塑胶材料的特性与选用

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■资料来源：ACMT SMARTMolding 20年9月刊

摘要

塑胶材料的特性选用，必须搭配着设计应用，本篇文章主要讨论塑胶材料的测试，以及部分添加剂添加后对塑胶材造成的物性改变方向，本文编排顺序依照材料物性表测试排序。分别探讨项目为：
• 机械特性：拉伸测试。
• 冲击特性：冲击测试。
• 温度特性：热变形、长时间工作温度、玻璃转化温度、热传导。
• 物理特性：比重、模收缩率、表面硬度、摩擦力。
• 光学特性：光穿透、光反射、IR 遮蔽、蓝光遮蔽、光扩散。

机械特性：拉伸测试

拉伸测试的主要测试结果以下列几项数据显现：
• TensileStress（拉伸应力），yld（降伏点），TypeI（试片规格1），50mm/min（拉伸速度）
• TensileStress（拉伸应力），brk（断裂点），TypeI（试片规格1），50mm/min（拉伸速度）
• TensileStrain（拉伸应变or 拉伸延展），yld（降伏点），TypeI（试片规格1），50mm/min（拉伸速度）
• TensileStrain（拉伸应变or 拉伸延展），brk（断裂点），TypeI（试片规格1），50mm/min（拉伸速度）
• TensileModulus（拉伸模量or 杨式系数），50mm/min（拉伸速度）

塑胶材料的特性与选用的图2

图1：添加物的种类有数种，如玻璃纤维、碳纤维、云母片……等

图2：拉伸测试分为三个阶段

在拉伸测试中，材料被固定夹持后，机具会使用固定的速度往上拉。拉伸时，材料会抵抗拉力，所以会有反作用力（实际记录的数值为反作用力）。如图2 所示，曲线代表承受固定力量（Y 轴）时的变形量（X轴），或是被拉长到固定变形量（X 轴）时需要的力量（Y 轴）。在测试的过程中又可分为三个阶段：

阶段1

在材料达到降伏点前(Yld)，力量与变形量会是一个固定斜率（直线）。此线段的斜率就是杨式系数，或是拉伸模数。

阶段2

当力量或是变形量超过降伏点(Yld) 时，材料会产生永久变形，此时将力量放掉材料无法回弹回原点。（0.2% 的永久变形）。

阶段3

当过了降伏点，持续拉伸，材料会变形（试片变长），因此力量会往下掉（某些材料较明显），或是因为试片面积变小承受的力量变小，直到试片破裂。此测试通常用于评估材料的是否能够承受足够的力量不变形，或是不会因拉伸而破裂。

使用填充物虽会让拉伸应力变高，但是延展性却会变得非常差，杨氏系数变高。添加物的种类有数种，如玻璃纤维、碳纤维、云母片……等。

冲击特性：冲击测试

Izodimpact 测试已经是比较材料耐冲击性的标準，一般多以在试片上做「缺口(notched)」之试片的测试结果作为参考。此试验会将标準尺寸的试片夹在测试夹具上，让摆锤以钟摆方式落下击断试片，并以撞击后摆锤摆荡的角度计算撞击时能量损耗多少，即材料受冲击所吸受的能量测试的显示数值如下所示：

塑胶材料的特性与选用的图5

图3：冲击试验机

图4：非结晶性材料的温度测试排列

温度特性

温度特性—热变形；长时间工作温度；玻璃转化温度；热传导。讲到温度特性需要先将热塑性塑胶材料再细分为非结晶性塑料(amorphous)，以及结晶性塑料(crystallinepolymer)。其中最大的差异在于Tg 以及Tm 的差异。Tg 点通常用于非结晶性材料，有明确的Tg 点。结晶性材料则会因上一次的冷却状态直接影响Tg 点，导致结晶性材料的Tg 点会移动，因此一般不谈结晶性材料的Tg。

非结晶性塑料(amorphous polymer) 的材料特性

非结晶性塑料具有「化学性敏感高」、「适度耐热温度」、「冲击强度较高」、「较低模收缩率」、「均匀物性」。非结晶性材料有PC、M-PPO、PEI、PC/ABS……等，将非结晶性材料依各自的温度测试排列如下：

*1：RTI 有三种测试，有时会介于HDT 上下。
*2：维卡软化点测试的结果与Tg 点较接近，可将为卡软化点近视同为Tg。

结晶性塑料(crystalline polymer) 的材料特性

结晶性塑料具有「抗化学性较高」（每种塑胶基材还是有不同的酸硷抗性）、「缺口效应敏感」、「模收缩率较大」、「耐疲劳性」、「耐磨耗性」。结晶性材料有PBT、PPS、POM……等，将结晶性材料依各自的温度测试排列如下：
塑胶材料的特性与选用的图8

*1：RTI 有三种测试，有时会介于HDT 上下。

塑胶材料的特性与选用的图9

图５: 结晶性材料的温度测试排列

为提高耐温特性，可透过添加填充物、其他基材或是物质合金(Alloy) 等方式来达成诉求，常被使用的添加填充物，有玻璃纤维，碳纤维，云母……等；而其他基材或物质合金(Alloy) 部分，则有PEI 或其他耐温性较高的基材。

* 添加填充物的方式，在结晶性材料的耐温性提升效果会优于非结晶性材料。

导热系数(Thermally conductive)

导热系数为特殊应用，应用于热传导部件，一般塑胶材料为热的绝缘体，若要达到热传递效果，目前只能透过添加填充物，填充物的类別有金属粉与陶瓷粉。

物理特性

比重高低

「低比重材料」，主要被应用于轻量化设计，此外也能达到节省成本的功效；「高比重材料」，则被使用于需要让产重量更重的情形。若要增加比重，主要有两种方式，一是透过Alloy 比重较高的基材，二是添加填充物，如GF、CF、金属粉末等；而若要减低比重，则可以透过材料或是制程等方式达成，如发泡剂，或是使用MuCell。（MuCell 是一项专利，必须要搭配成型机台使用。）

图６: 模收缩率

模收缩率

从图６中可以看出，Flow 方向因有条状物支撑收缩，此方向的收缩率会较小；而X Flow 方向，某些填充物在X Flow 方向的支撑虽没有Flow 方向的体积大，但还是会降低一部分的收缩率。模收缩率的变化会引起变形或翘曲，当模收缩率越低，则变形的可能性越低。在非结晶性材料方面，Flow 与X Flow 的收缩率差异不大；而结晶性材料方面，因有分子配向性，故Flow与X Flow 的差异较大。

• 条状填充物：如玻璃纤维、碳纤维。在Flow 方向因有条状物支撑收缩，故此方向收缩率较小；而X Flow 方向，虽填充物在X Flow 方向的支撑没有Flow 方向的体积大，但还是会降低部分收缩率。
• 其他类型填充物：其他类型的填充物有片状填充物，如云母片，以及球状填充物，如玻璃珠。

塑胶材料的特性与选用的图11