以塑代鋼，塑料工業進一步持續發展

洪慎章

(上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院， 上海 200030)

以塑代鋼，塑料工業進一步持續發展

Use plastic instead of steel for further sustainable development of plastics industry

洪慎章

(上海交通大學塑性成形技術與裝備研究院， 上海 200030)

敘述了塑料工業在國民經濟中的重要性，不斷進一步持續發展。介紹了兩種類型的塑料品種：超高分子質量聚乙烯和玻璃纖維增強塑料，闡述了特殊的實用性能。

塑料；性能；新產品；應用

近幾年來，在上海、北京及其它城市，以及世界各國所舉辦的塑料、橡膠及復合材料等各種展覽會的資料和參觀中獲悉，塑料制品是現代新興產品之一，猶如空氣，塑料時時刻刻圍繞在人們的身旁。如今我們可謂是生存在 “塑料世界”、“塑料時代”里。由于塑料具有密度小、化學穩定性好、電絕緣性能高、比強度大等優異性能，再加上原料豐富、制作方便、回收簡單、成本低廉等顯著優點，所以在國民經濟各領域等方面應用及為廣泛。

目前，隨著科學技術進一步發展，“以塑代鋼”、“以塑代木”等制件的產品應用越來越多，不僅在汽車、電子、電器、通信、家電、家俱等行業，而且在醫療及軍工產品中也有大量應用。尤其是在藥品和食品包裝等行業中，對塑料制品的技術要求，不僅是產品尺寸的制造精度，而更重要的是塑料原材料是否符合食品，藥品包裝中的衛生許可條件。

1 新材料研發

要達到塑料產品的技術使用要求，除了塑料機械設備，成型模具及生產工藝以外，更關鍵的是不斷研制及開發新型的塑料原材料。

1.1 超高分子質量聚乙烯（Ultra-high molecular weight polyethylene——UHMW-PE），是屬于熱塑性工程塑料

它綜合了大部分塑料的優越性能：耐沖擊、耐低溫、耐磨損、耐化學腐蝕、自身潤滑、吸收沖擊能，這六個特性是目前塑料中所具有的最高數值。近年來這種新型塑料制品在歐美各國得到廣泛使用，超高分子質量聚乙烯采用齊格勒型高效催化劑低壓合成法，分子質量根據需要控制在150萬~300萬以上。考慮到加工過程分子的熱降解，因此，具有粘均分子量大質于170萬的高密度聚乙烯加工成各種塑料在制品，才能更加具有如下的優越性能：

（1）高耐磨性

在目前所有的工程塑料中UHMW-PE 的耐磨性能最好，最引人注目。分子質量越高材料就越耐磨，甚至超過許多金屬材料，如碳鋼、不銹鋼、青銅等。例如UHMW-PE 管，在強腐蝕和高磨損條件下使用壽命是鋼管的4~6倍，而且提高輸送效率20%。充分展現了“節能、環保、經濟、高效”的優越性。

（2）耐腐蝕性

在堿液中不受腐蝕，可以在 80 ℃的濃鹽酸中的應用，在75%的濃硫酸，20%的硝酸中性能穩定，它對海水、液體、洗滌劑也很穩定。

（3）極低的摩擦系數

靜摩擦系數0.07，自潤滑性良好，是一種理想的軸承、軸套、滑塊、襯里材料。選用UHMW-PE作為設備的摩擦部件，除可提高耐磨壽命外，還可收到節能效果。

（4）抗沖擊性

抗沖擊性居塑料之首，無論是外力強沖擊，還是內部壓力波動，都難以使其開裂。其沖擊強度是聚酰胺66（PA66，又稱為尼龍66）的10倍，聚氯乙烯（PVC）的20倍，聚四氟乙烯（PTFE）的8倍；特別是在低溫環境中，其沖擊強度反而達到最高數值，其柔韌性能為輸送系統提供了極為安全可靠的保障。

（5）抗老化性

材料性能穩定，地面、地下埋設均可，50年不老化。按ASTM法測定（負荷460 MPa），熱變形溫度為85 ℃，使用溫度可達90 ℃，特殊情況下，允許在更高的溫度下使用。UHMW -PE是一種韌度極好的材料，它的耐低溫性能也非常優異，在-269 ℃低溫下，仍具有一定的延展性，而沒有脆裂跡象。但線膨脹系數較大，導熱性很差，所以在設計塑料制品時，要充分考慮。

（6）電性能

體積電阻大，擊穿電壓達50 kV/mm，介電常數為2.3，在較寬的溫度及頻率范圍內，適宜用作電氣工程的結構材料。

（7）衛生無毒

UHMW-PE材料是無味、無毒、無臭的，本身無腐蝕性，具有生理惰性和生理適應性。美國食品與藥品管理局（FDA）和美國農業部（USDA）允許它可用于與食品與藥品接觸的加工場合。

1.2 纖維增強塑料（Fiber reinforcement plastics, FRP）

為了進一步改善熱固性及熱塑性塑料的機電性能，常在塑料中加入玻璃纖維填料或其它纖維，作為增強材料，以樹脂為粘結劑而組成新型復合材料，通稱為增強塑料。熱固性塑料的增強塑料又稱為玻璃鋼。

目前常用的纖維增強塑料主要有：

（1）熱塑性增強塑料

聚乙烯PE，聚丙烯PP，聚苯乙烯PS，丙烯睛-笨乙烯共聚物AS，丙烯睛-丁二烯-笨乙烯共聚物ABS，聚對笨二甲酸乙烯酯PET，聚酰胺（尼龍）PA，聚甲醛POM，聚碳酸酯PC等。

（2）熱固性增強塑料：

酚醛樹脂PF，環氧樹脂EP, 不飽和樹脂UP，三聚氰胺甲醛樹脂MF等。

2 列舉實用

2.1 汽車方面

隨著汽車輕量、省油、環保、舒適及美化方面發展，不斷改用各種工程塑料和增強塑料，已使用于汽車內飾件、外飾件、結構件等。

據資料分析報道，①60%的汽油消耗于汽車自重；②若汽車減重10%，油耗就可節省8%~10% ；③若汽車減重20%~30%，則每年每車CO2排放量可堿少0.5 t。

2.2 醫療方面

（1）從形形色色的一次性醫療用品，如注射器、噴霧桶、輸液袋、導管等。

（2）各種醫療器械，直到大型診斷儀器，如X光機、MRI、CT等影像設備等。

（3）人體器官的各種骨頭，如頭骸骨、鎖骨、股骨、髕骨、盆骨、脊椎骨等。如2014年12月用3D打印機成型一節脊椎骨，材料為樹脂，它與人體相容性較好，已植入于人體內。

3 結束語

據資料報道，2013年中國與全球塑料產量分別為6 188.66萬t和3億t，可見中國的塑料產量已占全球的1/5。另一方面，我國鋼產量從2012年9.5億t增到2013年10億t，這一年內，只增加了0.5億t，增長率不如前幾年，這主要是“以塑代鋼”起了主導作用。隨著科技進一步發展，今后還有更多的產品將用塑料材料進行制造。

[1] 洪慎章. 實用壓塑成型及模具設計(M). 機械工業出版社, 2006.

[2] 洪慎章. 典型塑料模具設計圖集(M).. 機械工業出版社. 2009.

[3] 洪慎章. 實用注塑模具結構圖集(M). 化學工業出版社. 2009.

[4] 洪慎章. 實用壓塑成型及模具設計(M). 第2版,. 機械工業出版社, 2014.

[5] 洪慎章. 注塑成型設計數據速查手冊(M). 化學工業出版社. 2014.

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TQ320

1009-797X(2015)08-0033-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.08.005

洪慎章（1932-）男，教授，1960年畢業于原蘇聯列寧格勒加里寧工學院，現任教研室主任，南昌航空工業學院兼職教授，2007年聘為機械工業出版社機械領域專家咨詢委會委員，1987年獲中國船舶工業總公司科技進步三等獎，2014年獲上海市模具行業協會頒發的建設貢獻獎，已出版科技專著30余本。

2014-12-22