聚苯醚材料特点及其在净水行业的应用

郭建明

（塑料改性与加工国家工程实验室，金发科技股份有限公司，广东广州，510520）

1.概述

聚苯醚（简称PPO或PPE）, 1957 年美国通用电器公司的A. Hay 用2 , 6 - 二甲基苯酚氧化偶合聚合法合成后, 1965 年美国通用电器公司开始将PPE工业化。聚苯醚具有优良的物理性能，但熔融流动性差，加工困难，为了改善加工性能，1966年将聚苯醚与聚苯乙烯共混改性获得成功，并投入市场，从此改性聚苯醚得到了迅速发展。到目前为止聚苯醚和聚苯乙烯的合金材料占到聚苯醚改性材料的80%，应用领域广泛^【1】，因此本文主要介绍聚苯醚与聚苯乙烯的共混改性材料的特性及其在净水行业的应用。

2.改性聚苯醚材料的特性

2.1 吸水率低

从图1中可以看出来，聚苯醚树脂的吸水率为0.06%，和PA树脂相比，PA材料的吸水率是其吸水率的近40几倍，而POM材料的吸水率是聚苯醚树脂的6倍，由于聚苯醚树脂的低吸水率，该材料具有较高的尺寸稳定性，优异的电绝缘性能和耐水解性能。

由于聚苯乙烯材料本身的吸水率也相对较小，采用二者为基材的改性聚苯醚材料的吸水性也低，同时该材料的耐热性能好，经过90度热水10000小时的水解性能测试后，材料的拉伸强度、伸长率和冲击强度都没有明显的变化，材料的力学性能保持率高，使其广泛应用于与水接触的结构部件，比如水泵叶轮、软化水控制阀体、管接头，水表壳体等零部件。

2.2 密度小

图2是几种树脂和玻纤增强材料的密度对比，就纯树脂而言，改性聚苯醚材料的密度为1.06，聚甲醛的密度为1.42，是聚苯醚材料的1.3倍，尼龙的密度为1.14，是聚苯醚材料的1.08，单从树脂的密度上讲，对于相同体积的制件，聚苯醚材料和聚甲醛相比就分别节省30%，和尼龙相比节省10%的原材料，有利于降低材料的成本。

2.3 环保特性

改性聚苯醚树脂已经过广泛试验，符合多项行业规定和规范，目前的改性聚苯醚材料基本上都符合欧盟、政府机构和美国食品与药品管理局严格要求的材料，就是可与食物接触、饮用水接触，部分产品在医疗、制药和玩具等领域也得到应用，部分公司生产和销售的牌号有通过美国FDA和NSF认证。

2.4 尺寸稳定性

首先，尼龙（PA）的收缩率为1.5%左右，POM的收缩率为2.0%-2.5%，而聚苯醚材料的收缩率为0.5%-0.7%，和尼龙、聚甲醛相比收缩率小的多。由于聚苯醚和聚苯乙烯材料都属于非结晶性材料，因此改性聚苯醚材料是一种非结晶性热塑性塑料合金，制品几乎不发生由于结晶的取向而引起的应变、翘曲和后收缩，因而尺寸稳定性好，可用于制备高精度制件。

其次，由于改性聚苯醚的吸水率小，和水接触后尺寸变化小，因而尺寸稳定性高。

3.聚苯醚材料的应用

   由于聚苯醚的低吸水率、尺寸稳定性好，环境友好，机械性能高等特性，改性聚苯醚广泛应用水处理行业的结构性部件，如游泳池和温泉水泵的叶轮、导流盘、泵盖，水表的叶轮、壳体，软化水控制阀体和陶瓷阀芯，水管件和管接头等部件。

4.净水行业管接头和管道对材料的要求

净水行业中关键的结构部件为管接头、管件、控制阀体，以前材料绝大多数采用铜金属来制造，但是由于普通的铜由于含有重金属铅，对人体健康有影响，同时出口到北美地区的产品受到AB1953法案（亦称加州无铅法案）限制，就要求使用低铅含量的铜来替代，但是价格昂贵。同时采用金属制造由于设计的自由度相对较低，采用工程塑料来替代金属成为一种趋势，其主要优点有：不含有重金属，相对于低铅含量铜价格低，设计灵活，质轻，低噪音等。

虽然大部分的结构部件已经开始用塑料来替代铜等金属部件，就对材料的特性提出了一定的要求，主要有以下几个方面。

（1）安全性

由于目前大部分塑料树脂本身存在一些缺陷，需要针对其进行改性，如增韧、增强、阻燃等，另外考虑材料的视觉要求，需要配成各式各样的颜色，同样需要添加各种色粉进行调配，对于净水行业的材料而言，由于其与水接触，就要求添加的助剂和材料不能有毒有害的物质析出，污染水质，如NSF的测试就要求，饮用水中的杂质如甲醛的最高含量（NDWL）1毫克/升，污染物砷的最高浓度（连续性校准检查）0.01毫克/每升^[2]。

同时材料的本身符合环保要求如FDA、NSF认证等，目前出口到美国的产品大部分需要通过NSF认证。

（2）强度高

由于目前的关键都需要承受一定自来水的压力，因此要求材料的强度高，有韧性。由于不同的制件结构要求不同，需要进行的测试实验也不尽相同，一般需要进行以下实验，如水锤实验，要求2.1MPa的压力下进行75000次循环实验；高低温循环实验，要求在1MPa的压力下，从常温23°C到95°C经历5000次循环；静压实验，要求在2.4mpa，经历1000小时等等。经过测试完毕后制件不能有开裂、漏水等现象出现。

（3）尺寸稳定性好

由于目前的接头、阀等结构部件都与水接触，就要求材料吸水率低，尺寸变化小，与金属制件装配后，不能够因温度和湿度的变化导致尺寸变化，装配出有间隙，否则就会有漏水现象出现。

（4）其它要求

其它的要求如耐化学性能好，如果水中有余氯及某些氧化性杀菌剂，如臭氧、溴、碘等就要求材料耐这些要求，而目前的聚甲醛POM接头不耐氧化，建议不用POM接头，改用其它材质的接头。

以上是净水行业的制件对塑料的一些基本要求，而目前市场上使用最多的材料如尼龙（PA）和聚甲醛（POM）很难完全满足要求，而改性聚苯醚的特性使得其在水处理行业包括净水行业得到了广泛的应用。

4.聚苯醚材料的成型加工注意事项

由于目前聚苯醚材料在净水行业刚刚开始应用，很多的成型加工厂对其性能了解较少，为了更好的发挥材料的特性，成型出合格的产品，下面介绍一下改性聚苯醚加工成型过程中需要注意的一些事项。

4.1干燥

改性聚苯醚树脂是吸湿率最低的热塑性工程塑料之一。然而，若不在加工前将水份除去，则残留水份会导致诸如银纹的表面瑕疵，甚至有可能导致阻燃性能的下降。对于 PPE 树脂，建议使用的干燥温度范围是 65°C 到 115°C。使用除湿干燥器，通常可在2-4小时内使含水量达到低于 0.02% 的目标值，具体取决于材料原有的含水量和干燥器的类型。

对于大尺寸粒子（破碎或回收）或玻纤增强材料，干燥时间应增加到4-6 个小时。为避免过度加热，建议材料的干燥时间不超过 8 个小时。过分干燥可能会导致材料物理性能的丧失、颜色变化、可加工性受损或三者并发^[3]。

4.2 模具温度控制

对于改性聚苯醚树脂，一致的模具温度控制，对制件公差控制是至关重要的。通常，对于大模腔或型芯，建议模具表面温差小于11°C，对小型件，则应小于3°C。更严格的温度控制，通常会为加工提供更大的自由度。当设计许可时，通常希望在制件的外围和边缘细部以下，增加一个独立的温度控制管路，这样可以采用更高的钢铁温度，从而减小模塑制件边缘应力。

当模具温度在 65°C 到 95°C之间时，可得到最佳的外观和机械特性。对于低耐热和阻燃牌号的PPE 树脂来说，模具表面温度必须在65°C 到 80°C之间。应通过设置适当的冷却槽来达到均匀的模具温度。而对于玻纤增强材料来讲，则需要更高的模具温度。

4.3注塑压力和速度

实际的注塑压力取决于多种因素，如熔化温度、模具温度、部件几何形状、壁厚、流动长度和其他模具和设备因素。通常情况下，最好采用实现所需特性、外观和成型周期的最低压力。

要正确实现模具填充，需要中等到快速的注射速度。过快的速度增大剪切，可能会导致材料降解。另一方面，过慢的注射速度则可能会导致表面银纹，原因可能是降解气体有更多时间转移到表面。

4.4耐化学性

改性聚苯醚树脂几乎不受大多数清洁剂、酸和碱的影响。但是，应当避免将它们暴露在某些卤代烃和芳烃中如矿物油、油脂和有机溶剂等，因为这些物质会使该材料发生软化或者溶解。对于需要暴露、接触或浸没在此类环境中的应用，应始终在实际工作条件下对最终部件的性能进行评估。

目前所知，某些脱模剂和防锈剂对MPPE树脂具有应力加速开裂倾向，建议使用比较中性的脱模剂或防锈剂如采用有机硅作为化学组分的脱模剂，或者在成型前，将模具表面的化学品擦拭干净。

5.小结

改性聚苯醚由于具有低吸水率、较低的密度、尺寸稳定性高、机械性能好等优异性能，能够满足净水行业结构件对材料性能的要求，相对于尼龙和聚甲醛来讲，改性聚苯醚具有独特的优势可以应用在水处理行业，是一种性能优异的工程塑料。