第一章塑胶原料特性介绍

第一章

塑膠原料特性介紹第一章塑膠材料介紹(一)塑膠的定義(二)塑膠的一般特性(三)塑膠的來源與構造(四)塑膠的分類(五)塑膠特性與官能基的關係

(六)塑膠的受熱變化歷程(七)塑膠材料的基本物性(八)如何選擇適當的塑膠材料(九)塑膠加工的注意事項(一)塑膠的定義

塑膠的定義(美國塑膠工業協會):「主要由碳、氫、氧、氮及其他有機及無機元素所構成，在成品階段為固體，在製造過程中常是熔融狀的液體，因此可藉加熱使其熔化、加壓力使其流動、冷卻使其固化，而形成各種形狀。符合此敘述之材料族類中的任何一種，均可稱為塑膠。」

(二)塑膠的一般特性

優點：

(1)重量輕─塑膠的比重大約在0.9-2之間。

(2)耐用性佳─一般塑膠皆有長久的耐用性，尤其是玻璃纖維強化塑膠(FRP)更是強韌無比。

(3)電絕緣性優異─塑膠為電之不良導體。

(4)耐蝕性強─耐水、耐油、耐酸、耐化學藥品，而且不生銹。

(5)成形容易─具有加熱軟化及易成形的性質，且成形法簡單並可做大量生產，大部份的塑膠加工溫度約在200-300℃之間。

(6)原料豐富,價格低廉─原料取得容易，大部份的塑膠價格約在20-100元/KG之內。

(7)著色容易─適當加入著色劑,可改變其色澤。

缺點:(1)耐熱性差─大部份的塑膠耐熱溫度約在150℃以下。

(2)機械強度差─承受負荷，易生變形。

(3)低溫時易變脆性。

(4)大都為易燃物，且燃燒有毒性氣體產生。

(三)塑膠的來源與構造

石油提煉聚合反應添加劑成形單體聚合物塑膠原料塑膠產品人工合成

(1)其中聚合方式有下列兩種方式：

a.一種單體聚合：PE

HHHH||||n[C=C](C-C)nn:聚合度(一般在數百~數千)||||HHHHb.多種單體共聚合：如ABS塑膠分子的特性由重複單位(單體)所構成的長鏈狀分子每條長鏈狀分子的聚合度(長度)不一每條長鏈狀分子的質量不一以平均分子量來表示分子量的大小及分佈的寬或窄對塑料性質會有密切影響-(C2H4-C2H4-C2H4-C2H4-C2H4-…..-C2H4)-n=1000

分子量=28000n=900

分子量=25200n=1100

分子量=30800平均分子量=分子量的分佈分子量分子數目(2)依功能區分，塑膠添加劑的種類包括:a.安定劑─避免塑膠因受光、熱、空氣、溼氣而發生變色或劣化。b.可塑劑─增加塑膠的柔軟性(降低玻璃轉移點)。c.潤滑劑─增加流動性，易於成形且不黏模。d.難燃劑─增加塑膠抵抗燃燒的能力。e.著色劑─改變塑膠顏色。f.填充劑─降低成本(如加碳酸鈣)，增加物性(如加玻纖增加機械強度)。g.靜電防止劑─避免靜電集中於表面。h.發泡劑─產生內部氣泡，降低重量。添加劑a.安定劑─b.可塑劑─c.潤滑劑─d.難燃劑─e.著色劑─f.填充劑─g.靜電防止劑─h.發泡劑─(四)、塑膠的分類

(1)、依分子鏈構造分類：

線性高分子分枝型高分子

交連或網狀型高分子(2)依溫度效應分類：熱塑性塑膠─加熱熔化，冷卻固化，可反覆為之。熱固性塑膠─加熱一旦產生交連反應硬化後，即不再因再度加熱而熔化。

(3)熱塑性塑膠依冷卻時分子排列情形又可分：結晶性塑膠─大多為線型結構，冷卻時塑膠分子排列整齊的區域較多。非結晶性塑膠─大多為分枝型結構，冷卻時塑膠分子無法排列整齊。

熱塑熱固結晶性與非結晶性塑膠的分子示意圖結晶性對塑膠之影響主要表現在機械性質、光學性質及熱性質三種：1.機械性質:結晶性高的塑膠，排列規則，所以密度較高，可以承受外在的負荷較大。但是相對的在低溫下易脆、不耐衝擊，受撞擊時應力將沿晶面快速傳遞，所以受力時易破裂。2.光學性質:因為結晶性高的塑膠，有結晶區和非結晶區兩種區域同時存在，所以折射率較大，呈現不透明或半透明。反之非結晶性塑膠無結晶區，因此折射率較低，可由多個方向反射到觀察者，所以透明性較高。3.熱性質:結晶性高的塑膠在相變化時有較明顯的比容變化，因此將使其在凝固時產生較大的收縮。在熔化時必須克服結晶熱，在凝固時則有結晶熱釋出。常見的結晶性塑膠及非結晶性塑膠結晶性塑膠非結晶性塑膠PP聚丙烯HDPE高密度聚乙烯LDPE低密度聚乙烯PA(Nylon)聚醯胺(尼龍)POM聚縮醛PET聚對苯二甲酸二乙酯PBT聚對丁烯二甲酸二乙酯PVAC聚酯酸乙烯PS聚苯乙烯PMMA聚甲基丙烯酸甲酯EVA乙烯-醋酸乙烯共聚合物ABS丙烯-丁二烯-苯乙烯PC聚碳酸脂(4)依機械性質分類

泛用型塑膠熱塑性塑膠

PE,PP,PVC,ABS,PS

熱固性塑膠UF

工程型塑膠熱塑性塑膠PA,POM,PPO,PC,PBT

熱固性塑膠PF,EP,UP,MF

以拉伸應力─應變曲線圖分類塑膠

以拉伸應力/應變曲線圖分類塑膠類別拉伸彈性模數拉伸強度拉伸應變特色所屬塑膠例A大大小於降伏點前斷裂PS，壓克力B小小中

軟膠凝體(gel)C大大中於降伏點附近斷裂硬質PVC，玻纖強化之PC，FRPD小中中→大降伏點曲線平坦軟質PVC，LDPE，PP，ABS，HDPEE大大大降伏強度大HIPS，Nylon，PC，POM(五)塑膠特性與官能基的關係

主幹結構-C-C-C-C-C-C-C-│R官能基(R)所屬塑膠例特性-H或-CH3PP,PE易燃、親油性、絕緣性佳-OH或-OCOCH3EVA親水性、易溶於水，可作接著劑-CL或-FPVC,PTFE難燃苯環PS易燃、但透明性佳

O||

主幹結構-C-C-N-C-C-C-C-則-CNO基具極性，則亦與水產生氫鍵，故吸濕性大，如PA，但其氣體遮斷性佳。主幹結構-C-C-C-苯環-C-C-C-C-則剛性大，玻璃轉移點高，拉伸強度高，衝擊強度高，耐熱且難燃，如芳香族聚酯

主幹結構-C-C-C-O-C-C-C-C-則分子繞性高，玻璃轉移點低(耐低溫)，如POM。||0(六)熱塑性的塑膠受熱歷程

使用範圍加工範圍

玻璃態(脆性)橡膠態(彈性)熔融態熱劣解

玻璃轉移點熱變形溫度熔點熱劣解溫度

(七)塑膠材料的基本物性

機械性質─

拉伸特性─降伏強度:材料抵抗拉伸的能力衝擊特性─衝擊強度:材料抵抗撞擊的能力壓縮特性─壓縮強度:材料抵抗壓縮的能力硬度特性─硬度:在應力集中下，材料抵抗變形的能力彎曲特性─彎曲強度:材料抵抗彎曲的能力

隨時間變化的特性─蠕變:在一定的應力作用下，應變隨時間緩慢增加應力緩和:在應變維持固定下，應力隨時間緩慢遞減拉伸特性工程應變Hencky應變應力浦松比衝擊特性衝擊值的計算

(1)charpy以擺鎚的提升角度與打擊後的最高角度，對照所附的表求出衝擊能量，再以試片的斷面積除之，即得charpy衝擊值(2)Izod打斷試片所須能量擺鎚旋轉的力距擺鎚上提角度打斷試片擺鎚上提角度擺鎚旋轉中失去的摩擦損失Izod衝擊值衝擊特性衝擊值隨溫度上升而增加衝擊值隨結晶度上升而下降衝擊值隨含水率上升而增加衝擊值隨曲率半徑的增加而增加壓縮特性硬度特性彎曲特性彎曲強度彎曲彈性率在荷重F下的繞度mm彎曲強度及彎曲彈性率隨溫度上升而下降隨時間變化的特性—潛變與應力緩和潛變:在一定的應力作用下，應變量會隨時間而緩慢增加應力緩和:在維持一定的應變量下，所需應力會隨時間而緩慢減小熱性質─

比熱─材料受熱升溫快慢的性質比容─材料體積大小的性質熱傳導係數─材料傳熱快慢的性質BTU/(hFm)

熱膨脹係數─材料熱脹冷縮的性質轉移點─玻離轉移點：材料耐寒性質相轉移點：材料熔化的溫度熱變形溫度orVicat軟化點─材料耐熱的性質耐燃性─材料抵抗燃燒的性質

比熱比容R：理想氣體常數W：氣體分子量（如C2H4=28）PP與ABS的比容性質及比熱性質的比較PPABS溫度對比容的影響影響比容的主要因素有溫度及壓力溫度愈高則比容愈大壓力愈高則比容愈小結晶性材料在結晶點有較明顯的比容降低現象熱傳導係數：單位時間所蒸發的低沸物：蒸發熱（低沸物）A：試片面積L：厚度

：試片兩端溫差熱膨脹係數l0：在T0下的長度l：在T下的長度熱變形溫度施加18.5kg/cm2或4.6.5kg/cm2的彎曲應力，以一定速度升高油溫(2度/分)當嬈曲量達0.26mm時的溫度稱之Vicat

軟化點施加1kg或5kg的重鎚於荷重棒，以一定速度升高油溫(50度/hr)當針下端侵入試片達1mm深度時的溫度稱之耐燃性氧氣氮氣能夠使試片燃燒的氧氣百分率稱為氧指數，用以表示試片的耐燃性，氧指數愈高表示耐燃性愈佳一些聚合物的熱變形溫度聚合物熱變形溫度壓力=264psi壓力=66psiABS97(°C)102PC132143Acetal110158Acrylic9299Nylon666185PE

85.3Polysulfone173.8

電氣性質─介電常數─材料導電難易的性質絕緣破壞強度─材料抵抗導電的性質化學性質─

耐藥品性─材料抵抗酸鹼的性質吸濕性─材料吸水難易的性質耐候性質─材料抵抗環境條件的影響如溫度、濕度、紫外線、臭氧等成形性質─流動性：MI值、流動長、黏度尺寸性質─成形收縮率：材料由熔融態凝固時的尺寸變化程度

各種塑膠材料的流動長/肉厚(L/t)塑膠射出壓力kg/cm2L/t塑膠射出壓力kg/cm2L/t聚乙烯1500280-250聚苯乙烯900300-260聚乙烯60014-100硬質PVC1300170-130聚丙烯1200280硬質PVC900140-100聚丙烯700240-200硬質PVC700110-70聚苯乙烯900300-280軟質PVC900280-200聚醯胺900360-200軟質PVC700240-160聚縮醛1000210-110聚碳酸酯1300180-120

聚碳酸酯900130-90塑膠的黏度

由於塑膠分子是互相糾纏的狀態，當塑膠分子流動時，流速快慢會影響其糾纏的程度，慢速流動其糾纏的程度較大，速流快則其糾纏的程度將逐漸鬆開。糾纏的程度可視為塑膠熔融狀態的黏度，此物理量可由剪切率及剪應力來定義。對大部份熔融高分子而言，黏度為剪切率及溫度的函數，隨著剪切率增加及溫度升高，黏度會下降。

黏度主要分為剪切黏度(shearviscosity)及延伸黏度(elongationviscosity)。塑膠的成形特性—黏度由於塑膠分子是互相糾纏的狀態，當塑膠分子流動時，流速快慢會影響其糾纏的程度，慢速流動其糾纏的程度較大(此時黏度高)，速流快則其糾纏的程度將逐漸鬆開(此時黏度低)糾纏的程度可視為塑膠熔融狀態的黏度，此物理量可由剪切率及剪應力來定義對大部份熔融高分子而言，黏度為剪切率及溫度的函數，且受分子量大小及分佈所影響。塑膠黏度的定義g.

g.黏度特性—shearthinning黏度曲線的數學模式黏度測定—毛細管流變儀PL2RSRrange:10-1-103PrcessingSRrange:Extrusion:100-103Injectionmolding:101-104影響黏度的因素影響黏度的主要因素有溫度及剪切率溫度愈高則黏度愈低剪切率愈高則黏度愈低影響黏度的因素—分子量大小MeLogSlope1Slope3.40=k1*MW3.4MWMeLogM0=k1*MWMWMe影響黏度的因素—分子量分佈LogNarrowMWDBroadMWDLog不同塑料的黏度曲線不同塑料的黏度曲線溫度對黏度曲線的影響隨塑料不同而異雙成份混合物的黏度熔融指數（ＭＩ）在一定荷重及溫度下，10分鐘所流出的熔膠克數常用塑料的成形收縮率塑膠材料填加劑成形收縮率(%)塑膠材料填加劑成形收縮率(%)熱固性塑料

壓克力

0.2-0.8酚樹脂木粉0.4-0.9PVC(硬質)

0.1-0.4酚樹脂玻璃纖維0.1-0.4PVC(軟質)

0.1-0.5尿素樹脂纖維素0.6-1.5醋酸纖維素

0.3-0.7環氧樹脂玻璃纖維0.1-0.5熱塑性塑料(結晶)

聚酯玻璃纖維0.2-1.2PE(低密度)

1.0-5.0熱塑性塑料(非結晶)

PE(高密度)

2.0-5.0PS(一般用)

0.2-0.6耐隆(6)

0.9PS(耐衝擊用)

0.2-0.6耐隆(6/6)

1.5PS20-30%玻纖0.1-0.3耐隆30%玻纖0.1-0.5AS樹脂

0.2-0.5聚縮醛

2.5ABS樹脂(耐衝擊用)

0.3-0.8聚縮醛20%玻纖1.4-2.8ABS樹脂20-40%玻纖0.1-0.2

塑膠材料的基本物性

高低降伏強度性質強，可抵抗較大的拉力而不會永久變形性質弱，受拉力易生永久變形壓縮強度性質堅硬，可抵抗較大的壓力而不破裂性質軟，亦受壓力而產生破裂衝擊強度韌性大，不易被撞斷質地硬脆，易被撞斷硬度表面性質堅硬，可抵抗較大的壓力而不凹陷表面性質軟，亦受壓力而產生凹陷彎曲強度不易彎曲變形受力易生彎曲比熱升溫慢且需要較多的能量升溫快且需要能量較少比容質地較鬆(密度低)質地較緻密(密度高)熱傳導係數傳熱快，熱阻小傳熱慢，熱阻大熱膨脹係數熱膨脹時尺寸變化大熱膨脹時尺寸變化小玻離轉移點抗寒性差抗寒性優相轉移點熔化溫度高溫度低即會熔化熱變形溫度耐熱性佳，高溫仍可維持其機械強度耐熱性差耐燃性不易燃燒易燃燒介電常數絕緣性佳絕緣性差絕緣破壞強度抵抗高電壓能力強抵抗高電壓能力差吸濕性易吸收水份不吸收水份MI

值流動性佳流動性差流動長流動性佳流動性差黏度流動性差流動性佳成形收縮率相轉移時尺寸變化大相轉移時尺寸變化較穩定(八)如何選擇適當的塑膠材料

一般應考慮：

1.

產品本身的機能要求

2.塑料的成本

3.塑料成形的難易程度

實例一

機車引擎蓋內的滾子，其構造如圖，在行車過程中滾子與鋁合金製的上下蓋不斷有滑行磨擦，因此塑材的耐磨性是一重要性質，而塑膠一般熱傳導性差，因此磨擦生熱易累積在磨擦面附近，導至此區域局部高溫。若塑膠耐熱性不夠則易變軟，此將導致磨擦係數急劇升高，因此造成加速磨耗，因此塑膠耐熱性是第二個被考慮的重點。滾子本身尺寸