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聚苯醚PPO/PPE,性能及应用,看这一篇就够了!

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聚苯醚也称聚苯氧基树脂,第五大工程塑料。它具有优异的耐热性、耐化学腐蚀性和电绝缘性能,同时拥有良好的尺寸稳定性和较低的吸水率。PPO常用于制造电子电气零件、汽车部件和精密机械零件等,因其出色的综合性能而被广泛应用于高科技领域。(未经授权,自媒体请不要复制文章发其他平台)

聚苯醚(Polyphenylene Oxide,简称PPO)。1956年美国通用电气的“魔法大师”A.S.Hay,用氯化亚铜催化剂将2,6-二甲基苯酚,在实验室捣鼓,搞出了神奇的材料--聚氧二甲苯,取名PPO。

美国人为什么叫聚苯醚为PPO?

PPO这个名字就如英文Polyphenylene Oxide的Oxide即氧化,强调的是聚合物中的氧化偶合结构,它的出现使工程塑料届从此攒下了继PA、PC、POM、PBT后的第五张卡片,就像西游记取经五人组的白龙马,不仅全能,而且会“水”(如何水塑料君后面讲),从此PPO开挂的发展历程,见证了材料科学的不断进步。

PPO粉/原料

商业化美国方面:1964年,通用电气把PPO推进商业化,商品名Noryl(现SABIC旗下),但是....这玩意不好加工,必须找个基友合体,随后改性聚苯醚Mppo闪亮登场,市面上加工PPO都是MPPO,后面讲。

日本方面:紧随大哥脚步,70年代的三菱化学和80年代的旭化成,很快进入这一领域合成与改性,取名PPE(Polyphenylene Ether)。

日本为什么叫聚苯醚为PPE?

一方面PPE这个名字更贴切聚苯醚直接的英文名称Polyphenylene Ether,这个Ether更直接地反映了聚合物的基本单元—苯醚,另一方面,GE对PPO的商用早十年,PPO相关商标注册不少,PPE又能避开小日子老大哥GE专利商标锋芒,在国际市场上同台竞争,遇到贸易案子好比你们要找鲁迅,抓我周树人干什么的意思,此后,PPE的应用领域不断扩展,成为材料界的明星。

PPO/PPE未增强原料颗粒

中国方面:2005年南通星辰芮城分公司建成我国首套万吨级 PPO 工业化生产装置,产能为1万吨,实现了 PPO 材料生产的国产化,打破了国外产品的长期垄断!随后2017-2018年分别扩产。2016年邯郸市峰峰鑫宝新材料科技有限公司1万吨/年的PPO树脂装置试车成功,实现了溶液法聚苯醚的产业化,从技术层面打破了国外技术封锁,也为国内聚苯醚市场增添了新的供应力量,推动了国产化进程。

到2023年,有近十家国内公司在聚苯醚国产化进程中取得进展,已具备PPO中试的产能,并实现小批量的供货,这标志着中国在聚苯醚产业领域逐步走向成熟。

物理性能:聚苯醚为白色、浅黄色粉末、颗粒,无毒、透明。其相对密度小,约为1.06 -1.10,这使得制品重量较轻。吸水率极低,仅约0.06% 左右,五大工程塑料最低,但是注意即使微量的水分存在,也会对产品表面质量产生影响,如导致表面出现银丝等不光滑现象,加工前依然要烤干。

机械性能:具有出色的机械强度,拉伸强度可达70-90MPa,耐应力松弛性能良好,抗蠕变性优异。其制品在长期使用过程中能保持较高的尺寸稳定性,例如在承受一定负荷的情况下,经过长时间的使用,其变形量极小,相比一些普通塑料具有明显优势。

PPO与五大工程塑料对比

热性能:玻璃化温度高达211℃,熔点 268℃,加热至330℃有分解倾向。热变形温度可达 190℃,负荷变形温度在 190℃以上,脆化温度为 -170℃。这使得聚苯醚能够在较宽的温度范围内使用,耐高低温全能选手,如可适应高温环境下的工作要求,如在汽车发动机舱内的一些零部件应用中,能够承受高温而不失去其机械性能。

电性能:介电性能在常见塑料中处于领先地位,介电常数为2.6-2.8,且几乎不受温度、湿度的影响。在不同的温度和湿度环境下,其介电损耗因数保持在较低水平,一般在0.0005 - 0.001之间。这使得它可广泛应用于低、中、高频电场领域,如电子电器中的绝缘部件,体积电阻率高达10的16次方,能够有效阻止电流泄漏,保障电子设备的安全稳定运行。

PPO/PPE极低介电常数

阻燃性:阻燃性良好,具有自息性。在燃烧过程中,能够自行熄灭,减少火灾风险。与高抗冲聚苯乙烯(HIPS)混合后具有中等可燃性,极限氧指数(LOI)可达到29-35% 左右,稍微加阻燃剂就能做到UL94 V0,能满足多种场合对阻燃性能的要求。

PPE阻燃性五大工程塑料最优

文章开头塑料君说,聚苯醚是全能选手,PPO到底有没有实力?实力是对比出来的!塑料君把PPO与其他部分工程塑料性能对比的图表:

以下是 PPO 与 PC、POM、PBT、PA6、PA66 的性能对比表格:

性能排序大致如下:

比重(从轻到重):PPO<PA6<PA66<PC<PBT<POM

拉伸强度(从高到低,大致范围):PA6≈PA66≥POM>PPO≥PC>PBT

耐热性(未增强):PPO>PC>POM>PA66≥PA6≈PBT(与结晶度等因素有关,范围较宽)>PBT(未增强),增强:PPO≥PA66>PBT>PA6>POM>PC

介电常数(从低到高):PPO<PC<PBT≈PA6≈PA66<POM

注意:这些性能数据会因材料的具体牌号、生产厂家、添加剂以及测试条件等因素而有所不同,但大致的对比趋势可作为材料选择和应用时的参考依据。PPO与五大工程塑料对比中,虽然各自在某些特定性能上有优势或劣势,但PPO优势很明显,所以PPO位列五大工程塑料之尾,并不吃亏。

1、PPO之所以会水,它是真不怕水环境,耐水解,超级低的吸水性,性能几乎不受潮湿的水环境影响!在常见工程塑料品类中最不怕水!

吸水性五大工程是最低

2、PPO加工性性能之水,加工性纯靠基友安排,纯的PPO基本很难加工成型,作为一个热塑性工程塑料,你都不能“塑型”,叫啥塑料?

那么PPO塑性如此水,加工成型,如何解决的呢??

首先PPO粉要找几个好基友合体,合体完成后,我们称之为Mppo或者Mppe。市面上的绝大多少PPO材料都是这种,但PPO粉也有个案它不用塑型,用于电子封装,议价能力秒杀PEEK,现有市场万吨规模,每吨价格高达百万级,后面有机会单独开文再讲。

于是PPO必须找几个基友,进行合体后强强联合,即MPPO!

MPPO基友之一:HIPS

市面上90%以上的MPPO,都是PPO+PS,物美价廉。

PS的加入改善了PPO的加工性能,降低了成本,低成本推开市场的第一要素,同时保持了PPO的部分优良性能。制品具有较高的刚性、耐热性和尺寸稳定性,热变形温度较高,可在较宽的温度范围内使用。其电绝缘性能良好,介电常数和介电损耗较小,几乎不受温度、湿度的影响,适用于电子电器领域。此外,还具有较好的耐水性、耐蒸汽性和机械强度,抗蠕变性也较好。

MPPO基友之二:PA

耐高温、耐化学PPO+PA首先

结合了PPO的耐热性、尺寸稳定性和PA的韧性、耐磨性及耐化学性。这种合金材料的机械强度高,特别是冲击强度和拉伸强度较优异,具有良好的耐疲劳性和耐水性。其耐热性也较好,热变形温度较高,能满足一些对高温性能有要求的应用场景。此外,还具备较好的电绝缘性能和加工性能。在MPPO中的占比呈上升趋势。

典型规格PPO+PA物性

MPPO基友之三:PPS

PPO+PPS超耐热、耐化学,高强度之选

综合了PPO尺寸稳定性和PPS的耐高温性、耐腐蚀性、阻燃性及优异的电性能。该合金具有较高的热稳定性,热变形温度高,可在高温环境下长期使用,加纤后热变形温度高达250度。其耐化学腐蚀性强,对绝大多数酸、碱、盐等化学物质具有较好的耐受性。此外,还具有优良的电绝缘性能、低介电常数和介电损耗,以及良好的机械性能和阻燃性能.

PPO+PPS APS430物性

MPPO基友之四:Other

Other有PP、PBT、TPE等,这些沙伯基础都有产品,旭化成也有相关的,但是市场应用不多,不具有典型性,本次不再详细介绍,到此为止,感兴趣的可以查阅,比如SABIC相关的商用牌号参数,如下图。

SABIC MPPO品类

旭化成PPE与其他塑料耐热对比

总结:每种PPO+基友的组合很多,除了另一半合金基友品种外,合金配比过程中,具体比例会根据应用需求和期望获得的性能而有所不同,也没有固定的百分比分配。性能上,通过调整各成分的比例,可以在保持PPO原有优点的同时,进一步优化材料的加工性能、成本效益、机械强度、耐化学品性等特性,以适应更广泛的应用场景。

1、电子电器领域

在电子电器行业中应用广泛。例如在连接器方面,由于其良好的尺寸稳定性和电绝缘性能,能够确保连接器在不同环境下的可靠连接,其在该领域的市场占有率可达20%左右。在电脑、传真机、复印机等设备的外壳制造中,聚苯醚的阻燃性和机械强度使其能够满足外壳对防火和抗冲击的要求,同时其外观质感良好,可提升产品的整体品质。

2、汽车工业领域

汽车仪表板、散热器格子、扬声器格栅等部件常采用聚苯醚材料。以汽车仪表板为例,聚苯醚的耐热性和低吸水性保证了在高温和潮湿环境下不会变形或损坏,其在汽车内饰件中的应用比例约为 15%。在汽车外部部件如保险杠等方面,通过改性后的聚苯醚可满足抗冲击和耐候性的综合要求,在一些高端汽车品牌的保险杠应用中占比可达10%左右。

上:PPO在汽车应用,下:汽车电池模组

3、机械工业领域

可用于制造高精度的齿轮、轴承等传动部件。在齿轮应用中,聚苯醚的低摩擦系数和良好的耐磨性,能够减少能量损耗和噪音产生,提高传动效率,其在工业齿轮材料中的应用份额约为8%。泵叶轮、鼓风机叶轮片等也因聚苯醚的耐腐蚀性和机械性能而采用该材料,可延长设备的使用寿命,降低维护成本。

PPO用于泵叶轮

4、医疗领域

由于其无毒且化学稳定性好,可用于制造外科手术器具、消毒器等医疗器具零部件。例如在一些高端医疗器械的外壳和内部结构件中,聚苯醚能够替代不锈钢,减轻器械重量,同时满足消毒和使用环境的要求,在医疗塑料材料中的应用比例约为5%。

5、在光伏领域应用

户外光伏应用中,PPO尺寸稳定性优异,具有良好的耐候性和耐腐蚀性,能够抵抗紫外线、雨水、风沙等自然因素的侵蚀,延长使用寿命。如光伏连接器长期暴露在恶劣的自然环境中,光伏逆变器需要使用具有良好绝缘性能的材料,来防止电气短路和漏电等问题,光伏组件的边框,PPO支撑结构能够为光伏组件提供良好的支撑和固定作用。

PPO光伏接头

6、其他领域

在照相机、计时器等精密仪器中,聚苯醚的尺寸稳定性和低吸水性有助于保持仪器的精度。在大型吹塑成型的汽车大型部件如阻流板、保险杠等方面,其良好的成型性能和综合性能得到应用。低发泡成型的聚苯醚适宜制作高刚性、尺寸稳定性优良、吸音性好且内部结构复杂的大型制品,如各种机器外壳、底座、内部支架等,在工业外壳材料中的应用比例约为 10%。

2023年,全球聚苯醚(PPO)市场规模达到了约225.5亿元人民币,预计到2030年市场规模将接近306.8亿元,未来六年的年均复合增长率约为4.5%。2023年中国聚苯醚消费量近10万吨,生产消费持续增长。

中国PPO未来展望

1、市场需求增长:随着国内电子信息产业的蓬勃发展,5G通信设备、智能手机等产品对高性能材料的需求将持续攀升。在汽车行业向新能源汽车转型过程中,聚苯醚在电池包、电机控制器等部件中的应用潜力巨大。预计未来5年,国内聚苯醚的市场需求将以每年10%-15% 的速度增长。

2、技术研发与创新:国内企业将加大在聚苯醚合成技术方面的研发投入,例如开发更高效的催化剂体系,提高单体转化率和聚合物分子量。在改性技术方面,通过纳米复合、共混等手段,进一步改善聚苯醚的加工性能、耐候性等不足。同时,加强与高校、科研机构的产学研合作,建立联合研发中心,共同攻克技术难题,推动聚苯醚材料的技术创新和产业升级。

3、应用领域拓展:除了传统的电子电器、汽车、机械等领域,聚苯醚在新能源领域的光伏逆变器、风力发电机叶片等部件中的应用有望得到开发。在航空航天领域,其轻质、高强度和耐高温的特性可用于制造一些内饰部件和小型结构件。在5G通信领域,可用于基站天线罩、滤波器外壳等部件,以满足高频信号传输和复杂环境使用的要求。

新能源汽车PPO应用

4、产业协同发展:随着聚苯醚产业的发展,将带动上游原材料生产企业提高 2,6-二甲基苯酚等单体的供应质量和规模,降低成本。下游塑料加工企业将不断优化加工工艺,开发更多高性能的聚苯醚制品。同时,相关的模具制造、检测认证等配套产业也将得到协同发展,形成完整的产业链生态,提高整个行业的竞争力,使中国的聚苯醚产业在全球市场中占据重要地位。

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