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專題報告

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聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

聚苯硫醚(PPS)是一種由苯原子和硫化物原子反復交替排列組成的熱塑性聚合物(圖1),其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熔化溫度(Tm)分別為85°C,285°C,PPS是一種頗受復合材料行業(yè)青睞的熱塑性樹脂。與其他芳香族聚合物相比,PPS具有優(yōu)異的抗化學和溶劑性,在200°C下的有機溶劑中不易溶解。同時,PPS還具有優(yōu)異的耐燃性,其極限氧指數(shù)為34,遇到明火時不會滴落,一旦離開火就會迅速熄滅。此外,PPS也具有耐高溫性、良好的機械性能、良好的加工性能等。由于其先進的綜合性能,廣泛應用于電子、電器、汽車等各個領域。
學者一般將PPS與聚酰亞胺、聚芳醚、聚醚醚酮一起定義為高性能工程樹脂,而PPS比其他高性能工程樹脂具有更好的韌性、低密度、高耐磨性和高耐化學性。據(jù)調(diào)研機構YH Research研究統(tǒng)計,2023年全球聚苯硫醚市場規(guī)模約70億元,預計未來將持續(xù)保持平穩(wěn)增長的態(tài)勢,到2030年市場規(guī)模將接近111億元。因此,聚苯硫醚被譽為“黃金塑料”。


聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

圖1 聚苯硫醚化學結構式

聚苯硫醚合成方法

PPS的合成方法主要包括:弗克催化法“(Genvresse法)、麥氏法“(Macallum法)、硫化鈉法、“硫磺法”、硫化氫法”、氧化聚合法”和對鹵代苯硫酚縮聚法。

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

目前最主要的工業(yè)化生產(chǎn)方法是硫化鈉法,因其原料價廉易得,產(chǎn)率較高(90%以上),產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定而被廣泛應用。它是以無水硫化鈉(Na2S)和對二氯苯(P-DCB)和)為原料,N-甲基吡咯烷酮(NMP)為溶劑,堿金屬鹽作為催化劑和助劑,在0~2MPa、180~270℃條件反應生產(chǎn)聚苯硫醚(PPS)。反應化學方程式及工藝圖如下所示:

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

圖2 硫化鈉法制備聚苯硫醚樹脂工藝流程


聚苯硫醚的應用領域

采用填料、纖維和其他聚合物增強和改性的PPS復合材料因其優(yōu)異的機械性能、熱性能和電學性能而被廣泛應用于工程材料。因此,PPS共混物和復合材料已被應用于多個領域,包括汽車零部件、航空零部件、電子電氣設備。

汽車零部件

IGBT模塊
PPS工程塑料在新能源汽車電控系統(tǒng)和直流充電樁中發(fā)揮著重要作用,特別是作為IGBT模塊的核心材料。其高CTI值(300-600V)、出色的耐化學腐蝕性和耐熱性能,完全符合IGBT模塊的要求,提高了整車的能源利用率。

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

圖3 IGBT模塊


電池蓋板
PPS材料因其導電、電絕緣性、耐化學腐蝕性以及耐熱性,被用于制造電池蓋板,有效隔離電池模塊與外界環(huán)境,防止外界物質(zhì)對電池的損害。
汽車動力系統(tǒng)流體管路
動力系統(tǒng)流體管作為新能源汽車中高溫液體的主要輸送管道,其工作環(huán)境惡劣。PPS以其高強度、耐高溫和耐化學腐蝕的特性,確保了動力系統(tǒng)流體管路的穩(wěn)定運行,降低了潛在的熱失控和泄漏風險。

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

圖4 汽車PPS的動力系統(tǒng)流體管路組件


航空零部件
先進熱塑性復合材料早期應用主要是纖維增強 PPS 熱塑性復合材料,采用預浸料/熱壓罐成型工藝制造。和 PEEK 熱塑性復合材料相比,PPS 熱塑性復合材料的優(yōu)點是樹脂粘度低,能夠在較低壓力下成型,缺點是使用溫度低,不能滿足超音速飛機的應用要求。Fokker 公司采用 GF/PPS 復合材料為空客 A380 飛機研制的機翼前緣、Gulfstream G650飛機的方向舵和升降舵,以及 A320 飛機后壓力艙壁板 ,實現(xiàn)重量減輕約10%,成本降低約20%。
PPS/C復合材料也具有優(yōu)良的摩擦學性能,特別是當與礦物顆粒結合時。因此,PPS/碳復合材料可以在具有高轉(zhuǎn)速和摩擦力的環(huán)境中用作軸承、齒輪和制動片。此外,PPS/碳復合材料具有良好的熱穩(wěn)定性和良好的殘留力學性能。由于高溫的條件,這對于飛機或汽車發(fā)動機的結構部件是必要的。如圖所示,F(xiàn)okker 技術公司采用感應焊接PPS/碳復合材料作為主結構飛機控制面。這些輕而堅固的復合材料在2009年夏天首次安裝在灣流G650商務機尾上。

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

圖6 飛機控制面(Fokker公司)


家用電器
一些家用電子部件需要耐高溫、耐化學腐蝕,同時具備高機械強度和電絕緣性以及低吸濕性。例如,端子連接器、定子和轉(zhuǎn)子、水泵殼體、葉輪等部件。PPS聚苯硫醚就能滿足這些要求,下圖是以聚苯硫醚為原料制備的家用電器。

聚苯硫醚PPS高性能材料概覽與應用領域

圖7 PPS/碳復合材料的家用電器(Xiamen LFT-G?)

聚苯硫醚行業(yè)前景

市場需求增長:全球?qū)Νh(huán)境保護和能源效率的關注日益增加,新能源汽車市場呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。聚苯硫醚作為電動汽車電池隔膜材料,具有廣闊的應用前景,將推動市場需求持續(xù)增長。
應用領域拓展:聚苯硫醚在電子電氣、汽車、航空航天等領域已有廣泛應用,并且隨著新能源和智能制造的不斷發(fā)展,其在電池、電動汽車、5G通信等新興領域的應用有望進一步拓展。
綠色生產(chǎn)、循環(huán)利用:隨著環(huán)保政策的趨嚴,聚苯硫醚的生產(chǎn)過程將更加注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。例如,采用高效合成技術和綠色生產(chǎn)技術,減少生產(chǎn)過程中的廢棄物排放和能源消耗。此外,推動聚苯硫醚的循環(huán)利用和廢棄物處理技術的發(fā)展,降低其對環(huán)境的影響,實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

參考文獻
《聚苯硫醚的合成方法、工藝及應用研究》、《基于聚苯硫醚熔噴超細纖維的光熱紙及復合板的研究》、《Fabrication and application of poly (phenylene sulfide) ultrafine fiber》

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