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1、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
2、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
3、,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 H H H H|n C=C(C-C)n n:聚合度(一般在數百數千)|H H H H,b.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
4、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
5、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
6、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,(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,(五)塑膠
7、特性與官能基的關係,主幹結構-C-C-C-C-C-C-C-R,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
8、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
9、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/(h F m)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 or Vicat軟化點材料耐
10、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,PP,ABS,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5k
11、g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,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),塑膠的黏度,由於塑膠分子是互相糾纏的狀態，當塑膠分子
12、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(shear viscosity)及延伸黏度(elongation viscosity)。,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
13、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,黏度特性shear thinning,黏度曲線的數學模式,黏度測定毛細管流變儀,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,Me,Log,Slope 1,Slope 3.4,Log M,影響黏度的因素分子量分佈,Log,Narrow MWD,Broad MWD,Log,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（）,在一定荷重及溫度下，10分鐘所流出的熔膠
14、克數,常用塑料的成形收縮率,塑膠材料的基本物性,(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。滾子本身尺寸精度必須穩定才能使受力均勻，因此尺寸精度的要求是第三個被考慮的重點。依此要求大致可挑選出PA,POM,PTFE等材料。,表 5 PA,
15、POM,PTFE等材料性能比較表,磨擦面,圖 11 滾子作動示意圖,(九)塑膠加工的注意事項,加工溫度:每種塑料有其適當的加工溫度，溫度太低則流動困難，溫度太高則可能造成熱劣解流動速度:流動時會因速度梯度而產生剪切率，剪切率太低則靠近模壁附近的塑料易造成滯流，剪切率太高則會造成剪切應力的增加，將使分子過度拉伸甚至被扯斷或產生過度摩擦熱(黏滯熱效應)而造成塑料的熱劣解體積收縮:在相變化產生的比容變化，將使塑料產生體積的改變冷卻速率:塑料冷卻應有適當的模溫，低模溫雖可縮短成形週期，但過冷卻太快將降低結晶程度，且易產生應力殘留應力殘留:流動時的分子拉伸，保壓時的壓力過剩，冷卻時因冷卻不均所造成的熱應力頂出溫度:每種塑料有其適當的頂出溫度，頂出溫度是指其肉厚中心溫度必須冷卻到使塑料具有足夠的剛性，才不會在頂出時造成變形或頂白，一般在塑料的熱變形溫度以下約1020,操作條件,
