塑膠材料的特性與選用

ACMT協(xié)會

■資料來源：ACMT SMARTMolding 20年9月刊

摘要

塑膠材料的特性選用，必須搭配著設計應用，本篇文章主要討論塑膠材料的測試，以及部分添加劑添加后對塑膠材造成的物性改變方向，本文編排順序依照材料物性表測試排序。分別探討項目為：
? 機械特性：拉伸測試。
? 沖擊特性：沖擊測試。
? 溫度特性：熱變形、長時間工作溫度、玻璃轉化溫度、熱傳導。
? 物理特性：比重、模收縮率、表面硬度、摩擦力。
? 光學特性：光穿透、光反射、IR 遮蔽、藍光遮蔽、光擴散。

機械特性：拉伸測試

拉伸測試的主要測試結果以下列幾項數據顯現：
? TensileStress（拉伸應力），yld（降伏點），TypeI（試片規(guī)格1），50mm/min（拉伸速度）
? TensileStress（拉伸應力），brk（斷裂點），TypeI（試片規(guī)格1），50mm/min（拉伸速度）
? TensileStrain（拉伸應變or 拉伸延展），yld（降伏點），TypeI（試片規(guī)格1），50mm/min（拉伸速度）
? TensileStrain（拉伸應變or 拉伸延展），brk（斷裂點），TypeI（試片規(guī)格1），50mm/min（拉伸速度）
? TensileModulus（拉伸模量or 楊式系數），50mm/min（拉伸速度）

塑膠材料的特性與選用的圖2

圖1：添加物的種類有數種，如玻璃纖維、碳纖維、云母片……等

圖2：拉伸測試分為三個階段

在拉伸測試中，材料被固定夾持后，機具會使用固定的速度往上拉。拉伸時，材料會抵抗拉力，所以會有反作用力（實際記錄的數值為反作用力）。如圖2 所示，曲線代表承受固定力量（Y 軸）時的變形量（X軸），或是被拉長到固定變形量（X 軸）時需要的力量（Y 軸）。在測試的過程中又可分為三個階段：

階段1

在材料達到降伏點前(Yld)，力量與變形量會是一個固定斜率（直線）。此線段的斜率就是楊式系數，或是拉伸模數。

階段2

當力量或是變形量超過降伏點(Yld) 時，材料會產生永久變形，此時將力量放掉材料無法回彈回原點。（0.2% 的永久變形）。

階段3

當過了降伏點，持續(xù)拉伸，材料會變形（試片變長），因此力量會往下掉（某些材料較明顯），或是因為試片面積變小承受的力量變小，直到試片破裂。此測試通常用于評估材料的是否能夠承受足夠的力量不變形，或是不會因拉伸而破裂。

使用填充物雖會讓拉伸應力變高，但是延展性卻會變得非常差，楊氏系數變高。添加物的種類有數種，如玻璃纖維、碳纖維、云母片……等。

沖擊特性：沖擊測試

Izodimpact 測試已經是比較材料耐沖擊性的標準，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，并以撞擊后擺錘擺蕩的角度計算撞擊時能量損耗多少，即材料受沖擊所吸受的能量測試的顯示數值如下所示：

塑膠材料的特性與選用的圖5

圖3：沖擊試驗機

圖4：非結晶性材料的溫度測試排列

溫度特性

溫度特性—熱變形；長時間工作溫度；玻璃轉化溫度；熱傳導。講到溫度特性需要先將熱塑性塑膠材料再細分為非結晶性塑料(amorphous)，以及結晶性塑料(crystallinepolymer)。其中最大的差異在于Tg 以及Tm 的差異。Tg 點通常用于非結晶性材料，有明確的Tg 點。結晶性材料則會因上一次的冷卻狀態(tài)直接影響Tg 點，導致結晶性材料的Tg 點會移動，因此一般不談結晶性材料的Tg。

非結晶性塑料(amorphous polymer) 的材料特性

非結晶性塑料具有「化學性敏感高」、「適度耐熱溫度」、「沖擊強度較高」、「較低模收縮率」、「均勻物性」。非結晶性材料有PC、M-PPO、PEI、PC/ABS……等，將非結晶性材料依各自的溫度測試排列如下：

*1：RTI 有三種測試，有時會介于HDT 上下。
*2：維卡軟化點測試的結果與Tg 點較接近，可將為卡軟化點近視同為Tg。

結晶性塑料(crystalline polymer) 的材料特性

結晶性塑料具有「抗化學性較高」（每種塑膠基材還是有不同的酸鹼抗性）、「缺口效應敏感」、「模收縮率較大」、「耐疲勞性」、「耐磨耗性」。結晶性材料有PBT、PPS、POM……等，將結晶性材料依各自的溫度測試排列如下：
塑膠材料的特性與選用的圖8

*1：RTI 有三種測試，有時會介于HDT 上下。

塑膠材料的特性與選用的圖9

圖５: 結晶性材料的溫度測試排列

為提高耐溫特性，可透過添加填充物、其他基材或是物質合金(Alloy) 等方式來達成訴求，常被使用的添加填充物，有玻璃纖維，碳纖維，云母……等；而其他基材或物質合金(Alloy) 部分，則有PEI 或其他耐溫性較高的基材。

* 添加填充物的方式，在結晶性材料的耐溫性提升效果會優(yōu)于非結晶性材料。

導熱系數(Thermally conductive)

導熱系數為特殊應用，應用于熱傳導部件，一般塑膠材料為熱的絕緣體，若要達到熱傳遞效果，目前只能透過添加填充物，填充物的類別有金屬粉與陶瓷粉。

物理特性

比重高低

「低比重材料」，主要被應用于輕量化設計，此外也能達到節(jié)省成本的功效；「高比重材料」，則被使用于需要讓產重量更重的情形。若要增加比重，主要有兩種方式，一是透過Alloy 比重較高的基材，二是添加填充物，如GF、CF、金屬粉末等；而若要減低比重，則可以透過材料或是制程等方式達成，如發(fā)泡劑，或是使用MuCell。（MuCell 是一項專利，必須要搭配成型機臺使用。）

圖６: 模收縮率

模收縮率

從圖６中可以看出，Flow 方向因有條狀物支撐收縮，此方向的收縮率會較小；而X Flow 方向，某些填充物在X Flow 方向的支撐雖沒有Flow 方向的體積大，但還是會降低一部分的收縮率。模收縮率的變化會引起變形或翹曲，當模收縮率越低，則變形的可能性越低。在非結晶性材料方面，Flow 與X Flow 的收縮率差異不大；而結晶性材料方面，因有分子配向性，故Flow與X Flow 的差異較大。

? 條狀填充物：如玻璃纖維、碳纖維。在Flow 方向因有條狀物支撐收縮，故此方向收縮率較小；而X Flow 方向，雖填充物在X Flow 方向的支撐沒有Flow 方向的體積大，但還是會降低部分收縮率。
? 其他類型填充物：其他類型的填充物有片狀填充物，如云母片，以及球狀填充物，如玻璃珠。

塑膠材料的特性與選用的圖11