材料特性

本章目的：介绍材料特性。

1.1          塑胶特性

1.1.1          塑胶三态的微观结构

1. 玻璃态

处于玻璃态下的塑胶分子，链段运动基本上处于停止的状态，分子在自身的位置上振动，分子链缠绕成团状或卷曲状，相互交错，紊乱无序。在玻璃态时分子的聚集状态如下图所示：

      

图表1 非结晶及结晶形态变化

 

当受到外力作用时，分子链段仅作瞬间微小伸缩和键角改变。整个塑胶形体具有一定的刚性和强度（抗张强度、抗弯强度等）。在这种形态下，塑胶件可以被使用或进行机械加工（如：切削、钻孔、铣刨等）。

一般非结晶形塑胶（如：聚苯乙烯、有机玻璃、聚碳酸酯等），其玻璃化温度高于室温，我们可以将原料颗粒、定型了的制件视为玻璃态。至于聚乙烯、聚丙烯等“软”性塑胶，事实上也存在着“硬”性的玻璃态。这类塑胶中的非结晶部分，玻璃态温度比室温低很多（-123～-85℃），在玻璃态温度以上处于高弹态，表现为柔性，而结晶部分熔点又比室温为高（137℃），因晶格能的束缚，链段不能自由活动，表现为刚性，所以也能作为具有固定形状的塑胶使用。

1. 高弹态

处于高弹态下的塑胶分子，动能增加，链段展开成网状，但分子的运动仍维持在小链段的旋转，链与链之间不发生位置移动。受外力作用时可产生缓慢形变，当外力除去后，又慢慢恢复原状。在这种状态下，塑胶具有一种类似橡胶的弹性，所以又称橡胶态。通常称为弹性或橡胶体的高聚物，便是在室温下处于高弹态的高聚物。

高弹态有两个特点：

（1）在较小作用力下可产生较大变形，外力解除后能恢复原状。

（2）高弹形变并非瞬间发生，而是随时间逐渐发展。与普通的弹性形变不同，在同样外力作用下，形变要延迟一段时间才能完成，而且形变量大，松弛性也较明显。

1. 粘流态

处于粘流态下的塑胶分子，网状结构已经解体，大分子链与链之间，链段与链段之间都能够自由移动。可以说，这是塑胶的“液体”存在的形式，只是粘性大，物理构成不同，力学性质不同。当给予外力时，分子间很容易相互滑动，造成塑性体的变形，除去外力便不再恢复原状。

 

1.1.2          塑胶的工艺特性

1. 分子取向

塑胶成型加工过程中，有一个取向现象值得注意。我们先看一下塑胶实际上是如何流入成型模具的，这将有助于了解塑胶表面和芯部方向性的产生原因。如下图所示

1-注塑机料筒；2-树脂注入模具（实际上由主流道、浇口组成）；3-模具（型腔内部）

4-中心处流速较快的部分；5-沿模腔壁面而流速极慢的部分；6-取向而拉伸展开的树脂分子；7-缠绕在一起的树脂分子

图表2 注塑时发生的熔料流动引起的分子取向（定向作用）

 

当液体状态下的塑胶在注塑机中受力的作用下，高速通过射嘴及模具的流道时，长线形的高分子会顺着流动方向作相互平行的排列，一旦这些排列在塑胶冷却固化之前来不及消除而留在了固态塑胶制件之中，分子的取向及因此而形成的取向效应便保持下来。

一般来说，取向作用会使制件的整体性遭受削弱，表现为塑件内部各处的物理机械性能不均衡。由于分子排列的结果，与分子链相垂直的方向，强度将差于平行方向。显然，当这种取向强烈时，制件很可能出现翘曲变形或开裂，同时内应力非常大。

1. 熔体黏度

熔体黏度是反映塑胶熔体流动的难易程度的特性，是熔体流动阻力的度量，黏度越高，流动阻力越大，流动越困难。下图为各种树脂的熔融黏度和温度、压力的关系。

 

 

图表3 塑胶熔体黏度与压力的关系

 

 

图4 剪切速度/s-1

从图24可以看出，这些塑胶中大部分是随着温度的增加黏度急剧下降的，因此曲线的斜率较大，而PE及POM树脂则对温度不敏感。以下是常用材料黏度对温度的敏感程度：

①、对温度不敏感的材料：PS，PE，SAN。在加工温度范围黏度保持均匀，稳定。

②、  对温度相当敏感的材料：PC，PVC，PMMA。特别对于厚薄不均的塑件，加工不易控制。

③、  低温时较敏感，高温时较不敏感的材料：POM，ABS此类塑胶在高温下加工能得到较均匀的黏度和产品品质。

④、  低温时不敏感，高温时较敏感的材料：PA，PC。

图25和图26表示测定时因加压引起速度（称之为剪切速度）变化时，各树脂熔体黏度的变化情况。从图25可知，聚苯乙烯及各种聚乙烯树脂的熔体黏度随速度的增加表现出急剧下降的倾向，而尼龙、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸酯的熔体黏度则对速度不敏感。图26中把热塑性聚酯和聚丙烯作了比较，如在100cm/S的低速度区域，当剪切速度改变时热塑性聚酯的黏度几乎不变，而聚丙烯树脂的黏度则随剪切速度的增加而急剧下降。对剪切速率敏感的材料,可设计成小浇口，借着快速填充，小浇口处会提高剪切速率并产生大量剪切热，降低材料黏度，大大的改善材料的流动性，有利于充填型腔。以下是常用材料黏度对剪切速率的敏感程度：

①、  a.对剪切速率敏感的材料：PE, PP, ABS, PVC, PS, PMMA, POM。

②、  b.对剪切速率不敏感的材料：PET， PC。

热塑性塑胶存在这样一种倾向，如果其熔体黏度对温度敏感的话对剪切速度就表现得不敏感；相反，对剪切速度敏感的话对温度就不敏感。唯一例外的树脂是聚苯乙烯，它的熔体黏度不仅对温度敏感而且对剪切速度也敏感。

序号	名  称	熔点温度（℃）	压力变化范围/MPa	黏度增大倍数
1	P  S	131～165	0～126.6	134
2	A B S	130～160	14～175.8	100
3	P  E	105～136	0～126.6	14
4	HDPE	105～137	14～175.8	4.1
5	LDPE	105～125	14～175.8	5.6
6	MDPE	110～120	14～175.8	6.8
7	P  P	160～176	14～175.8	7.3

图表27 压力对塑胶熔体黏度的影响（示例）

 

1. 结晶度

热塑性树脂固体中的分子聚集状态有疏有密,可以把致密的部分称为结晶部分,而把过疏的部分称为非晶部分,大多数的聚合物都会有某种程度的结晶部分；因此，我们把结晶部分的含有率称为结晶度。但一般而言，像尼龙、热塑性聚酯那样具有官能基的聚合物，或像聚丙烯、聚乙烯等分子排列较规整的聚合物，它们的结晶度较高，而共聚物或混合的聚合物等其结晶度较低。一般聚合物的实际结晶度比其固有的结晶度要低，因此，其结晶度可以通过热处理或提高模温的方法得到提高。

结晶度高的聚合物其强度增加、伸长率下降、体积减小。塑胶的结晶度越高，其密度就大，熔融温度（熔点）也越高，而且强度大，透明性低，伸长率小。可见结晶度和物性有着紧密的关系，各种树脂在拉伸特性上的变化和该树脂在成型加工过程中产生的结晶化的差异有关。而且结晶化的差异越大，聚合物其拉伸特性的变化幅度也越大。

结晶性较好的聚合物会因其结晶化的进行而产生体积收缩，进而影响其制品的尺寸稳定性。因此，必须设法在加工时尽可能使其结晶度提高到固有的结晶度，以防止后收缩引起制品的尺寸稳定性。现实上，为了改善制品的尺寸稳定性，常在树脂中添加一些能起结晶化的促进剂（成核剂）。

1.1.2         塑胶的主要物理性能

1. 吸水性：有的塑胶材料具有很强的吸湿倾向，因为他们含有极性亲水基团，如ABS、PMMA、PA、PC、聚砜、聚苯醚等；但也有不易吸湿的塑胶材料，这类材料多数是属不含极性亲水基团的，如聚烯烃类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛、聚氯醚等。吸收水份以后影响其外观及性能，吸水率用重量表达时，常以%表示。大部分塑胶材料在注塑加工前都需要进行干燥，胶料供应商都会给出干燥时间及温度的要求值。除湿烘干机衡量干燥程度的另一个重要参数就是露点，露点值如果是-40℃，则表示烘箱内湿度相当于-40℃时饱和湿度。例如Eastman MXF121材料要求露点值小于-40℃。
2. 蠕变性：是指在一定的温度、湿度条件下，塑胶在固定的外力持续作用下，随时间变化所表现出的特征，这种变形的特征随增加载荷而增加，随减少载荷而减少，其变形亦逐渐恢复。蠕变的来源有拉伸蠕变、压缩蠕变、弯曲蠕变等。
3. 玻璃化温度：塑胶由熔融可流动温度降低至固态时的温度称为玻璃化温度；此时分子链段基本上不能运动，链节内部旋转扣紧也很困难，只有原子之间的少许移动拉伸及有普通的弹性变形，所以此时的塑胶会有很大的脆性。
4. 分解温度：是指塑胶在受热时大分子链断裂时的温度，同时是鉴定塑胶耐热性的指标之一；当熔料温度超过分解温度时，大部分熔料会呈现发黄的颜色，且制品的强度会大大降低。
5. 熔融指数（MFI）MI：是指热塑性塑胶在一定温度和压力下，熔体在10分钟时间内通过测试器的小孔所流出的熔料重量，单位是以克/10分钟表示。
6. IV值（高聚物的稀释溶液的粘度ASTM+D+2857）：是指塑胶在某种溶剂（有剧毒，目前在美国有测试机构，Eastman可以做此测试）溶解，再通过毛细管，测其通过毛细管后的重量，来得到塑料分子通过毛细管的量来衡量其流动性能。此测量值会比MI值准确，尼龙料的流动能力就是通过IV值来衡量，尼龙流动性太好，很难用MI值测量。Eastman MXF121材料因其吸水性强，Eastman认为测MI值时水份对测量结果影响大，故他们推荐用IV值来衡量其流动性能。
7. 成型收缩率：是指热塑性塑胶在模具中成型时，冷却后脱模出的成型品，必有收缩现象，即成型品小于模腔尺寸。
8. 其他机械性能参数：有拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、疲劳强度、耐热性、耐燃烧性、耐老化性、耐化学性等。