塑胶材料概述及物性介绍与比较

塑膠材料概述及物性介紹与比较,課程大綱,一、塑膠材料概述,1、什麼是塑料？,2、塑膠材料分類,3、塑膠材料的來源及生產過程,4、塑膠材料的發展史,5、塑膠材料未來發展方向,一、塑膠材料概述,1、什麼是塑料？,塑料是以合成的或天然的高分子化合物為基本成分，在加工過程中一定温度和压力的作用下能流动，可塑制成型，而產品最後能保持形狀不變的材料。,一般塑料都含有輔助材料。如：填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料,一、塑膠材料概述,2、塑膠材料分類塑膠材料有多種分類方法：如可按化學結構、受熱行為、結晶狀態、應用領域等分類。,a.按化學結構,聚烯烴類(PO),聚苯乙烯類(PS),聚醚類,含氟聚合物類,聚氯乙烯類(PVC),聚丙烯酸酯類,聚酰胺類,聚酯類,有機硅聚合物類,通常指乙烯、丙烯或高级烯烃的聚合物；以聚乙烯和聚丙烯最重要,包括普通聚苯乙烯，发泡聚苯乙烯（EPS)，高抗冲聚苯乙烯（HIPS）及间规聚苯乙烯（SPS）,氯乙烯均聚物和氯乙烯共聚物；PVC曾是世界上产量最大的通用塑料,无色或微黄色透明粘稠液体，易溶于丙酮、乙酸乙酯、苯及二氯乙烷，而不溶于水，有粘合性，可作為粘合劑。,是五大通用工程塑料中产量最大、品种最多、用途最广的品种,无色或微黄色透明粘稠液体，彈性體、塗料、粘合劑等中的添加劑。,主要包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET）、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚芳酯(PAR)等,又称氟树脂，是分子中含有氟原子的合成树脂,分子结构中含有硅原子的有机聚合物的总称，硅油、硅橡膠、硅樹脂,一、塑膠材料概述,b.按受熱行為,熱塑性:,熱固性：,受熱時可塑化和軟化，冷卻則凝固，可反復成型,受熱時可塑化同時發生化學變化，冷卻后固化，變為不溶不熔狀態，不可反復成型。,一、塑膠材料概述,結晶性塑料:,無定型塑料：,作為塑料基體的聚合物，在適當條件下，其分子形狀和相互排列呈晶體結構。如：PP、PA、POM、PBT、PET,作為塑料基體的聚合物，其分子形狀和相互排列呈無序狀態。如：MPPE、聚碳酸酯(PC),c.按結晶狀態,非結晶性,結晶性,混合型,結晶性材料與非晶性的物性区别,一、塑膠材料概述,通用塑料:,工程塑料,人们将产量大、价格低、用途广、影响面宽的一些塑料品种习惯称之为通用塑料。主要有：PE、PP、PVC、PS、ABS產量占整個塑料產量的90%以上。,（可作工程材料和代替金属制造机器零部件等的塑料）,通用工程塑料,特種工程塑料,聚酰胺（PA）聚碳酸酯（PC）聚甲醛（POM）聚苯醚（PPO/PPE）熱塑性聚酯（PBT、PET）ABS,聚酰亞胺（PI）聚砜（PSF）聚笨硫醚（PPS）芳香族聚酰胺（PPA）聚芳酯（PAR）液晶聚合物（LCP）聚芳醚酮（PAEK）氟塑料,d.按應用領域,（主要是指耐热达150以上的工程塑料）,一、塑膠材料概述,3、塑膠材料的來源及生產過程,石油提煉,單體,聚合反應,聚合物（樹脂）,添加劑（如增塑劑、穩定劑、潤滑劑、填料）,塑料原料,成型,塑料產品,a.來源：,b.塑料原料生產流程：,樹脂填料添加劑色料,螺桿擠出機,混合,冷卻,切粒,篩選,包裝,一、塑膠材料概述,1907年合成第一個高分子材料酚醛樹脂，1909年實現工業化生產。20世紀20至40年代，塑料工業迅速發展：1920年脲醛樹脂實現工業化生產。1927年聚氯乙烯實現工業化生產。1945年聚四氟乙烯樹脂工業化生產。1947年ABS樹脂實現工業化生產。20世紀50年代，工程塑料開始迅速發展：如尼龍，50年代後期的聚甲醛和聚碳酸酯。1961年美國杜邦開發成功第一款特種工程塑料聚酰亞胺。推動了特種工程塑料的發展。,4、塑膠材料的發展史,一、塑膠材料概述,1964年美國GE公司將其開發的聚苯醚投入工業化生產，并1966年成功對改性聚苯醚投入工業化生產，標誌著工程塑料改性行業的興起。1980年英國ICI公司開發成功熔點高達336的聚醚醚酮(PEEK),開始應用于航空航天領域。20世紀80年代中期開發成功熱致液晶聚合物(LCP），在電子工業領域廣闊的應用前景。,一、塑膠材料概述,性能更優的特種工程塑料（高強度、高耐熱性、耐化學藥品）更節能環保輕量化3D打印材料,5、塑膠材料未來發展方向,課程大綱,日常工作中，我們是否經常聽說這些名詞？,二、材料力学常用术语,強度,脆性,韌性,剛性,硬度,彈性、塑性變形,這些概念如何理解，它們有何區別？,应力,应变,在外力作用下，材料或结构抵抗破坏（永久变形和断裂）的能力。强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。如：衝擊強度、抗拉強度、屈服強度、彎曲強度,強度：,二、材料力学常用术语,彈性及彈性形變：,材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。,塑性變形：,物质-包括流体及固体，在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象,二、材料力学常用术语,剛性/剛度：,刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。剛性大的材料，其硬度、拉伸強度、彎曲強度值比較大；斷裂伸長率、衝擊強度值會比較小。,硬度：,材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。,二、材料力学常用术语,強度、剛度、硬度的區別：,1、從工程力學角度：强度是指某种材料抵抗破坏的能力，即材料破坏时所需要的应力。刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。强度是抵抗塑性变形的能力,刚度是表示材料发生弹性变形的难易程度。2、從微觀和宏觀的角度：強度是材料內部結構的鍵合性對外力的抗性本征抗性。剛度是材料的宏觀形態對外力的抗性服役物性。,二、材料力学常用术语,強度、剛度、硬度的區別：,3、硬度：而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。,二、材料力学常用术语,韌性：,表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。材料科学及冶金学上，韧性是指当承受应力时对折断的抵抗，其定义为材料在破裂前所能吸收的能量与体积的比值。,脆性是指材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。,脆性：,二、材料力学常用术语,应力：,应变：,物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。单位面积上的内力称为应力,物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。,二、材料力学常用术语,課程大綱,三、塑膠材料物性介紹,材料的物性包括哪些內容？,1、物理性能2、機械性能3、熱性能4、電氣性能5、其他性能,收縮率密度吸水率,抗拉強度伸長率缺口衝擊強度彎曲強度,阻燃性熱變形溫度RTI-长期使用温度熔點熔融指數,介電強度表面電阻率體積電阻率相對介電常數,氧指數建議成型溫度,三、塑膠材料物性介紹,1、物理性能,收縮率：塑料的收缩率是指塑料制件在成型温度下尺寸与从模具中取出冷却至室温后尺寸之差的百分比。它反映的是塑料制件从模具中取出冷却后尺寸缩减的程度。不同的高分子材料的收缩率各不相同。,影響產品收縮的因素，除材料本身外，跟產品的結構、模具結構、成型參數都有關。材料收縮率的大小會影響產品尺寸，成型脫模的難易程度等。一般无定型塑料收缩率小于1%；结晶性塑料收缩率大于1%，结晶性塑料具有后收缩现象，所以一般建议成型冷却24H后量测尺寸。,三、塑膠材料物性介紹,1、物理性能,密度：是指在一定溫度條件下，單位體積物質的質量。相對密度：指物質的密度在各自規定條件下之比。當以1g/cm作為參考密度時（水4時的密度），稱為比重。,密度常用的測試方法：1、浸漬法2、比重瓶法,密度越大的產品越重，產品原料成本越高。,三、塑膠材料物性介紹,常見塑膠材料密度、收縮率比較：,三、塑膠材料物性介紹,1、物理性能,吸水率：吸水率是指塑料在标准大气压力下吸水的能力。以塑料所吸收的水份来量测，并以百分数表示之。,塑料中含水分造成的不良後果：1、某些塑料成型時因水解使物性下降。2、產品易出現氣泡、銀紋等外觀不良。3、導致產品尺寸不穩定，不能用於精密產品。4、影響剛性和強度、電學性能等。但對於某些材料（如PA料），乾燥條件下產品較脆，吸收一定水分可提高韌性，相對來說又是其優勢。,三、塑膠材料物性介紹,常見塑膠材料吸水率比較：,三、塑膠材料物性介紹,2、機械性能,拉伸强度：在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉伸应力即为拉伸强度，在学术界称之为抗拉强度，其结果以MPa表示。,拉伸,试片,三、塑膠材料物性介紹,拉伸实验得到的几项性能指标：1、屈服强度：是材料开始发生明显塑性变形时应力值。屈服点处的应力。2、断裂伸长率：在拉力作用下，试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比。,拉伸强度、屈服强度越大，材料的刚性越好。断裂伸长率越大，材料的韧性越好。,拉伸应力应变曲线,三、塑膠材料物性介紹,三、塑膠材料物性介紹,冲击强度：衡量材料韧性的一种指标，通常定义为试样在冲击载荷的作用下折断或折裂时，单位截面积所吸收的能量。,（1）冲击强度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度，因此冲击强度也称冲击韧性。,（2）根据试片有无缺口分为缺口冲击强度和无缺口冲击强度。,无缺口,有缺口,2、機械性能,三、塑膠材料物性介紹,（3）根据试验设备不同可分为简支梁冲击强度、悬臂梁冲击强度。,悬臂梁冲击,简支梁冲击,三、塑膠材料物性介紹,ISO与ASTM试片区别：,ISO：80mm*10mm*4mm,缺口剩余宽度：8.0mm,ASTM：1/8缺口：63.5mm*12.7mm*3.2mm,缺口剩余宽度：10.2mm1/4缺口：63.5mm*12.7mm*6.4mm,缺口剩余宽度：10.2mm,注：冲击强度值越大，材料韧性越好。,（4）测试的标准有：ISO（国际标准）和ASTM（美标）,三、塑膠材料物性介紹,弯曲强度：材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定挠度时能承受的最大应力。挠度：在弯曲过程中，试样跨度中心的顶面或底面偏离原始位置的距离。弯曲应力：试样的弯曲过程中，任何时刻跨度中心处截面上的外层纤维正应力。,2、機械性能,三、塑膠材料物性介紹,弯曲模量：是弯曲应力比上弯曲产生的形变。材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力，又称挠曲模量。,模量=应力/应变,模量数值大表示：施加了很大的力，但是试样产生了很小的变形，也就是材料抵抗变形的能力强，即刚性好。,2、機械性能,三、塑膠材料物性介紹,3、热性能,阻燃性：物质具有的或材料经处理后具有的明显推迟火焰蔓延的性质（减慢、终止或防止有焰燃烧的特性）。目前评价阻燃性方法很多，如氧指数测定法、水平或垂直燃烧试验法等。,阻燃等级：UL945VV0V1V2HB,1、HB：UL94标准中最低的阻燃等级(水平燃烧法，經常是用縱向V0、V1或V2方式行不通時才採用這種方法)。要求对于3到13毫米厚的样品，燃烧速度小于40毫米每分钟；小于3毫米厚的样品，燃烧速度小于70毫米每分钟；或者在100毫米的标志前熄灭。,三、塑膠材料物性介紹,UL945V、V0、V1、V2：垂直燃烧UL94V0评定方法：从点燃后把火焰移开后样品能快速自熄到在10s之内无燃烧的熔体滴落（也就是说，燃烧着的熔体滴落在位于测试样品下面的一英尺的棉花垫上不能引燃棉花）。UL94V1评定方法与V0类似，只不过它要求的自熄时间要长些。这种测试允许熔体滴落在棉花垫上，但不能点燃棉花。UL94V2和V1相同，只是它允许燃烧着的熔滴将一英尺下面的棉花点燃。UL945V是最严格的检测方法，它涉及到塑料制品实际在火焰里的寿命。实验要求火焰长度为5in，对测试样品施加五次燃烧，其间不允许有熔滴滴落，不允许测试样品有明显的扭曲，也不能产生任何被烧出来的洞。,三、塑膠材料物性介紹,垂直燃烧法,三、塑膠材料物性介紹,3、热性能,热变形温度(HDT)：对高分子材料或聚合物施加一定的负荷，以一定的速度升温，当达到规定形变时所对应的温度。是衡量聚合物或高分子材料耐热性优劣的一种量度。是表达被测物的受热与变形之间关系的参数,一般情况下，测定两种负荷的热变形温度：0.45MPA和1.82MPA,三、塑膠材料物性介紹,3、热性能,长期使用温度(RTI)：表示材料在使用10万小时，某一给定的性能（通常根据不同要求考察电气性能或机械性能等）下降50%时的温度。由于该项测试不可能进行10万小时，因此实验室标准条件下用较高的温度测试，使材料加速老化，取得试验数据后通过计算得出此温度。一般试验时间5000小时，测试费用昂贵。所以一般材料厂商不会每款材料都测试，只会测试一系列中有代表性的一个品种。,三、塑膠材料物性介紹,熔点：物质的熔点（meltingpoint），即在一定压力下，纯物质的固态和液态呈平衡时的温度。熔点是固体将其物态由固态转变（熔化）为液态的温度。晶体开始融化时的温度叫做熔点。,3、热性能,三、塑膠材料物性介紹,熔融指数：是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。它是美国量测标准协会(ASTM)根据美国杜邦公司惯用的鉴定塑料特性的方法制定而成，其测试方法是先让塑料粒在一定时间（10分钟）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）下，融化成塑料流体，然后通过一直径为2.095mm圆管所流出的克（g）数。其值越大，表示该塑胶材料的加工流动性越佳，反之则越差。,3、热性能,三、塑膠材料物性介紹,3、热性能,物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(p一定)下，单位温度变化所导致的长度量值的变化，即热膨胀系数表示。,线性热膨胀系数：是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其某一方向上的长度的变化和它在20（即标准实验室环境）时的长度的比值。,三、塑膠材料物性介紹,4、电性能,电阻率：电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。电阻与横截面积的乘积与长度的比值叫做这种物质的电阻率。电阻率与导体的长度、横截面积等因素无关，是导体材料本身的电学性质，由导体的材料决定，且与温度