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(xué)藥品性、耐輻照性以及耐燃燒性能，同時(shí)其剛度、強(qiáng)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(qiáng)度高、韌性好和耐高溫等特點(diǎn)。
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(diǎn)，并探討了國(guó)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(diǎn)
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(yán)苛環(huán)境時(shí)，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(guò)擠出或注射方式實(shí)現(xiàn)成型。
常用的熱塑性特種工程塑料的種類及特點(diǎn)如下：
１）聚苯硫醚：英文簡(jiǎn)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(diǎn)；
２）聚醚酰亞胺：英文簡(jiǎn)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(diǎn)；
３）熱塑性聚酰亞胺：英文簡(jiǎn)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(guò)程中不會(huì)發(fā)生化學(xué)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(diǎn)；
４）聚醚砜：英文簡(jiǎn)稱ＰＥＳ，是一種琥珀色透明的無(wú)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(kāi)裂性以及良好的水解穩(wěn)定性等；
５）聚醚醚酮：英文簡(jiǎn)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(qiáng)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(zhǎng)期耐高溫蠕變性和耐疲勞性能；
６）液晶聚合物：英文簡(jiǎn)稱ＬＣＰ，與其他有機(jī)高分子材料相比，具有較為獨(dú)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(guò)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(qiáng)度、高模量、自增強(qiáng)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(biāo)參見(jiàn)表１。
2、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)際上，特種工程塑料的研發(fā)始源于２０世紀(jì)６０年代后期，歐美國(guó)家對(duì)特種工程塑料進(jìn)行了大量研究和開(kāi)發(fā)，到目前已形成十余種具有應(yīng)用價(jià)值并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的品種；在我國(guó)，特種工程塑料起步于２０世紀(jì)９０年達(dá)中后期，與國(guó)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(duì)外依存度高達(dá)７０％以上。
特種工程塑料是關(guān)乎國(guó)家安全的戰(zhàn)略性尖端材料，西方國(guó)家從“冷戰(zhàn)”時(shí)期開(kāi)始對(duì)我國(guó)實(shí)行特種工程塑料的出口管制。為了突破技術(shù)的封鎖，我國(guó)從上世紀(jì)６０年代開(kāi)始就投入大量的人力、物力來(lái)支持特種工程塑料的自主研發(fā)。我國(guó)對(duì)特種工程塑料的主要品種都跟進(jìn)研究，并且在ＰＰＳ、ＰＥＩ、ＴＰＩ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ等部分樹(shù)脂品種已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但國(guó)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(kāi)發(fā)等與國(guó)外仍存在差距。
筆者通過(guò)查閱相關(guān)資料及市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)ＰＰＳ、ＰＥＩ、ＴＰＩ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ的國(guó)內(nèi)外成熟廠家分別進(jìn)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(guó)、日本、德國(guó)等。日本是最大的生產(chǎn)國(guó)，其生產(chǎn)能力占世界總產(chǎn)能的５０％以上。國(guó)外主要生產(chǎn)廠家包括美國(guó)菲利浦石油公司、日本吳羽化學(xué)工業(yè)公司、德國(guó)拜爾公司、美國(guó)特佛隆公司等。
在２０世紀(jì)７０年代，我國(guó)組織上海華東化工學(xué)院、上海合成樹(shù)脂研究所、天津合成材料研究所、廣州化工研究院、四川大學(xué)等單位對(duì)聚苯硫醚進(jìn)行了生產(chǎn)與應(yīng)用的研究開(kāi)發(fā)工作?，F(xiàn)階段我國(guó)已成為世界上繼美國(guó)、日本、德國(guó)之后第四個(gè)實(shí)現(xiàn)聚苯硫醚產(chǎn)業(yè)化的國(guó)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(guó)ＧＥ公司在１９７０年研制的，１９８２ 年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，商品名稱為ＵＬＴＥＭ。該公司采用增強(qiáng)和改進(jìn)等方法，已使ＰＥＩ發(fā)展成１２個(gè)系列５０多個(gè)品種，其中有通用、增強(qiáng)、耐磨、耐高溫、低翹曲、高流動(dòng)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(guó)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(guó)對(duì)聚醚酰亞胺的研制開(kāi)發(fā)工作始于１９８０年，由中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)所和上海合成樹(shù)脂所承擔(dān)研制任務(wù)，成功開(kāi)發(fā)了ＰＥＩ樹(shù)脂及具有增強(qiáng)性能的塑料，并已小批量生產(chǎn)，基本上達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的性能。而ＰＥＩ在國(guó)內(nèi)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，品種少、價(jià)格高，基本依賴進(jìn)口。ＰＥＩ加工成型溫度較高，且由于對(duì)其成型工藝和應(yīng)用研究較少，ＰＥＩ在國(guó)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(jì)５０年代初，ＴＰＩ開(kāi)始進(jìn)入人們的視野并逐漸發(fā)展，到６０年代，ＴＰＩ開(kāi)始走向商品化和工業(yè)化。１９９７年，日本三井公司報(bào)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(guó)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(guó)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)ＴＰＩ的廠家很少，主要有中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所和上海合成樹(shù)脂研究所兩家，產(chǎn)品牌號(hào)分別為ＹＨＰＩ和ＹＳ２０等，但由于過(guò)去國(guó)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(jì)７０年代由英國(guó)ＩＣＩ公司成功開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)商品化，直到９０年代初一直由該公司獨(dú)家生產(chǎn)并向西方工業(yè)國(guó)家供應(yīng)。１９９２年ＰＥＳ專利期滿后，由西德ＢＡＳＦ公司，美國(guó)Ａｍｏｃｏ公司和日本住友化學(xué)公司開(kāi)始生產(chǎn)。
我國(guó)關(guān)于ＰＥＳ的研發(fā)始于“七·五”計(jì)劃，由吉林大學(xué)特種工程塑料研究中心獨(dú)家承擔(dān)研發(fā)任務(wù)，至“九.五”末已完成ＰＥＳ材料的國(guó)產(chǎn)化工作，并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，現(xiàn)該公司名稱為長(zhǎng)春吉大特塑工程研究有限公司。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，市場(chǎng)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(zhǎng)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(jì)７０年代末，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)（ＩＣＩ）公司首先成功開(kāi)發(fā)了ＰＥＥＫ 材料，１９９９ 年 ＩＣＩ 公司的 ＰＥＥＫ 被威格斯收購(gòu)，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(shí)索爾維公司、德國(guó)贏創(chuàng)公司分別是全球第二、三大生產(chǎn)廠商。
我國(guó)于２０世紀(jì)８０年代開(kāi)始ＰＥＥＫ技術(shù)研發(fā)，國(guó) 內(nèi)ＰＥＥＫ行業(yè)代表性的研發(fā)機(jī)構(gòu)是吉林大學(xué)，在“八· 五”期間完成了試驗(yàn)室小試和中試，并制備出了公斤級(jí)中試產(chǎn)品，經(jīng)測(cè)試主要物性達(dá)到國(guó)外ＰＥＥＫ樹(shù)脂同等水平，滿足了軍方試用的急需，并取得了我國(guó)第一批專利的授權(quán)。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)ＰＥＥＫ市場(chǎng)已逐漸成熟.
６）液晶聚合物ＬＣＰ
ＬＣＰ是人們?cè)趯ふ覚C(jī)械強(qiáng)度和耐熱性高，并且具有金屬材料加工精密性的材料過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的。２０世紀(jì)６０年代初，美國(guó)杜邦公司率先開(kāi)展ＬＣＰ的研究工作，并于２０ 世紀(jì)７０年代工業(yè)化成功。目前市場(chǎng)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(duì)而言，國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)入ＬＣＰ領(lǐng)域較晚，產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴美國(guó)、日本進(jìn)口。隨著５Ｇ進(jìn)程加速，ＬＣＰ材料市場(chǎng)需求快速增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)化需求更加迫切。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)不斷進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備開(kāi)發(fā)，ＬＣＰ樹(shù)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(fù)合材料等企業(yè)陸續(xù)投產(chǎn)ＬＣＰ樹(shù)脂，國(guó)內(nèi)ＬＣＰ產(chǎn)能快速增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)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(guó)防軍工或人類科學(xué)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(rèn)為是一種理想的高性能連接器材料。
攝于英威達(dá)展臺(tái)
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(shì)，同時(shí)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家對(duì)ＰＰＳ進(jìn)行增韌、導(dǎo)熱、低介電的復(fù)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(qiáng)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(diǎn)，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(qiáng)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(xué)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(duì)產(chǎn)品“輕量化”設(shè)計(jì)的需求，且由于其力學(xué)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(jī)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(yǔ)
我國(guó)熱塑性特種工程塑料的發(fā)展已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)外同類品種比較仍存在一定的差距，就整個(gè)行業(yè)來(lái)講生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量水平有待進(jìn)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(shì)，要求產(chǎn)品越來(lái)越薄的同時(shí)又不能犧牲安全性、強(qiáng)度和外觀效果，因此提供更出色的電氣性能、機(jī)械性能、無(wú)鹵防火特性以及滿足客戶對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求，將成為未來(lái)熱塑性特種工程塑料領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。