■ ACMT/ 劉文斌
多模穴平衡性的重要性
玻璃轉移溫度(Glass Transition Temperature, Tg) 或稱玻璃轉移點(Glass Transition Point) 是高分子塑膠材料一項重要的物理性質，大部分從事塑膠加工人員，並不是很清楚了解此玻璃轉移溫度所代表的物理意義，所以利用此針對玻璃轉移溫度的特徵及現象加以說明。一般結晶性塑膠材料被加熱熔融時，材料隨著溫度上升，結晶性材料的狀態會有三種變化，玻璃態(glass state)，橡膠態(rubber state)- 或稱為黏彈態(visco-elastic state)以及熔融態(melt state)，當塑膠被加熱，塑膠從固體的塑膠粒到最後形成具流動性的熔融膠料形態，塑膠的形態就從玻璃態經黏彈態到最後的熔融態，而所對應的相變化溫度點就是玻璃轉移溫度(Tg) 以及結晶熔點(Tm)。塑膠的熔融狀態(melt) 我們會比較有概念，狀態就是類似麥芽糖或蜂蜜狀，是一種具有流動性的黏稠液態形式；然而對於「玻璃態」及「橡膠態( 黏彈態)」之間有甚麼差異的特性呢? 通常對於不是學習高分子科學的人員來說，通常都是一知半解的。玻璃態跟橡膠態兩者是塑膠材料狀態上的交接形式，兩者都是屬於固態形式，主要差異點是在於塑膠分子結構上自由度(degree offreedom) 的差異。塑膠在玻璃態下是屬於固體狀態，分子結構幾乎被完全凍住或被限制住，而無法產生整體分子鏈的運動，甚至分子鏈上小區域上的分子振動也無法進行，所以此時塑膠是表現出堅硬且具脆性的物理性質。另外塑膠的黏彈態(visco-elastic state) 或稱橡膠態(rubber state) 在外觀上也是固體形式，但是在此黏彈態時塑膠分子結構上一些小區域( 一般約為5~10 分子重複單元大小)，是具有可振動能量的。
對於結晶性塑膠而言，在黏彈態區域時，其非結晶性部分的小範圍分子鏈區域具有可移動的自由度，但在結晶部分因分子鏈結構被晶格所限制住，所以在結晶區域部分分子結構還是無法運動。所以塑膠的黏彈態雖然也是固態形式，但是相對上比玻璃態在性質上來的柔軟(flexible) 且具有可變形(deformable) 的特性。雖然不同塑膠材料在黏彈態時，因分子結構的不同所表現出來的外觀特性也會有所不同，例如像一般彈性體或橡膠(elastomer or rubber) 跟結晶性塑膠的比較上而言，其主要的差異是在彈性模數(elasticmodulus) 上的不同，當在黏彈態區域時，表現在外觀性質上也就有軟質、硬質特質上的差異，但是在組態上還是會有黏彈態的區域。
由圖表1 可見塑膠的物理性質在材料的玻璃轉移溫度前後會產上較大的變化，通常對於材料的體積、黏度、強度以及硬度上，會有較大的變化。所以材料的玻璃轉移溫度(Tg) 對於塑料的鑑別、所表現的材料特性以及可加工參數的應用上都是一項重要的考量依據。玻璃轉移溫度(Tg) 會因不同塑膠種類而異，玻璃轉移溫度(Tg) 主要是由塑膠的微觀分子鏈結構所決定，分子鏈結構越柔軟、越容易運動(ex. 曲折、旋轉、振動等運動) 的塑膠，其玻璃轉移溫度將越低，相反地分子鏈越堅硬的(ex. 主鏈上具有苯環結構者) 則將具有較高的玻璃轉移溫度。例如一些常見塑膠的玻璃轉移溫度如下: POM 的Tg約為-80℃ ~-40℃ (ex. Polyplastics Duracon)，PPS的Tg 約為80 ℃ ~100 ℃ (ex. Polyplastics Fortron)，PP 的Tg 約為-20 ℃，PA66 的Tg 約為50 ℃，PS 的Tg 約為100℃。上述各種塑料的Tg 溫度是在一個範圍，玻璃轉移溫度(Tg) 會因為所使用的量測方法及儀器設備不同，所測得的Tg 溫度也會有所差異。一般Tg 溫度的量測最常見的量測方式是利用DSC- 微分熱差掃描儀(Differential Scanning Calorimetry-DSC)。其他還有許多其他量測儀器可以測得玻璃轉移溫度數據，例如動態機械黏彈測定儀(DynamicMechanical Spectrometer-DMS)、熱機械分析儀(Thermomechanical Analyzer-TMA) 等等。
玻璃轉移溫度對於塑膠材料在使用上成型加工上都有重要的影響，例如POM 材料的Tg 範圍是在-80℃ ~-40℃，所以在常溫環境下POM 是處於其材料的黏彈態( 或橡膠態) 狀態，所以POM 材料在產品的使用環境或是在成型冷卻加工溫度範圍條件下，都是在高於POM 材料的玻璃轉移溫度以上，這將會造成材料有較高的韌性；材料在高於的玻璃轉移溫度點以上時，分子鏈的微觀結構在小區域是具有可移動性的，所以有可能會造成後結晶或後收縮等問題。
另外像PPS 材料的Tg 範圍約在80℃ ~100℃左右，所以在PPS 的成型加工時其溫度變化從熔融態冷卻到室溫，將會經過材料的玻璃轉移溫度，所以射出成形時的冷卻模溫條件就要考慮到Tg 的影響，通常PPS 材料的料商建議射出模溫設定條件約在130℃以上，主要的原因是希望在射出週期時間越短的生產要求下，PPS 材料由熔融膠料射入到模穴時，可以處於在一高出PPS 的玻璃轉移溫度(Tg) 以上的冷卻環境下，這樣PPS 在冷卻過程時其分子結構小區域內還是具有可自由運動的特性，所以可以比較容易產生較高的結晶化程度。結晶性材料由高溫降溫冷卻而產生結晶，而結晶化程度和降溫速率有絕對的關係，過快的降溫冷卻將造成分子鏈來不及排入結晶晶格中，所以也將會使冷卻後產品的強度及剛性不足，甚至產品會比較有可能產生較大的後收縮現象。因此射出過程中的冷卻模溫條件設定，需要考慮到材料的玻璃轉移溫度特性。
一般來說在塑膠射出成型加工時，應該要避免模具的設定溫度是在成形塑膠的玻璃轉移溫度(Tg) 附近，同理材料的使用環境溫度也應盡量避免在材料的玻璃轉移溫度附近。例如像PBT塑膠件在使用上常會遭遇一個問題，就是在約40℃ 溫度附近，材料強度上會有一個較大的變化，其原因就是PBT 塑膠材料的玻璃轉移溫度約在40℃左右，所以當環境溫度上升到40℃溫度附近，PBT 塑膠的分子結構會有較大的自由度，將會使材料的細部分子結構發生變化。■
