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问题

热变形温度对高分子材料应用的影响有哪些？

回答
好，咱们这就来好好聊聊这个热变形温度这回事儿，以及它对咱们用高分子材料能干啥有啥直接关系。这东西，别看名字听着有点绕，其实它在我们生活中无处不在，从你每天用的塑料瓶、汽车零部件到高科技设备，都离不开它。

先弄明白，什么是“热变形温度”？

简单来说，热变形温度（Heat Deflection Temperature，简称HDT），就是指在高分子材料在承受一定载荷的情况下，受热到一定温度时开始发生明显形变的那个温度点。这里的“明显形变”，一般指的是材料弯曲的程度达到了一个预设的标准，比如0.2毫米或者0.32毫米。

为啥要关注这个温度呢？因为咱们用的塑料可不是金属，金属在高温下也只是变软，但塑料一旦受热过头，就容易塌陷、变形，失去原有的形状和性能。想想看，你把一个塑料瓶放在太阳底下暴晒，它是不是会慢慢变软，甚至最后歪七扭八的？这就是热变形温度在“作祟”。

更专业一点说，HDT这个指标反映的是材料在高温下的尺寸稳定性和刚度。它告诉我们，在某个特定的承载压力下，材料能耐受的最高温度是多少，一旦超过这个温度，材料的支撑能力就会显著下降。

热变形温度的高低，对高分子材料的应用到底有什么影响？

这个影响可以说是决定性的，直接关系到咱们选择哪种材料，以及这种材料能用在什么场合。咱们一点点来说：

1. 决定了材料适用的工作温度范围：
简单粗暴地说，HDT越高，材料在高温下的表现就越好，能承受的温度也越高。
比如，你家厨房里的电器外壳，需要耐受一定的高温（比如电饭煲内部、烤箱旁边），那么你选择的塑料材料的HDT就必须足够高，否则一旦加热，外壳就软塌塌地变形了，这不仅影响美观，还可能带来安全隐患。
反之，如果材料的HDT较低，那它就只能在相对低温的环境下使用，比如一些室内装饰件、一次性餐具等。强行让低HDT的材料在高负荷高温下工作，那结果就是一场灾难：变形、开裂，甚至失效。

2. 影响了材料的机械性能保持能力：
高分子材料的强度、刚度、硬度等机械性能，很大程度上都与温度有关。通常情况下，温度越高，这些性能就越差。
HDT高的材料，意味着它在升高温度的过程中，其内部的分子链运动受到的束缚更强，或者材料本身的结构更稳定，因此即使温度升高了，它的刚度和强度下降得也没那么快。
想象一下，你用两种不同的塑料制作一个需要承受一定压力的支架。一种HDT很高，另一种HDT很低。在常温下，它们可能表现差不多。但当温度升高时，低HDT的支架会很快变软，承载能力急剧下降，甚至弯曲到无法使用；而高HDT的支架则能保持更久的稳定形状和承载能力。这就是HDT高带来的优势——在高温下的“性能保持性”更好。

3. 关乎材料在承载条件下的可靠性：
很多时候，材料在应用中并非仅仅是承受温度，而是同时承受温度和机械载荷。HDT就是专门衡量这种综合情况下的表现。
举个例子，汽车发动机舱里的很多零部件，不仅要耐高温，还要承受来自发动机的振动和各种应力。如果选用的塑料材料HDT不够高，那么在发动机工作产生高温时，这些零部件就可能因为自身变形而导致配合不良，甚至引发更严重的故障。比如一些线束的固定卡扣，如果变形了，线束就容易松动，存在短路风险。
HDT越高，意味着材料在一定载荷下，即使在较高温度环境中，也能维持其结构完整性和功能性。 这对于要求高可靠性的领域，比如航空航天、医疗器械、汽车电子等，是至关重要的考量因素。

4. 影响了材料的加工工艺和设计裕量：
虽然HDT本身不是加工温度，但它间接影响了我们对加工温度和最终产品使用温度的预期。
如果你选择了一种HDT很低的材料来制造一个需要耐高温的部件，那么在加工过程中，你就得格外小心，避免让材料在高温下停留过久，以免影响其最终的尺寸稳定性和性能。
相反，如果你选用的材料HDT很高，意味着它在加工过程中能承受更高的温度，或者在最终使用时有更大的温度变化空间，这样在设计时，你就可以有更大的设计裕量，对材料的性能波动有更多的容忍度，从而降低设计难度，提高产品可靠性。

5. 是材料选择的重要筛选标准：
在选择高分子材料时，工程师们会根据产品的具体应用需求，制定一系列的性能指标，其中HDT往往是重要的“门槛”。
如果产品需要在100°C下工作，并且承受一定的载荷，那么你肯定会去寻找那些HDT大于100°C（通常还会留有一定余量，比如选择HDT在120°C以上的材料）的聚合物。那些HDT只有70°C的材料，在这种场合下根本没法考虑。
可以说，HDT就像一张“通行证”，它决定了你能不能进入某个特定的应用领域。

那影响HDT的因素有哪些呢？

当然，这也不是一个固定不变的值，它受到很多方面的影响：

材料的分子结构： 这是最根本的。通常来说，分子链越长、越规整、极性越强、分子间作用力越大的高分子，其HDT就越高。比如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚碳酸酯（PC）的HDT就比聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）高很多，原因就在于它们的分子结构中存在更强的芳香环和极性基团，使分子链更不易滑动。
材料的结晶度： 对于半结晶性高分子，结晶度越高，分子链越有序，堆积越紧密，材料的刚度和耐热性就越好，HDT也越高。
添加剂和改性： 加入增强纤维（如玻璃纤维、碳纤维）是提高HDT最有效的手段之一。这些纤维能够极大地增强材料的刚度和尺寸稳定性，即使在高温度下也能提供优良的支撑。此外，一些阻燃剂、稳定剂等，如果与基体材料的相容性好，并且不破坏材料的整体稳定性，也可能对HDT有一定影响。
测试条件： 记住，HDT不是一个绝对的数值，它会受到测试时施加的载荷（通常有0.45 MPa和1.82 MPa两个标准载荷）以及测试方法的细微差异影响。所以，在比较不同材料的HDT时，一定要看清楚它们的测试条件是否一致。

总结一下：

热变形温度，这个听起来有点技术的指标，实际上就是高分子材料在高温和受力情况下的“硬汉”程度的体现。它直接决定了我们的塑料零件能承受多高的温度而不变形，能承受多大的力而保持形状，从而划定了它的应用边界。

所以，下次你看到一个塑料制品，可以想想它用的是什么材料，以及它为什么能（或不能）在某个特定环境下工作。很多时候，答案就藏在这个看似不起眼的“热变形温度”里。它就像是给材料穿上一件耐热的外衣，让你可以在更广泛的温度区间里，放心地使用它们。

网友意见

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2020-10-02

很多聚合物制品都有负荷下「热变形温度，heat deflection temperature」这项指标，该指标用来了解高聚物在负荷受热下变形的程度，并非表示产品最高使用温度。事实上，热变形温度反映的是塑胶材料短期对热的抵抗能力，就算是短期之下，热变形温度只概括地显示了塑胶本身与温度变化的关系。此关系会随温度变化的速度、样本受热时间和加于样本上的压力改变而有所变化，较软的材质也容易得到较低的数据。热变形温度不适合直接做为成品的最大工作温度，而是当作相同材质不同规格之间，作为短期「耐热性」的比较基准使用。

衡量塑料制品耐热性能好坏的指标有：热变形温度、马丁耐热温度和维卡软化点三种，其中以「热变形温度」最为常用。同一种塑料上述三种耐热性指标的关系如下：维卡软化点 >热变形温度 >马丁耐热温度。按塑料的耐热性大小可以分成四类：

1). 低耐热类塑料，热变形温度小于 100℃，包括：PE（29-126℃）、HDPE（43℃）、LDPE（32℃）、PS（91℃）、PVC（54-79℃）、PET（80℃）、PBT（60-65℃）、ABS（84℃）及 PMMA（68-99℃）等；

2). 中耐热类塑料，热变形温度在 100-200℃，包括：PP（40-152℃）、PVF（℃）、PVDF（112-145℃）、PA6（65℃）、PA66（75℃）、PSU（179℃）、POM（166℃）、PSF（175℃）、PPO（100-128℃）及PC（39-148℃）等；

3). 高耐热类塑料，热变形温度在 200-300℃，包括：PPS（240℃）、PAR（280℃）、PEEK（230℃）、PES（205℃）、PAI（250℃）、EP（230℃）、PF（200℃）等；

4). 超高耐热类塑料，热变形温度大于 300℃，包括：POB（260-310℃）、PBI（435℃）及PI（315-360℃）。

高分子的「熔点」可以简单地理解成指塑胶开始融化时的温度，注塑时的温度才是整个塑胶融溶并具有一定的加工流动性时的温度，这个温度要高于熔点而低于分解点。（注：结晶性塑料和非结晶型塑料在这个问题上的表述略有差异。）而「热变形温度」是高分子在一定的压力下开始产生一定的变形时的温度，这个与熔点（Tm）没有直接的对应关系；熔点高不一定热变形温度就高。通常讲的耐热温度有两种解读，一个就是短时的「热变形温度」，一个是能长期工作的最高温度。这两个概念也不一样，差别很大，前者表达的是热力学性能，后者表达的是材料抗热氧老化能力。比如 PA6T 耐温 255±5℃，这个温度就是指热变形温度，而它的长期使用温度不超过 200℃。

举石墨烯地暖为例，基材 PET 的热变形温度为 80℃，所以电热膜温度设定在 60-70℃ 可以确保PET不变形；但我们曾做过耐温 300℃ 的电热膜，那就必须选用 PI 座基材，可见热变形温度的高低对于项目选用基材的材质也是需要匹配的。


注：

高分子具有二种状态：「无定形态，amorphous」和「结晶态，crystalline」，若是无定形高分子则有 Tg，若是结晶高分子则有 Tm，熱變形溫度正好介於 Tg 與 Tm 之間。「无定形」就是高分子链无组织和无秩序地分散于材料中，结晶性高分子材料并非是完全的结晶，而是以「半结晶，semi-crystalline」状态存在于自然界中，也就是无定形与结晶共存。Tg的出现，是由于高分子主链小规模的移动。换句话说，只有温度在 Tg 以上，高分子才有机会作有限度的移动。若温度在 Tg 之下，高分子链将被冻结住（quench），而成为坚硬的固体。其它像一些支链的（side chains）移动，在高分子学上我们可称为 α 过渡（α-transitions）、β 过渡（β-transitions)。

决定 Tg 大小的因素，通常也是决定 Tm 大小的因素，Tg 约等于 的 Tm。(用 DSC 测量)


       分类：科普 >>材料 >>高分子

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