塑料物性表介绍-黄皮书

長華塑膠股份有限公司 Lance 陈马 何謂Datasheet Datasheet 或中文稱 物性表 由物性表可概略了解該規格為何種原料 是哪家公司的哪個品牌 並列出依標準規範所測試的各種物性之代表值 部分物性表也會包含製造商建議的成型條件資料 使用者可藉由這些數據 了解材料的特性加以選擇 比較 且於成型時 可作為加工的依據 一般物性表都會列出物理特性 機械特性 熱特性 電氣特性 等幾大類材料特性 接下來會一一介紹 Datasheet常見之測試規範及單位 常見的測試標準 ASTM 美國材料與試驗協會 AmericanSocietyforTestingandMaterials 之標準 UL 746 UL 746A 塑膠材料的短期性物性評等 UL 746B 塑膠材料的長期性物性評等 UL 746C 塑膠材料的電氣用途評等 部分電氣特性相關項目會以PCL PerformanceLevelCategories Code來標示其評等 PCL值愈小其特性愈佳 如 高電流電弧起火測試 HAI 熱線圈起火測試 HWI 相對電痕指數 CTI 等 ISO 國際標準組織 InternationalOrganizationforStandardization 所訂定之標準 常見的單位 SI 國際單位 MPaJ m Metric 公制單位 kgf cm2kg cm cm British 英制單位 psift lb in UL 94 UL所制定的耐燃度標準 塑料通常會用水平燃燒性測試 HB 垂直燃燒性測試 V2 V1 V0 5V燃燒性測試 5VA 5VB 等三種測試法去定義耐燃度 測試項目說明 測試項目說明 J mkg cm cmKJ m2 注意 在Impact測試常會看到不同的單位 其中J m和kgcm cm是可以換算的 但和KJ m2無法直接換算 所以當在不同材料的物性表上 分別以此兩類標示時 請勿直接比較 應找出相同單位之數據後再做比較 測試項目說明 測試項目說明 注意 MI愈高 表示黏度愈越低 亦即流動性愈好 通常也表示分子量也比較低 不同種類的材料間 其MI的測試標準不同 不能直接以MI比較非同類材料 即使是同類材料時 仍可能有溫度和荷重的不同 也請注意 測試項目說明 測試項目說明 測試項目說明 成型條件說明 卧式注塑机动态图 立式注塑机动态图 塑膠的物性 原料的基本物性可藉由物性表 Datasheet 了解 規格名稱 地區 材料種類及主要特點描述 機械特性 耐溫特性 物理特性 電氣特性 防火度特性 耐衝擊強度 測試標準 塑膠的物性 C O C 新出廠的原料可由出廠檢驗報告 C O C 檢視其物性是否在規範的範圍內 SPEC 出廠值 標準 單位 SI 國際單位 TheInternationalSystemofUnits British 英制單位Metric 公制單位 ASTM 美國材料與試驗協會AmericanSocietyforTestingandMaterialsISO 國際標準化組織InternationalOrganizationforStandardizationDIN 德國標準化學會DeutschesInstitutfurNormungIEC 國際電工委員會InternationalElectrotechnicalCommissionJIS 日本工業標準調查會JapaneseIndustrialStandard 塑膠的物性 彈性Elasticity 受力後變形 外力消失後回復原狀態的性質 塑性Plasticity 受力後變形 外力消失後不完全回復原狀態的性質 黏性Viscosity 非和類似氣體和液體等流體受外力時呈現的性質靭性Toughness脆性Brittleness硬度Hardness剛性Rigidity強度Strength 塑料測試 試驗片 塑膠的物性 硬度 硬度 從外部對物質施加短時間的局部力 集中荷重 從當時物質的變形程度 判斷對物質的阻力 塑膠的物性 剛性 簡單說 剛性就是指容不容易變形 剛性 d h p 塑膠的物性 韌性 玻璃很硬 只要少許的變形就會破裂 這種性質稱作脆性 反之 在受外力作用之下能有較大的變形而不被破壞就是韌性 塑膠的物性 強度 強度則可做為剛性 韌性 硬度等材料特性的總稱 強度好就是指能承受外力而不容易壞的意思 如 拉伸強度 彈性強度 衝擊強度 塑膠的物性 機械性質 種類 機械強度種類 拉伸 壓縮 彎曲 剪斷 塑膠的物性 應力與應變 P P P P P L1 L1 L0 L0 L1 L1 拉伸應變 壓縮應變 剪斷應變 塑膠的物性 靜態機械性質 1 拉伸2 壓縮3 剪斷4 彎曲5 扭曲6 硬度 塑膠的物性 機械性質 耐衝擊性測試 衝擊強度 IzodImpact 擺鎚強度 CharpyImpact 落球測試 Drop balltest 測試方試 塑膠的物性 應力與應變之相對關係 Y 降伏點 E P B 延性斷裂 荷重 拉伸 變形 伸張 比例界限 彈性界限 0 Kg c E B P Non GF GF 脆性斷裂 模數 塑膠的物性 拉伸應力 應變曲線 拉伸應力 應變 伸度 軟脆材 硬脆材 硬強材 軟而強韌 強韌材料 塑膠的物性 應力與應變之相對關係 各種塑料比較 參考資料 伸張強度 TensileStress 應變 Strain 伸張強度 伸長率 應變 彎曲強度 彎曲模數 這幾項測試都可以在如下方左圖的萬能測試機上做測試 下方右圖為拉伸測試的做法 上下夾鉗會夾住試片 然後以固定速度將試片拉伸 而夾在試片中段的伸長計是用來測量試片的伸長量 應變 過程中所測得的受力 應力 和伸長量 應變 的變化會繪成應力 應變曲線圖 測量長度變化 ASTMD638M ISOR527 拉伸測試所得結果為如右下圖之應力應變圖 模數 在比例界限內應力對應變的比值 E 降伏點 應力 應變曲線上 當應變增加但應力沒有增加的點 在物性表上的 伸張強度 應變 這二項 會看到有yld或brk的標註 這是代表其值是取自降伏點或斷裂點 參考資料 彎曲強度 FlexuralStress 彎曲模數 Modulus 彎曲強度用來測知材料抵抗彎折破壞的能力有多好 彎曲模數 應力 應變的比率 則相等於由應力應變曲線未變形段開始的切線的斜率 模數愈高剛性會愈好 通常塑膠在加Filler之後伸張強度 彎曲強度 模數都會增強 但伸長率 應變 會降低 變成較脆性的材料 ASTMD790 ISO178 參考資料 硬度測試I RockwellHardness 洛式硬度測試 在金屬及塑膠的測試是相似的 測試時把塑膠置成圓板狀 用壓子以預負荷及主負荷施壓後 依壓入的深度差計算其硬度 一般在塑膠常見的有M及R兩種標度 Scale 如PC的洛式硬度為M78或R118 硬度為材料對外部施加短時間的局部力 集中荷重 的抵抗力 ASTMD785 ISO2039 2 10 90 20 90 ShoreA ShoreD 軟 硬 另外 TPU之類的軟膠或橡膠 因為硬度較不足 無法用洛式硬度機來測試 可以Durometer測量 該方法分為ShoreA或ShoreD兩種標度 兩種測試的儀器相似 差別在於測試探針的尖端不同 其結果會以 ShoreD70度 的說法表示 硬度測試比較如下 ASTMD2240 ISO868 參考資料 硬度測試II ShoreHardness 塑膠的物性 比較 各種工程塑膠硬度比較 塑膠的物性 比較 HardnessofIdemitsuPC 參考資料 磨耗測試 TaberAbrasionResistance 測試片 此測試是藉由測量測試片與表面粗糙的滾輪摩擦的損耗量來判斷材料的耐磨耗程度 試片會放在可旋轉的圓盤上 以60RPM的速度旋轉 上面的滾輪會有荷重壓在試片上 在旋轉到一定圈數後 測量其損耗量 單位 mg 1000cycles 滾輪 ASTMD1044 ISO3537 參考資料 Izod衝擊測試 IzodImpact Izodimpact測試已經是比較材料耐衝擊性的標準 一般多以在試片上做 缺口 notched 之試片的測試結果作為參考 此試驗會將標準尺寸的試片夾在測試夾具上 讓擺錘以鐘擺方式落下擊斷試片 並以撞擊後擺錘擺盪的角度計算撞擊時能量損耗多少 即材料受衝擊所吸受的能量 Notched 有缺口Unnotched 無缺口 此測試 ASTM及ISO規範的試片尺寸不同 且ASTM的單位為J m ISO的單位為kJ m2 此兩單位的結果不能直接換算比較 但若不得已要做比較的話 將J m的值除10可做概略的比較值 ASTMD256 ISO180 參考資料 Charpy衝擊測試 CharpyImpact Charpy與Izod測試主要的差異在於試片的放置方式 Charpy測試的試片並沒有夾具夾持 僅只是水平放置在定位座上 且試片的缺口背向衝擊處 ASTMD256 ISO179 參考資料 拉伸衝擊測試 TensileImpact 這個測試可當作是一個高速伸張測試 它也是利用擺錘對試片衝擊 然後計算試片吸收的能量 裝置如右圖 ASTMD1822 ISO8256 參考資料 落錘測試 FallingDartImpact 落錘測試比較少見 但此法是較具實用性的衝擊測試法 另也可依成品的需要 以不同的高度或落錘重量模擬使用中承受的衝擊力 ASTMD1709 ISO7765 1 參考資料 熱變形溫度 DTUL DeflectionTemperatureUnderLoad HDT HeatDeflectionTemperature ASTM648 ISO75 HeatDeflectionTemperature HDT valuesmeasuredbyISOmethodsmayshowlowernumbers 熱變形溫度的測試方式 是將試片置於23 的油槽中 試片中間加上荷重 1 80MPaor0 45MPa 然後以每分鐘昇溫兩度的速度加溫 觀察試片在多少度產生變形且變形量達0 25mm ASTM 或0 32mm ISO 即是該材料的熱變形溫度 塑膠的物性 比較 各種工程塑膠熱變形溫度比較 塑膠的物性 線膨脹係數 0 5 0 10 0 15 0 40 50 60 90 加熱溫度時 室溫冷卻 S跨距 鐵板3MM ABS3MM 撓度 ABS線膨脹係數 9x10E 5鐵板線膨脹係數 1 2x10E 5 After3Hrmm CoefficentofLinearThermal 塑膠的物性 比較 各種工程塑膠線膨脹係數之比較 參考資料 維卡軟化點 VST VicatSofteningTemperature 此測試是測量材料開始軟化的溫度 試片被放在油槽中 油的溫度會慢慢上升 觀察在多少度時尖端會插入試片達1mm的深度 即是維卡乾化點溫度 例如在電器方面 UL746C規定某些電氣設備的支架部件的維卡軟化點須達115度以上 ASTMD1525 ISO306 塑膠的物性 物理性質 比重SpecificGravity吸水率WaterAborption成形收縮率MoldShrinkage 塑膠的物性 比重 SpecificGravity PS1 04PVC0 95PPO1 08 1 28PC1 18 1 52ABS1 04 1 22PBT1 31 1 64PC 10 GF1 42HeavyValox2 46 陶瓷塑料 參考資料 吸水率 WaterAbsorption 吸水率為塑膠材料吸收水分的程度 其測試法是先將樣品烘乾後稱重 浸入水中24或48小時後 取出再稱重 計算重量增加率而得吸水率 影響 成品外觀製品尺寸劣化絕緣電阻或其他電氣性質改變機械性質耐化學性質 成多孔質 吸水率愈高的材料 在成型前的乾燥步驟就要做的更確實 建議能使用除濕乾燥機 但也有像PA這樣高吸水率的材料 為避免成型乾燥困難 所以出廠時以鋁袋包裝以隔絶水份透入 所以在成形時直接開包加工是可以的 ASTMD570 ISO62 塑膠的物性 吸水率影響 Grade S3000 PC吸濕率與衝擊強度關係 塑膠的物性 比較 PS0 04 0 05ABS0 20 0 40HDPE 0 01AS0 2 0 3 POM0 16 0 9 PA1 20 10 7 PC0 20 0 22 PBT0 10 PPO0 08 PEI1 25 工程塑膠各種吸水率比較 塑膠的物性 成形收縮率 Gate 成品尺寸 成形收縮率 常溫的模具尺寸 常溫的成形品尺寸 常溫的模具尺寸 Ax3 Bx3 分子配向性 纖維配向性 MoldShrinkage 平均值 PC0 5 0 7 PC GF0 2 0 3 PC ABSFR0 5 0 7 PC ABSHB0 4 0 6 CY61200 3 0 5 PBT0 1 0 3 0 7 0 9 PA1 1 2 0 如何判定模具之模收縮比率 例 成品厚度成品幾何形狀流動距離 長度 Gate數量or型式尺寸精度or外觀要求注塑條件 壓力 速度 0 5 0 7 薄件厚壁單純複雜較短較長較多較少高低大小 如何判定模具之模收縮比率 參考資料 熔融指數 MI MeltFlowIndex 熔融指數 簡稱MFI或MI 是將同種類的材料 以相同的溫度及荷重條件去測試後 由單位時間內取得的樣品重量 計算成10分鐘內流出的重量值 可簡單地以比較MI值高低 知道流動性的好壞 單位為g 10min 除了重量值外 也有以體積值計量的 其名稱為MVR MeltVolumeRate 也是常看得到 其單位為cm3 10min 塑膠每經一次的加熱塑形的程序 會因過程中高熱的影響而造成分子量降低及物性變差 且黏度降低而使得流動性增加 所以測塑膠成品的MI和原料的MI的差距 可做為成型過程是否造成材料劣解的初步判斷方法 ASTMD1238 ISO1133 MI測試的兩個重要的條件是溫度和荷重 每種材料都會有其規範的溫度和荷重 可能多達四組條件 所以比較相同種類材料時 也要注意測試的條件是否相同 常用條件 PC 300 1 2kgPC ABS 260 2 16kgM PPO 250 10kg 參考資料 表面阻抗 SurfaceResistivity 一般塑膠材料的表面阻抗大概都超過1014ohm sq 而部份電子電氣設備需要EMI遮蔽或抗靜電效果時 可行的方法之一是選擇表面阻抗較低的材料 導電性樹脂之分類 主要是依其導電程度的表面阻抗 可概略區分 105ohm sq的電磁波遮蔽和無線電頻率遮蔽型EMI RFI導電樹脂 105 109ohm sq的ESD靜電消散型導電性樹脂 或表面阻抗在109 1012ohm sq的抗靜電型導電性樹脂 ASTMD257 IEC93 參考資料 體積組抗 VolumeResistivity 體積固有阻抗是代表材料的電氣絶緣性的主要指標 尤其是應用在電子 電氣零件等用途時 電氣的絶緣性特別重要 體積固有抵抗達107 cm以上的材料即可稱為電氣絶緣材料 而大部份的工程塑膠體積固有阻抗都達1014 cm以上 具有良好的電氣絶緣性 ASTMD257 IEC93 參考資料 介電常數 DielectricConstant 相對電容率 RelativePermittivity DielectricConstant對高頻傳輸很重要 一般按字面直譯成 介電常數 此詞的原正確說法是RelativePermittivity 相對容電率 是指絕緣材料本身 容蓄 電荷多少的一種對比的尺度 相對是針對乾燥空氣或真空 其原始是來自 電容 的概念 ASTMD150 IEC250 介電常數也會影響電磁波的材料的穿透 當介電常數愈高 進入此介質的波的波長和速度會與介電常數的平方根成成反比 在上下兩片平行的金屬板之間夾有有介電物質 介質 且當兩者間存在電位差而形成電容器時 則介質中會storage一部份電荷 其 容納 的多少端視不同介質而定 以空氣為1 其他絕緣物質對空氣的比值稱為該介質之介質常數 當 介電常數 或 相對容電率 愈大時 其被容納的能量也愈多 在電子電器的材料選用上 用做絶緣用的塑膠零件會要求介電常數 相對容電率愈小愈好 參考資料 散逸因素 Df DissipationFactor Df 對高頻通信很重要 又稱Lossfactor LossTangant 是指導線中電流或訊號傳輸的能量多少會漏入其周圍的介質中 所漏掉或失掉的與線路中剩下的二者之比值稱為Df 有時DF會以損失角tan 表示 IEC250 以導體封裝材料與電路板基材方面為例 當IC零件縮小尺寸及起始時間 risetime 後 降低零件間的溝通時間就非常必要 訊號傳遞速度 Vp 與介電常數 的平方根成反比 Vp C 1 2其中C代表光速 因此必須降低基材的介電常數 方可使得傳遞速度增快 為一般電腦所需 或是使得在相同傳輸時間 訊號傳遞面積可增加 且不會增加雜訊程度 另一方面 訊號處理用機器也要求高速化 尤其是在高頻率下訊號傳遞的高速化 如應用於攜帶型電話 MicrowaveTV 掌上型電腦 CPU 全球定位系統 個人傳呼器等市場 於是要求低介電係數和耐熱性佳的電路板 而訊號傳遞損失 L 與頻率 f 和介電常數 的平方根成正比 L K f C Df 1 2其中K為常數 Df為散逸因素 dissipationfactor 因為未來市場趨向於高頻率化 為降低訊號傳遞損失 L 故必須降低基材的介電常數與散逸因素 才符合所需 此外 除了材料的低介電常數外 像高玻璃轉移溫度 低熱膨脹係數 低吸水性 易加工性 抗焊性等都必須考慮 參考資料 絶緣破壞強度 DielectricStrength 經由球狀與板狀電極在試片兩端持續增加電壓 測試電壓穿透塑膠之值 其單位為 KV mm影響因素包括溫度和濕度 即材料吸濕會造成影響 ASTMD149 IEC243 1 參考資料 耐電弧性 ArcResistance D495 鎢棒電極 電壓 12 500V 2支鎢棒電極相對置於試驗片上 產生高電壓 低電流的電弧 12 500V 10 40mA 測量表面因碳化而導致絶緣性喪失的時間 ASTMD495 參考資料 HWI HotWireIgnition 熱線圈起火測試 電氣設備故障時 其電線 電阻等部分可能產生異常的高熱 而與周邊的絶緣材料接觸的狀況下 有造成絶緣材料起火的原因 因此以電氣加熱的電線 鎳絲 來測試塑膠材料相對耐起火性 試片的中央部分用鎳絲以6 35 0 5mm間隔繞5圈 以特定電流通電 計算試片起火的時間來分類 ASTMD790 ISO 參考資料 HVTR HighVoltageArcTrackingRate 高電壓電弧點燃測試 No 303不锈鋼 此試驗以高電壓 低電流的電弧放電 使絶緣材料產生碳化電痕 Tracking 而在材料表面上形成會導電的通路 以此劣化性做為衡量的標準 1 電極在試片上尖端相隔4 0mm 2 當回路產生電弧時可動電極快速移開 3 當電弧消失後 再回到產生電弧的距離 然後再次移開 如此步驟重覆2分鐘後 測定碳化電痕的成長速度 UL746A 參考資料 HAI HighAmpArcIgnition 高電流電弧點燃測試 這個測試是耐電弧起火試驗的代表方法 在很多的用途上被採用 其耐性是以計算到起火為止的放電次數表示 以對電弧放電的耐起火性來區別固體絶緣材料的特性是很有效的方法 電極和試片表面接觸 產生每分鐘40次的電弧 反復放電 觀察試片是否起火 是否燒出洞來 測試會一直持續到總計200次為止 UL746A 參考資料 CTI ComparativeTrackingIndex 漏電指數 滴落嘴孔 此試驗用以比較在濕潤狀態下絕緣材料能承受電壓的程度 實際生活上 若不小心將濕的插頭插上電源時 是否因電痕形成短路有相關 試片表面每30秒1次滴下電解液 0 1 NH4Cl 計算試片產生絶緣破壞時電解液滴下的次數 然後調整電壓求結果相當於滴50滴電解液的電壓值 來比較耐起電痕性 稱為CTI指數 ASTMD1044 IEC112 參考資料 IECBallPressure 測試步驟 1 將高溫烤箱預熱至待測溫度 並將球壓設備 BallPressureApparatus 及測試用平台放入烤箱預熱 2 將熱塑成型零件的塑膠測試試片 放入球壓設備的球面下 3 測試時間1小時 4 一小時後 取出試片 立即浸入冷水中 使其溫度能在10秒內降至室溫 5 量測試片上 球壓凹痕的最大直徑 6 如此反覆測試 到球壓凹痕直徑為2mm時 該溫度為IECBallPressure溫度 跟據電氣用品安全法 所測得的溫度再減40 為較適當的使用溫度 直徑5mm鋼球 荷重共20N 參考資料 IECGlowWire 此試驗和HWI的目的相似 也是測試若塑膠材料和異常發熱的電線接觸時 是否易造成火災的電氣安全性測試 GWFI GlowWireFlammabilityIndex 對連續三塊同厚度試片的測試標準 熱線移開後火焰或火星能在30秒內自行熄滅的最高溫度 另外 置於下方的棉紙必須不被點燃 測試片不會起火 GWIT GlowWireIgnitibilitytest 測試標準 a 不形成火焰或火星 b 火焰或火星須在熱線移開後30秒內自行熄滅 c 置於下方的棉紙必須不被點燃 塑膠的物性 自熄性Flammability 防火性 自熄性UL94 HBV2V1V05VB5VA 差 好 UL94防火等級 參考資料 UL94HB水平燃燒測試 UL94HB測試共會以三片試片來做 每片會做記號 如圖 Mark 試片水平放置 火源側傾45度 試片的一端用火源在固定位置燒30 1秒或是當材料先燃燒到第一條記號 25 4mm 處時移開火源 同時計時 並計算材料延燒的速度 達到HB等級的要求 a 試片厚度3 0 13 0mm時 燃燒速率 40mm hr b 試片厚度小於3 0mm時 燃燒速率 70mm hr 或是c 在燒到第二條記號 101 6mm 前停止燃燒 UL94 參考資料 UL94V 0 V 1 V 2垂直燃燒測試 以火源燒試片兩次 每次燒10秒然後移開火源 記錄火源移開後試片延燒或火星熄滅的時間 並觀察下方棉花是否因試片的滴落而燃燒起來 三者中V 0最佳 V 2最差 試片厚度是依申請人想要申請的厚度而可變的 如看到耐燃性標示為 UL94V 0 2mm的話 表示該材料2mm的厚度達V 0標準 UL94 參考資料 UL945VA 5VB燃燒測試 步驟一 以火源燒試片5次 每次燒5秒 然後移開火源 記錄火源移開後試片延燒或火星熄滅的時間 並觀察下方棉花是否因試片的滴落而燃燒起來 步驟二 在150mm正方的試板以火源燃燒 看是否燒穿來分A級或B級 UL94 塑膠的物性 含氧指數 18 75 21 21 AIR 21 MaterialABurnsinAir MaterialBDoesNotBurninAir 0 Oxygen 100 Oxygen 計算燃燒所需之空氣的最低含氧率 例塑料A在含氧率為18 的空氣中可以燃燒 其含氧指數為18 若一塑料不會在空氣中燃燒 其含氧指數要高於空氣的含氧量21 所以將含氧指數 28的材料視為不易燃材料 LOI LimitedOxygenIndex 塑膠的物性 含氧指數測試裝置 LOI LimitedOxygenIndex 參考資料 透光率 LightTransmissionRate 霧度 Haze AST