塑料結(jié)構(gòu)與性能

《塑料成型工藝及

模具設(shè)計(jì)》

塑料結(jié)構(gòu)與性能機(jī)電工程系戴護(hù)民2009-8-22理解塑料材料聚合物，是塑料的主要成分，出自希臘語“許多部分”。許多塑料詞匯來源于希臘語，聚合體用來描述由很多重復(fù)單元組成的大分子的材料。它們以化學(xué)方式結(jié)合成為鏈狀結(jié)構(gòu)。蠶絲，棉花、羊毛是自然聚合物的例子。在最近40年，化學(xué)工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出過剩的人造聚合物，以滿足產(chǎn)品多樣性對材料的需求：例如油漆，衣料。光纖，膠片，人造橡膠以及結(jié)構(gòu)塑料。嚴(yán)格來說，數(shù)千種材料可以被歸為塑料，然而這一術(shù)語在今天通常只應(yīng)用于聚合材料，但不包括光纖．光纖可以被鑄造或者成型為固體或半固體。聚合是一個(gè)將單體綁定成塊并構(gòu)造大分子的化學(xué)過程。商用的聚合體的分子通常具有上千個(gè)重復(fù)單元的長度。塑料的歷史1839–

自然界橡膠-CharlesGoodyear發(fā)明加工方法1839–

發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯（PS）-EduardSimon1872–

聚氯乙烯（PVC）-firstcreatedbyEugenBaumann1909–

酚醛塑料—苯酚甲醛命名為酚醛塑料-LeoBaekeland1926–

乙烯基

（PVC）-WalterSemon發(fā)明可塑PVC.1927–

醋酸纖維

1935–

低密度

聚乙烯（LDPE）-ReginaldGibsonandEricFawcett1936–

丙烯酸or聚甲基丙烯酸甲酯

1938–

聚苯乙烯應(yīng)用

1938–

聚四氟乙烯（PTFE）命名為鐵氟龍（Teflon）-RoyPlunkett1939–

尼龍（Nylon）被用作是絲綢的替代品–WallaceH.Carothers1941–

聚對苯二甲酸乙二醇酯（Pet）-WhinfieldandDickson1942–

不飽和聚酯（PET）-JohnRexWhinfieldandJamesTennantDickson1951–

高密度聚乙烯（HDPE）-PaulHoganandRobertBanks1951–

聚丙烯

（PP）-PaulHoganandRobertBanks1954–

絕緣聚苯乙烯泡沫-RayMcIntire1964–

聚酰亞胺

1970–

熱塑性聚酯1985–

結(jié)晶（液晶）聚合物塑料加工技術(shù)的簡要?dú)v史1878年，John和IsaiahHyath，從1870年的金屬鑄造專利出發(fā)，提出了第一臺(tái)注射模機(jī)器專利用于生產(chǎn)撞球。1909年，LeonH.Bakeland開發(fā)了苯酚－甲醛，是一種熱固性塑料，它不能像熱塑性塑料一樣被重復(fù)利用，目前已經(jīng)成為市場的主導(dǎo)塑料類型之一。經(jīng)過大約30年的努力，WallaceH.Carothers

領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了尼龍nylon(PA)

，建立了縮聚合（作用）的基本原理，大大推動(dòng)了熱塑性塑料采用注射模塑的方式經(jīng)濟(jì)地制造產(chǎn)品。ISO1043-1/2/3

用字母簡單地定義了聚合物，使塑料的辨識(shí)變得很方便。

今天我們可以把普通熱塑性塑料分為30個(gè)大家族。

(例如：ABS,PA,POM,和PC)。從基本30個(gè)家族出發(fā)，通過修改結(jié)構(gòu)（例如：PA6,PA66,PA12,LDPE,HDPE），填充物（例如：PA6GF30%,PPH30%T）以及混合（例如：PC-AB）已經(jīng)發(fā)展出150個(gè)以上塑料家族。現(xiàn)在市場上可用的不同商業(yè)級(jí)別的塑料已經(jīng)超過10萬種。幾個(gè)基本的定義

聚合物：由一些小的部分構(gòu)成的大分子結(jié)構(gòu)

單體:(重復(fù))構(gòu)成部分

均聚（合）物：由相同的單體得到的聚合物。

共聚物:不同單體構(gòu)成的聚合物。

混合：

不同聚合物的混合物。

熱塑性塑料：可以重復(fù)熔化和凝固的聚合物。

熱固性塑料：在成型過程中聚合物化學(xué)反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。熱固性塑料不能被再次加熱熔化以及分解。

彈性體（人造橡膠）：允許大的，可恢復(fù)的彈性變形。軟的，很低的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度，部分交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

彈性體可以是熱固性或者熱塑性?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)大多數(shù)塑料由下面元素構(gòu)成：C–

碳(4價(jià),12g/mol)H–

氫(1價(jià),1g/mol)O–

氧(2價(jià),16g/mol)Cl–

氯(1價(jià),35g/mol)N

–

氮(3價(jià),14g/mol)S

–

硫(2價(jià),32g/mol)F

–

氟(1價(jià),19g/mol)化合物的分子式是以原子的排列方式表示的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)分子里面的化學(xué)鍵也在分子式里表示出來了。化學(xué)式很容易的表示了化合物是有那些原子構(gòu)成的，以及在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)這些原子之間的關(guān)系。聚合物描述聚合物是高分子。它們不是原子的隨意組合；聚合物是由較小的分子（單體）構(gòu)成的,由很多重復(fù)的單體構(gòu)成了特征鏈。如聚苯乙烯：

x表示重復(fù)單元的數(shù)目，成為聚合度。聚合物分子分類1/3重復(fù)單元包括可辨識(shí)功能的基用于描述聚合體。這個(gè)術(shù)語強(qiáng)調(diào)的基是聚合體合成時(shí)的單體，但是這種用法不是很精確。例如：聚酯聚醚聚酰亞胺聚合物分子分類2/3聚合體通常根據(jù)單體命名，一條包含CH2基的聚合物叫做聚乙烯（polyethylene）,而不是聚亞甲基（polymethylene）。同樣地，包含6個(gè)碳元素的聚酰胺（己內(nèi)酰胺）稱為尼龍-6

（polycaprolactam）。

（己內(nèi)酰胺）（尼龍-6）聚合物分子分類3/3當(dāng)然，對于聚合物的命名有系統(tǒng)的規(guī)則(國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)IUPAC提出)，

但是當(dāng)聚合物很復(fù)雜時(shí)，按照命名規(guī)則的叫法就會(huì)非常羅嗦，因此出現(xiàn)了很多行話（俚語）。這些俚語名稱通常包含了化學(xué)描述的痕跡，

但是被大大簡化了。例如(碳氧基-1,4-亞本基-異丙基-1,4-亞丙基)被稱為“聚碳酸酯(PC)”是因?yàn)樗颂妓猁}的鏈接(高亮顯示部分)。參照IUPAC聚合物命名法:

應(yīng)用化學(xué)1976,48,373.（標(biāo)準(zhǔn)）

高分子1973,6,149（標(biāo)準(zhǔn)）（聚碳酸酯）PC化學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)式舉例例:聚乙烯單體:碳原子兩兩側(cè)聯(lián)接接兩個(gè)乙乙烯基。。化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)式可可以寫成成：C2H4或者更好好的CH2=CH2(碳原子之之間有兩兩個(gè)聯(lián)接接因?yàn)樘继嫉幕虾蟽r(jià)是4價(jià))。聚合物:聚乙烯是是由乙烯烯基單體體組成的的聚合物物。它只只包括CH2基的長鏈鏈結(jié)構(gòu)，，化學(xué)式式可以寫寫成：(C2-H4)n。下面是它它們各自自化學(xué)式式的結(jié)構(gòu)構(gòu)：HHHHHHHHHHHHH|||||||||||||C=C––C––C––C–C––C––C–C––C––C–C––C––|||||||||||||HHHHHHHHHHHHH乙烯基聚乙烯的的重復(fù)單單位側(cè)基骨架復(fù)習(xí)：塑塑料“三三態(tài)”與與4個(gè)重要溫溫度由圖中可可見，對對一個(gè)典典型的無無定形聚聚合物來來說，有有比較明明顯的幾幾個(gè)特征征溫度：：①①脆化化溫度TB低于脆化化溫度的的聚合物物，像玻玻璃一樣樣發(fā)脆，，塑料無無使用價(jià)價(jià)值。最最近開發(fā)發(fā)一種在在TB溫度以下下來粉碎碎一些柔柔軟性較較大的很很難用一一般粉碎碎方法在在常溫下下粉碎的的塑料和和高彈體體；②②玻玻璃化溫溫度Tg塑料在TB-Tg溫度下稱稱為玻璃態(tài)下的塑料料，這是是塑料的的極限使使用溫度度范圍。。玻璃態(tài)態(tài)下的聚聚合物可可以進(jìn)行行機(jī)械加加工：車車、刨、、磨、釘釘，還可可進(jìn)行粘粘接、涂涂裝、印印刷；③③熔融溫溫度Tm處于Tg-Tm之間的塑塑料叫高彈態(tài)下的塑料料，塑料料在高彈彈態(tài)下可可以進(jìn)行行分子的的結(jié)晶、、拉伸定定向、收收縮、真真空熱成成型、熱熱定型。。也就是是說，高高彈態(tài)下下的聚合合物分子子，由于于分子熱熱運(yùn)動(dòng)的的力量，，可以在在固定的的位置上上有一定定自由度度；分子子結(jié)構(gòu)具具有高度度規(guī)整性性的聚合合物可以以在高彈彈態(tài)下結(jié)結(jié)晶；可可以在外外力作用用下分子子順外力力作用方方向進(jìn)行行定向排排布；還還可以在在軟化溫溫度附近近進(jìn)行真真空熱成成型或壓壓制成型型。尼龍龍等一類類工程塑塑料，可可以在高高彈態(tài)下下退火處處理或淬淬火處理理，以改改善聚合合物的各各種性能能。④④分分解溫度度TD到了TD溫度，聚合合物分子發(fā)發(fā)生熱分解解，超過這這個(gè)溫度聚聚合物分解解劇烈，為為此，聚合合物的熔融融成型溫度度只能在Tm-TD之間熔融態(tài)下進(jìn)行。主要聚合物物重復(fù)的化化學(xué)結(jié)構(gòu)1/3聚合物重復(fù)復(fù)的化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)名名稱稱Tg(ooC)Tm(ooC)XXX=HLDPE,HDPE（低密度聚聚乙烯）-120140–C––C––X=FPTFE（聚四氟乙乙烯）-113327XXX=CH3PP（聚丙烯））-10170HXX=ClPVC(聚氯乙烯)80220–C––C––X=C6H5PS（聚苯乙烯烯）100-HHX=CnPAN(丙烯晴)105-X=OCOCH3PVAc29-HXX=ClPVDC(聚二氯乙烯烯)-18205–C––C––X=FPVDF(聚偏氟乙烯烯)-45210HXX=CH3PIB(合成橡膠)-7525HXX=CH3–C––C––Y=COOCH3PMMA（聚甲基丙丙烯酸甲酯酯）105-HY主要聚合物物重復(fù)的化化學(xué)結(jié)構(gòu)2/3聚合物重復(fù)復(fù)的化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)名名稱稱Tg(ooC)Tm(ooC)HC=CXX=HPolybutadiene（聚丁二烯烯）-8511/\X=CH3Polyisoprene（聚異戊二二烯）-7525–CH2CH2–n=1POM（聚甲醛））-85170–O––(CH2)n–n=2PEO（聚氧乙烯烯）-6770OOlllln=2PET（聚酯）70 265–O–(CH2)n–O–CC–n=4PBT聚丁苯二甲甲酸丁二酯酯80 232Olln=5PA-6(尼龍-6)50 228–(CH2)n–C––N––n=10PA-11(尼龍-11)46 185lHOOn=6,m=4PA-66(尼龍-66)57 265llll–(CH2)n–N–C––(CH2)m–C–N––llHH主要聚合物物重復(fù)的化化學(xué)結(jié)構(gòu)3/3聚合物重復(fù)復(fù)的化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)名名稱稱Tg(ooC)Tm(ooC)/CH3– –O––PPO（聚苯醚））209(261)\CH3CH3Olll– –C–––O––C––O–– PC（聚碳酸酯酯）145(290)lCH3– –S––PPS(聚苯硫醚)90 285–OH––––CO2H–LCP(液晶聚合物物)119380高分子鏈的的分類鏈狀結(jié)構(gòu)分分為三類,(線性，枝狀狀，交聯(lián)).大多數(shù)聚合合物是線性性鏈，但是是枝狀鏈有有非常重要要的應(yīng)用，，不規(guī)則形形狀的高枝枝狀聚合物物是當(dāng)前研研究的熱點(diǎn)點(diǎn)。線性枝狀交聯(lián)枝狀鏈如果聚乙烯烯是由少量量短的枝狀狀鏈（側(cè)鏈鏈）構(gòu)成的的稱為高密密度聚乙烯烯high-densityPE(HDPE)。如果是由大大量的，較較長的枝狀狀鏈構(gòu)成，，稱為低密密度聚乙烯烯low-densityPE(LDPE)。聚合聚合是單體體通過化學(xué)學(xué)鍵聯(lián)結(jié)形形成大分子子，很多方方式都可以以完成聚合合。在加聚反應(yīng)中，，在在長長大大的的聚聚合合物物分分子子中中通通過過連連鎖鎖反反應(yīng)應(yīng)一一次次加加入入一一個(gè)個(gè)單單體體，，新新加加入入的的單單體體為為下下一一次次反反應(yīng)應(yīng)創(chuàng)創(chuàng)造造一一個(gè)個(gè)新新的的活活性性部部位位。。在縮聚聚反反應(yīng)應(yīng)中，，反反應(yīng)應(yīng)發(fā)發(fā)生生在在單單體體之之間間或或者者鏈鏈末末端端的的基基上上，，釋釋放放出出小小的的分分子子（（通通常常是是水水H2O）這這種種可可逆逆的的反反應(yīng)應(yīng)如如果果在在水水沒沒有有被被移移走走的的情情況況下下會(huì)會(huì)達(dá)達(dá)到到平平衡衡并并停停止止。。理解解聚聚合合工工藝藝可可以以深深刻刻理理解解塑塑料料的的性性質(zhì)質(zhì)。。例例如如，，通通過過縮縮聚聚反反應(yīng)應(yīng)制制造造的的塑塑料料，，水水分分被被釋釋放放出出來來了了，，如如果果暴暴露露在在水水分分和和高高溫溫下下就就會(huì)會(huì)降降解解（（去去聚聚合合））。。聯(lián)結(jié)結(jié)聯(lián)結(jié)結(jié)的的類類型型和和狀狀態(tài)態(tài)決決定定機(jī)機(jī)械械性性能能：：主要要的的聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)共價(jià)價(jià)鍵鍵(C-C,C-O,C-H,C-N)沿著著分分子子鏈鏈的的共共價(jià)價(jià)鍵鍵鏈與與鏈鏈之之間間的的共共價(jià)價(jià)鍵鍵聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)次要要的的聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)范德德華華力力（（分分子子間間作作用用力力））氫鍵鍵離子子鍵鍵鏈與與鏈鏈之之間間的的次次要要聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)聯(lián)結(jié)結(jié)熱塑塑性性塑塑料料沿著著分分子子鏈鏈的的共共價(jià)價(jià)鍵鍵鏈與與鏈鏈之之間間是是次次要要的的聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)2維結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)熱固固性性塑塑料料沿著著分分子子鏈鏈和和分分子子鏈鏈之之間間都都是是（（交交聯(lián)聯(lián)））共共價(jià)價(jià)鍵鍵聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)3維網(wǎng)網(wǎng)狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)彈性性體體部分分交交聯(lián)聯(lián)聯(lián)聯(lián)結(jié)結(jié)2.5維網(wǎng)狀狀結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)低分分子子量量到到高高分分子子量量-[CH2]n-分子子量量影影響響材材料料的的性性質(zhì)質(zhì)。。分子鏈中n值材料的狀態(tài)和性能應(yīng)用1－4簡單的氣體氣體5－11簡單的液體汽油9－16中等粘度的液體煤油16－25高粘度的液體油脂25－50結(jié)晶固體蠟50－1000半結(jié)晶固體涂料1000－5000強(qiáng)，韌的塑料固體塑料制品3－6萬纖維增強(qiáng)纖維氣體液體固體分子子量量為什什么么重重要要？？分子子量量是是很很重重要要的的，，因因?yàn)闉樗鼪Q決定定了了很很多多物物理理性性能能。。例例如如：：轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變溫溫度度（（液液態(tài)態(tài)到到蠟蠟狀狀到到橡橡膠膠態(tài)態(tài)到到固固體體）），，機(jī)機(jī)械械性性能能（硬度，，強(qiáng)度，，粘彈性性，韌性性和粘度度）。拉伸強(qiáng)度度分子量（熔化））粘度分子量物理性能能加工性能能：熱塑性塑塑料很容易熔熔化并成成型出制制品，通通常是線線性和枝枝狀分子子結(jié)構(gòu)。。大多數(shù)數(shù)熱塑性性塑料能能夠溶于于合適的的溶劑。。熱固性塑塑料加熱后會(huì)會(huì)分解，通常是是交聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)并且且不溶于于溶劑。。用熱固固性塑料料加工零零件時(shí)，，通常是是讓塑料料在模具具內(nèi)完成成合成。。一旦固固化，改改變這種種零件的的唯一方方法是采采用機(jī)加加工方式式（如，研研磨，鉆鉆孔等））。物理性能能：能夠延展展和回彈彈的聚合合物稱為為橡膠或或彈性體，通常是是部分交交聯(lián)，通通過共價(jià)價(jià)鍵交聯(lián)聯(lián)或者氫氫鍵交聯(lián)聯(lián)。根據(jù)據(jù)聚合物物的應(yīng)用用，還包包括塑料，粘合劑，，纖維等等。聚合合物通常常稱為““樹脂””，但是是“樹脂脂”偶爾爾也指熱熱固性塑塑料。塑料材料料塑料材料熱固性熱塑性彈性體無定形半結(jié)晶型結(jié)晶型半結(jié)晶型型和無定定形塑料料半結(jié)晶型型塑料有固定的的熔化溫溫度(Tm)在這個(gè)溫溫度下有有序的區(qū)區(qū)域被打打破變成成無序。。相反，無無定形區(qū)區(qū)域在一一個(gè)相對對很寬的的溫度范范圍內(nèi)軟軟化(低于Tm)，軟化的的溫度成成為玻璃璃化轉(zhuǎn)變變溫度(Tg)。完全無定定形塑料料沒有Tm，但是，，所有的的塑料都都有Tg。在Tm以上溫度度，塑料料變成液液態(tài)。無定形塑塑料舉例例：常規(guī)規(guī)的聚苯乙烯烯(PS)和聚甲基基苯基酸酸甲酯/有機(jī)玻璃璃(PMMA)。結(jié)晶型塑塑料舉例例：聚乙乙烯(PE,PE-LD,PS-HD)，聚酯(PET)。還有一類類塑料稱稱為結(jié)晶晶型塑料料，是目目前工業(yè)業(yè)和學(xué)術(shù)術(shù)研究的的熱點(diǎn)。。結(jié)晶型塑塑料結(jié)晶型塑塑料是基基于羥基芳香聚聚酯及其其單體的的一類結(jié)結(jié)晶材料料。與半結(jié)晶晶型塑料料的主要要區(qū)別是是：長的，剛剛硬的，，棒狀分分子，即即使在熔熔化狀態(tài)態(tài)也保持持有序（（向列結(jié)結(jié)構(gòu)）。。三類熱塑塑性塑料料之間的的區(qū)別無定形和和半結(jié)晶晶兩類塑料料在熔化化狀態(tài)下下都是無無序的微微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)。無定定形塑料料在冷卻卻狀態(tài)時(shí)時(shí)保持了了這種無無序結(jié)構(gòu)構(gòu)，因此此零件會(huì)會(huì)有好的的沖擊強(qiáng)強(qiáng)度但是是硬度較較差。此此外，采采用提高高分子量量的方式式提高承承載能力力，會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致塑料料的粘度度變高，，流動(dòng)性性變差，，很難充充滿薄壁壁零件和和一些精精細(xì)的部部位。半半結(jié)晶型型塑料冷冷卻時(shí)會(huì)會(huì)形成被被無定形形結(jié)構(gòu)包包圍的高高度有序序的結(jié)晶晶區(qū)域，，有序的的結(jié)構(gòu)提提高了承承載強(qiáng)度度和抗化化學(xué)腐蝕蝕性能，，但是降降低了沖沖擊強(qiáng)度度。結(jié)晶型比半結(jié)晶晶型塑料料有更好好的加工工性能和和很好的的機(jī)械強(qiáng)強(qiáng)度。熔熔化狀態(tài)態(tài)下，剛剛硬、棒棒狀的結(jié)結(jié)晶型分分子保持持有序狀狀態(tài)，就就像沒有有煮過的的面條一一樣有序序。剛硬硬、棒狀狀的結(jié)構(gòu)構(gòu)也限制制了分子子鏈的相相互纏繞繞。在熔熔化狀態(tài)態(tài)，在剪剪切作用用下這些些棒狀分分子相互互滑動(dòng)，，粘度很很低。在在很低的的壓力下下就可以以流動(dòng)，，這使得得很容易易充滿薄薄壁零件件和精細(xì)細(xì)區(qū)域。。由于在在熔化狀狀態(tài)高度度有序，，在冷卻卻時(shí)，它它們只需需要極短短的時(shí)間間或者不不需要時(shí)時(shí)間就可可以完成成結(jié)晶，，這使得得結(jié)晶型型塑料在在很高的的溫度下下就會(huì)有有很高的的硬度，，能夠被被快速頂頂出。低低的熔化化熱，可可以忽略略的結(jié)晶晶時(shí)間，，以及高高溫下的的高硬度度導(dǎo)致結(jié)結(jié)晶型塑塑料成型型周期只只是普通通熱塑性性塑料的的一半。。三類熱塑塑性塑料料的性能能比較無定形塑料半結(jié)晶型塑料結(jié)晶型塑料熔化態(tài)和固態(tài)下都是隨機(jī)的分子鏈分布固態(tài)分子鏈鏈有序分布；熔化態(tài)隨機(jī)分布高的連貫鏈；熔化態(tài)和固態(tài)都是非常有序的分子結(jié)構(gòu)流動(dòng)性差流動(dòng)性好流動(dòng)性極好玻璃纖維增強(qiáng)提高材料性能有限玻纖增強(qiáng)提高承載能力，尤其對高結(jié)晶塑料提高更大玻纖增強(qiáng)降低各向異性，提高承載能力可以用于制作透明零件由于結(jié)晶結(jié)構(gòu)，零件通常不透明由于高度結(jié)晶，零件不透明抗化學(xué)腐蝕能力差抗化學(xué)腐蝕能力好抗化學(xué)腐蝕能力極好拉伸強(qiáng)度和模量低拉伸強(qiáng)度和模量高拉伸強(qiáng)度和模量極高服役溫度低服役溫度高服役溫度最高塑料分類類：使用用場合，，成本和和性能$塑料性能能塑料成型型工藝與與金屬工工藝相比比，因?yàn)闉樗芰系牡亩鄻有孕?，設(shè)計(jì)計(jì)者有更更多的選選擇自由由。然而而，與金金屬相比比，塑料料的機(jī)械械性能對對塑料種種類，速速率，持持續(xù)時(shí)間間，載荷荷頻率，，加工溫溫度變化化，相對對濕度等等非常敏敏感。塑塑件設(shè)計(jì)計(jì)者必須須考慮這這些條件件下的材材料反應(yīng)應(yīng)。下表表列出了了5種載荷條條件以及及相應(yīng)的的材料性性能。載荷條件

相應(yīng)的材料性能1.短期載荷

應(yīng)力應(yīng)變行為2.長期載荷

蠕變和應(yīng)力松弛3.循環(huán)載荷

疲勞4.高速度/沖擊載荷

沖擊強(qiáng)度5.極端溫度下的載荷

熱力學(xué)行為塑料拉伸伸性能測測試實(shí)驗(yàn)設(shè)置置：夾持持試樣兩兩端，施施加拉力力，記錄錄試樣應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變變。應(yīng)力(σ)和應(yīng)變變(ε)的定義：：施加力(F)應(yīng)力(σ)ΞΞ——————————————————橫截面積積(A)L–L0應(yīng)變(ε)ΞΞ———————L0應(yīng)力(σ)楊氏模量量(E)ΞΞ———————應(yīng)變(ε)(a)拉伸試樣樣，橫截截面積A,初始長度度L0。(b)拉伸試樣樣受恒定定載荷F作用，拉拉伸長度度L。拉伸性能能的概念念1/2拉伸性能能的概念念2/2粘彈性模模型和彈彈性/阻尼（緩緩沖）模模型對于塑料料這種粘粘彈性材材料，短短期拉伸伸測試數(shù)數(shù)據(jù)主要要反映了了材料的的彈性響響應(yīng)數(shù)據(jù)據(jù)。材料料與時(shí)間間相關(guān)的的粘彈性性行為（（在長期期載荷作作用下））也必須須測試和和評估，，找到長長期載荷荷作用的的有害因因素。彈性模型型和緩沖沖模型的的組合，，可以用用來建立立載荷作作用下塑塑料模型型。彈性行為為（虎克克）彈性表示示材料對對載荷的的彈性響響應(yīng)：σ=施加應(yīng)力力ε=誘發(fā)應(yīng)變變T=時(shí)間時(shí)間(T)應(yīng)力(σ)時(shí)間(T)應(yīng)變(ε)粘性行為為（牛頓頓）緩沖表示材料料對載荷荷的粘性性響應(yīng)：：σ=施加應(yīng)力力ε=誘發(fā)應(yīng)變變T=時(shí)間緩沖器由由一一個(gè)圓筒筒支撐一一個(gè)浸入入粘性流流體的活活塞組成成。時(shí)間(T)應(yīng)力(σ)時(shí)間(T)應(yīng)變(ε)粘彈性行行為1/3粘彈性理想彈性性行為理想粘性性行為羅賓漢知知道道永遠(yuǎn)不不要離開開自己的的弓箭。。拉伸一個(gè)個(gè)結(jié)晶固固體，能能量會(huì)儲(chǔ)儲(chǔ)存在化化學(xué)鍵內(nèi)內(nèi)剪切應(yīng)力力作用于于流體，，能量會(huì)會(huì)消散在在流動(dòng)中中Time(T)Stress(σ)Time(T)Stain(ε)Time(T)Stain(ε)Time(T)Stress(σ)蠕變和應(yīng)應(yīng)力松弛弛粘彈性行行為2/3在時(shí)間t0,恒定應(yīng)力力施加在在粘彈性性材料上上，保持持足夠長長的時(shí)間間。材料料對應(yīng)力力的響應(yīng)應(yīng)是t0時(shí)刻有個(gè)個(gè)初始應(yīng)應(yīng)變?nèi)缓蠛笤龃笾敝钡讲牧狭献罱K失失效。圖圖（b）當(dāng)應(yīng)力保保持一個(gè)個(gè)較短的的時(shí)間，，材料經(jīng)經(jīng)歷一個(gè)個(gè)初始應(yīng)應(yīng)變，隨隨后增大大，直到到時(shí)間t1時(shí)刻應(yīng)力力撤銷（（應(yīng)變迅迅速降低低），然然后緩慢慢降低，，直到t>t2，留下殘殘余應(yīng)變變。t0t1（a）（b）t2粘彈性行行為3/3幾個(gè)力學(xué)學(xué)模型(例如：Maxwell,Voight-Kelvin,Burger)模仿材料料對載荷荷的典型型粘彈性性響應(yīng)。。Voight-Kelvin力學(xué)模型型是塑料料最常用用的模型型。Voight-Kelvin力學(xué)模模型的的組成成：串聯(lián)的彈彈簧代表表彈性，，可完全全恢復(fù)的的響應(yīng)。。串聯(lián)的緩緩沖器代代表有時(shí)時(shí)間依賴賴性的，，在載荷荷移除后后不能完完全恢復(fù)復(fù)的響應(yīng)應(yīng)。并聯(lián)的彈彈簧和緩緩沖器代代表有時(shí)時(shí)間依賴賴性的，，在彈簧簧作用一一段時(shí)間間后，可可完全恢恢復(fù)的響響應(yīng)。變形載荷（彈簧）彈性部分（彈簧）粘性部分（緩沖器）（緩沖器）變形載荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線線（拉伸伸測試結(jié)結(jié)果）線性范圍拉伸彈性模量屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變拉伸極限強(qiáng)度斷裂時(shí)的強(qiáng)度極限應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力拉伸性能能1/2拉伸性能能，對結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)非常重重要，用用于比較較塑料的的相對強(qiáng)強(qiáng)度和硬硬度。Testmethod:ISO527(ASTMD638).拉伸（彈彈性）模模量(MPa):拉伸模量量用于衡衡量塑料料的硬度度。高的的彈性模模量意味味著高的的硬度。。增塑劑通通常降低低拉伸模模量。纖纖維和填填充物增增加拉伸伸模量，，但是會(huì)會(huì)引起模模量的各各向異性性。這個(gè)個(gè)值受硬硬度影響響。屈服應(yīng)力力(MPa):是塑件功功能使用用的最高高極限。。屈服伸長長（延伸伸率）(%):斷裂應(yīng)力力(MPa):斷裂延伸伸率(%):彈性模量量與溫度度的關(guān)系系（半結(jié)結(jié)晶型塑塑料）典型熱塑塑性塑料料的應(yīng)力力-應(yīng)變曲線線右圖是左左圖彈性性部分的的放大。。點(diǎn)P是比例極極限，用用作設(shè)計(jì)計(jì)的應(yīng)變變極限。。點(diǎn)I是彈性極極限，超超過這個(gè)個(gè)點(diǎn)，塑塑件無法法回到原原始尺寸寸。彈性極限限比例極限限楊氏模量量纖維增強(qiáng)強(qiáng)塑料的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線線玻璃纖維維顯著提提高極限限強(qiáng)度，，屈服強(qiáng)強(qiáng)度，比比例極限限和楊氏氏模量，，在很低低的應(yīng)變變值（變變形?。┚蛿嗔蚜?。另一一方面，，普通塑塑料在超超過屈服服點(diǎn)后應(yīng)應(yīng)力會(huì)降降低，然然后緩慢慢增加直直到斷裂裂。斷裂纖維增強(qiáng)強(qiáng)塑料屈服點(diǎn)普通（無無填充））塑料材料種類類決定了了曲線的的形狀金屬有較較高的彈彈性模量量和較低低的延伸伸率。塑料有高高/低彈性模模量，比比金屬延延伸率高高。塑料軟就就弱，硬硬就脆。。金屬塑料拉伸速率率、溫度度與應(yīng)力力-應(yīng)變曲線線載荷速率率（應(yīng)變變速率））對塑料料的應(yīng)力力-應(yīng)變行為為影響很很大。下下圖是載載荷速率率和溫度度對半結(jié)結(jié)晶數(shù)量量拉伸應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線線的影響響?？偟牡膩碚f，，高載荷荷速率或或低溫下下，塑料料表現(xiàn)出出硬和脆脆。相反，在在低載荷荷速率和和高溫下下，塑料料表現(xiàn)出出軟和容容易變形形。增加載荷荷速率會(huì)會(huì)顯著增增加屈服服強(qiáng)度和和極限強(qiáng)強(qiáng)度。增增加溫度度會(huì)導(dǎo)致致比例極極限，屈屈服強(qiáng)度度和極限限強(qiáng)度降降低。拉伸性能能是溫度度的函數(shù)數(shù)塑料在不不同溫度度下的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變變曲線(示意圖)拉伸強(qiáng)度度應(yīng)變?nèi)渥兒蛻?yīng)應(yīng)力松弛弛1/2蠕變和應(yīng)應(yīng)力松弛弛是在長長期載荷荷作用下下塑件結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)必須考考慮的問問題。從從施加載載荷并保保持下去去，結(jié)構(gòu)構(gòu)持續(xù)變變形，這這種在載載荷長期期作用下下的永久久的變形形稱作蠕蠕變。典型的蠕蠕變是彎彎曲曲線線。蠕變變決定于于載荷和和時(shí)間。。時(shí)間和溫溫度決定定了蠕變變模量。蠕變模模量是恒恒定應(yīng)力力與應(yīng)變變(由時(shí)間，，溫度決決定)的比值。。(σ)蠕變模量量(Ec)Ξ———————ε(t,T)蠕變和應(yīng)應(yīng)力松弛弛2/2溫度升高高，蠕變變和應(yīng)力力松弛的的速率會(huì)會(huì)增大。。如果載荷荷持續(xù)足足夠長的的時(shí)間，，將會(huì)出出現(xiàn)破裂裂。這稱稱作應(yīng)力力破裂。。在外應(yīng)力力作用下下，需要要考慮殘殘余應(yīng)力力。應(yīng)力松弛弛是蠕變變的必然然結(jié)果。。在變形形程度相相同時(shí)，，載荷作作用時(shí)間間時(shí)間越越長的應(yīng)應(yīng)力值越越低。疲勞當(dāng)塑件承承受循環(huán)環(huán)載荷，，需要在在設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)考慮疲疲勞的影影響。如果只是是恒定載載荷，我我們使用用比例極極限作為為設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)的參考考。循環(huán)環(huán)載荷時(shí)時(shí)使用S-N(應(yīng)力vs.循環(huán)次數(shù)數(shù))曲線作為為設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則。S-N曲線是在在確定的的頻率，，溫度和和載荷幅幅度下通通過彎曲曲，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，拉伸伸試驗(yàn)得得到的。。當(dāng)循環(huán)環(huán)次數(shù)增增大時(shí)，，塑件疲疲勞斷裂裂的應(yīng)力力值會(huì)降降低。沖擊強(qiáng)度度塑料是粘粘彈性的的，它們們的性能能強(qiáng)烈依依賴于時(shí)時(shí)間，塑塑料，頻頻率，載載荷的持持續(xù)時(shí)間間，和溫溫度。沖擊強(qiáng)度度（韌性性）指的的是材料料抵抗沖沖擊載荷荷的能力力。材料的沖沖擊強(qiáng)度度隨著載載荷速率率的增加加而增加加。隨著著沖擊速速度的增增加，材材料脆性性增加（（韌性減減?。?。降低溫溫度也會(huì)會(huì)導(dǎo)致材材料脆性性增加。。沖擊強(qiáng)度度跟缺口口有關(guān)。。尖銳的的圓角（（應(yīng)力集集中）會(huì)會(huì)導(dǎo)致沖沖擊強(qiáng)度度下降。。彎曲性能能（Flexuralproperties）彎曲性能能是塑件件抵抗彎彎曲載荷荷作用的的能力。。Testmethod:ISO178(ASTMD790).彎曲模量量(MPa):彈性區(qū)應(yīng)應(yīng)力與應(yīng)應(yīng)變的比比值，彎彎曲模量量衡量的的是彎曲曲中塑料料的硬度度。彎曲強(qiáng)度度(MPa):在載荷作作用下抵抵抗彎曲曲變形的的能力。。熔融流動(dòng)動(dòng)速率(MFR)測試設(shè)備備熔融流動(dòng)動(dòng)速率(MFR)MaterialTemp(oC)Load(Kg)MaterialTemp(oC)Load(Kg)PP2305PS2005POM1902.16PC3001.2ABS22010PMMA2303.8SAN22010PC/ABS2602.16/5水分（濕濕氣）對對MFR的影響體積-溫度關(guān)系系圖(無定形/半結(jié)晶型型)CommonamorphousregionsCrystallizationrange壓力-體積-溫度（PVT）關(guān)系(無定形塑塑料)無定形塑塑料–粘彈性（（行為））范圍熱性能線性熱膨膨脹系數(shù)數(shù)(CTE)單位溫度度下，塑塑料長度度的變化化率。cm/cm/°°CTestmethod:ISO11359(ASTMD831).導(dǎo)熱系數(shù)數(shù),單位：W/K??m,材料導(dǎo)熱熱能力。。電性能1/2絕緣強(qiáng)度度（DielectricStrength）:材料絕緣緣能力。。電壓梯梯度,單位kV/mm（材料厚厚度）Testmethod:IEC60243(ASTMD149).介電常數(shù)數(shù)（DielectricConstant）:電鍍能力力的衡量量。Testmethod:IEC60250(ASTMD150).材料性能能1/2密度Density(g/cm3):吸水（濕濕）性WaterAbsorption(%,24hr):塑料吸收收水平的的能力，，決定于于分子結(jié)結(jié)構(gòu)，填填充物和和添加劑劑。Testmethod:IEC62(ASTMD570).材料性能能2/2光投射系系數(shù)Hazeandluminoustransmittance(%):材料的透透明度。。IEC13468(ASTMD1003).硬度Hardnessproperties耐磨，耐耐刮能力力。塑料料一般測測試鉛筆筆硬度。。Testmethod:ISO868(ASTMD2240).可燃性等等級(jí)(V-x)垂直測試試:V-2Burningstopswithin30seconds;Flamingdripsallowed.V-1Burningstopswithin30seconds;Noflamingdripsallowed.V-0Burningstopswithin10seconds;Nodripsallowed.添加劑加入添加加劑，增增強(qiáng)物，，和填料料的原因因1.提升加工工性能2.降低成本本3.降低收縮縮4.提高表面面質(zhì)量5.改變電性性能6.預(yù)防降解解7.提供令人人滿意的的顏色8.提供機(jī)械械性能9.提高使用用溫度10.降低摩擦擦系數(shù)添加劑的的影響機(jī)械性能能變化(無增強(qiáng)vs.玻纖增強(qiáng)強(qiáng)PA66)熱塑性塑塑料家族族Styrenics(PS,HIPS,ABS,SAN,SPS,ASA,SBC)Vinyls(PVC,CPVC)Acrylics(PMMA,PMMA-HI,PMMI,MABS)Polyolefins(LDPE,HDPE,PP,COC,E/MAA)Polyamides(PA-6,PA-66,PA-46,PA-11,PA-12,PPA,PAMXD6,amorphousPA)Polyimides(PAI,PEI)Polyesters(PET,PTC,PBT,PAR,LCP)Polyethers(PC,PPO,PAEK,PEEK)PCBlend(PC-HT,PC-ABS,PC-ASA,PC-PBT)Polyacetalsalsocalledpolyoxymethylene(POM-H,POM-R)SulfurandSulfonecontainingpolymers(PPS,PSU,PES,PAS)Thermoplasticelastomer(TPE-V,TPE-O,TPE-U,TPE-E,TPE-A,SEBS)Fluoropolymers(PTFE,CTFE)FillersandreinforcementsPolymerModifierandadditives.塑料選擇擇(工程設(shè)計(jì)計(jì))提供零件件/產(chǎn)品材料料描述，，確定零零件/產(chǎn)品材料料物質(zhì)符符合禁用用物質(zhì)的的要求針對所有有產(chǎn)品實(shí)實(shí)行RoHS管制。含含有該物物質(zhì)的產(chǎn)產(chǎn)品必須須申明，，建立材材料檔案案。產(chǎn)品禁用用物質(zhì)及及含量

物質(zhì)名稱百萬分率PPM

應(yīng)用舉例評價(jià)法規(guī)

石棉

0塑料(礦物填充)

83/478/EEC85/610/EEC91/659/EEC1999/77/EECUSA:CAprop65含氮染料，著色劑30經(jīng)接觸人的皮膚的產(chǎn)品（涂料，顏料，色素）致癌物質(zhì)2002/61/EC76/769/EEC

鎘及其化合物100蓄電池,干電池,繼電器

聚氯乙烯上的顏料，發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼金屬表面，開關(guān)，塑料和彩釉上的鋅層顏料有毒的，有些化合物(鎘氯化物，鎘氧化物，鎘硫化物)致癌EURoHSDirective(2002/96/EC)91/338/EEC91/157/EEC94/62/EC1999/51/EC2000/53/E