產品技術
一般而言,塑膠原料可大分為兩大類:「熱塑性塑膠」(Thermoplastic)及「熱固性塑膠」(Thermosetting)。
熱塑性塑膠在常溫下通常為顆粒狀,加熱到一定溫度後變成熔融的狀態,將其冷卻後則固化成型,若再次加熱則又會變成熔融的狀態,而可進行再次的塑化成型。因此,熱塑性塑膠可經由加熱熔融而反覆固化成型,所以熱塑性塑膠的廢料通常可回收再利用,亦即有所謂的「二次料」。相反的,熱固性塑膠則是加熱到一定溫度後變成固化狀態,即使繼續加熱也無法改變其狀態。
因此,熱固性塑膠無法經由再加熱來反覆成型,所以熱固性塑膠的廢料通常是不可回收再利用的。
其分類方式如下圖所示。
英文:UP(Unsaturated Polyester)、EP(Epoxy Resin)、PF(Phenolic Resin)、MF(Melamine Resin)、UF(Urea Resin)、SI(Silicone Resin)、PI(Polyimide)、PU(Polyurethane)、PABM(Polyamidebismaleimide)、BT(Bismaleimide-triazine)、 DAP(Polyarylphthalate)
以下列出數種常用塑膠原料之特性以供參考。
工程塑膠就是被用做工業零件或外殼材料的工業用塑膠,其強度、耐衝擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑膠。日本業界的定義為「可以做為構造用及機械零件用之高性能塑膠,耐熱性在100℃以上,主要運用在工業上」。
其性能包括:
1.熱性質:玻璃轉移溫度(Tg)及熔點(Tm)高、熱變形溫度(HDT)高、長期使用溫度高(UL-746B)、使用溫度範圍大、熱膨脹係數小。
2.機械性質:高強度、高機械模數、潛變性低、耐磨損、耐疲勞性。
3.其他:耐化學藥品性、優良的抗電性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。
被當做通用性塑膠者包括聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、聚醯胺(尼龍, Polyamide, PA)、聚縮醛(Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM)、變性聚苯醚(Poly Phenylene Oxide, 變性PPE)、聚酯(PETP,PBTP)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)、聚芳基酯,而熱硬化性塑膠則有不飽和聚酯、酚塑膠、環氧塑膠等。拉伸強度均超過50MPa,抗拉強度在500kg/cm2以上,耐衝擊性超過50J/m,彎曲彈性率在24000kg/cm2,負載撓曲溫度超過100℃,其硬度、老化性優。聚丙烯若改善硬度及耐寒性,則亦可列入工程塑膠的範圍。此外,較特殊者為強度弱、耐熱、耐藥品性優的氟素塑膠,耐熱性優的矽溶融化合物、聚醯胺醯亞胺、聚醯亞胺、Polybismaleimide、Polysufone(PSF)、PES、丙烯塑膠、變性蜜胺塑膠、BT Resin、PEEK、PEI、液晶塑膠等。因為化學構造不同,故耐藥品性、摩擦特性、電機特性等也有若干差異。且因成形性的不同,故有適用於任何成形方式者,亦有只能以某種成形方式加工者,造成應用上的受限。熱硬化型的工程塑膠,其耐衝擊性較差,因此大多添加玻璃纖維。工程塑膠除了聚碳酸酯等耐衝擊性大者外,通常具有延伸率小、硬、脆的性質,但若添加20~30%的玻璃纖維,則可有所改善。
塑膠之構造是由許多線狀、細長之高分子化合物組成的集合體,依分子成正規排列的程度,稱為結晶化程度(結晶度),而結晶化程度可用x線的反射來量測。有機化合物的構造複雜,塑膠構造更複雜,且分子鏈的構造(線狀、毛球狀、折疊狀、螺旋狀等)多變化,致其構造亦因成形條件不同而有很大的變化。結晶度大的塑膠為結晶性塑膠,分子間的引力易相互作用,而成為強韌的塑膠。為了要結晶化及規則的正確排列,故體積變小,成形收縮率及熱膨脹率變大。
因此,若結晶性越高,則透明性越差,但強度越大。
結晶性塑膠有明顯熔點(Tm),固體時分子呈規則排列,強度較強,拉力也較強。熔解時比容積變化大,固化後較易收縮,內 應力不易釋放出來,成品不透明,成形中散熱慢,冷模生產之日後收縮較大,熱模生產之日後收縮較小。相對於結晶性塑膠,另有一種為非結晶性塑膠,其無明顯熔點,固體時分子呈不規則排列,熔解時比容積變化不大,固化後不易收縮,成品透明性佳,料溫越高色澤越黃,成形中散熱快,以下針對兩者物性進行比較。
MI的全名為「熔液流動指數」(Melt Flow Index),簡稱「熔融指數」(Melt Index),是一種表示塑膠材料加工時流動性的數值。它是美國量測標準協會(ASTM)根據美國杜邦公司(Du Pont)慣用的鑑定塑膠特性之方法制定而成,其測試方法是使塑膠粒在一定時間(10分鐘)內,一定溫度及壓力(各種材料標準不同)下,融化之塑膠流體,通過一直徑2.1mm圓管所流出之克數。其值越大,表示此塑膠材料之加工流動性越佳,反之則越差。最常使用之測試標準為ASTM D 1238,該測試標準的量測儀器-熔液指數計(Melt Indexer)的結構如下:將待測高分子(塑膠)原料置入小槽中,槽末接有細管,細管直徑為2.095mm,管長度為8mm。加溫至某溫度後,原料上端藉由活塞施加某一定重量向下壓擠,量測該原料在10分鐘內所被擠出的重量,即為該塑膠的流動指數。所以有時您會看到如下的表示法25g / 10min,清楚的表示其MI為25,且是在10分鐘內擠出25g之意。一般常用的塑膠其MI值大約介於1~25之間,MI愈大,代表該塑膠原料黏度愈小及分子重量愈小。而MI愈小,代表該塑膠黏度愈大及分子重量愈大。
「玻璃轉移溫度」(Glass transition temperature,Tg ),為轉移溫度(Transition temperature)的一種,當聚合物在Tg時,會由較高溫所呈現的橡膠態,轉至低溫所呈現出似玻璃又硬且易脆的性質。
結晶性塑料有明顯的Tg及潛熱值,聚合物會呈現塑膠態或橡膠狀態全視Tg與當時使用時的溫度而定,故Tg為聚合物在使用上的重要指標。
以下列舉數種塑料之Tg值。
「熔點」(Melting point,Tm),又稱可加工溫度,為轉移溫度(Transition temperature)的一種。
以下列舉數種塑料之Tm值。
「熱變形溫度」(Heat deflection temperature, HDT)顯示塑膠材料在高溫且受壓力下,能否保持不變的外形,一般以熱變形溫度來表示塑膠的短期耐熱性。
若考慮安全係數,短期使用之最高溫度應保持低於熱變形溫度10℃左右,以確保不致因溫度而使材料變形。最常用的熱變形測定法為ASTM D648試驗法(在一標準試片的中心,例如:127×13×3mm,置放455kPa或1820kPa負載、以2℃/min條件升溫直到變形量為0.25mm時的溫度。)對非結晶塑料,HDT比Tg小10~20℃;對結晶塑料,HDT則接近於Tm。通常加入纖維補強後,塑料的HDT會上升,因為纖維補強可以大幅提升塑料的機強度,以致在升溫的耐撓曲測試時,會呈現HDT急劇升高的現象。
以下列舉幾項常用塑膠原料之HDT比較。
收縮率係指塑膠製品冷卻固化經脫模成形後,其尺寸與原模具尺寸間之誤差百分比,可依ASTMD955方法測得。
在塑膠模具設計時,須先考慮收縮率,以免造成成品尺寸的誤差,導致成品不良。以下列舉幾項常用塑膠原料之收縮率比較。
熱塑性塑膠
下表列出數種常用塑膠原料的應用範圍:
下表列出數種塑膠原料的成型條件:
射出模具可分為「熱澆道模具」及「冷澆道模具」兩大類,前者又稱為「無澆道式模具」,其將加熱器插入豎澆道或澆道部分,不使此部分的熔融樹脂凝固,保持流動狀態,在每次射出時,使澆道部分殘留模具,只取出成品,亦即澆道內的熔膠在模穴內冷卻過程中維持熔融狀態,不隨模穴內的熔膠一併冷卻,開模後只有成品取出。而後者之澆道內的熔膠隨模穴內的熔膠一併冷卻,開模後一起取出,其又分為「冷澆道二板式模具」及「冷澆道三板式模具」兩種。
「冷澆道二板式模具」,開模後成品與澆道一取取出,除了使用潛伏式澆口之外,其成品與澆道是相連的;「冷澆道三板式模具」,開模後成品也是與澆道一起取出,但大都使用點狀澆口,故其成品與澆道會自動分離。兩者的差異在於「冷澆道三板式模具」分模面在另一平面配置澆道,每次開模時,打開此面取出澆道,亦即除了公模(Core)及母模(Cavity)的兩模板(Plate)外,插入一塊澆道剝脫板,模具主要部分由此三塊模板構成,而固定部的模板與澆道剝脫板就在固定部安裝板的長導銷上滑動。以下介紹其優缺點:
在塑膠射出成型時,利用特殊方法保持豎澆道(Sprue)、橫澆道(Runner)之塑膠於熔融狀態,成品脫模時,澆道仍保持在塑模中,此即所謂熱澆道射出成型。其優缺點如下所示:
從密閉的母模取出成型品時,須將模具分割為二,此打開處稱為「分模面」(Parting Line, P.L.),又稱為「分割面」或「分模線」。以此面為界,固定的部分稱為固定模或母模,可動的部分稱為可動模或公模。一旦決定產品分模面位置,即可初步決定母模穴及公模心的外形,以及是否須要側向心型,可藉以了解模具設計的難易度。在選定分模面時,須注意下列事項:
1.選擇不顯眼的位置或形狀,以免影響成型品外觀。
2.打開模具處應避免死角,以免增加模具成本。
3.應位於可貫通加工、容易加工或成品易於整修之位置。
4.須考慮澆口位置或形狀。
澆道系統的功用是導引熔融的塑料,從射出機的射嘴射入模穴中。此系統包括豎澆道(sprue)、主澆道(main runner)、次澆道(branch runner)、澆口(gate)等。澆道系統的設計及製作是否適當,對於成品的品質、精度、外觀及成型週期皆有很大的影響。「豎澆道」即塑料澆注之入口,為了便於脫模,一般都會設計2°~4°的斜角。「主澆道」及「次澆道」為塑料進入模穴之前所流經的路徑,因此流動性及溫度損失必須特別加以考量。「澆口」為塑料由澆道進入模穴的關口,澆口的設計對於成品的成型及內應力有極大的影響。詳細的澆道系統請參閱下圖。