星期一, 5月 16

    塑胶材料的特性与选用

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    ■长华塑胶/ 伊志鸿

    摘要

    塑胶材料的特性选用,必须搭配著设计应用,本篇文章 主要讨论塑胶材料的测试,以及部分添加剂添加后对塑胶材料造成的物性改变方向,本文编排顺序依照材料物 性表测试排序。 分別探讨项目为:

    .机械特性—拉伸测试 .冲击特性—冲击测试
    .温度特性—热变形;长时间工作温度;玻璃转化温度; 热传导。
    .物理特性—比重;模收缩率;表面硬度;摩擦力。
    .光学特性—光穿透;光反射;IR遮蔽;蓝光遮蔽;光 扩散。 机械特性-拉伸测试
    .拉伸测试主要测试结果以以下几项数据显现。
    . TensileStress(拉伸应力),yld(降伏点),TypeI(试片 规格1),50mm/min(拉伸速度)
    . TensileStress(拉伸应力),brk(断裂点),TypeI(试 片规格1),50mm/min(拉伸速度)
    . TensileStrain(拉伸应变or拉伸延展),yld(降伏点), TypeI(试片规格1),50mm/min(拉伸速度) . TensileStrain(拉伸应变or拉伸延展),brk(断裂点), TypeI(试片规格1),50mm/min(拉伸速度)
    . TensileModulus( 拉伸模量 or 杨式系数 ),50mm/ min(拉伸速度)

    1.材料被固定夹持后,机具会使用固定的速度往上拉。

    2.拉伸时材料会抵抗拉力,所以会有反作用力。 (实际纪录的数值为反作用力)

    3.曲线代表承受固定力量(Y轴)时的变形量(X轴)。 或是被拉长到固定变形量(X轴)时需要的力量(Y轴)。

     

    图 1: 添加物的种类有树种, 如玻璃纤维 ; 碳纤维 ; 云母片 ..Etc                                      图 2: 测试为三个阶段

    阶段1.在材料达到降伏点前(Yld),力量与变形量会是 一个固定斜率(直线)。此线段的斜率就是杨式系数, 或是拉伸模数。
    阶段2。当力量或是变形量超过降伏点(Yld)时,材料 会产生永久变形,此时将力量放掉材料无法回弹回原 点。 (0。2%的永久变形)

    阶段3。当过了降伏点,持续拉伸,材料会变形(试 片变长),因此力量会往下掉(某些材料较明显),或 是因为试片面积变小承受的力量变小,直到试片破 裂。此测试通常用于评估材料的是否能够承受足够的 力量不变形,或是不会因拉伸而破裂。 使用填充物虽会让拉伸应力变高,但是延展性却会变 得非常差,杨式系数变高。添加物的种类有树种,如 玻璃纤维;碳纤维;云母片…Etc。

    图3: 冲击试验机

    冲击特性—冲击测试

    Izodimpact测试已经是比较材料耐冲击性的标準,一 般多以在试片上做”缺口(notched)”之试片的测试 结果作为参考。此试验会将标準尺寸的试片夹在测试 夹具上,让摆锤以钟摆方式落下击断试片,并以撞击 后摆锤摆荡的角度计算撞击时能量损耗多少,即材料 受冲击所吸受的能量 测试的显示数值如下所示

    温度特性

    温度特性—热变形;长时间工作温度;玻璃转化温 度;热传导。讲到温度特性需要先将热塑性塑胶材料 再细分为非结晶性塑料(amorphous),以及结晶性塑 料 (crystallinepolymer)。其中最大的差异在于 Tg 以 及Tm的差异。 Tg点:通常用于非结晶性材料,有明确的Tg点 结晶性材料则因上一次的冷却状态会直接影响Tg点, 在结晶性材料的Tg点会移动,因此一般不谈结晶性 材料的Tg

    图4: 非结晶性材料的温度测试排列

    非结晶性塑料(amorphous)的材料特性

    .化学性敏感高
    .适度耐热温度
    .冲击强度较高
    .较低模收缩率
    .均匀物性 非结晶性材料:PC;M-PPO;PEI;PC/ABS… 非结晶性材料的温度测试排列


    *1:RTI有三种测试,有时会介于HDT上下。 *2:维卡软化点测试的结果与Tg点较接近,可将为卡 软化点近视同为Tg。

    图5: 结晶性材料的温度测试排列

    结晶性(crystallinepolymer)

    .抗化学性较高 (每种塑胶基材还是有不同的酸硷抗性)
    .缺口效应敏感 .模收缩率较大 .耐疲劳性   .耐磨耗性 结晶性材料:PBT;PPS;POM… 结晶性材料的温度测试排列


    *1:RTI有三种测试,有时会介于HDT上下 提高耐温特性,添加填充物,或是其他基材或是物质 合金(Alloy):

    A:添加填充物:玻璃纤维,碳纤维,云母…

    B:Alloy:PEI或其他耐温性较高的基材

    *添加填充物的方式,在结晶性材料的耐温性提升效 果会优于非结晶性材料。”

    物理特性
    1.比重高低:
    低比重材料:用于轻量化设计,或是省钱。 高比重材料:用于需要让产重量更重。 比重的增加有两种方式:
    1-1.Alloy比重较高的基材。
    1-2.添加填充物: GF,CF,或是金属粉末。 比重的减低有材料或是制程方式可以达成: 发泡剂,或是使用 MuCell。 MuCell是一项专利,必须要搭配成型机台使用。

    2.模收缩率:
    -模收缩率:Flow方向→因有条状物支撑收缩,此 方向的收缩率会较小;XFlow方向→某些填充物在 XFlow方向的支撑虽没有Flow方向的体积大,但是 还是会降低一部分的收缩率。

    模收缩率的变化会引起做变形或翘曲,模收缩率越 低,变形的可能性越低。

    非结晶性材料:flow&Xflow收缩率差异不大。

    结晶性材料 : 因有分子配向性,:flow&Xflow 差异较 大。

     

    图6: 模收缩率图                                                                             7: 条状填充物及片状填充物

    填充物

    2-1.条状: 玻璃纤维,碳纤维,Flow 方向→因有条状 物支撑收缩,此方向的收缩率会较小。
    X Flow方向→填充物在X Flow方向的支撑虽没有 Flow方向的体积大,但是还是会降低一部分的收缩率.
    2-2.片状: 云母片

    2-3.球状:玻璃珠

    3.表面硬度: 材质本身的表面硬度,此部分通常使用 Allow硬度较高的基材,或是改变分子炼结的方式。
    4.摩擦系数:材质本身的摩擦力,有分”动摩擦”与” 静摩擦”两种。
    3 & 4合称为材料本身的耐磨耗性..

    光学特性

    1. 光 穿 透 : 光 的 穿 透 性, 一 般 为 基 材 本 身 的 特 性。 光 学 特 性 之 一 ” 穿 透 ” 材 料 物 性 表 中 以”LightTransmission”描述。指材料法线穿过物质 的比率。

     

    图 8: 左:穿透的测试模式 右:折射率的说明(左1.2)

    图 9: 左 高通 右 : 带通 – 目前的较多运用于遥控器,遮蔽自然的可见光避免误动作造成干扰,

    雷射熔接的穿透零件(右3.4)

    2.光学特性之一”折射”:当光折射的角度接近90度 时,反射的数值接近反射(Reflectance),衍伸的另一 个功能为遮光。在材料的应用中,最常使用的添加剂 为Tio2。
    3.光学特性之一”IR遮蔽或穿透特性”:利用材料添 加物造成不同的波段遮蔽以及穿透,类似滤波器,可 分成高通;低通;带通目前的较多运用于遥控器,遮 蔽自然的可见光避免误动作造成干扰。雷射熔接的穿 透零件。
    4.光学特性之一”扩散”用于光均匀分布的用品,如 LEDLens,灯管,球泡灯壳,希望光源能够均匀的散 照在更大的角度。■

    图 10: 光扩散的模式

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