高分子材料的耐高温性能受什么影响？有哪些代表性材料？

2025-02-19

影响高分子材料耐高温性能的因素

化学键能

为什么把键能排在第一位？因为这是咱们上学以来最早接触的化学概念之一，属于容易遗忘的部分，很多人在介绍材料时往往会忽视键能的影响。一般来说，化学键的键能越高，材料的耐高温性能通常越好。

例如，聚四氟乙烯分子主链含高键能的 C - F 键，高温下稳定；尼龙主链的酰胺键有一定键能，具备较好耐热性；环氧树脂固化后化学键键能高，也表现出良好的热稳定性，这些高分子材料因键能特性展现出优异热稳定性。聚硅氮烷（PSZ）的分子主链由Si-N键组成，其键能较高，因此在高温下表现出优异的热稳定性。

结晶度

结晶度高的高分子材料通常具有更高的耐热性和机械强度。结晶性塑料在温度升高时不出现高弹态，温度升高至熔融温度Tm时，呈现粘流态。因此结晶性塑料的使用温度从Tg(玻璃化温度)提高到Tm(熔融温度)以下。下图为橡胶结晶温度与熔限的关系。

在材料科学领域，结晶度与热变形温度之间存在紧密关联，这一特性在多种材料中均有体现。以聚丙烯为例，结晶度为 70% 时，在载荷下热变形温度为 125℃，当结晶度提升至 95%，热变形温度升高到 151℃ ，直观展示了结晶度对热变形温度的显著影响。

同样的规律在其他常见材料中也得到验证。未增强的 PET 结晶度通常处于 40% - 60%，热变形温度仅在 85℃左右。但经过玻纤增强，结晶度得以提升，热变形温度大幅跃升至 225℃。

聚甲醛（POM）也是如此，一般情况下，其结晶度在 75% - 85%，热变形温度处于 110℃ - 124℃。若通过特殊工艺或添加成核剂等手段，使结晶度接近 90%，热变形温度便能提升至 160℃左右。

尼龙 66（PA66）在普通成型条件下，结晶度为 40% - 50%，热变形温度在 70℃ - 80℃。而经过热处理等方式，将结晶度提高到 60% - 70% 后，热变形温度可达 150℃ - 170℃ 。

分子结构

分子结构中的取向和排列、交联和支链结构、取代基和官能团均对高分子材料热稳定性影响显著。取向和排列方面，分子链排列方式影响热膨胀性能，取向影响热传导性能。

交联能增强三维结构稳定性，支链结构可降低熔融温度和热膨胀系数；芳香族取代基可增加稠度和刚性，稳定性好的官能团能减少热解反应，这些都有助于提升材料热稳定性。

苯基硅橡胶之所以具备优异的耐高温性能，主要得益于硅氧烷基的特性。从化学性质来看，硅氧烷基具有高化学惰性，热稳定性强，在高温环境下不易分解，这使得苯基硅橡胶能够保持良好的物理性能，维持其基本结构和功能的稳定。

而聚酰亚胺（PI）的分子链中包含酰亚胺环和芳环，这些结构赋予了材料极高的热稳定性和化学稳定性。此外，分子链的刚性也会影响耐高温性能，刚性链结构的高分子材料通常具有更高的玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm）。

典型的耐高温高分子材料

聚酰亚胺（PI）

聚酰亚胺是一种具有卓越耐高温性能的聚合物，其长期使用温度可达300℃以上，短时间内可承受高达500℃的高温。PI不仅耐高温，还具有优异的机械性能、电绝缘性能和耐化学腐蚀性。其广泛应用于航空航天、电子、化工等领域，如高温结构件、隔热材料、印制电路板等。

聚硅氮烷（PSZ）

聚硅氮烷是一类无机高分子材料，其分子主链由Si-N键组成。这种材料在高温下可以转化为二氧化硅陶瓷，因此具有极高的耐高温性能，耐温可达1800℃。PSZ还具有低粘度、高附着力和良好的化学稳定性，被广泛用于高温涂料和陶瓷前驱体。

聚苯硫醚是一种结晶性聚合物，具有极高的热稳定性和化学稳定性。PPS可以在200℃以上的高温环境中长期稳定工作，并且具有良好的机械性能和电绝缘性能。其主要应用领域包括电子电器、汽车和航空航天等，如发动机周边部件、连接器等。

PEEK是一种高性能的热塑性塑料，其连续使用温度可达260℃，瞬间使用温度甚至可以超过300℃。PEEK具有良好的耐化学腐蚀性、耐磨性和电绝缘性能，被广泛用于医疗、航空航天和汽车领域，如人工骨骼、飞机零部件等。

芳纶1313

芳纶1313是一种高性能纤维，具有出色的耐高温性，可以在220℃的高温下长期使用而不发生老化。其极限氧指数大于28%，属于难燃纤维，不助燃，自熄性能好。芳纶1313被广泛应用于防护服、防火车、航空和汽车行业。

PBI是一种超耐高温工程塑料，长期使用温度可达370℃。它具有出色的热稳定性、机械强度和耐化学腐蚀性，适用于极端高温和苛刻化学环境的应用。