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壹、塑料的來源

塑料工業屬於高分子工業，是石化工業的壹部分，具有關聯度高、是多層次加工的特點。塑料是以石油或天然氣為原料，經過提煉、裂解成各種石油化工原料（單體），再通過聚合反應（加成聚合或縮合聚合）聚合成高分子樹脂。各類塑料經過逐步加工，生產出各種下遊產品，包括橡膠、塗料、粘合劑、合成纖維、合成樹脂等。

二、塑料的定義

塑料是以石油或天然氣為原料，經過合成得到的高分子樹脂。所謂高分子樹脂就是單體化合物經過聚合反應，聚合合成的高分子聚合物，其分子量可以達到幾千甚至上百萬。在高分子領域的分類中，分子量未達到 1000 的稱為低分子量，分子量在 1000 到 10000 之間的稱為準分子或低聚物（Oligomer），分子量超過 10000 的稱為聚合物（Polymer）。常用於成型的塑料的分子量約為 10,000 至 1,000,000 之間，而分子量低於 10,000 的低聚物常用於紡織樹脂、塗料、粘合劑、合成樹脂等。因此，並非所有的聚合物都能以相同的方式使用。因此，並不是所有的高分子聚合物都可以作為塑料使用，事實上，根據其分子量、分子結構、官能團、玻璃化溫度（Glass transition temperature，簡稱 Tg）等因素的不同，塑料會隨著溫度的升高和分子間鍵合的進行而呈現出玻璃態、橡膠態、熔融橡膠態等變化。

塑料名稱 分子量 M/W.C

聚乙烯 PE4000

聚異丁烯 PIB17000

聚乙烯醇 PVA29200

聚苯乙烯 PS38000

聚丙烯酸樹脂 PMMA10400

三、塑料的種類

壹般來說，塑料可分為玻璃態、橡膠態、熔融態和膠合態等多種。

熱塑性塑料在常溫下通常呈顆粒狀，加熱到壹定溫度後變成熔融狀，冷卻後會凝固成型，如果再次加熱就會變成熔融狀，可以再次塑化成型。因此，熱塑性塑料可以反復加熱熔融固化，所以熱塑性塑料的廢料通常可以回收再利用，被稱為 "二次材料"。熱塑性塑料分為通用塑料（如 PE、PP、PS、PVC、ABS 等）、工程塑料（如 PC、PA、POM、PBT、PPO、PPS、LCP 等）和合金（如 PC/ABS 等）。

另壹方面，熱固性塑料在加熱到壹定溫度後會固化，即使繼續加熱，也無法改變其狀態。因此，熱固性塑料無法再次加熱重復成型，所以熱固性塑料垃圾通常無法回收。

四、工程塑料的定義及其特點

工程塑料是指用作工業零部件或外殼材料的工業塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度和耐老化性均優良的塑料。日本業界將其定義為 "可用於結構件和機械零件的優質塑料"。

1.熱性能：玻璃化轉變溫度（Tg）和熔點（Tm）高；熱變形溫度（HDT）高；長期工作溫度高（UL-746B）；工作溫度範圍寬；熱膨脹系數小。

2.機械性能：高強度、高機械模量、低潛變性、抗磨損和抗疲勞性強。

3. 其他：耐化學性、耐電性、耐燃性、耐候性、尺寸穩定性好。

壹般工程塑料包括聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）、聚酰胺（Polyamide，PA）、聚縮醛（Polyoxy Methylene，POM）、改性聚苯醚（Poly PhenyleneOxide，改性 PPE）、聚酯（PPE）PPE）、聚酯（PETP、PBTP）、聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide，PPS）、聚芳酯，熱固性塑料有不飽和聚酯、酚醛塑料、環氧塑料。它們的基本特性是拉伸強度大於 50Mpa，抗拉強度大於 500kg/cm?，抗沖擊性大於 50J/m，彎曲彈性率大於 24000kg/cm?，載荷撓曲溫度大於 100℃，硬度、老化性優良。如果聚丙烯的硬度和耐寒性得到改善，也可納入工程塑料的範疇。此外，還包括強度較弱、耐熱性和耐藥性較強的氟塑料，耐熱性優良的有機矽熔融化合物，以及聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺、聚雙馬來酰亞胺、聚碸（PSF）、聚醚碸（PES）、丙烯酸塑料、變性蜜露塑料、BTResin、PEEK、PEI 和液晶塑料等。

每種工程塑料的化學結構不同，因此其耐藥性、摩擦特性、電機特性等也各不相同。由於每種工程塑料的成型性能不同，有的適用於任何成型方法，有的只能用某種成型方法加工，這就造成了應用上的局限性。熱固性工程塑料的抗沖擊性較差，因此大部分工程塑料都添加了玻璃纖維。工程塑料除聚碳酸酯等抗沖擊性好外，通常具有硬、脆、伸長率小的特性，但如果加入 20 ～ 30% 的玻璃纖維，就會提高抗沖擊性。

五、結晶塑料的定義和特點

結晶是指分子按壹定規律排列，冷卻後成為結晶結構。壹般結晶結構的塑料是由許多線狀、拉長的高分子化合物組成，根據分子成規則排列的程度，稱為結晶度（crystallinity），也稱每個分子只部分排列，因此結晶樹脂實際上只有部分結晶。結晶部分所占的比例就是結晶度。結晶度可以通過 X 射線的反射來測量。有機化合物的結構復雜，塑料的結構更為復雜，分子鏈的結構（線型、毛細管型、折疊型、螺旋型等）變化很大，這就導致塑料的結構隨成型條件的不同而變化很大。結晶度大的塑料屬於結晶性塑料，分子間的引力很容易相互作用，從而使塑料具有很強的強度。為了正確結晶和排列規則，體積會變小，成型收縮率和熱膨脹率會變大。因此，結晶度越高，透明度越低，但強度卻越高。

結晶塑料具有顯著的熔點（Tm），固體分子排列規則，強度更高，抗拉強度更強。熔點比體積變化大，固化後較易收縮，內應力不易釋放，成品不透明，在成型時散熱慢，冷模生產後收縮率大，熱模生產後收縮率較小。相對於結晶性塑料，還有壹種為非結晶性塑料，它沒有明顯的熔點，固體分子呈不規則排列，熔化後比體積變化不大，固化後不易收縮，成品透明度好，材料溫度越高，顏色越黃，成型中散熱快，以下為兩種物理性能的比較。

結晶塑料的特性如下：

1.結晶結構中分子之間的距離很近，所以結構比較牢固。密度、強度、剛度和硬度增加，但透明度降低。

2.結晶樹脂在熔點溫度下比容會急劇下降，而非結晶樹脂在熔點溫度下比容不會急劇變化。比容是單位質量的體積，單位是/g。結晶度根據樹脂的種類、冷卻速度而異，硬質聚乙烯的結晶度可達 90%，尼龍的結晶度僅為 20-30% 左右。冷卻速度越慢，結晶度越高。

A.結晶和非結晶塑料的物理性質

物理性質結晶非結晶物理性質結晶非結晶

比重較高 較低 耐磨性較好 較低

拉伸強度較高 較低 升華（蠕變）較好 較低

拉伸模量較高 較低 硬度較高 較低

延展性或伸長率高於其他兩種。延展性或伸長率較低 較高 透明度較低 較高

抗沖擊性較低 較高 加上玻璃纖維加固較高 較低

最高工作溫度較高 較低 尺寸穩定性較差 較好

脆性 較脆------脆更易翹曲-

收縮率更高更低著色性更難更易

著色難度-容易

流動性（MI）-更好-更低耐熱性-更高-更低

耐化學性-更高-更低-柔韌性-更好-更差

B.按結晶性和無定形性區分的熱塑性塑料

結晶塑料無定形塑料

壹般

塑料

塑料中使用的材料

聚乙烯

（聚乙烯）用作增塑劑。

（聚乙烯，PE）

聚丙烯

（聚丙烯，PP）

（聚氯乙烯，PVC、PVC）

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯***聚合物（Acrylonitrile-Butadene-Styrene，ABS）

通用聚苯乙烯

（General purpose polystyrene，GPPS）

丙烯酸樹脂

（Acrylic Resin、PMMA）

盤

用途

工業

工藝

塑料

材料尼龍

（聚酰胺，PA-6，PA-66，PA-46，PA-11，PA-12）

聚對苯二甲酸乙二醇酯

（聚對苯二甲酸乙二醇酯、PET）

聚對苯二甲酸丁二醇酯

（聚對苯二甲酸丁二醇酯，PBT）

聚縮醛

（聚縮醛，聚氧亞甲基，POM）

（，PPO）

聚碳酸酯

（聚碳酸酯、PC）

變性二甲苯氧化物

（聚苯醚氧化物PPO）

特殊

特殊

工作

工藝

塑料

聚苯硫醚

（聚苯硫醚、PPS）

液晶聚合物

（液晶聚合物，LCP）

聚醚醚酮

（聚醚醚酮，PEEK）

碳氟化合物樹脂

（聚四氟乙烯、PTFE）

聚氧芐烯

（聚氧芐烯，POB）

聚醚

（聚苯硫醚，PES）

聚碸

（聚碸，PSF）

聚芳酯，U-聚合物，PAR）

聚醚酰亞胺

（聚醚酰亞胺、PEI）

聚酰胺酰亞胺

（聚酰胺酰亞胺，PAI）

六、塑料的性質

塑料具有許多優良特性，但並非每種塑料都能具備所有優良特性。材料工程師和工業設計師必須深入了解各類塑料的特性，才能設計出完美的塑料產品。塑料的性能大致可分為基本物理性能、機械性能、熱性能、化學性能、光學性能和電學性能六大類，下面將分別進行討論。

（壹）基本物理性能

基本物理性能是指塑料原料的基本物理性能、常用比重、假比重、粒度、粘度、分子量、遊離單體含量、吸水性和透氣性。

1、比重

比重是指材料的密度與水的密度之比（水的密度為1），所謂密度是指單位體積的重量。目前已知塑料中比重較輕的為聚甲基戊烯（0.83），較重的為聚四氟乙烯（2.3），其它多在 1 左右。比重可以用來估算產品所需原材料的重量，而減少塑料的用量或重量則可以通過發泡來解決。比重可按 ASTM D792 水置換法測定。

2、分子量

壹般化合物的分子量是不變的，而聚合物的分子量大小是不均勻的，所以必須用平均值和分布程度來表示。常用的分子量表達式為平均分子量 MW 與平均分子量 MN 之比，MW/MN 之比稱為分子量分布。這些的測定可依據 ASTMD3598 凝膠滲透色層分析法。

3、粘度 粘度常用來表示膠體（塑溶膠）和膠體（有機溶膠）的特性，壹般可根據 ASTM D1823 和 ASTMD1824 方法測定。

4、假比重和粒度分布 這兩項常用來表示塑料原料的粒度和填充緊密度狀況。粒度分布可按 ASTMD1921 篩法測量，假比重可按 ASTM D1895 法測量。

5、遊離單體（Free monomer）

遊離單體含量可以表示樹脂的聚合度，壹般用?或ppm表示。用作食品容器的塑料，或單體聚合度有毒的塑料對遊離單體含量控制較嚴。

6、吸水率（Water absorption）

吸水率表示塑料的吸水程度。測定方法是將試樣幹燥稱重後，浸入水中 24 或 48 小時，取出稱重，計算重量增加的百分數，即為吸水率。酚醛樹脂、脲醛樹脂、尼龍、纖維素樹脂等吸水率高，PE、PP 等吸水率低。壹般吸水率大，其機械強度和尺寸穩定性易受影響。

7、透氣性 透氣性是指塑料薄膜或塑料板透氣程度的難易程度，可按 ASTM D1434 的方法測定。

8、熔體流動指數（Melt Flow Index，MI）

熔體指數，全稱為熔體流動指數，是塑料材料加工流動性的壹種數值。它是美國標準與測量協會（ASTM）根據美國杜邦公司（DuPont）用來鑒定塑料特性所制定的，其測試方法是讓塑料粒子在壹定的時間（10 分鐘）、壹定的溫度和壓力（各種不同材料的標準）下，熔融成塑料流體，然後通過壹根直徑為 2.1mm 的圓管流出的克數（g）。數值越大，塑料材料的加工流動性越好，反之亦然。最常用的測試標準是 ASTM D 1238，由熔融指數儀測量。該測試的具體操作過程是：將待測聚合物（塑料）原料放入壹個小槽中，槽的壹端連接壹根細管，細管直徑為 2.095mm，管長為 8mm.加熱到壹定溫度後，在原料上端施加壹定重量的活塞向下擠壓，測量原料在 10 分鐘內受到的擠壓重量，即為塑料的流動指數。有時會看到 MI25g/10min 這樣的表述，即塑料在 10 分鐘內被擠出 25 克。常用塑料的 MI 值從 1 到 25 不等，MI 值越大，粘度越小，塑料材料的分子量也越小，反之，粘度越大，塑料材料的分子量也越大。

（二）力學性能

力學性能是指塑料的各種機械性能的強度，可分為以下幾項：

1、拉伸強度（Tensile strength）和伸長率（Elongation）

拉伸強度又稱拉伸強度，是指塑料材料將其拉伸到壹定程度時所需要的力的大小。拉伸強度又稱抗拉強度，是指將塑料材料拉伸到壹定程度所需的力的大小，通常用單位面積上的力的大小來表示，其拉伸長度的百分比就是伸長率。拉伸強度試樣通常以 5.0 至 6.5 毫米/分鐘的速度拉伸。詳細測試方法按照 ASTM D638）。

2、撓曲強度（Flexual strength 或 Bending strength）

撓曲強度又稱彎曲強度，主要用於測定塑料的抗彎曲能力，按照 ASTMD790 方法進行測試，通常用單位面積受力多少來表示。壹般來說，塑料的抗彎強度優於聚氯乙烯、三聚氰胺樹脂、環氧樹脂和聚酯。玻璃纖維也常用來增強塑料的抗彎強度。

彎曲彈性是指在彈性範圍內彎曲試樣（測試方法如彎曲強度）時，單位變形所產生的彎曲應力。壹般來說，彎曲彈性越大，塑料材料的剛性越好。

3、壓縮強度（Compressive strength）

壓縮強度是指塑料承受外部壓縮的能力，其測試值可按照 ASTMD695 方法測定。聚縮醛、聚酯、丙烯酸、脲醛樹脂和三聚氰胺樹脂在這方面的性能較為突出。

4、沖擊強度（Impact strength）

沖擊強度是指塑料受外力打擊時所能承受的強度，其測試值可按照 ASTMD256 進行測試，其中有夏比（Charpy）法和艾氏（Izod）法兩種。其計算方法是將破壞試件所需的能量值除以試件的寬度。壹般塑料對PVC、PE、PP、ABS等沖擊強度要求較高。

5、硬度（Hardness）

壹般塑料的硬度常采用洛氏硬度計（Rock Well Durometer）和肖氏硬度計（Shore Durometer）的方法來測試。邵氏 A 通常用於測量較軟的塑料，如 TPE 和其他彈性體或橡膠；邵氏 D 用於測量較硬的塑料；而洛氏硬度幾乎總是用於測量較硬的工程塑料或高性能工程塑料。其公式換算為邵氏 D + 50 = 邵氏 A。普通 PE、MF、UF、FRP 和其他塑料較硬，PE 較軟。

6、彈性系數（模量）

彈性系數是指塑料受外力變形後恢復原狀的能力，壹般用應力與應變的比值來表示。彈性系數值越大，塑料材料的剛性（Rigidity）就越好。

（三）熱性能

熱性能是指塑料在溫度變化的影響下，發生各種形式變化的程度。通常熱性能與塑料加工的關系最為密切。現將其重要項目介紹如下：

1、玻璃化轉變點（Glass Transition Point，Tg）

當塑料的溫度達到玻璃化轉變點時，分子鍵的支鏈開始局部脈動，塑料將由玻璃狀轉變為橡膠狀。換句話說，當聚合物的溫度達到玻璃化轉變點時，它就會從溫度較高時的橡膠態轉變為溫度較低時的硬脆玻璃態。結晶塑料具有不同的 Tg 值和潛熱值，聚合物是橡膠態還是玻璃態取決於 Tg 值和聚合物的使用溫度，因此 Tg 值是聚合物使用中的壹個重要準則。下面列出了幾種塑料的 Tg 值：

塑料名稱 Tg (℃)

塑料名稱 Tg (℃)

PVC（硬質）80~212聚碳酸酯

（聚碳酸酯，PC）39~150

HDPE-120PET79

LDPE-120PBT79

聚合物的 Tg 值是聚合物使用的最重要指標。LDPE-120PBT20

聚丙烯，PP-10~-18PI410

聚苯乙烯

（聚苯乙烯，PS）63~112PPS85

PMMA100~120PSF190

ABS88~105PESF230

PA57PEEK143

聚縮醛

（聚縮醛、POM）-50~-85U Polymer190

PEI217~220PAI280

Nylon 650~59Nylon 6, 649 ~261

Nylon 4678Polyethylene

（聚乙烯、PE）

-120~-125

聚氯乙烯60~76聚碸146~273

聚丙烯

（聚丙烯，PP）-10~-18ASA104

HIPS100PES230

SAN100PU120

2、塑料的熔點（熔點，Tm）

塑料的熔點是指塑料從固態變為熔融狀態時的溫度。塑料的熔點是塑料從固態變為熔融狀態時的溫度，此時結晶塑料的比容會顯著增加，該溫度也稱為可加工溫度。 176POB450

PA220PEEK334

聚縮醛

（聚縮醛，POM）175~181PPS285~290

PTFE327尼龍 6215~225

尼龍 46295尼龍 11184~187

聚碳酸酯

（聚碳酸酯、PC）220尼龍12177~178

PMMA160尼龍6，6225~265

PVC（硬質）212尼龍6，10213

乙縮醛160聚乙烯

（聚乙烯、PE）115~176

尼龍 6，12210~220聚丙烯

（聚丙烯，PP）176

3、熱變形 熱變形溫度（HDT）

熱變形溫度表明塑料材料在高溫高壓下能否保持形狀不變，壹般用來表示塑料的短期耐熱性。如果考慮到安全因素，短期使用的最高溫度應保持在熱變形溫度以下 10°C 左右，以確保材料不會因溫度而變形。最常用的熱變形測量方法是 ASTM

D648 試驗方法，即試樣在壹定壓力和壹定加熱速率下彎曲到壹定程度時的溫度。例如，在壹個標準試樣（127×13×3mm）的中心，放置 455kPa 或 1820kPa 的載荷，以及 2℃/min的條件下，直到變形溫度達到 0.25mm。對於非結晶塑料，HDT 比 Tg 低 10~20℃；對於結晶塑料，HDT 接近 Tm。通常，添加纖維增強材料後，塑料的 HDT 會增加，因為纖維增強材料可大大提高塑料的機械強度，因此在高溫下進行撓曲試驗時，HDT 會急劇增加。下表列出了幾種常用塑料的熱變形溫度比較：

塑料名稱 HDT1820Kpa(℃) 塑料名稱 HDT1820Kpa(℃)

結晶 非結晶

聚乙烯

（聚乙烯，PE）29~126 硬質聚氯乙烯54~79

聚丙烯

（聚丙烯，PP）40~152 聚苯乙烯

（聚苯乙烯，PS）63~112