【正文】 低溫時(shí)，塑料應(yīng)亦呈現(xiàn)脆性。圖 55顯示塑料材料的沖擊強(qiáng)度隨著負(fù)荷速率的增加而增大。514 沖擊強(qiáng)度　　因?yàn)樗芰暇哂叙椥?，其性質(zhì)與使用時(shí)間、負(fù)荷速率、負(fù)荷頻率、施加負(fù)荷期間長(zhǎng)短、使用溫度都有密切的關(guān)系。當(dāng)施加負(fù)荷與解除負(fù)荷的頻率增加，或是施加負(fù)荷與無(wú)負(fù)荷的間隔時(shí)間縮短，塑件表面可能應(yīng)為疲勞而產(chǎn)生微小裂縫或其它瑕疵，造成韌性降低。許多材料存在一特定的應(yīng)力忍受限度，在應(yīng)力低于忍受限度時(shí)，材料不會(huì)因反復(fù)性負(fù)荷造成疲勞而破壞，參閱圖 58。　　SN曲線是在固定頻率、固定溫度和固定負(fù)荷條件下，施加彎矩、扭力和拉伸應(yīng)力于材料，測(cè)試而得。承受周期性負(fù)荷之塑料應(yīng)該使用比例極限進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖 57說(shuō)明在固定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著經(jīng)歷時(shí)間而遞減的情形。假如變形量固定，則抵抗變形的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間而遞減。˙內(nèi)壓力（殘留應(yīng)力）應(yīng)該與外應(yīng)力一并考慮。潛變模數(shù)與時(shí)間、溫度有關(guān)系，它與固定應(yīng)力(σ)以及隨時(shí)間、溫度變化的應(yīng)變?chǔ)?t, T)之間的關(guān)系式定義如下： 其它與潛變有關(guān)連的因素包括：˙隨著溫度的上升，潛度速率與應(yīng)力松弛速率都會(huì)上升。圖57 在固定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著經(jīng)歷時(shí)間而遞減的情形。通常，工程師使用樹脂供貨商提供的潛變數(shù)據(jù)庫(kù)獲得應(yīng)變相對(duì)于時(shí)間之?dāng)?shù)據(jù)，再進(jìn)行內(nèi)插和外插，以獲得同一時(shí)間之應(yīng)力—應(yīng)變非線性曲線，如圖 57。雖然大多數(shù)塑料擁有在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)、特定應(yīng)力及溫度條件下的潛變量據(jù)，但是每個(gè)塑件設(shè)計(jì)仍需對(duì)其特定的負(fù)荷與使用條件來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)值。圖56 典型的潛變曲線，其潛變量根據(jù)負(fù)荷及時(shí)間而變化。512 潛變與應(yīng)力松弛　　設(shè)計(jì)承受長(zhǎng)期負(fù)荷的塑件時(shí)，應(yīng)非常注意潛變效應(yīng)及應(yīng)力松弛。圖54 添加30%玻纖與無(wú)添加物之熱塑性樹脂的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖55 負(fù)荷速率與溫度對(duì)于典型聚合物之應(yīng)力—應(yīng)變圖的影響　　加熱半結(jié)晶性塑料使之通過(guò)玻璃轉(zhuǎn)移溫度（Tg），則負(fù)荷速度、溫度等相關(guān)的效應(yīng)更加明顯，結(jié)果導(dǎo)致塑料產(chǎn)生全然不同的運(yùn)動(dòng)行為。從圖 55可以觀察到，高負(fù)荷速率使得材料的破壞應(yīng)力和降伏應(yīng)力大幅提高。圖 55是半結(jié)晶塑料受負(fù)荷速度及溫度影響時(shí)之拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線。拉伸造成剖面面積的縮小量可以根據(jù)蒲松比計(jì)算。玻纖填充料使得塑料的破壞強(qiáng)度、降伏應(yīng)力、比例極限應(yīng)力及楊氏模數(shù)都明顯地提升，并且承受較低的應(yīng)變量就產(chǎn)生破壞。I 點(diǎn)是彈性極限。假如應(yīng)變量超過(guò)彈性極限，并且繼續(xù)增加，則材料可能發(fā)生拉伸現(xiàn)象而無(wú)法回復(fù)原形，或者可能發(fā)生破壞，如圖 52所示?！　”壤龢O限是圖 53上的 P 點(diǎn)，曲線從這點(diǎn)開(kāi)始偏離其線性行為。定義為： 楊氏模數(shù)經(jīng)常被用作材料強(qiáng)度指標(biāo)。 　　圖 52熱塑性塑料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可以獲得楊氏模數(shù)、比例極限，彈性極限、降伏點(diǎn)、延展性、破壞強(qiáng)度和破壞之伸長(zhǎng)量等材料性質(zhì)。讀者如果有其它負(fù)荷狀態(tài)的應(yīng)用，應(yīng)參閱相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。將其使用環(huán)境溫度及應(yīng)變率下的主要負(fù)荷所相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變行為列為重要考慮。根據(jù)施加在塑件的負(fù)荷或拘束條件的不同，必須考慮不同種類的強(qiáng)度性質(zhì)，包括拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度和剪變強(qiáng)度等。511 應(yīng)力應(yīng)變行為　　　　　　　　　　材料的應(yīng)力應(yīng)變行為決定其強(qiáng)度或勁度。第五章 材料性質(zhì)與塑件設(shè)計(jì)51 材料性質(zhì)與塑件設(shè)計(jì)　　塑料材料的多樣性使得塑料射出成形比金屬成形更具有設(shè)計(jì)的自由度。更進(jìn)一步，作用于材料的高剪應(yīng)力所造成的分子配向性也會(huì)降低塑料熔膠的黏度。而Tg的大小對(duì)于塑料性質(zhì)有很大的影響，所以往往成為判斷塑料性質(zhì)的重要指標(biāo)，玻璃態(tài)時(shí)顯現(xiàn)出類似玻璃的剛硬性質(zhì)，但于橡膠態(tài)時(shí)，又變成較軟之橡膠性質(zhì)。就分子量分布而言，短分子鏈影響拉伸及沖擊強(qiáng)度，中分子鏈影響溶液黏度及低剪切熔膠流動(dòng)，長(zhǎng)分子鏈的量影響熔膠彈性。(1) 分子量的大小及分子量分布塑料的特性之一就是分子量很大，分子量分布曲線和其聚合的方法及條件對(duì)于所制造出來(lái)的成型品有密切影響。MI值僅僅是塑料剪切黏度曲線上的一點(diǎn)。熔融塑料大多呈現(xiàn)擬塑性行為，即根據(jù)指數(shù)律(power law)， ， n 1塑料受剪應(yīng)力而運(yùn)動(dòng)時(shí)，其黏度隨剪變率增加而降低，此現(xiàn)象稱為高分子材料的剪稀性(shear thinning)。圖416 (a) MFA變化導(dǎo)致的平衡與不平衡流動(dòng)；及(b)其對(duì)應(yīng)的充填模式。對(duì)于任何復(fù)雜的幾何形狀，應(yīng)該將模穴內(nèi)的MFA變化最小化，以決定最佳的澆口位置。MFV和MFA是流動(dòng)平衡的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。圖415 塑件表層與中心層之纖維配向性　　塑件成形之MFV愈高，其表面壓力愈高，分子鏈配向性的程度也愈高。在熔膠波前處，由于剪切流動(dòng)和拉伸流動(dòng)的組合，不斷強(qiáng)迫熔膠從肉厚中心層流向模壁，造成噴泉流效應(yīng)(fountain flow effect)，此效應(yīng)對(duì)塑件表層的分子鏈／纖維配向性的影響甚巨。由于模溫通常比較低，在表面附近的配向性幾乎瞬間即凝固。MFV之差異會(huì)使得塑料分子(以點(diǎn)表示)以不同方式伸展，導(dǎo)致分子與纖維配向性的差異，造成收縮量差異或翹曲。圖 414 顯示在鑲埋件(insert)周圍熔膠波前速度增加，使鑲埋件兩側(cè)產(chǎn)生高壓力和高配向性，造成塑件潛在的不均勻收縮和翹曲。在任何時(shí)間，容積流動(dòng)率 = 熔膠波前速度(MFV) 熔膠波前面積(MFA)對(duì)于形狀復(fù)雜的塑件，使用固定的螺桿速率并不能保證有固定的熔膠波前速度。以變化之熔膠波前速度充填模穴，將導(dǎo)致分子鏈或纖維配向性的改變。參數(shù)需要高射出壓力可用低射出壓力塑件設(shè)計(jì)肉厚塑件表面 澆口設(shè)計(jì)澆口尺寸流動(dòng)長(zhǎng)度成形條件熔膠溫度模壁（冷卻劑）溫度螺桿速度選擇材料熔膠流動(dòng)指數(shù)圖412 射出壓力與設(shè)計(jì)、成形參數(shù)、材料的關(guān)系43 充填模式　　充填模式(Filling Pattern)是熔膠在輸送系統(tǒng)與模穴內(nèi)，隨著時(shí)間而變化的流動(dòng)情形，如圖413所示。所以對(duì)于剪變效應(yīng)很敏感的材料本質(zhì)上具有不穩(wěn)定性。注意，熔膠黏度隨著剪變率上升及溫度上升而降低。射出壓力相對(duì)于充填時(shí)間的曲線形狀與所使用材料、模穴幾何形狀和模具設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。要采用更短的充填時(shí)間，則需要高熔膠速度和高射出壓力來(lái)充填模穴。射出成形時(shí)，在特定的成形條件及塑件肉厚下，熔膠可以流動(dòng)的長(zhǎng)度將根據(jù)材料的熱卡性質(zhì)與剪切性質(zhì)而決定，此性質(zhì)可以表示為熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度，如圖410所示。實(shí)際上，流動(dòng)指數(shù)是塑件幾何形狀（例如壁厚，表面特征）及熔膠黏度的函數(shù)。圖48顯示射出壓力與各參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。熔膠流動(dòng)長(zhǎng)度加長(zhǎng)，就必須提高入口壓力以產(chǎn)生相同的壓力梯度，以維持聚合物熔膠速度，如圖47所示。壓力分布如圖46所示。在射出階段，于噴嘴蓄積高壓力以克服聚合物熔膠的流動(dòng)阻力，壓力沿著流動(dòng)長(zhǎng)度向聚合物熔膠波前逐漸降低。圖45 聚合物黏度與剪變率、溫度、及壓力的關(guān)系42 熔膠流動(dòng)之驅(qū)動(dòng)射出壓力射出機(jī)的射出壓力是克服熔膠流動(dòng)阻力的驅(qū)動(dòng)力。此外，熔膠黏度也與壓力相關(guān)，壓力愈大，熔膠愈黏。圖44 （a）相對(duì)流動(dòng)元素間運(yùn)動(dòng)之典型速度分布曲線； ( b)射出成形之充填階段的剪變率分布圖。剪變率是一項(xiàng)重要的流動(dòng)參數(shù)，因?yàn)樗鼤?huì)影響熔膠黏度和剪切熱（黏滯熱）的大小。一般而言，材料的連接層之間的相對(duì)移動(dòng)愈快，剪變率也愈高，所以，典型的熔膠流動(dòng)速度曲線如圖44（a），其在熔膠與模具的界面處具有最高的剪變率；或者，假如有聚合物凝固層，在固體與液體界面處具有最高的剪變率。但是，以兩倍壓力推動(dòng)開(kāi)放管線內(nèi)的聚合物熔膠，其流動(dòng)速率可能根據(jù)使用材料而增加2~15倍?！　【酆衔镒冃螘r(shí)，部份分子不再糾纏，分子鏈之間可以相互滑動(dòng)，而且沿著作用力方向配向，結(jié)果，使得聚合物的流動(dòng)阻力隨著變形而降低，此稱為剪變致稀行為（shearingthinning behavior），它表示聚合物承受高剪變率時(shí)黏度會(huì)降低，也提供了聚合物熔膠加工便利性。圖43 以簡(jiǎn)易之剪切流動(dòng)說(shuō)明聚合物熔膠黏度的定義水是典型的牛頓流體，牛頓流體的黏度與溫度有關(guān)系，而與剪變率無(wú)關(guān)。41 熔膠剪切黏度熔膠剪切黏度(shear viscosity)是塑料抵抗剪切流動(dòng)的阻力，它是剪切應(yīng)力與剪變率的比值，參閱圖43。圖42 (a)理想的黏性液體在應(yīng)力作用下表現(xiàn)出連續(xù)的變形；(b)理想的彈性固體承受外力會(huì)立刻變形，于外力解除后完全恢復(fù)原形；(c)熱塑性塑料之熔膠就像液體一樣，在剪切應(yīng)力作用下而連續(xù)變形。譬如說(shuō)，在解除應(yīng)力后，分子鏈會(huì)承受一恢復(fù)應(yīng)力，使分子鏈回到雜亂卷曲的平衡狀態(tài)。此黏彈性行為是因?yàn)榫酆衔镌谌廴跔顟B(tài)，分子量呈現(xiàn)雜亂卷曲型態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，將允許分子鏈移動(dòng)或滑動(dòng)。圖41 (a)剪切流動(dòng)；(b)拉伸流動(dòng)；(c)模穴內(nèi)的剪切流動(dòng)(d)充填模穴內(nèi)的拉伸流動(dòng)熱塑性塑料承受應(yīng)力時(shí)會(huì)結(jié)合理想黏性流體和理想彈性固體之特性，呈現(xiàn)黏彈性行為。在射出成形的充填階段，熱塑性塑料之熔膠的流動(dòng)以剪切流動(dòng)為主，如圖41(c)所示，材料的每一層元素之間具有相對(duì)滑動(dòng)。日常生活中，水的流動(dòng)就是典型的黏性流體，橡膠的變形屬于彈性體。表35　添加劑、填充料與補(bǔ)強(qiáng)料對(duì)于聚合物性質(zhì)的影響添加劑、填充料及補(bǔ)強(qiáng)料常用村料對(duì)聚合物性質(zhì)的影響強(qiáng)化纖維碳素、碳、礦物質(zhì)纖維、玻璃、kevlarl 增加拉伸強(qiáng)度l 增加彎曲模數(shù)(flexural modulus)l 提高熱變形溫度l 提升抗收縮與抗翹曲能力導(dǎo)電性填充料鋁粉、碳纖維、石墨l 提高電氣性質(zhì)l 提高熱傳導(dǎo)性耦合劑Silanes、titanatesl 改善聚合物與纖維界面之鍵結(jié)力抗燃劑氯、溴、硫、金屬鹽l 降低燃燒發(fā)生率及擴(kuò)散速度混合填充料碳酸鈣、硅、黏土l 降低材料成本塑化劑單體液體、低分子量材料l 改善熔膠的流動(dòng)性l 加強(qiáng)撓曲性著色劑（色料或染料）金屬氧化物、鉻酸鹽、碳黑l 提供耐久的顏色l 防止熱裂解或紫外線造成裂解發(fā)泡劑氣體、氮復(fù)合物、聯(lián)氨衍生物l 造成孔穴組織以降低材料密度第四章 塑料如何流動(dòng)？熔融的熱塑性塑料呈現(xiàn)黏彈性行為(viscoelastic behavior)，亦即黏性流體與彈性固體的流動(dòng)特性組合。添加的纖維也相當(dāng)程度地影響材料的收縮性質(zhì)，在纖維配向方向的收縮率會(huì)比剖面方向的收縮率低許多。假設(shè)聚合物與纖維之間具有良好的結(jié)合力，則沿著纖維方向的強(qiáng)度會(huì)大幅提升。F)MFR g/10min測(cè)試負(fù)荷 kg測(cè)試溫度C最小值建議值最大值最小值建議值最大值建議值A(chǔ)BS 3510220200/392230/446280/53625/7750/12280/17688/190PA 12 955275230/446255/491300/57230/8680/176110/230135/275PA 6 1105275230/446255/491300/57270/15885/185110/230133/271PA 66 1005275260/500280/536320/60870/15880/176110/230158/316PBT 35250220/428250/482280/53615/6060/14080/176125/257PC 20300260/500305/581340/64470/15895/203120/248127/261PC/ABS125240230/446265/509300/57250/12275/167100/212117/243PC/PBT 465275250/482265/509280/53640/10460/14085/185125/257PEHD 15190180/356220/428280/53620/6840/10495/203100/212PELD 10190180/356220/428280/53620/6840/10470/15880/176PEI 15340340/644400/752440/82470/158140/284175/347191/376PET 275290265/509270/518290/554 80/176100/212120/248150/302PETG 235260220/428255/491290/55410/5015/6030/8659/137PMMA 10230240/464250/482280/53635/9060/14080/17685/185POM 20190180/356225/437235/45550/12270/158105/221118/244PP 20230200/392230/446280/53620/6850/12280/17693/199PPE/PPO 40102