【正文】 塑料以小球狀或顆粒狀販?zhǔn)?，它們?cè)趬毫ο录訜崛刍绅こ頎盍黧w，冷卻時(shí)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(duì)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(jī)械強(qiáng)度、較佳的耐熱性、較高的沖擊強(qiáng)度等改善性能，因此價(jià)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(jī)械裝置中取代其它金屬材料用途之塑料，亦即使用為機(jī)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(qiáng)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(diǎn)。性質(zhì)l 透明l 抗化學(xué)性差l 成形時(shí)體積收縮率低l 通常強(qiáng)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(shí)體積收縮率高l 強(qiáng)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(diǎn)。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(dòng)。隨著溫度繼續(xù)降低，其結(jié)晶度增加，強(qiáng)度也增加，透明度澤降低。因?yàn)樵谡５募庸こ绦蚝茈y獲得100%結(jié)晶，結(jié)晶性塑料通常呈現(xiàn)半結(jié)晶，它同時(shí)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(dāng)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(huì)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(shì)。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(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)高的使用溫度和較佳的尺寸穩(wěn)定性。　　在成形之前，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(huì)阻止分子鏈之間的滑動(dòng)，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(xì)，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(bǔ)強(qiáng)料　　添加劑(additives)、填充料(fillers)和補(bǔ)強(qiáng)料(reinforcements)是用來改變或改善塑料的物理性質(zhì)和機(jī)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(qiáng)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(qiáng)度，特別是壓縮強(qiáng)度。? 改善耐溶劑性。C／176。C／176。C／176。纖維補(bǔ)強(qiáng)料可以相當(dāng)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(huì)有很大差異，在垂直方向的模數(shù)會(huì)與無添加纖維的塑料之模數(shù)接近?！　∫?yàn)槔w維的配向性隨著流動(dòng)方向、肉厚方向、縫合線位置而變化，為了預(yù)測(cè)塑件的性質(zhì)，預(yù)測(cè)這些配向性就愈顯重要。當(dāng)黏性流體流動(dòng)時(shí)，部分驅(qū)動(dòng)能量將會(huì)轉(zhuǎn)變成黏滯熱而消失；然而，彈性固體變形時(shí)，會(huì)將推動(dòng)變形的能量儲(chǔ)存起來。除了這兩種的材料流動(dòng)行為，還有剪切和拉伸兩種流動(dòng)變形，如圖41 (a)與(b)。另外，當(dāng)熔膠流經(jīng)一個(gè)尺寸突然變化的區(qū)域，如圖41(d)，拉伸流動(dòng)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(huì)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?zhǔn)瓜到y(tǒng)于施加外力或解除外力時(shí)表現(xiàn)出彈性固體般的行為。因?yàn)榫酆衔锵到y(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(huì)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(dòng)開放管線內(nèi)的水，水的流動(dòng)速率也倍增?！　〗榻B了剪切黏度的觀念，再來看看射出成形時(shí)模穴內(nèi)的剪變率分布。另一方面，在塑件中心層因?yàn)閷?duì)稱性流動(dòng)，使得材料之間的相對(duì)移動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(huì)降低，而分子鏈運(yùn)動(dòng)能力的提升會(huì)促進(jìn)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(dòng)熔膠進(jìn)入模穴以進(jìn)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(dòng)。假如模穴有良好的排氣，則最終會(huì)在熔膠波前處達(dá)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(dòng)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(jì)、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(dòng)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(dòng)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(dòng)速度與流動(dòng)指數(shù)(Melt Index, MI) 有關(guān)，流動(dòng)指數(shù)也稱為流導(dǎo)flow conductance），流動(dòng)指數(shù)是熔膠流動(dòng)難易的指標(biāo)。流動(dòng)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(dòng)長度、容積流率和肉厚的函數(shù)關(guān)系圖49　流動(dòng)指數(shù)相對(duì)于壁厚與黏度關(guān)系圖410　熔膠流動(dòng)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(duì)于充填時(shí)間畫圖，通常可以獲得U形曲線，如圖411，其最低射出壓力發(fā)生在曲線的中段時(shí)間。要采用較長的充填時(shí)間，可以提供塑料較長的冷卻時(shí)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(duì)于充填時(shí)間之U形曲線最后必須指出，因?yàn)槿勰z速度（或剪變率）、熔膠黏度與熔膠溫度之間交互作用，有時(shí)候使得充填模穴的動(dòng)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(huì)使黏度降低，結(jié)果使流動(dòng)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(duì)影響射出壓力的設(shè)計(jì)與成形參數(shù)進(jìn)行比較。充填模式對(duì)于塑件品質(zhì)有決定性的影響，理想的充填模式是在整個(gè)制程中，熔膠以一固定熔膠波前速度(melt front velocity, MFV)同時(shí)到達(dá)模穴內(nèi)的每一角落；否則，模穴內(nèi)先填飽的區(qū)域會(huì)因過度充填而溢料。圖413 計(jì)算機(jī)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(jìn)速度簡稱為MFV，推進(jìn)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(dāng)模穴剖面面積發(fā)生變化，縱使射出機(jī)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)。　　在射出成形的充填階段，塑料材料的分子鏈或是填充料會(huì)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(dòng)力學(xué)和纖維伸展的方向性。請(qǐng)參閱圖415之說明。充填時(shí)的MFV差異會(huì)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(shí)應(yīng)盡量維持固定的MFV，使整個(gè)塑件有均勻的分子鏈配向性。不平衡流動(dòng)的MFA會(huì)有突然的變化，當(dāng)部分的模穴角落已經(jīng)充飽，部分的熔膠仍在流動(dòng)。流動(dòng)平衡時(shí)，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(dòng)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(biāo)是流動(dòng)指標(biāo)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??；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(jī)械性質(zhì)、耐熱性、耐沖擊強(qiáng)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(dòng)，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(huì)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(dòng)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(bǔ)強(qiáng)材料對(duì)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(bǔ)強(qiáng)材料等等可以用來改變獲改善塑料的物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)。然而，塑件的機(jī)械性質(zhì)受到負(fù)荷種類、負(fù)荷速率、施加負(fù)荷期間長短、施加負(fù)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(jì)者必須將這些使用條件列入考慮。影響材料強(qiáng)度的因素包括塑件的幾何形狀、負(fù)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(jì)塑件時(shí)，應(yīng)該根據(jù)塑件承受的主要負(fù)荷來決定材料相關(guān)的強(qiáng)度。然而，由于拉伸試驗(yàn)以外的其它測(cè)試程序先天上都有準(zhǔn)確性的問題，使得塑料材料往往只提供短期的拉伸試驗(yàn)(tensile test)結(jié)果。圖51說明拉伸試驗(yàn)棒和預(yù)設(shè)固定負(fù)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(shí)驗(yàn)棒截面面積A，原始長度L0；(b) 于固定負(fù)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(shí)際上是材料剛性(rigidity)的指標(biāo)，它可以應(yīng)用于工程上簡化的線性運(yùn)算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。彈性極限是圖 53的 I 點(diǎn)，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(diǎn)是比例極限， 經(jīng)常用作設(shè)計(jì)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(diǎn)以上產(chǎn)生拉伸現(xiàn)象，使應(yīng)力減小?！　∝?fù)荷速率（或應(yīng)變率）及溫度對(duì)于塑料的應(yīng)力應(yīng)變行為有很大的影響。通常，在高負(fù)荷速率和低溫條件時(shí)，塑料材料顯得剛且脆；低負(fù)荷速和高溫條件時(shí)，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(huì)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(fù)荷的大小，只要持續(xù)地施加一定量負(fù)荷在塑料材料上，塑料材料就會(huì)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。　　要設(shè)計(jì)承受長期負(fù)荷的塑件，必須使用潛變量據(jù)以確保塑件不會(huì)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(duì)各別設(shè)計(jì)塑件進(jìn)行長期間的試驗(yàn)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(jìn)行長期間的預(yù)測(cè)，所以，往往必須從較短的潛變?cè)囼?yàn)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(fù)荷之塑性設(shè)計(jì)。　　潛變模數(shù)(creep modulus, Ec)可以應(yīng)用于固定應(yīng)力或應(yīng)力松弛計(jì)算。˙只要施加負(fù)荷的時(shí)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(jī)構(gòu)也可以應(yīng)用于應(yīng)力松弛。513 疲勞　　當(dāng)設(shè)計(jì)的塑件承受周期性的負(fù)載時(shí)，就應(yīng)考慮疲勞效應(yīng)(fatigue)。假如施加時(shí)間間距短，而且為長期的反復(fù)性負(fù)荷，應(yīng)該使用SN曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著反復(fù)性負(fù)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(huì)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(fù)荷時(shí)，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(gè)應(yīng)力忍耐限度，在此限度以下的應(yīng)力不會(huì)造成破壞。塑料的沖擊強(qiáng)度（或韌性）表示其抵抗脈沖負(fù)荷的能力。塑料材料承受高速的負(fù)荷時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出脆性而沒有拉伸的傾向?！　∷芰喜牧铣惺軟_