大,使无规热运动链段增大,需要更高的温度链段才能运动(这也是对称的链段优先结晶的原因),这就是芳香基团的引入有利于耐热性提高的原因。

总之分子间作用力越强、分子间距离越小,分子链刚性越大,这样,整个分子链都难以进行热运动,所需平衡的无规热运动程度(温度)就越高,耐热性就越好。依此推论,耐热性好的热塑性材料,应为分子主链是全芳香(大刚性)、分子间作用力为尽量多的氢键(强作用力)、分子主链无任何取代基(高对称)的材料,市场中接近的材料是全芳香聚杂环、全芳香聚酰亚胺、全芳香聚酰胺等高耐热性聚合物材料。

对位芳香族聚酰胺(PPTA)纤维

结构特性:

1、分子链中交替排列的苯环,使分子链不能内旋转。

2、极性酰胺基在分子链之间形成氢键,增大分子主链之间的作用力。

3、酰胺基被苯环间隔且苯环与酰胺基之间形成共轭体系。

以上三点赋予了材料有很优异的耐热性、突出的强度、刚度、高熔点、高黏度。