【正文】 物理反應(yīng)之相變化為主的程序允許將塑料廢料回收?！　崴苄运芰险妓a(chǎn)塑料的70%，熱塑性塑料以小球狀或顆粒狀販售，它們在壓力下加熱熔化成黏稠狀流體，冷卻時形成所需的成品形狀。圖33 不同塑料的微結(jié)構(gòu)，及制程中加熱或冷卻對于為結(jié)構(gòu)的影響。然而，工程塑料諸如縮醛(acetal)、ABS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高機械強度、較佳的耐熱性、較高的沖擊強度等改善性能，因此價格也比較昂貴。合金塑料指其構(gòu)造由不同的單體或聚合體之物理混合(而非聚合)。而工程塑料是指在機械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機械材料的塑料，屬于高性能的塑料，一般具有較大的溫度使用范圍(–40℉~300℉)、高強度與高剛性、耐沖擊性、低潛變性、耐磨損、優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性及絕緣性。表33　不定形塑料與結(jié)晶性塑料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之比較不定形塑料結(jié)晶性塑料常用的材料丙烯晴—丁二烯—苯乙烯共聚合物（ABS）、壓克力（例如PMMA、PAN）、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯—丙烯系聚合物(SAN)。微結(jié)構(gòu)分子在液相和固相都呈現(xiàn)雜亂的配向性。熱之反應(yīng)具有軟化溫度范圍，但沒有明顯的熔點。性質(zhì)l 透明l 抗化學(xué)性差l 成形時體積收縮率低l 通常強度不高l 一般具有高熔膠黏度l 熱含量低l 半透明或不透明l 抗化學(xué)性佳l 成形時體積收縮率高l 強度高l 熔膠黏度低l 熱含量高321 不定形聚合物　　在無應(yīng)力作用下加熱，不定形塑料熔膠之分子鏈雜亂地相互糾纏在一起，分子鏈僅以微弱的凡得瓦爾力維系。不定形塑料具有明確的玻璃轉(zhuǎn)移溫度和寬廣的軟化溫度范圍，沒有明確的熔點。不定形塑料的透明度高、耐熱性中等、耐沖擊性好、收縮量低。也就是說，表層的分子鏈有較好的配向性，較小的收縮量；內(nèi)層的分子鏈較無配向性，收縮量較大。322 （半）結(jié)晶性聚合物結(jié)晶性材料是不具有大側(cè)基、旁枝或交聯(lián)的聚合物，熔融的結(jié)晶性塑料黏滯性低，容易流動。隨著溫度繼續(xù)降低，其結(jié)晶度增加，強度也增加，透明度澤降低。因為在正常的加工程序很難獲得100%結(jié)晶，結(jié)晶性塑料通常呈現(xiàn)半結(jié)晶，它同時具有結(jié)晶與不定形兩種相態(tài)，其結(jié)晶度則決定于聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成形條件?！　“虢Y(jié)晶性塑料具有相當大的線性收縮率，無法用以取代不定形的塑料的射出成形；否則，會造成尺寸精度上很大的問題。液晶聚合物具有低黏度、低成形收縮率、抗化學(xué)性、高勁度，抗?jié)撟?，及整體尺寸穩(wěn)定性等加工與性能的優(yōu)勢。熱固性塑料與熱塑性塑料的最大差異就在于交聯(lián)程序，本質(zhì)上，熱固性塑料具有較好的機械強度、強高的使用溫度和較佳的尺寸穩(wěn)定性?！　≡诔尚沃?，熱固性塑料和熱塑性塑料一樣具有鏈狀結(jié)構(gòu)。一旦反應(yīng)完全，聚合物分子鍵結(jié)形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些交聯(lián)的鍵結(jié)將會阻止分子鏈之間的滑動，結(jié)果，熱固性塑料就變成了不熔化、不溶解的固體。熱固性塑料的性質(zhì)可以想象成煮熟的蛋，蛋黃從液體變成固體，卻無法再轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。從尚未固化的狀態(tài)將熱固性塑料注入模穴，于加壓或未加壓條件下，以加熱或以化學(xué)混合物催化聚合以定形。其結(jié)構(gòu)之網(wǎng)目愈細，耐熱性和耐化學(xué)性也愈佳。熱固性塑料經(jīng)常應(yīng)用于IC等產(chǎn)品。34 添加劑、填充料與補強料　　添加劑(additives)、填充料(fillers)和補強料(reinforcements)是用來改變或改善塑料的物理性質(zhì)和機械性質(zhì)，其影響列于表35。一般而言，塑料是不良導(dǎo)體，許多填充料可以影響其電氣性質(zhì)，例如添加導(dǎo)電性填充料可以讓塑料產(chǎn)生電磁遮敝性質(zhì)；添加抗靜電劑可以用來吸濕氣，降低靜電荷的累積；添加耦合劑可以改善塑料與強化纖維之間的鍵結(jié)；有些填充料可以用來降低材料成本；其它的添加劑包括降低燃燒傾向的抗燃劑、降低熔膠黏度的潤滑劑、增加材料柔軟性的塑化劑、和提供耐顏色的著色劑。假如添加低值長寬比的填充料，其底材的性質(zhì)改變較小，此類填充料的好處如下：? 降低收縮量。? 改善強度，特別是壓縮強度。? 改善耐溶劑性。C／176。C／176。C／176。纖維補強料可以相當程度地影響塑料性質(zhì)。假如多數(shù)纖維有相同的配向性，則沿著纖維配向性與垂直于纖維配向的彈性模數(shù)會有很大差異，在垂直方向的模數(shù)會與無添加纖維的塑料之模數(shù)接近?！　∫驗槔w維的配向性隨著流動方向、肉厚方向、縫合線位置而變化，為了預(yù)測塑件的性質(zhì)，預(yù)測這些配向性就愈顯重要。當黏性流體流動時，部分驅(qū)動能量將會轉(zhuǎn)變成黏滯熱而消失；然而，彈性固體變形時，會將推動變形的能量儲存起來。除了這兩種的材料流動行為，還有剪切和拉伸兩種流動變形，如圖41 (a)與(b)。另外，當熔膠流經(jīng)一個尺寸突然變化的區(qū)域，如圖41(d)，拉伸流動就變得重要多了。在特定的條件下，熔膠像液體一樣受剪應(yīng)力作用而連續(xù)變形；然而，一旦應(yīng)力解除，熔膠會像彈性固體一樣恢復(fù)原形，如圖42 (b)與 (c)所示。然而，相互糾纏的聚合物分子鏈使系統(tǒng)于施加外力或解除外力時表現(xiàn)出彈性固體般的行為。因為聚合物系統(tǒng)內(nèi)仍有分子鏈的交纏，此恢復(fù)應(yīng)力可能不是立即發(fā)生作用。然而，一旦應(yīng)力解除，它就像彈性固體一般，部分變形會恢復(fù)原形。聚合物熔膠因長分子鏈接構(gòu)而具有高黏度，通常的黏度范圍介于2~3000 Pa（水為 101 Pa，玻璃為1020 Pa）。但是，大多數(shù)聚合物熔膠屬于非牛頓流體，其黏度不僅與溫度有關(guān)，也與剪切應(yīng)變率有關(guān)。例如，以兩倍壓力推動開放管線內(nèi)的水，水的流動速率也倍增?！　〗榻B了剪切黏度的觀念，再來看看射出成形時模穴內(nèi)的剪變率分布。另一方面，在塑件中心層因為對稱性流動，使得材料之間的相對移動趨近于零，剪變率也接近零，如圖44（b）所示。射出成形制程的典型熔膠剪變范圍在102 ~105 1/s之間。聚合物分子鏈的運動能力隨著溫度升高而提高，如圖45所示，隨著剪變率升高與溫度升高，熔膠黏度會降低，而分子鏈運動能力的提升會促進較規(guī)則的分子鏈排列及降低分子鏈相互糾纏程度。材料的流變性質(zhì)將剪切黏度表示為剪變率、溫度與壓力的函數(shù)。射出壓力推動熔膠進入模穴以進行充填和保壓，熔膠從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，就如同水從高處往低處流動。假如模穴有良好的排氣，則最終會在熔膠波前處達到大氣壓力。圖46 壓力沿著熔膠輸送系統(tǒng)和模穴而降低模穴入口的壓力愈高，導(dǎo)致愈高的壓力梯度（單位流動長度之壓力降）。圖47熔膠速度與壓力梯度的關(guān)系　　根據(jù)古典流體力學(xué)的簡化理論，充填熔膠輸送系統(tǒng)（豎澆道、流道和澆口）和模穴所需的射出壓力與使用材料、設(shè)計、制程參數(shù)等有關(guān)系。使用P表示射出壓力，n 表示材料常數(shù)，~ 之間，則熔膠流動在豎澆道、流道和圓柱形澆口等圓形管道內(nèi)所需的射出壓力為：熔膠流動在薄殼模穴之帶狀管道內(nèi)所需的射出壓力為： 熔膠的流動速度與流動指數(shù)(Melt Index, MI) 有關(guān)，流動指數(shù)也稱為流導(dǎo)flow conductance），流動指數(shù)是熔膠流動難易的指標。流動指數(shù)隨著肉厚增加而降低，但是隨著熔膠黏度增加而降低，參閱圖49。圖48 射出壓力與使用材料知黏滯性、流動長度、容積流率和肉厚的函數(shù)關(guān)系圖49　流動指數(shù)相對于壁厚與黏度關(guān)系圖410　熔膠流動長度決定于塑件厚度和溫度將射出成形充填模穴的射出壓力相對于充填時間畫圖，通?？梢垣@得U形曲線，如圖411，其最低射出壓力發(fā)生在曲線的中段時間。要采用較長的充填時間，可以提供塑料較長的冷卻時間，導(dǎo)致熔膠黏度提高，也需要較高的射出壓力來充填模穴。圖411　射出壓力相對于充填時間之U形曲線最后必須指出，因為熔膠速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時候使得充填模穴的動力學(xué)變得非常復(fù)雜。高熔膠速度造成的高剪變率及高剪切熱可能會使黏度降低，結(jié)果使流動速度更加快，更提高了剪變率和熔膠溫度。421 影響射出壓力的因素圖 412針對影響射出壓力的設(shè)計與成形參數(shù)進行比較。充填模式對于塑件品質(zhì)有決定性的影響，理想的充填模式是在整個制程中，熔膠以一固定熔膠波前速度(melt front velocity, MFV)同時到達模穴內(nèi)的每一角落；否則，模穴內(nèi)先填飽的區(qū)域會因過度充填而溢料。圖413 計算機仿真之熔膠充填模式的影像431 熔膠波前速度與熔膠波前面積熔膠波前的前進速度簡稱為MFV，推進熔膠波前的剖面面積簡稱為 MFA，MFA可以取熔膠波前橫向長度乘上塑件肉厚而得到，或是取流道剖面面積，或者視情況需要而取兩者之和。當模穴剖面面積發(fā)生變化，縱使射出機維持了固定的射出速度，變化之熔膠波前速度仍可能先填飽模穴的部份區(qū)域。圖414 熔膠波前速度(MFV)和熔膠波前面積(MFA)?！　≡谏涑龀尚蔚某涮铍A段，塑料材料的分子鏈或是填充料會依照剪應(yīng)力之作用而發(fā)生配向。分子鏈和纖維的配向性取決于熔膠之流體動力學(xué)和纖維伸展的方向性。請參閱圖415之說明。充填時的MFV差異會使得塑件內(nèi)的配向性差異，導(dǎo)致收縮不同而翹曲，所以充填時應(yīng)盡量維持固定的MFV，使整個塑件有均勻的分子鏈配向性。不平衡流動的MFA會有突然的變化，當部分的模穴角落已經(jīng)充飽，部分的熔膠仍在流動。流動平衡時，熔膠波前面積有最小的變化，如圖 416所示。44 流變理論流變學(xué)(rheology)是探討材料受力后變形和流動的加工特性，包括剪變率、剪切黏度、黏彈性、黏滯熱、拉伸黏度等等。通常廠商比較常提供的塑料特性指標是流動指標MI (Melt index)，一般塑料的MI值大約介于1~25之間，MI值愈大，代表該塑料黏度愈小，分子重量愈小；反之，MI值愈小，代表該塑料黏度愈大，分子重量愈大。(注：黏度單位1 cp = Pa?s， cp = centipoise, Pa = N/m2)其它影響塑料性質(zhì)的因素包括分子量的大小及分子量分布、分子配向性、玻璃轉(zhuǎn)移溫度和添加物等。分子量大者璃轉(zhuǎn)移溫度Tg較高，機械性質(zhì)、耐熱性、耐沖擊強度皆提升，但是黏度亦隨分子量增大而提高，造成加工不易。(2) 玻璃轉(zhuǎn)移溫度(glass transition temperature, Tg)其意思即高分子鏈開始具有大鏈接移動，也就是脫離硬綁綁的玻璃態(tài)，開始較具延展性的溫度。(3) 分子配向性塑料材料原來的性質(zhì)會隨著外來的因素和作用力而改變，例如聚合物熔膠的黏度(表示材料流動阻力)隨分子量增加而增加，但隨溫度增加而減少。(4) 添加劑、填充材料、及補強材料對于聚合物的影響包括安定劑、潤滑劑、塑化劑、抗燃劑、著色劑、發(fā)泡劑、抗靜電劑、填充材料、及補強材料等等可以用來改變獲改善塑料的物理性質(zhì)和機械性質(zhì)。然而，塑件的機械性質(zhì)受到負荷種類、負荷速率、施加負荷期間長短、施加負荷的頻率、以及使用環(huán)境溫度變化與濕度變化等因素的影響，所以設(shè)計者必須將這些使用條件列入考慮。影響材料強度的因素包括塑件的幾何形狀、負荷、拘束條件、成形制程導(dǎo)致的殘留應(yīng)力和配向性。設(shè)計塑件時，應(yīng)該根據(jù)塑件承受的主要負荷來決定材料相關(guān)的強度。然而，由于拉伸試驗以外的其它測試程序先天上都有準確性的問題，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸試驗(tensile test)結(jié)果。圖51說明拉伸試驗棒和預(yù)設(shè)固定負荷下的變形量，其中，應(yīng)力(σ)與應(yīng)變(ε)的定義為：圖51 (a) 拉伸實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b) 于固定負荷下拉長至長度L。圖52 典型熱塑性塑料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖　　楊氏模數(shù)是應(yīng)力—應(yīng)變曲線起始直線部份的斜率。楊氏模數(shù)實際上是材料剛性(rigidity)的指標，它可以應(yīng)用于工程上簡化的線性運算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。彈性極限是圖 53的 I 點，它是材料承受應(yīng)變而仍能夠回復(fù)原形的最大限度。圖 53 局部之應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中，P點是比例極限， 經(jīng)常用作設(shè)計上的應(yīng)變限度?！　D 54顯示相同基底樹脂材料的兩種熱塑性復(fù)合物之應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其中一者添加了30%玻纖，另一者無填充料。無填充料的熱塑性塑料在降伏點以上產(chǎn)生拉伸現(xiàn)象，使應(yīng)力減小?！　∝摵伤俾剩ɑ驊?yīng)變率）及溫度對于塑料的應(yīng)力應(yīng)變行為有很大的影響。通常，在高負荷速率和低溫條件時，塑料材料顯得剛且脆；低負荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑料材料較具有撓性和延展性。然而，提高溫度會使得破壞應(yīng)力和降伏應(yīng)力降低。不定形塑料通過軟化區(qū)后呈現(xiàn)黏性流。不論所施加負荷的大小，只要持續(xù)地施加一定量負荷在塑料材料上，塑料材料就會連續(xù)地變形，這種長期間、永久性的變形稱為潛變(creep)，如圖56所示?！　∫O(shè)計承受長期負荷的塑件，必須使用潛變量據(jù)以確保塑件不會在壽命周期內(nèi)產(chǎn)生破壞、產(chǎn)生降伏、裂縫或是過量的變形。由于要針對各別設(shè)計塑件進行長期間的試驗并不可行，而且塑件將來使用期間的應(yīng)力與環(huán)境條件不容易進行長期間的預(yù)測，所以，往往必須從較短的潛變試驗數(shù)據(jù)執(zhí)行內(nèi)插和外插。這些曲線將取代短期的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，應(yīng)用于長期靜負荷之塑性設(shè)計?！　撟兡?shù)(creep modulus, Ec)可以應(yīng)用于固定應(yīng)力或應(yīng)力松弛計算。˙只要施加負荷的時間夠久，就可能發(fā)生破壞，此稱為應(yīng)力破裂(stress crack)?！　?yīng)力松弛是潛變的一種推論現(xiàn)象。塑料材料發(fā)生潛變的物理機構(gòu)也可以應(yīng)用于應(yīng)力松弛。513 疲勞　　當設(shè)計的塑件承受周期性的負載時，就應(yīng)考慮疲勞效應(yīng)(fatigue)。假如施加時間間距短，而且為長期的反復(fù)性負荷，應(yīng)該使用SN曲線進行設(shè)計。隨著反復(fù)性負荷的頻率數(shù)目增加，造成塑件因疲勞而破壞所須的應(yīng)力會降低?！　〖词怪皇┘雍苄〉膽?yīng)力，根據(jù)施加應(yīng)力的大小，材料承受反復(fù)性負荷時，可能在周期結(jié)束后無法恢復(fù)原狀。圖58 典型的撓曲疲勞SN曲線具有一個應(yīng)力忍耐限度，在此限度以下的應(yīng)力不會造成破壞。塑料的沖擊強度（或韌性）表示其抵抗脈