塑胶材料概论与应用

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1、1,塑膠材料概論與應用,2,內容大綱,一、何謂高分子 二、塑膠之分類 三、工程塑膠特性與發展歷史 四、塑膠材料基礎原理 五、主要工程塑膠的特性與應用 六、介紹工程塑膠合膠(ALLOY) 七、如何分辨工程塑膠的組成 八、塑膠材料各類性質之意義說明及測試方法介紹 a.基本物性 b.機械性質 c.熱性質 d.化學性質 e.光學性質 f.電氣性質 九、物性檢驗規範與測試內容 十、高分子裂解 (降解) (degradation of polymers) 十一、可分解塑膠介紹,3,一、何謂高分子?,4,5,6,影響高分子物性因素-A,7,二、塑膠的分類,8,酚醛樹脂(PF)、尿素樹脂(UF)、三聚氰氨樹脂

2、、醇酸塑膠、不飽和聚酯(UP)、環氧樹脂、聚氨基甲乙酯(PU)、矽氧樹脂(Silicone),熱固性 塑膠,9,PI PES PEI PSU PPO,PEEK LCP PA46 PPS PCT PPA,PVDF PC ABS PPO/PS PC/ABS,PTFE PET PA66 PBT POM PA6,SMA PMMA HIPS PS SAN PVC,PP HDPE LLDPE LDPE,非結晶性材料 Amorphous,結晶性材料 Crystalline,泛用工程塑膠,高性能工程塑膠,泛用塑膠,HDT=175,HDT=250,HDT=100,HDT=150,塑膠的分類,三、工程塑膠特性與發

3、展歷史,何謂工程塑膠,所謂工程塑膠是指 長期耐熱溫度在100以上 拉伸強度在500 kg/cm2以上 彎曲彈性率在24,000 kg/cm2以上 的塑膠。 在日本，對於工程塑膠的定義為: 可以作為構造用及 機械零件使用之高性能塑膠，耐熱性在100以上，主 要用於工業用途。,塑膠的發展歷史,13,四、塑膠材料基礎原理,14,(1) 分子量 (2) 結晶性 (3) 化學官能基與高分子結構,影響高分子物性因素,15,通常塑膠原料來自石油或天然氣為原料之石油化學品，是一種經過聚合反應而得到的高分子樹脂。 所謂高分子樹脂是單體化合物，經過聚合反映，所合成的高分子量聚合體。其分子量可以數千數百萬，在高分子

4、化學分類上，分子量大於一萬以上者，稱為高分子(Polymer)而分子量一萬以下者稱診高分子或寡聚合體(Oligomer)一般常用來做成型加工者，分子量在104106之間，分子量低於一萬的寡聚合體常用來做紡織用樹脂加工、油漆、接著劑等用途。,高分子的分類說明表,(1) 分子量,16,透明,不透明,結晶性材料與非晶性的物性比較,(2) 結晶性,17,結晶性塑膠與非結晶性塑膠特性比較表,18,(3) 化學官能基與高分子結構,19,(a) 線型高分子,線性高分子,交替共聚物,隨機共聚物,嵌段共聚物,20,(b) 支化高分子,21,(c) 交聯高分子,化學交聯： 一種不可逆的架橋行為，由聚合物分子鏈上存

5、在著不穩定的反應性官能基，而形成一具有網狀結構的高分子聚合物,物理交聯： 是藉由物理性的凝集為架橋點，若溫度升高，交聯作用便會消失，此種交聯行為是可逆的,交聯方式有 (1)光照射交聯： 利用UV光、雷射光等，使分子鏈與分子鏈之間直接產生一個鍵結 (2)熱交聯反應： 利用加熱方式使聚合物產生交聯反應，隨不飽和鍵穩定而穩定 (3)交聯劑反應： 利用交聯劑的反應使聚合物形成交聯網狀結構，隨交聯劑不同可形成不同結構與性質的交聯聚合物,五、主要工程塑膠的特性與應用,23,24,25,PA (Polyamide)聚醯胺(尼龍),Tm=215,Tm=255,PPA (PolyPhenylAmide)聚芳香族

6、改質尼龍,PA 6T,Tm=295,PA46 (Polyamide4/6)尼龍46,T g=145,PC (Polycarbonate)聚碳酸酯,LCP (Liquid Crystalline Polymer)液晶聚合物,31,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑膠(ABS, Acrylnitrile-Butadiene-Styrene),32,聚丙烯( PP, Polypropylene),PBT (Polybutyleneterephalate)聚對苯二甲酸二丁酯,Tm=220,T g=30,Tm=265,PET (Polyethyleneterephalate)聚對苯二甲酸二乙酯,POM (Poly

7、acetal)聚縮醛,PPO (PolyphenyleneOxide)聚氧化二甲苯,T g=85,Tm=285,PPS (PolyPhenyleneSulfide)聚硫化二甲苯,PCT (PolyCyclohexyleneTerephthalate) 對苯二甲酸環己酯,Tg=143 Tm=343,PEEK(POLYETHER ETHER KETON) 聚二醚酮,o-,o,c,o ,n,泛用工程塑膠的物性比較表,:優 :良 :普通 :劣,泛用工程塑膠的耐藥品性比較表,:優 :良 :普通 :劣,六、介紹工程塑膠合膠(ALLOY),42,工程塑膠的合膠(Alloy)一覽表-1,工程塑膠的合膠(All

8、oy)一覽表-2,七、如何分辨工程塑膠的組成,科學分析(以上三個測試稱為ID測試) IR(紅外線吸收光譜)判斷塑膠的配方 有機化合物中含有一些特定官能機，往往會吸收一特殊波長的紅外線。將一有機樣品以紅外線照射，測定並紀錄樣品不同的波長的紅外線、共振吸收的吸收度，得到有機物的吸收光譜，進而判斷塑膠的組成。 DSC(微差掃瞄熱量儀)判斷塑膠的Tg和Tm 利用加熱方式，讓塑膠在儀器中逐漸升溫；因塑膠分子鍵結在玻璃轉移溫度Tg與融點Tm需吸熱方能斷裂，會在圖形中看出不同的波峰。(另可看出材料的純度) TGA(熱差重量分析)判斷塑膠的組成和比率 利用加熱方式，可分析出在不同的溫度，材料內各個組成的燃燒溫

9、度與百分比，進而判斷其組成成分與添加比率。,如何分辨工程塑膠的組成,47,IR(紅外線吸收光譜),利用DSC(微差掃描熱量儀Differential Scanning Calorimeter)儀器，將欲測試的塑膠原料置於測試容器。利用熱電偶穩定加溫(20/分鐘)使塑膠持續受熱。 因為塑膠在Tm與Tg點溫度時，必須吸收熱量方能使化學鍵結斷裂，並在該溫度時，塑膠的受熱流動速率變快，會在圖形上造成兩個波峰。(如下圖以PBT為例，Tg=40，Tm=224),融點(Tm)與玻璃轉化點(Tg)的測試,49,DSC(微差掃瞄熱量儀),50,TGA(熱差重量分析),八、如何看物性表,如何看物性表一般特性,如何

10、看物性表機械性質,如何看物性表熱性質,如何看物性表電氣性質,如何看物性表UL相關測試,全球知名電器檢驗標準,九、物性檢驗規範與測試內容,工程塑膠常用之檢驗設備,60,比重 比重指物質密度與水密度的比值，比重的測定 可依ASTM D792水中置換法測得。,61,吸水率 吸水率是測定塑膠吸水的程度，測法是將樣品烘乾後稱重W1，浸入水中24或48小時後，再取出稱重W2。 吸水率=(W2-W1)/W1*100% 吸水率太大之塑膠材料易影響機械強度與尺寸安定性，Nylon即是典型的例子。,62,各種塑膠材料之吸水率,63,收縮率 收縮率是指塑膠製品冷卻固化經脫模成形後，其 尺寸與模具原尺寸間之誤差百分比

11、，可依ASTM D955方法測定。 塑膠模具設計時，收縮率必須先于考慮，以免造 成成品尺寸誤差，導致成品不良。 塑膠材料因結構的關係，結晶性塑膠之收縮率比 非結晶性塑膠大數倍。,64,各種塑膠玻纖強化前後成形收縮率比較,65,硬度 一般塑膠的硬度最常用ROCKWELL(洛氏硬度) 及SHORE(蕭氏硬度)兩種測試方法來表示。其中 SHORE A常用來測定較軟的塑膠如TPE等彈性體 或橡膠等。SHORE D則用來測定較硬之塑膠， 如一般之泛用塑膠及部份工程塑膠，而多數之高 性能工程塑膠或較硬之工程塑膠，則需要用 ROCKWELL來測定。,66,5.機械性質 機械性質測試的結果與下列因素有很大關係

12、 *試片的大小與形狀 *試片的製備方法 *測試前試片調理條件及時間的長短 *測試時環境的溫度及相對溼度 *測試的方向及試片分子排列的相對方向 *測試速率,67,5-1.抗張強度(Tensile Strength)及伸長率(Elongation) 抗張強度(抗拉強度)係指將塑膠材料拉伸到某一程度(降伏點,yield或斷裂點,break)所需力的大小，通常以每單位面積多少力來表示， 如kg/cm2，而其拉伸的長度百分比即為伸長率。測定依ASTM D638之方法測試。,以標準試片(啞鈴狀)以萬能試驗機，兩端以外力(拉伸荷重) 拉伸，直到塑膠材料產生破壞的應變(降伏點和斷裂點) ，表示該材料的抗張強度

13、(拉伸降伏強度)與可容許的變形量(伸長率，亦可代表材料的韌度) 。 1.拉伸降伏強度=對試片的拉力(kg)/施加荷重前試片的截面積(cm2) 2.伸長率(%)=(斷裂時的標線長度-實驗前的標線長度)/實驗前的標線 長度,拉伸降伏強度與伸長率,69,塑膠材料的抗張曲線,70,5-2彎曲強度(Flexural Strength) 彎曲強度又稱抗折強度，主要為測試塑膠抗彎曲的能力，可依照ASTM D790的方法測得，通常以每單位面積多少力來表示， 如 kg/cm2。 5-3彎曲模數(Modulus) 將塑膠試片彎曲時，其彈性範圍內，單位變形量所產生之彎曲應力稱為彎曲模數，一般模數 越大，表示塑膠材料

14、之剛性越好。,以一外力垂直作用在支持成水平的試片，使試片發生彎曲(變形) ，對此種彎曲荷重發生的應力(彎曲應力)及其變形量(彎曲量)之關係，進而計算出材料的彎曲特性，本物性表示材料的剛性。 1.彎曲強度(a)=(3pbL)/(2wd2) 2.彎曲模數(E)=(pbL3)/(4wd3) a=試片破壞時，最大荷重之強度(kg/cm2) pb=試片破懷時，最大荷重時之荷重(kg) L=支點間距(cm) w=試片寬度(cm) d=試片厚度(cm),彎曲強度與彎曲模數,彎曲強度,彎曲模數,應力應變曲線圖,73,衝擊強度 衝擊強度是指塑膠受外力時所能承受的最大能 量。ASTM D256中的IZOD及CHA

15、RPY為衝擊 強度最常見之測試方法。 試片又分為有缺口 (notch)及無缺口(non-notch)兩種，缺口大小亦有詳細規範。其中又以IZOD最為普遍。,IZOD耐衝擊強度,74,IZOD及CHARPY衝擊測試圖示,測試試片於缺口應力集中的情況之下，測量其擺錘衝擊的忍受程度。 IZOD衝擊強度=衝擊能量/試片厚度,IZOD耐衝擊強度,76,衝擊測試應注意事項 *試片放置時注意夾面是否垂直於衝擊面。 *夾試片時，力量不可太大，以免產生應力，影響測值。 *量試片厚度時，須儘量靠近缺口以求準確。,在設定的壓力和溫度下，將樣品置入一固定直徑和長度的模頭，測量單位時間內流出的重量(g/10min.)表

16、示材料的流動性。 MI(g/10min)=收集樣品重(g)/收集時間(sec) 600sec,熱熔融指數(MI),熔融指數是一種表示塑膠材料加工時流動性的指標。MI值越大表示此塑膠材料之加工流動性 越好，反之，則越差。最常見之測試標準為ASTM D1238 。MI值可作為判斷塑膠分子量高低的參考。物性和加工性的取捨。,將欲測試的試片，放置於油槽之內。施以一定的荷重(18.6kg/ cm2或4.6 kg/ cm2) 於試片中央。以定溫速率(2/分鐘)慢慢升高油槽的溫度。當試片在荷重處凹陷達到一個變形量(0.25mm) ，該油槽所測得的油溫即為該材料的熱變形溫度。本物性表示為短期的耐熱溫度。,熱變形溫度(HDT),79,體積固有阻抗