塑胶概论及塑胶特性和成型.doc

一、塑胶简介聚合物(polymer),又可称为高分子或巨分子(macromolecules),也是一般所俗称的塑料(plastics)或树脂(resin).所谓塑料,其实它是合成树脂中的一种,形状跟天然树脂中的松树脂相似,但因又经过化学的力量来合成,而被称之为塑料.根据美国材料试验协会所下的定义,塑料乃是一种以高分子量有机物质为主要成分的材料,它在加工完成时呈现固态形状,在制造以及加工过程中,可以藉流动(flow)来造型.因此经由此说明我们可以得到以下几项了解:1它是高分子有机化合物2它可以多种型态存在例如液体固体胶体溶液等3它可以成形(moldable)4种类繁多因为不同的单体组成所以造成不同之塑料5用途广泛产品呈现多样化6具有不同的性质7可以用不同的加工方法(processing method )二、热塑性和热固性塑胶 热塑性塑料是指始终保持可熔性的一类材料，这意味着当它得到足够的热量时会熔化。对于每一种热塑性塑料而言，都有一个特定的开始变形的温度，达就是所谓的热变形温度。用于制造热塑性塑料制品的大多数原料都是呈颗粒状或粉状的可熔性固体，例如用于注射成型和挤出成型的物料。它们只需简单地加热就能熔化成特定的形状，不合格的制件则可以粉碎后回收再用。虽然热塑性塑料容易熔化，但熔体粘度却都很高，因而除加热之外还要求加压，迫使其进入模具中模具的内部形状决定了制件的形状，当模具冷却到所用塑料的热变形温度以下时塑料即再度硬化（resolidification） 热固性塑料的原料是以未固化或部分固化的形式供应的，进而在生产操作过程中通过催化剂或其它固化剂的作用得以完全固化催化剂有些是在树脂生产厂加入的，而有些则是由成型加工厂加入它们都要求以某种加热的形式引发其起化学变化。热量可以来自烘箱压机、灯、而在某些场合下，只需固化剂和树脂一起反应，或者和树脂中的促进剂反应就可获得热量。一旦固化以后，热固性塑料就变成永远也不熔的物质，这意味着它们不像热塑性塑料那样遇热就会熔化。另一个不同点是热固性塑料的溶解度。有机溶剂能溶解许多热塑性塑料，而对热固性塑料则几乎不溶或完全不起作用。热固性塑料比大多数热塑性塑料的表面要硬，通常用于增强塑料虽然其本身稍微发脆，但和诸如玻璃纤维等增强材料相结合，就可制得高强度的复合材料，其比强度甚至优于金属。结晶性非结晶性物性差异 不透明或半透透明明耐化学性尺寸安定性佳模收缩率大模收缩率小耐溶剂性佳冲击强度佳受力易破裂受力易破裂常见塑胶种类PPPSHDPEPMMALDPEPCPA(Nylon)MPPOPOMEVAPTFEPSFPEOPESPETPEIPBTPAIHIPSPAR三、结晶性和非结晶性塑胶泛用塑胶品名英文名性质优点缺点用途丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物ABS丙烯腈提供耐热及抗化性，丁二烯提供韧性及耐冲击性，苯乙烯提供挺性及加工性坚硬、易压出，易染色，难燃，耐冲击，表面性佳耐溶剂性差，低介电强度，低拉伸率把手、外壳、行李箱、冰箱衬垫、家电制品聚乙烯PELDPE密度为0.9100.925g/cm3 MDPE密度为0.9260.940g/cm3 HDPE密度为0.9410.965g/cm3柔软、无毒，易染色，耐冲击，耐湿性，耐化性不易压出，热膨胀系数高，不易贴合，耐温性差家庭用品、绝缘体、胶管、胶布、容器聚甲基丙烯酸甲脂PMMA有机玻璃非晶体聚合物，92光线穿透率高光学透明性，耐候性佳，刚性佳，易染色耐化性差，长期使用时温度最高93，应力集中处较易碎化灯罩、窗玻璃、光学透镜、硬式隐形眼镜聚丙烯PP极轻之塑料，密度仅为0.9g/cm3，加工性质无须预热干燥易染色，耐湿性佳，耐化性佳，高铰链特性，耐冲击性复杂之异型压出不易，易被紫外线分解，不易接合，易氧化水管、胶布、容器、汽车保险杠、仪表板、铰链聚苯乙烯PS非晶体聚合物，成型后收缩率小于0.6，低密度特性使产量大于一般料之20到30成本低，透明可染色，尺寸安定特性，高刚性碎裂性高，抗溶剂性差，耐温差文具、玩具、电气用品外壳、保丽龙餐具聚氯乙烯PVC未加可塑剂前，PVC为一坚硬之塑料，耐湿性佳，但易被酮类、脂类溶剂分解尺寸安定性佳，低成本，耐候性佳，加不同比例之可塑剂可轻易调整软硬度耐化性差，耐温性差，密度较一般塑料类高，热分解后会产生HCL薄板、胶膜、容器、地板材料、收缩膜、管材、玩具工程塑胶聚醯胺PA、Nylon结晶性热可塑性塑料，有明显熔点，Nylon本身具吸水基有吸水性，成型前须干燥，温度过高干燥则尼龙粒变色具有抗张强度，耐韧、耐冲击性特优，自润性、耐磨性、耐药品性优，低温特性佳、具自熄性尼龙吸湿性强、长期尺寸精密度及物性受影响连接器、卷线开关壳座散热风扇、门把、油箱盖水箱护盖、灯座自行车输框、踏板、滑输饱和聚脂对苯二甲酸乙脂PET为结晶性热可塑性塑料，具明显熔点245260，在室温下有优良之机械性能及耐摩擦、磨耗性能。但因Tg低所以其热机械性能差，一般都添加玻纤以提高耐热及机械性能，此类称FR-PET。尺寸安定性佳，机械性能优异，潜变性小，电气特性佳，耐候性优，耐有机熔剂、油及弱酸，耐气性耐水性好，具自熄性机械性质具有方向性、流动性较高，结晶速度较慢，干燥及加工条件要求严格断电器、整流器、线轴、吹风机风口、 电装组件、挡泥板、煞车器把手、冷却风扇把手饱和聚脂对苯二甲酸丁脂PBT为高结晶性热可塑性塑料，熔点220230，结晶速率比PET快机械性质安定、抗张强度与抗张模数和尼龙相似，摩擦系数小有自润性，吸水率低，电气性质优良，尺寸安定性良好，耐药品性、耐油性极佳Tg(30)低，在荷重下H.D.T.为60，抗冲击强度不良，一般以玻纤补强为FR-PBT来使用电磁开关、连接器、无熔线断电器、挡泥板聚碳酸脂PC非结晶性热塑性塑料具高强度及弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广，高度透明性及自由染色性，H.D.T.高，耐疲劳性佳，耐候性佳，电气特性优，无味无臭对人体无害符合卫生安全，成形收缩率低、尺寸安定性良好成形品设计不良易产生内部应力问题CD片、开关、家电外壳、信号筒、电话机、安全玻璃、机具外壳、安全帽、潜水镜、安全镜片聚甲醛POM为结晶性热可塑性塑料，具明显熔点165175，性质最接近金属，一般称其为塑钢具高机械强度和刚性，最高的疲劳强度，环境抵抗性、耐有机溶剂性佳，耐反复冲击性强，广泛的使用温度范围(-40120)，良好的电气性质，复原性良好，具自润滑性、耐磨性良好，尺寸安定性优加工过程若长时间高温下易受热分解，无自熄性，抗酸性差，成形收缩率大电器零组件，汽车车把零件、电动窗零件，机械零件、齿轮、把手、玩具、螺杆聚四氟乙烯PTFE结晶性热塑型塑料，极佳的离型性耐药品性，耐热性，耐候性，电气特性佳，低摩擦系数，非粘性其熔融粘度异常高，无法以热塑性树脂常用之成型方法来加工，必须籍压缩成型法来加工，且仅可制成形状简单之产品垫圈、电气绝缘胶带、连接器、无油轴承、活塞环五、塑胶材料各类性质及意义说明塑胶的基本物性比重（density）比重是指物质密度与水密度的比值，所谓密度是指单位体积的重量。此重的测定可依 ASTM D792 水中置换法测得。吸水率 吸水率是测定塑胶吸水分的程度，测法是先将样品烘干后称重，浸入水中 24 或 48 小时后，取出再称重，计算重量增加的百分比，即为吸水率。一般吸水性太大之塑胶材料，易影响机械强度与尺寸稳定性，如 Nylon 或 PET 即是典型之例子.透气率 (Permeability) 透气性是测定塑胶膜或塑胶板气体穿透难易的程度，可依 ASTM D1434 的方法测得。此在包装用途上是一项重要之物性指针.塑胶的机械性质抗张强度及伸长率 (Tensile strength; Elongation) 抗张强度(又称抗拉强度)系指将塑胶材料拉伸到某一程度(如降伏点或断裂点)所需力的大小，通常以每单位面积多少力来表示，而其拉伸的长度百分比即为伸长率。此项测定可依 ASTM D638 之方法测试之。弯曲强度 (Yield Strength) 弯曲强度又称折曲强度，主要为测试塑胶抗弯曲的能力，可依照 ASTM D790的方法测得，而常以每单位面积多少力来表示，如 kg/cm2 。其测法如下图所示，将一 ASTM 标准试片，两端支撑起来，中间逐渐增加外力，可测得其最大承受之弯曲强度。冲击强度 (Impact Strength) 冲击强度是指塑胶受外力冲击时，所能承受的最大能量。 ASTM D256 中的 Izod 及 Charrpy 冲击强度测试法为常见之测试方法，其中又以 Izod 最为普遍硬度(hardness)一般塑胶的硬度常用ROCKWELL(洛氏硬度)和SHORE(萧氏硬度)两种测试法来表示。其中SHORE A常用来表示较软之塑胶，SHORE D常用来表示较硬之塑胶,如一般之泛用塑胶或部分工程塑胶。而多数高性能工程塑胶或较硬之工程塑胶常用ROCKWELL来表示。塑胶的热性质热变形温度 (HDTHeat Distortion Temperature)最常用的之热变形温度测定法为 ASTM D648 试验法，其测定方式是使试片在一定压力及一定加温速度下，弯曲到一定程度时的温度。热变形温度显示塑胶材料在高温且受压力下，能否保持不变的外形。若考虑安全系数，短期使用之最高温度应保持低于热变形温度10左右，以确保不致因温度致使材料变形。热变形温度之测试装置如下图所示长期耐热温度长期耐热温度是指塑胶材料在长时间使用之耐热性，依UL之规定，塑胶材料之长期使用温度是指塑胶材料曝露在高温下，须达数万小时，物性减半之温度。如 UL 746 规定之长期耐热温度之曝晒时间为 105 小时，约相当于 11年 之久。五大泛用工程塑胶之 UL 长期耐热温度比较如下表所示种类HDT with 30wt% GFUL 长期耐热温度Pure resinUL 长期耐热温度With 30%wt GFPBT210120140Nylon 6200105115POM16380110PC145110130MPPO140100110五大泛用工程塑胶纯树脂与填加30%玻纤之热变形温度及UL长期耐热温度比较熔融指数 (Melt Index, MI) 熔融指数简称 MI，是一种表示塑胶材料加工时流动性的数值。其测试方法是使塑胶粒在一定时间 (10分钟)内，一定温度及压力(各种材料标准不同)下，被融化之塑胶流体，通过一直径 2.1mm 圆管，所流出之克数。其值越大，表示此塑胶材料之加工流动性越佳，反之，则越差，最常使用之测试标准为 ASTM D1238。玻璃化温度（Tgglass transition temperature）是指非结晶或半结晶的高聚物从粘流态或高弹态向玻璃态转变（或相反转变）的温度，它是塑胶的最高使用温度。流动温度（非结晶Tf或结晶Tm）是指从高弹态向粘流态转变（或相反转变）的温度，它是塑胶的最低成型温度。热分解温度（Td）是指聚合物在高温下开始发生分解的温度，它是塑胶塑胶的最高成型温度。完全结晶聚合物在Tg和Tm之间基本上不呈高弹态，其形变基本保持不变。收缩率 (Shrink Ratio) 收缩率是指塑胶制品冷却固化经脱模成形后，其尺寸与原模具尺寸间之误差百分比，可依 ASTM D955 方法测得。在塑胶模具设计时，收缩率必须先予考虑，以免造成成品尺寸的误差，导致成品不良。塑胶材料因结构的关孙，结晶性塑胶与非结晶性塑胶之收缩率相差极为显著，一般结晶性塑胶之收缩率比非晶性塑胶大数倍塑胶的化学性质耐化学药品性耐化学药品性的测定方法，为将塑胶材料在一定温度下浸渍于溶剂中一段时间后，测定其重量、体积、抗张强度与伸长率等的变化，变异小的即表示具有优良的抗溶剂性。耐候性耐候性是指塑胶材料对户外环境下，受光、热、空气、风雨的影响，而引起变质、劣化的抵抗性，包括在紫外光、氧、臭氧影响下的安全性等。耐候性试验可分为户外曝露法及人工促进法，前者可参考 ASTM D1435， 后者可参考 ASTM D1499。耐燃性 (Flame Retardant) 塑胶制品之耐燃性日益受到重视，尤其是最近很多塑胶材料被大量地应用在建材、家俱、交通器具及家电等方面，而这方面之应用均需具备一定之耐燃要求。耐燃性试验规格甚多，其中UL规格较受广泛使用。塑胶的光学性质透明度 透明度是指塑胶在可视光域的光透率，塑胶依光透过程度，可分为透明性、半透明性及不透明性。 ASTM D1746方法可用来测定塑胶薄片的透光率。主要的透明性塑胶均为非结晶性塑胶，例如 PS、PMMA、PVC(软质)、PC 及 PAR等，.而结晶性塑胶如 PP，若要增加其透明性，则需降低其结晶性，即加工时，需急速冷却固化，以提高其制品透明性。光泽度光泽度乃是物-质近似一可完全反射光的完美镜面程度，光泽度好，就表示物质具有光亮的外表，这是塑胶制品外观品质的重要性质之一。要增加塑胶制品之光泽度(包括模具表面要有一定程度以上之磨光，要有适当之模温及滑剂之配合使用等)。塑胶的电气性质体积固有抵抗体积固有抵抗是代表材料之电气绝缘性的主要参考指针。塑胶材料应用在电子、电气零件等用途时，电气绝缘性是相当重要的。大部份的塑胶都具者良好之电气绝缘性，如几乎所有的工程塑胶之体积固有抵抗都达 1014 cm 以上，而体积固者抵抗达 107 cm 以上的材料，即可以称为电气绝缘材料。耐电弧性当在材料表面两端电极上形成一电弧时，会引起热裂解及氧化作用，致使塑胶材料表面碳化而具有导电性，此时塑胶材料之绝缘住即告丧失。因此，耐电弧性是选择高电压用绝缘体时之最重要物性，耐电弧性的测定，可依照ASTM D495 方法测试，如图所示。在试片表面相距约 6mm之距离，以两支高电压电极测定试片所能忍受至材料绝缘性被破坏所需之时间 (sec) 来表示其耐电弧性。电磁波干扰 (Electro Magnetic Interference, EMI) 遮蔽性由于电子、计算机、电机及通讯业的蓬勃发展，在我们日常生活的环境中充满来自各类电子或电机产品所产生之电磁波，对某些精密电子或通讯设备而言，相当容易受干扰。绝缘性良好之塑胶材料可为电磁波所穿透，并不具备电磁波遮蔽能力。因此，要求符合 EMI 遮蔽效果之电子、计算机、电机或通讯设备，其使用之塑胶材料就必需具有 EMI 遮蔽效果，也就是必需具备导电性。使塑胶材料具备导电性之方法有下列几种: 导电性表面处理:如涂装导电材料，电镀及真空蒸着等方法。 导电性材料掺合:如加入金属粉末、碳黑、金属纤维等导电 导电性高分子合成:如 Polypyrole 等 导电性塑胶材料依其表面电阻系数高低可分为三种不同的应用: EMI 遮蔽应用: 表面电阻系数小于102 / sq 静电消散应用: 表面电阻系数在102-106 / sq 抗静电应用: 表面电阻系数在109-1013 / sq 六、塑胶加工之射出成型射出成形(injection molding)在所有之塑料加工成形方法上，射出成形最为被广泛使用。其法为热塑性塑料或热固性塑料导入于射出成形机的加热筒中，俟其完全熔融后，藉由柱塞或螺杆之压力，产生热能及摩擦热能，将其注入于闭合模具之模穴中，固化后，再开启模具取出成品。此种加工技术因材料、机械设计及制品要求而衍生出其它之方法，如预嵌入金属零件之插件成形、多色及混色的射出成形，结构发泡的射出成形、气体辅助射出成形(gas assisted injection molding)、共射出成形(coinjection)、射出中空成形及利用液态单体或液态预聚合物为原料之反应射出成形(RIM)等方法。塑料的热成型过程描述：通过热和力的作用，让塑料从室温的玻璃态，经过高弹态，转变为粘流态压铸入具有一定形状的封闭模腔，然后在模腔内逐渐冷却，从粘流态返经高弹态转回玻璃态，最后形成与模腔形状一致的制品。螺杆注射机塑化能力高，塑化效果好。当螺杆在料筒中转动时，不仅将螺槽中的料粒向前输送压紧，而且对料粒还有摩擦加热和搅拌混合作用。在螺杆转力推动下，塑料薄扁带内各个质点以各自不同的方向和速度运动，料流不再是简单的平流，同一横断面的塑料获得了大致相同的轴向流速和温度。这样，塑料的塑化便较为均匀和完全。其次是塑料成型温度低。由于螺杆是旋转运动，连续不断的压迫塑料向前推进，所以能对塑料形成较大的剪切、捏合作用，从而生成较高的摩擦热。这种摩擦热能较均匀地分布在塑料熔体上，因而加工温度（料筒）温度可以调的很低，塑料模制品的质量也得以改善。从工艺角度来说，螺杆机还有注射压力小，注射速度高，充模均衡等突出优点。注射机工作程序（1） 利用注射油缸液压活塞将螺杆向前推进，由螺杆端部将熔融塑料推出喷嘴，注射入模。（2） 注射模内充满塑料并在注射压力下固化。（3） 螺杆旋转。在不断从料斗落下的料粒进入料筒的同时，螺杆后退，料筒中的料在外热及剪切热下进行塑化，最后将塑化好的熔融料定量地输送并贮存在螺杆端部，等待下一轮的注射。（4） 开模取出固化了的制品，合模准备接受下一轮的注射。注射机操作项目 注射机的操作项目主要有三方面：一是电盘操作，包括注射过程动作、加料动作、注射压力、注射速度、顶出形式的选择。二是电柜操作，控制料筒各段温度和对电压、电流的监视。三是液压操作系统，包括注射压力、背压压力的调节等。1、 注射过程动作选择。分为全自动、半自动、手动、点动（调整）。2、 预塑加料动作选择。固定加料、前加料、后加料。3、 注射压力选择。高压、低压、先高压后低压。4、 注射速度选择。5、 产品顶出形式选择。液压顶出、机械顶出、气动顶出。6、 注射机炉温控制。以料筒测温热电耦为测温元件，配以测温毫伏计成为控温装置，指挥料筒电热圈电流的通断，有选择地固定料筒各段的温度，这就是注射机的炉温控制。7、 锁模和开模的控制。(1) 锁模锁模是以巨大的机械推力将模具合紧，以抵挡注塑过程熔融塑料的高压注射及填充模具发生的巨大张力，使制件得以成型。锁模分三个阶段：第一阶段：快速合模。为节省锁模时间，采用一个较快而均匀的合模速度，在较短时间内，将锁模行程推进70以上。这个过程用最高油压进行。 第二阶段：低压合模。利用行程开关，将锁模动作转换成低压低速。这样、在模具闭合前的一小段距离内，棋具的合拢将缓慢而均匀进行，从而达到保护模具的目的。可以防止异物如硬化了的浇口或飞边甚至制件停留在前模及后模之间在快速合模时对模具造成严重损坏。 第三阶段：高压锁模。当合模动作快要完成，即前模与后模的距离将余下0.31.0mm时，便进入高压锁模。以高压来锁紧模具，以达到所需的锁模力。 （2）开模 当熔融塑料注射入模腔内及至冷却完成后，随着便是开模动作，取出产品。开模过程也分三个阶段。 第一阶段：慢速开模。这个阶段，模具是在巨大的内、外压力下释放出来