塑料的來源、定義及性質(zhì)
塑料工業(yè)屬于高分子工業(yè)，是石化工業(yè)的一環(huán)，具有高度關(guān)聯(lián)性，是多層次加工特性之產(chǎn)業(yè)。塑料是以石油或天然氣為原料，經(jīng)提煉、裂解成各種石化基本原料（單體）后，再經(jīng)聚合反應(yīng)（加成聚合或縮合聚合）而得的高分子樹脂。各類塑料經(jīng)過逐步加工衍生出各種下游制品，包括橡膠、涂料、接著劑、人造纖維、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(jīng)過合成反應(yīng)而得到的高分子樹脂。所謂高分子樹脂是指單體化合物經(jīng)過聚合反應(yīng)，聚合合成高分子聚合體，其分子量可達(dá)到數(shù)千甚至數(shù)百萬。在高分子領(lǐng)域的分類上，分子量未達(dá)1000者稱為低分子，介于1000～10000者稱為準(zhǔn)高分子或寡聚合體（Oligomer），大于一萬以上者稱為高分子（Polymer）。一般常用來做成型加工的塑料，其分子量大約在10000～1000000之間，而分子量低于一萬的寡聚合體則常用來做紡織用樹脂、涂料、接著劑、合成樹脂等。所以，并非所有高分子聚合體均可作為塑料的用途，事實(shí)上要看其分子量、分子結(jié)構(gòu)、官能基、玻璃轉(zhuǎn)移溫度（Glasstransitiontemperature，簡稱Tg）等種種因素，塑料隨溫度與分子間鍵結(jié)而呈現(xiàn)玻璃態(tài)、橡膠態(tài)、熔膠態(tài)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
壓克力PMMA10400
三、塑料的種類
一般而言，塑料可大分為兩大類：熱塑性塑料（Thermoplastic）及熱固性塑料(Thermosetting)。
熱塑性塑料在常溫下通常為顆粒狀，加熱到一定溫度后變成熔融狀，將其冷卻后則固化成型，若再次加熱則又會(huì)變成熔融狀，可進(jìn)行再次的塑化成型。因此，熱塑性塑料可經(jīng)加熱熔融而反復(fù)固化成型，所以熱塑性塑料的廢料通?？苫厥赵倮?，即有所謂的「二次料」之稱。熱塑性塑料分通用塑料（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）。
熱固性塑料則是加熱到一定溫度后變成固化狀態(tài)，即使繼續(xù)加熱也無法改變其狀態(tài)。因此，熱固性塑料無法經(jīng)再加熱來反復(fù)成型，所以熱固性塑料的廢料通常是不可回收再利用的。
四、工程塑料的定義及其特性
工程塑料是指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。日本業(yè)界將它定義為“可以做為構(gòu)造用及機(jī)械零件用的高性能塑料，耐熱性在100℃以上，主要運(yùn)用在工業(yè)上”,其性能包括：
1.熱性質(zhì)：玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg)及熔點(diǎn)(Tm)高；熱變形溫度(HDT)高；長期使用溫度高(UL-746B)；使用溫度范圍大；熱膨脹系數(shù)小。
2. 機(jī)械性質(zhì)：高強(qiáng)度、高機(jī)械模數(shù)、低潛變性、強(qiáng)耐磨損及耐疲勞性。
3. 其它：耐化學(xué)藥品性、抗電性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。
被當(dāng)做通用性工程塑料者包括聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、聚酰胺(尼龍,Polyamide,PA)、聚縮醛(Polyacetal, PolyoxyMethylene,POM)、變性聚苯醚(PolyPhenyleneOxide,變性PPE)、聚酯(PETP，PBTP)、聚苯硫醚(PolyphenyleneSulfide,PPS)、聚芳基酯，熱硬化性塑料則有不飽和聚酯、酚塑料、環(huán)氧塑料等。它們的基本特性為拉伸強(qiáng)度均超過50Mpa，抗拉強(qiáng)度在500kg/cm2以上，耐沖擊性超過50J/m，彎曲彈性率在24000kg/cm2，負(fù)載撓曲溫度超過100℃，硬度、老化性優(yōu)。聚丙烯若改善其硬度和耐寒性，也可列入工程塑料的范圍。此外，還包括較特殊者的強(qiáng)度弱、耐熱耐藥品性優(yōu)的氟素塑料，耐熱性優(yōu)的硅溶融化合物，以及聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺、Polybismaleimide、Polysufone(PSF)、PES、丙烯塑料、變性蜜胺塑料、BTResin、PEEK、PEI、液晶塑料等。
各工程塑料的化學(xué)構(gòu)造不同，所以它們的耐藥品性、摩擦特性、電機(jī)特性等有所差異。由于各工程塑料的成型性不同，因此有的適用于任何成型方式，有的只能以某種成型方式進(jìn)行加工，這樣就造成了應(yīng)用上的局限。熱硬化型工程塑料的耐沖擊性較差，因此大多添加玻璃纖維。工程塑料除了聚碳酸酯等耐沖擊性大外，通常具有硬、脆、延伸率小的性質(zhì)，但如果添加20~30%的玻璃纖維，則它的耐沖擊性將有所改善。
五、結(jié)晶性塑料的定義及其特性
結(jié)晶是指分子排列的規(guī)則，冷卻后成為結(jié)晶構(gòu)造。一般塑料的結(jié)晶構(gòu)造是由許多線狀、細(xì)長的高分子化合物組成的集合體，依分子成正規(guī)排列的程度，稱為結(jié)晶化程度（結(jié)晶度），亦謂每條分子只有部分排列整齊，所以結(jié)晶性樹脂其實(shí)只有部分是結(jié)晶。結(jié)晶部分占有的比例，即為結(jié)晶度。而結(jié)晶化程度可用X線的反射來量測。有機(jī)化合物的構(gòu)造復(fù)雜，塑料構(gòu)造更復(fù)雜，且分子鏈的構(gòu)造（線狀、毛球狀、折迭狀、螺旋狀等）多變化，致其構(gòu)造亦因成形條件不同而有很大的變化。結(jié)晶度大的塑料為結(jié)晶性塑料，分子間的引力易相互作用，而成為強(qiáng)韌的塑料。為了要結(jié)晶化及規(guī)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(jié)晶性越高，則透明性越差，但強(qiáng)度越大。
結(jié)晶性塑料有明顯熔點(diǎn)(Tm)，固體時(shí)分子呈規(guī)則排列，強(qiáng)度較強(qiáng)，拉力也較強(qiáng)。熔解時(shí)比容積變化大，固化后較易收縮，內(nèi)應(yīng)力不易釋放出來，成品不透明，成形中散熱慢，冷模生產(chǎn)后收縮較大，熱模生產(chǎn)后收縮較小。相對于結(jié)晶性塑料，另有一種為非結(jié)晶性塑料，其無明顯熔點(diǎn)，固體時(shí)分子呈不規(guī)則排列，熔解時(shí)比容積變化不大，固化后不易收縮，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(jìn)行比較。
結(jié)晶性塑料的特性如下：
1.分子在結(jié)晶構(gòu)造中緊密的靠在一起，所以結(jié)構(gòu)就更堅(jiān)實(shí)。密度、強(qiáng)度、鋼度、硬度就增加，但透明度降低。
2.結(jié)晶性樹脂在熔點(diǎn)溫度時(shí)產(chǎn)生了急劇的比容下降，非結(jié)晶性樹脂比容在熔點(diǎn)溫度沒有急劇改變。比容是指單位質(zhì)量的體積，單位是/g。結(jié)晶度依樹脂種類，冷卻速度而異，硬質(zhì)聚乙烯結(jié)晶度高達(dá)90％，耐龍的結(jié)晶度僅20～30％左右。冷卻速度愈慢，結(jié)晶度愈高。
A. 結(jié)晶性與非結(jié)晶性塑料的物性對比
物 性結(jié)晶性非結(jié)晶性物 性結(jié)晶性非結(jié)晶性
比重較高較低耐磨耗性較佳較低
拉伸強(qiáng)度較高較低抗?jié)撟冃?Creep)較佳較低
拉伸模數(shù)較高較低硬度較硬較低
延展性或伸長率較低較高透明性較低較高
耐沖擊性較低較高加玻纖補(bǔ)強(qiáng)效果較高較低
*高使用溫度較高較低尺寸安定性較差較佳
脆 性較脆－翹曲性較易－
收縮率較高較低著色性較難較易
流動(dòng)性(MI)較佳較低耐熱性較高較低
耐化學(xué)藥品性較高較低折動(dòng)性較佳較差
B. 熱塑性塑料依結(jié)晶性與非結(jié)晶性區(qū)分
結(jié)晶性塑料非結(jié)晶性塑料
泛用塑料聚乙烯(Polyethylene,PE)
聚丙烯(Polypropylene,PP)
聚氯乙烯(PolyvinylChloride,PVC)
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(Acrylonitrile-Butadene-Styrene,ABS)
通用級聚苯乙烯(Generalpurposepolystyrene，GPPS）
壓克力(AcrylicResin,PMMA)
泛用工程塑料尼龍(Polyamide,PA-6,PA-66, PA-46, PA-11, PA-12)
聚對苯二甲酸乙酯(Polyethylenephthalate,PET)
聚對苯二甲酸丁酯(Polybutylenephthalate,PBT)
聚縮醛(Polyacetal,PolyoxyMethylene, POM)
變性(，PPO）
聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)
變性氧化二甲苯（PolyphenyleneOxidePPO）
特殊工程塑料聚苯硫醚(PolyphenyleneSulfide,PPS)
液晶(LiquidCrystalPolymer, LCP)
聚二醚酮(PolyetherEtherKetone, PEEK)
氟碳樹脂(Polytetrafluorcethylene,PTFE)
聚氧苯甲酯(Polyoxybenzylene,POB)
聚醚(PolyphenyleneSulfide,PES)
聚諷(Polysulfone,PSF)
聚芳香酯(Polyarylate,U-Polymer,PAR)(Polyetherimide, PEI)
聚酰胺酰亞胺(Polyamideimide,PAI)
六、塑料的性質(zhì)
塑料雖有許多優(yōu)良性質(zhì)，但并非每一種塑料均能具備所有的優(yōu)良性質(zhì)。材料工程師與工業(yè)設(shè)計(jì)家都必須深入了解各類塑料的性質(zhì)，才能設(shè)計(jì)出**的塑膠制品。塑料的性質(zhì)，大體可分為基本物性、機(jī)械性質(zhì)、熱性質(zhì)、化學(xué)性、光學(xué)性及電氣性等六類，下文將逐項(xiàng)加以討論。
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基本物性是指塑膠原料的基本物理性質(zhì)，常見的有比重、假比重、粒徑、粘度、分子量、游離單體含量、吸水率及透氣率。
1、比 重
比重是指物質(zhì)密度與水密度的比值（水密度為1），所謂密度是指單位體積的重量。目前所知塑料中比重較輕的為聚甲基戊烯（0.83），較重的為鐵氟龍（2.3），其它的多在1左右。比重可用來估算制品所需原料的重量，而要減輕塑料的用量或重量可采用發(fā)泡的方式解決。比重的測定可依ASTMD792水中置換法測得。
2、分子量
一般化合物的分子量是不變的，而聚合體的分子量則是大小不均，所以必須采用平均值及分布度表示。常用的分子量表示法為重量平均分子量MW及數(shù)目平均分子量MN，其比值MW/MN稱為分子量分布。這些的測定可依ASTMD3598的膠粒穿透色層分析法得到。
3、黏度黏度常用來顯示膠塑體（Plastisol）及膠溶體（Organosol）的特性，一般可依ASTMD1823及ASTMD1824的方法測得。
4、假比重及粒徑分布這兩項(xiàng)常用來顯示塑料原料的顆粒大小及填塞緊密狀況。粒徑分布可依ASTMD1921的篩分法測得，假比重可依ASTMD1895的方法測得。
5、游離單體（Free monomer）
游離單體含量可表示樹脂聚合的程度，一般以?或ppm表示。用做食品容器的塑料，或單體聚有毒性的塑料對游離單體含量管制較嚴(yán)。
6、吸水率（Water absorption）
吸水率表示塑料吸收水份的程度。其測量方法是將樣品烘干后稱重，再浸入水中24或48小時(shí)，然后取出來再稱重，計(jì)算重量增加的百分比，即為吸水率。酚醛樹脂、尿醛樹脂、尼龍、纖維素樹脂等吸水率較高，PE、PP等吸水率較低。一般吸水率大者，其機(jī)械強(qiáng)度與尺寸穩(wěn)定性易受影響。
7、透氣率 透氣率表示塑料膜或塑料板氣體穿透難易的程度，可依ASTM D1434的方法測得。
8、熔融指數(shù)（Melt Flow Index,MI）
熔融指數(shù)，全稱熔液流動(dòng)指數(shù)，是一種表示塑膠材料加工時(shí)的流動(dòng)性的數(shù)值。它是美國量測標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASTM)根據(jù)美國杜邦公司(DuPont)慣用的鑒定塑料特性的方法制定而成，其測試方法是先讓塑料粒在一定時(shí)間（10分鐘）內(nèi)、一定溫度及壓力（各種材料標(biāo)準(zhǔn)不同）下，融化成塑料流體，然后通過一直徑為2.1mm圓管所流出的克（g）數(shù)。其值越大，表示該塑膠材料的加工流動(dòng)性越佳，反之則越差。*常使用的測試標(biāo)準(zhǔn)是ASTMD1238，該測試標(biāo)準(zhǔn)的量測儀器是熔液指數(shù)計(jì)(MeltIndexer)。測試的具體操作過程是：將待測高分子（塑料）原料置入小槽中，槽末接有細(xì)管，細(xì)管直徑為2.095mm，管長為8mm。加熱至某溫度后，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(nèi)所被擠出的重量，即為該塑料的流動(dòng)指數(shù)。有時(shí)您會(huì)看到這樣的表示法?MI25g/10min，它表示在10分鐘內(nèi)該塑料被擠出25克。一般常用塑料的MI值大約介于1~25之間。MI愈大，代表該塑料原料粘度愈小及分子重量愈小，反之則代表該塑料粘度愈大及分子重量愈大。
（二）機(jī)械性質(zhì)
機(jī)械性質(zhì)是指塑料的各種機(jī)械性能強(qiáng)度，主要可分下列各項(xiàng)：
1、抗張強(qiáng)度（Tensile strength）及伸長率（Elongation）
抗張強(qiáng)度又稱抗拉強(qiáng)度，是指將塑膠材料拉伸到某一程度，所需力量的大小，通常以每單位面積多少力來表示，而其所拉伸長度的百分比即為伸長率。拉伸強(qiáng)度試片其拉伸的速度通常為5.0～6.5mm/min。詳細(xì)測試方法依ASTMD638。Strain）。
2、彎曲強(qiáng)度（Flexual strength或Bending strength ）
彎曲強(qiáng)度又稱折曲強(qiáng)度，主要用來測定塑料耐折的能力，可依照ASTMD790的方法測試，常以每單位面積多少力來表示。一般塑料以PVC、美臘明樹脂、環(huán)氧樹脂及聚酯類彎曲強(qiáng)度為佳。玻璃纖維也常用來提升塑料的耐折性。
彎曲彈性率是指將試片彎曲時(shí)（測試方法如彎曲強(qiáng)度），在彈性范圍內(nèi)，單位變形量所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。一般彎曲彈性率越大，則表示該塑膠材料的剛性越好。
3、壓縮強(qiáng)度（Compressive strength）
壓縮強(qiáng)度是指塑料承受外來壓縮力的能力，其測試值可依照ASTMD695方法測定。聚縮醛、聚酯、壓克力、尿權(quán)樹脂和美臘明樹脂在這方面性能較突出。
4、沖擊強(qiáng)度（Impact strength）
沖擊強(qiáng)度是指塑料受外力打擊所能承受的強(qiáng)度，其測試值可依照ASTMD256測試，其中有夏比（Charpy）法及艾氏（Izod）法兩種。計(jì)算方法是將破壞試片所需的能量值除以試片的寬度。一般塑料以PVC、PE、PP、ABS等沖擊強(qiáng)度較高。
5、硬度（Hardness）
一般塑料的硬度常采用RockWellDurometer（洛氏硬度）及ShoreDurometer（蕭氏硬度）法來測試。其中ShoreA常用來測定較軟的塑料，如TPE等彈性體或橡膠；ShoreD則用來測定較硬的塑料；而RockWell幾乎都是測定較硬之工程塑料或高性能工程塑料。它們的公式換算為ShoreD ＋ 50 =ShoreA。普通PE、MF、UF、FRP等塑料較硬，PE類較軟。
6、彈性系數(shù)（Modulus）
彈性系數(shù)是指塑料受外力作用變形后恢復(fù)原來形狀的能力，一般以應(yīng)力對應(yīng)變的比值表示。彈性值愈大表示塑料材料的剛性（Rigidity）愈好。
