【ASTC 2020主题报告】功能高分子材料在家电领域的应用

家电行业材料发展趋势家电行业整体材料方案变化1.外观质感提升，色彩多样性和表面光泽；2.安全性能提升，阻燃，绝缘等级提升，结构薄壁化；3.轻量化方案；4.健康、卫生等性能成为新需求点；5.材料方案环保性能，材料自身低VOC性和工艺过程环保性；6.持续的低成本替代方案。

家电行业材料发展主要方向高质感外观材料满足CMF设计需求通过注塑成型可直接达到黑又亮、金属颜色、闪烁、自然质感、消光等效果，外观优异，豆浆机、饮水机、电饭锅、热水器、洗衣机、冰箱、空调、电视机等都越来越多地采用免喷涂塑料，尤其是小家电。高安全性材料是基于轻薄化设计需要冰箱、空调、洗衣机电机盒等内部件或外部件采用低烟溴-磷协同高阻燃PP/ABS/PS或低烟无卤阻燃PP/ABS/PS/PBT等材料，满足1.5mm5VA、GWIT850℃等要求；抗静电PP/ABS/PS等应用于冰箱、空调及洗衣机外壳等；高阻燃高漏电起痕ABS/PP/PA/PBT等应用于电控部件；导电PP/ABS/PS/PBT等应用于内部功能件。轻量化材料从汽车领域延伸到家电领域高透明、高刚性的材料，在满足透明度基础上，满足食品卫生或耐刮擦/强度要求，可替代玻璃应用于观察窗等，代表材料有PP/ABS/PMMA等；长玻纤增强材料(LFT-PP/PA)应用于冰箱、空调、洗衣机等技术结构件；发泡工艺技术的大范围应用。

家电行业基础材料方案在家电用塑料材料中，大约90%为热塑性塑料，其余为热固性塑料；在热塑性塑料中，大部分是通用塑料，如：PP、PS、PVC、PE等；所使用的工程塑料主要有ABS、AS、PA、PC、POM、PPO、PPS、PET、PBT、PMMA、LCP、PAEK、PEEK、PSF、PUR等。功能高分子材料成果分享研究成果一览表酚酞基聚芳醚酮功能薄膜的开发特种工程塑料开启了一个新的时代制造业的振兴在我国才刚刚开始：大飞机刚刚下线，高性能材料的空间无限；JC材料的阻燃、保温、轻量化、动力诉求；高速铁路的材料换代还没有开始；汽车对于轻量化和高性能材料的需求不断提高；无人机基本都是复合材料；机器人行业对于轻量化的需求逐步迫切。

对于特种工程塑料的迫切需求：减重的需求（高性能泡沫、以塑代钢）；高性能的需求（高耐磨、自润滑、耐高温、高耐腐蚀、高性能复材）；功能材料的需求（分离材料，柔性显示、尺寸稳定性，介电性能……)。现实情况：聚芳醚酮过去二年的销量和市场需求量在大幅增长！为什么做酚酞基聚芳醚酮基于分子链间相互作用和非结晶无定形状态为主构建的特种工程塑料体系；邻苯二甲酸酐+苯酚可较为容易制备不同结构的酚酞类单体。酚酞结构是一种很好的特种工程塑料构筑单体：主链刚性，非共平面；大侧基增大自由体积；Cardo环可修饰可设计；原料易得，结构可控。

研究轮廓从科学的角度设计结构：了解结构与性能之间的关系；分子链之间的相互作用。从应用的角度寻找定位：与PEEK的差异化市场；在特种工程塑料领域的独特性。性能如何？耐温等级力学性能拉伸强度80-130MPa；拉伸模量：2.5-3.5GPa；弯曲强度：＞150MPa；弯曲模量：3.4GPa；缺口冲击强度：＞10kJ/m2；断裂伸长率：2-10%。使役性能优异的电绝缘性能；突出的耐水解性、耐辐射、耐老化性能、自阻燃UL94-V0级。加工性能可溶液加工，注塑加工性能不如PEEK和PEKK。基础材料系列一：酚酞基聚芳醚酮无定形聚芳醚酮PEK-c性能：耐高温：Tg在220℃-338℃之间可调；优异的力学性能。拉伸强度大于100MPa；拉伸模量2-3.5GPa；残碳率可高达78.46%；优异的电绝缘性能；突出的耐水解性、耐辐射、耐老化性能、阻燃UL94-V0级；可溶解加工。酚酞环增加高分子的自由体积保持无定形；主链共聚单体引入，提高聚合物Tg，同时兼顾力学性能和溶解性；侧链接枝增加聚合物的功能性；通过分子链之间的相互作用可调控聚合物的性能其主要方式是提高芳杂环的含量和增加聚合物氢键相互作用。

中科聚合科技有限公司、浙江帕尔科均合作正在建设500吨/年的生产线，目标是5年内建设千吨级生产线。基础材料系列二：酚酞基聚芳醚砜技术特点：国际上具有完全自主知识产权的聚芳醚砜品种；拥有6项专利和完善工艺包等专有技术。与传统聚醚砜相比优势突出：力学性能更优异；耐温等级更高；作为分离膜经评价通量更大；溶液加工更加容易，已经逐步得到市场认可。基础材料系列三：含氟聚芳醚树脂氟原子范德华半径为1.35埃，与氢原子和氧原子的最为接近，远小于碳原子；引入一个氟原子的时候在生物体中会存在“伪拟效应”；含多个氟原子（CF3）时，其体积与C3相当。双酚A和双酚AF的分子和空间结构都十分相似，由于双酚AF中两个CF3结构的存在，强吸电子作用导致双酚AF的活性略低，可通过调整共聚单体结构、反应条件等实现聚合调控。

应用方向：聚芳醚酮薄膜材料无定形聚芳醚酮薄膜对标威格斯Aptiv薄膜，解决二大问题：1、高透明、高强度，高尺寸稳定性；2、设备低成本，厚度4-150微米。薄膜专用料制备技术：采用双氟单体调控反应；溶液分级法精制：弹性模量增加；断裂伸长率显著提高，可达12倍。自主开发适用于特种工程塑料的溶液成膜生产线。

纳米粒子调控尺寸稳定性：采用稀土等纳米粒子调控材料性能。1、无定形聚芳醚酮薄膜具有与生俱来的高透明性，在可见光区无特征吸收，90%透光率的截止波长为330nm，远低于PI薄膜。2、在150-210℃温度区间里，未经改性的无定形聚芳醚酮薄膜比威格斯薄膜具有更好的尺寸稳定性，更适合在高温下工作。3、通过廉价稀土金属氧化物改性、石墨烯改性后，尺寸稳定性进一步提高，线膨胀系数＜50μm/(m℃)。无定形聚芳醚酮薄膜聚芳醚酮具有优异的耐热性、机械性能和耐辐照性能，在航空航天、汽车运输等领域有广泛应用。

高性能薄膜材料的优点：轻质，有接近于本体的力学性能和功能性；易于集成化和功能化。2007年威格斯公司采用挤出流延法开发出APTIV系列PEEK薄膜。是一类集高耐热、绝缘、耐腐蚀于一身的薄膜材料。厚度6μm以上，目前市场售价80-200元/m2。无定形聚芳醚酮薄膜及连续化制备技术薄膜专用料不易获得；成型设备价格太贵，要求极高；成型工艺复杂，退火过程影响产品聚集态结构；薄膜厚度不易控制；透明薄膜无法循环使用；国内尚无同类型薄膜产品。

（1）聚芳醚树脂的制备：PEK-C-Tp的制备（2）薄膜专用料制备：高性能化技术首次将无定形聚芳醚酮的断裂伸长率提高到130%以上，是常规薄膜的12倍。（3）无定形聚芳醚酮薄膜专用料获得系列高性价比、无色透明、高耐热、低介电、高尺寸稳定性薄膜专用料（4）连续化成型：薄膜工艺溶剂去除：溶剂含量降低，材料的拉伸强度和弹性模量都显著提高。第二烘道高温的烘干方法优于红外干燥法。连续化处理可将溶剂含量控制在2%以下；最终溶剂含量低于5‰。完成连续化薄膜成型中关键工艺参数的确定。（5）高性能薄膜市场切入点：耐高温、无色透明、尺寸稳定性无定形聚芳醚酮薄膜性能可与结晶性聚芳醚酮薄膜相媲美！超高流动无卤阻燃PC/ABS合金的开发超高流动无卤阻燃高性能ABS/PC合金的研制在原来国家“九五”攻关合体“ABS改性树脂的工程化技术开发”研究的基础上，结合大尺寸高档家电外壳及内部支撑件材料的特殊要求，研究开发了超高流动高光泽无卤阻燃材料PC/ABS合金，该材料的目标是要具有优良的外观（免喷涂）、优异的流动性（易于成型）、高刚性和高冲击强度等特点，同时能够满足UL-94V-0无卤环保阻燃要求。创新性：首先通过釜内改性方法，将带有反应性官能团的无卤阻燃剂与基体树脂进行接枝反应，在不破坏力学性能的基础上赋予基体树脂一定的阻燃性和反应活性。其次，在进行反应共混挤出前，对阻燃剂、填料、增容剂等进行分子表面活化，进一步增强互相之间的偶联作用。最后，采用高剪切挤出方式进行共混改性，制备出的无卤阻燃PC/ABS合金材料。

企业试用：该材料在浙江为某家电企业配套的公司进行了试用，技术指标均达到了使用要求。（1）力学性能（2）热、电性能等（3）环保及防火要求1）符合相应环保标准要求：Q/CNR J 0001-2014、SJTY-ZT-002；2）防火要求符合TB/T 3237和EN 45545标准。应用拓展-400公里高铁环保内装项目系列发泡材料的开发与应用技术布局ETPU项目ETPU发泡珠粒国内2018年的市场为2800吨，随着专用料的价格下降，应用领域正在从传统的鞋材领域向体育、家具等领域迅速发展。预计2020年将超过5000吨。过程绿色环保；易加工成型；二氧化碳浸渍时间短、效率更高；兼具回弹与强度，成型条件适宜。

核心技术：低成型压力本公司产品及技术经江苏省科技查新咨询中心查新，采用的反应温度95-145℃，压力5-15MPa，时间15-30min，微球堆密度小于0.08g/mL，成型圧力低于1.5kg。“但本委托项目所述拟采用发泡温度95-145℃，压力5-15MPa，时间15-30min；粒径6-8mm，堆密度＜80kg/m3，成型水蒸汽压力＜1.5kg未见述及。”EPP项目EPP材料比重轻，吸能和回复性能好，抗震抗压，无毒环保，适用于家电产品的包材。

其制备过程包括挤出、发泡与成型三个关键步骤。MPP项目主要围绕5G通讯基站建设，运输、无人机等领域，其具有轻质、透波性能好（介电常数1.01，损耗角正切0.01）的特点主要应用在基站的天线罩。PET连续挤出泡沫实现CO2连续挤出PET泡沫，倍率可控，密度80-150；条泡状口模/集束成型技术，厚度30-50mm；熔体泵/静态混合器，压降高，泡孔均匀；可用回收瓶级可直接反应挤出发泡；阻燃型泡沫极限氧指数可达30，性能高于市场同类产品。

主流PET结构泡沫的典型性能比较PET挤出泡沫复合三明治结构材料应用PET珠粒发泡1、发泡方式：模压和釜式发泡两种方式均可制备。2、结晶影响：PET结晶在提供较强的力学性能同时，使发泡窗口变窄。3、泡沫结构可控：发泡倍率10-25倍；泡孔尺寸：120-250μm。4、性能特点：各向同性。压缩强度0.13MPa，做为包装材料远好于EPS。PET珠粒成型1、成型方式：热料模压和水蒸气成型均可实现。2、泡沫结构可控：发泡倍率10-25倍；泡孔尺寸：120-250μm。3、性能特点：各向同性。压缩强度0.13MPa。PVC泡沫PVC泡沫：大尺寸军用包装箱PLA泡沫1、可降解；2、环保、超低VOC、可做食品包装。目标：高端家电产品包材（出口型）。核心技术：珠粒与模压均可以，发泡倍率可达40倍，二氧化碳超临界发泡。研究院技术优势