塑膠材料的特性與選用

■上海華長貿易 / 伊志鴻技術經理

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後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。
• 衝擊特性：衝擊測試。
• 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（試片規格1），50mm/min（拉伸速度）
• TensileStress（拉伸應力），brk（斷裂點），TypeI（試片規格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（試片規格1），50mm/min（拉伸速度）
• TensileModulus（拉伸模量or 楊式係數），50mm/min（拉伸速度）

在拉伸測試中，材料被固定夾持後，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（實際紀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係數，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。此測試通常用於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，楊氏係數變高。添加物的種類有數種，如玻璃纖維、碳纖維、雲母片……等。

衝擊特性：衝擊測試

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，並以撞擊後擺錘擺蕩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測試的顯示數值如下所示：

温度特性

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)。其中最大的差異在於Tg 以及Tm 的差異。Tg 點通常用於非結晶性材料，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。

非结晶性塑料(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」、「衝擊強度較高」、「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，有時會介於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：

*1：RTI 有三種測試，有時會介於HDT 上下。

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，雲母……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於非結晶性材料。

導熱係數(Thermally conductive)

導熱係數為特殊應用，應用於熱傳導部件，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」，主要被應用於輕量化設計，此外也能達到節省成本的功效；「高比重材料」，則被使用於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製程等方式達成，如發泡劑，或是使用MuCell。（MuCell 是一項專利，必須要搭配成型機台使用。）

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，如雲母片，以及球狀填充物，如玻璃珠。

表面硬度
材質本身的表面硬度，此部分通常使用Allow 硬度較高的基材，或是改變分子鏈結的方式。

摩擦係數
材質本身的摩擦力，分「動摩擦」與「靜摩擦」。
*「表面硬度」與「摩擦係數」又合稱為材料本身的耐磨耗性。