3.3 塑料的基本特性
3.3.1 物理特性
(1)质量特性
塑料是一种轻质材料。普通的塑料密度为0.83~2.3g/cm3,大约是铝材的1/2,钢材的1/5。如果用发泡法得到的泡沫塑料,其密度可以小到0.01~0.5g/cm3。
塑料可运用于汽车制造,据研究表明,汽车每减轻125kg的重量,每升油可多跑1km的路程。汽车自重减少1%,可节油1%;汽车运动部件减轻1%,可节油2%。在国际上,车用塑料用量已成为衡量一个国家汽车产业发展水平的重要标志,塑料正逐渐成为汽车轻量化的最佳材料。
(2)绝缘特性
塑料具有优良的绝缘性能,其相对介电常数为2.0(比空气高一倍),发泡塑料的相对介电常数为1.2~1.3,接近空气。常用塑料的电阻通常在10Ω范围以内,无论是在高频还是在低频,无论是在高压还是低压状态下,塑料均具有很好的绝缘性。因此,塑料被广泛地应用在电机、家用电器、仪器仪表、电子器件等工业产品中。
(3)比强度、比刚度特性
一般的塑料强度比金属低,但是塑料的密度小,所以塑料与大部分金属相比,塑料的比强度(强度与密度之比)、比刚度(弹性与密度之比)相对较高,这也是交通工具类产品大量采用塑料的原因。
因此,在某些要求强度高、刚度好、质量轻的产品领域,如航空、航天领域与军事领域,塑料就有着极其重要的作用。例如,碳纤维和硼纤维增强塑料可制成人造卫星、火箭、导弹的结构零部件。
(4)耐磨性、自润滑特性
塑料的摩擦因数小,所以能够减少摩擦,并具有良好的耐摩擦性能。部分塑料可以在水、油和带有腐蚀性的溶液中工作,也可以在半干摩擦、全干摩擦的条件下工作。因此,用塑料制成的传动零件不但能实现“无噪声传动”,而且还能实现“无油润滑”。
(5)热导特性
一般来讲,塑料的热导率是比较低的,一般为0.17~0.35W/(m·K),相当于钢材的1/75~1/225,如聚氯乙烯(PVC)的热导率仅为钢材的1/357,铝材的1/1250。由于塑料的导热性低、隔热能力强的特点,成为直接接触身体类产品的首选材料。可替代陶瓷、金属、木材和纤维等材料在桌椅类家具、日用水具、家电、餐具、厨具、办公产品、手持通信产品等设计中使用。
(6)透明特性
有些塑料具有良好的透明性,透光率高达90%以上,如有机玻璃、聚碳酸酯等。加上塑料很好的比强度、 比刚度,这对于需要透光的产品来说意义重大,它们可替代传统玻璃材料广泛应用于产品设计中,甚至应用在高温高压的航空器、航天器及深海装备产品上。
(7)可塑特性
塑料的可塑性很好,塑料通过加热(温度一般不超过300℃)、加压等手段,即可制成各式各样的产品和管、板、薄膜及各种工业产品的零部件等,并使产品具有良好的精度。如果成型前在材料里加入着色剂,就可以使产品呈现出丰富多彩的颜色。
(8)柔韧特性
有些塑料柔韧如纸张、皮革,而有些塑料经过改性后坚硬如石头、钢材。当受到频繁、高速的机械力振动和冲击时,仍然具有良好的吸震、消声和自我恢复原状的性能。因此,从塑料的硬度、抗拉强度、延伸率和抗冲击强度等力学柔韧性能看,相比于金属等其他材料,塑料的抗冲击强度、减震性能要好得多,这些特性使塑料几乎可以在所有工业产品中使用,如汽车的前后保险杠等。
(9)工艺特性
塑料具有良好的工艺特性,如焊接、冷热黏合、压延、电镀、材料加色或表面着色等。成型工艺简单,产品的一致性好,适合大批量连续生产,生产效率高,并且材料价格低,因此产品成本低。
3.3.2 化学特性
塑料一般都具有良好的化学稳定性,还有很好的抗酸、抗碱、抗盐、抗氧化等化学特性,可制成各种防水、防潮、防透气、防腐的工业产品。
另外,由于塑料优良的化学稳定性,在产品包装方面,已经成为替代产品传统包装材料的主要基材,几乎能用于所有工业产品包装,尤其是食品、药品的塑料包装材料,甚至可用于带有酸碱性的食品,如碳酸饮料瓶、酸奶瓶等的包装上。
3.3.3 塑料的缺陷
① 塑料的自然降解能力弱、降解慢,有些塑料自然降解需要几百到上千年。虽然塑料废弃物可以进行回收再利用,但由于塑料种类众多,需要分类处理,增加了回收工作的难度。现阶段,塑料的再利用率并不高,因此,塑料废弃物主要通过填埋和焚烧的方法处理。而填埋和焚烧对环境是一种危害,给环境造成严重的二次污染。昔日被誉为“白色革命”的塑料,而今却成为造成“白色污染”的罪魁祸首,对土地、河流、大气造成极大的危害。塑料废弃物不易实现自然降解和回收利用的缺点也使它成为环境的“杀手”。
② 塑料成型时不仅收缩率较高,有些可以高达3%以上,而且影响塑料成型收缩率的因素很多,塑件要想获得很高的精准度难度很大,这一点塑料比不上金属。
③ 塑料的耐热性一般都不好,软化温度为100~200℃,塑料的热膨胀系数高,是传统材料的3~4倍。
④ 塑料产品容易老化。一方面,在阳光、氧气、高温等条件的作用下,塑料中聚合物的组成和结构发生变化,致使塑料性质恶化,这种现象称为老化,使其失去使用功能被废弃;另一方面,塑料在载荷作用下,会缓慢地产生黏性流动或变形,即发生蠕变现象,且这种变形是不可逆的,从而导致产品尺寸精度的丧失。
⑤ 塑料大多可燃,且在燃烧时会产生大量有毒的烟雾。
塑料的这些缺点或多或少地影响或限制了它的应用。但是,随着塑料工业的不断发展和塑料材料学研究的深入,这些缺点正在被逐渐克服,性能优异的塑料和各种复合塑料材料正在不断涌现,为环保产品的开发打下坚实的材料基础。