工程塑胶及其应用

工程塑胶及其应用(EngineeringPlasticsandTheirApplications)工程塑胶(Engineeringplastics)是二十世纪50年代以后,随著电子电器,汽车,航太,通讯及国防工业等高技术产业的发展,在以泛用塑胶为基础之下,崛起的新类型的高分子材料.工程塑胶一般而言是指【在较宽的温度范围和较长期的使用时间,能够保持优良性能,并能承受机械应力做为结构材料使用的一种塑料】.因此,工程塑胶不仅可以代替金属作为结构性的材料,随著高科技产业的发展,工程塑胶的发展将成为未来不可缺少的高分子材料.工程塑胶的分类工程塑胶的分类如同其他的高分子材料一样,有很多种方法,例如耐热特性,化学组成,结晶特性,应用领域或是特殊用途;但是最常用的是以耐热性作为分类,简单叙述如下:依耐热性分类,一般以长期使用温度(以美国UL相对温度指数(RTI)表示):RTI在100℃～150℃以上,称为泛用工程塑胶.RTI在150℃以上称为高性能工程塑胶或称超级工程塑胶.另外也有人以热变形温度(HDT)来分类.依化学组成分类,工程塑胶可以分类为聚醯胺类(俗称尼龙):为目前使用数量最多,种类最多的工程塑胶材料.常用的尼龙材料有—尼龙6,尼龙66,尼龙46,尼龙11,尼龙12,尼龙6T,尼龙9T,尼龙610等超过二十几种尼龙.聚酯类:聚碳酸酯(PC),聚对苯二甲酸丁二酯(PBT),聚对苯二甲酸乙二酯(PET),液晶聚合物(LCP),聚苯酯(PHB),聚芳酯(PAR).聚醚类:聚甲醛(POM),聚苯醚(PPO),聚苯硫醚(PPS),聚醚醚酮(PEEK)等.芳香族杂环聚合物:聚醯亚胺(PI),聚醚亚胺(PEI),聚苯骈咪唑(PBI)等.含氟聚合物:聚四氟乙烯(PTFE),聚三氟氯乙烯(PCTFE),聚偏氟乙烯(PVDF),聚氟乙烯(PVF)等.就聚合物的型态,工程塑胶可分为半结晶性(semi-crystalline)和非结晶或称无定型(Amorphous)两大类.半结晶型:聚醯胺(PA,Nylon),聚甲醛(POM),聚对苯二甲酸丁二酯(PBT),聚对苯二甲酸乙二酯(PET),聚苯酯(PAR),聚醚醚酮(PEEK),氟树脂,对称性聚苯乙烯(sPS)等非晶性:聚碳酸酯(PC),聚苯醚(PPO),聚碸类(PSU),聚芳酯(PAR)最后以下面三角形的图说明,泛用塑胶,泛用工程塑胶与高性能工程塑胶的分类.工程塑胶发展的历史工程塑胶做为塑胶工业的重要分支在於30年代高分子理论中的高分子结构与性能关系研究开始.最先提出来的是美国杜邦公司的卡洛斯(W.H.Carothers)於1931年发明尼龙66,堪称为二十世纪百大科学发明之ㄧ.自尼龙66开发来之后,许多的工程塑胶陆续被研究及商业化.自从尼龙66开发出来后,杜邦公司於1959年商业化聚缩醛(POM),由於其高刚性,高硬度与机械强度,使得其逐渐取代金属,因此常被人称为塑胶钢.1958年德国拜耳公司发展了聚酸酯(PC)进一步扩展结构性材料的应用,加强了工程塑胶的市场展有率.1964年美国奇异公司发展了聚苯醚,热性质与电气性质相当优异,但是加工性不佳,后了添加了耐冲击苯乙烯之后,成功了开拓该原料的市场,也开启了工程塑胶共混改质(alloy)的应用.1970年美国赛拉尼斯公司发展聚对苯二甲酸丁二酯(PBT),成为五大泛用工程塑胶最后发展成功但是却是成长率最快的工程塑胶材料.聚醯胺类(PA6,PA66),聚热塑酯类(PBT,PET),聚碳酸酯(PC),聚苯醚(PPO)和聚甲醛(POM)等五大类工程塑胶因为其使用量大且应用面非常广,因此被称为五大泛用工程塑胶.1964年美国杜邦公司成功开发出聚亚醯胺(PI)为迄今耐热性最佳的高分子材料,PI的出现更推动了高性能工程塑胶的发展.之后发展出聚碸类树脂(PSU),聚苯硫醚(PPS)等耐高温材料.1980年英国卜内门公司开发成功融点336℃的聚醚醚酮(PEEK)进而开辟了聚醚酮类系列的高性能树脂新领域.另外自1976年柯达公司发表p-羟基安息香酸改性的液晶性聚酯后开启了液晶聚酯的研发,在半结晶与非晶性塑胶之外另外有液晶行为的高分子材料,由於其特殊的自我补强,特殊配向行为与耐高温特性,在航太与电子电器用途用量越来越高.以下列出主要工程塑胶工业化的年代与首家商品化的公司名称.工程塑胶名称工业化年代首家商业化的公司尼龙661939(美国)杜邦E.I.DuPont尼龙61942(美国)I.G.FarbenIndustry聚四氟乙烯(PTFE)1945(美国)杜邦E.I.DuPont尼龙111955(法国)Atochem聚碳酸酯(PC)(酯交换法)1958(德国)拜耳Bayer聚甲醛(POM)(单聚)1959(美国)杜邦E.I.DuPont聚碳酸酯(PC)(光气法)1960(美国)奇异电器GE聚甲醛(POM)(共聚)1961(美国)赛拉尼斯Celanese聚醯亚胺(PI)1964(美国)杜邦E.I.DuPont聚苯醚(PPO)1964(美国)奇异电器GE聚碸(PSU)1965(美国)联合碳化物UnionCarbideCorp.尼龙121966(德国)Hüls聚苯硫醚(PPS)1968(美国)菲利浦Philips聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)1970(美国)赛拉尼斯Celanese聚醯胺醯亚胺(PAI)1971(美国)阿莫科Amoco聚醚碸(PES)1972(英国)卜内门ICI聚醚醚酮(PEEK)1980(英国)卜内门ICI聚醚亚胺(PEI)1981(美国)奇异电器GE尼龙461992(荷兰)帝斯恩DSM聚对苯二甲酸醯胺(PPA)1995(美国)阿莫科Amoco尼龙6T1989(日本)三井Mitsui对称型聚苯乙烯(sPS)1999(美国)陶氏Dow尼龙9T2000(日本)Kuraray泛用工程塑胶个论PA-(Polyamide聚醯胺)尼龙(Nylon)—尼龙是最早发展而且是数量最多的工程塑胶材料,常常有人会问为什麼要称为尼龙呢最早是追溯到1931年美国杜邦公司卡洛斯发现尼龙材料,在当时为一创世纪的发明,尼龙即为其商品名.正确的说法,尼龙类塑胶是表示塑胶分子式内具有醯胺基(amidegroup—NHCO—).尼龙的种类非常多,大致上分为三大类;内醯胺开环聚合,二元胺和二元酸聚缩合反应,与对苯二甲酸聚缩合反应而得.其中以尼龙66和尼龙6为最大量约占92%,尼龙11和尼龙12次之约占6%,其余尼龙类约占2%.但是因为电子业耐热温度的要求越来越高,所以近年来高温尼龙的用料量逐年持续增加.所谓高温尼龙计有尼龙46,聚对苯芳香族尼龙(尼龙6T,尼龙9T,MXD尼龙)等在本章节会叙述说明.以下先介绍最常使用的尼龙6和尼龙66,至於高温尼龙归类为高性能工程塑胶,留待高性能工程塑胶材料再行介绍:PA66(Polyamide6,6聚醯胺66)为目前用料量最多的尼龙类材料.特性:Tg:65℃,Tm:255℃.优点:耐磨耗,具自滑性.耐酸碱,耐油污,耐腐蚀.耐高温(HDT=240℃)韧性佳,耐低温.抗潜变,机械强度高.具自熄性(UL94V-2).电气性质,抗绝缘强度高.氧气透过率小.缺点:吸水性高(吸水率为1.3%),机械强度与电气性质受吸湿影响.易氧化,容易变黄.耐酸性差.应用:民生用品:纺织,渔具齿轮汽机车:水箱盖,滤油网,引擎室内连接器,输油管,拉杆电子电气:连接器,卷线轴工业用:齿轮,薄膜,电动工具,集线束带PA6(Polyamide6,聚醯胺6)特性:Tg:50℃,Tm:220℃.黏度范围在102～104poise,是属於比较低的塑料,黏度对剪变速率的依存性较大,非牛顿流体的特性强.结晶度虽然不大,约为35%,但是结晶化速率非常快.优点:与尼龙66相似,但其耐热度较差,冲击强度较佳.因此较常使用於运动器材.尼龙66较常用於汽机车,电子/电气产业.缺点:与尼龙66相似,吸水性较高(吸水率约为1.8%)应用:民生用品:纺织,溜冰鞋,网球拍汽机车:汽车后视镜外壳.电子电气:连接器工业用:齿轮,薄膜PC(Polycarbonate聚碳酸酯)聚碳酸酯自60年代发展之后,利用其优异的机械强度,高耐击强度,耐热性与尺寸安定性,首先应用於电子电气,机械和汽车产业.进入70年代利用其高透明度,耐冲击,质轻,阻燃与尺寸安定性,因此适合做为采光板的使用.自1980年代美国GE和德国Bayer公司发展出光碟级PC,从而将PC应用於CD,VCD,DVD等用途,用料量大增,年增率达11%以上,成为泛用工程塑胶内成长最快速的原料.特性:Tg:140℃,因为PC为非结晶性材料,黏度对剪变速率的依存性小,近似牛顿流体的特性,尤其是在低剪变速率范围几乎是牛顿流体;黏度与温度的依存性大,在射出成型对於温度敏感度高,对射出压力的敏感度小.黏度因等级的分子量多寡而定,约为104～105,属於高黏度的塑胶材料.优点:耐冲击性高(一般级冲击强度可达70kgcm/cm).透明高(透光率可达89%,仅次於压克力树脂).尺寸安定性佳.可制程食品级原料,符合美国FDA标准.具自熄性(符合UL94V-2).在环境温度-170℃～130℃的各个物性很安定.机械强度高,抗潜变性高.缺点:聚吸湿性,加工乾躁要求较高.加工熔融时很易因含水分造成成品内部气泡和银线等缺陷.不耐溶剂与油类.容易产生残留应变.受缺口效应,产品设计非常重要.耐摩擦与耐磨耗性差.应用:民生用品:光碟片,相机,奶瓶,仪器外壳,安全帽,安全镜片.汽机车:电子电气:继电器,插座,工业用:电动工具建筑:采光板,装饰条POM(Polyoxymethylene,Polyacetal聚甲醛,聚缩醛)杜邦公司於1956年推出Derlin聚甲醛树脂,宣称其能够取代金属,也从此开始有【工程塑胶】的名称出现.聚甲醛分为单聚甲醛与共聚聚甲醛.共聚聚甲醛是单聚聚甲醛与环氧乙烯(ethyleneoxide)共聚合而成.亚洲地区是全球聚甲醛使用量成长最快速的地区.电子电气与汽机车产业约占65%以上的市场.近年来聚甲醛为克服其韧性差与阻燃性不佳的问题,陆续开发出各种合胶的应用.单聚聚甲醛与共聚聚甲醛的物性比较如下:单聚较好—熔点约高10℃,抗张强度,弯曲强度以及热变形温度.共聚体较好—伸长率,抗潜变,耐热劣化,耐碱,成型加工的热安定性,成型范围等.特性:Tg=-50℃,Tm=165℃(共聚)175℃(单聚);一般POM在190～230℃范围内有适当的黏度(103～104poise).POM的流动近似牛顿流体,押出式吹气成型容易发生垂下(drawdown)问题,所以在押出成型的精度保持不易,因此以射出成型为主.优点:高结晶性.(结晶度:单聚POM75～85%,共聚POM70～75%)耐磨耗,耐疲劳性佳.耐药品性佳.机械强度好,尤其是刚性,抗潜变与高弹性回复率.缺点:比重高,居五大泛用工程塑胶之冠.结晶度高,相对的尺寸收缩率较大,精度较差.韧性较差,必须以合胶方式改善.易燃烧,不易制成阻燃级规格.接著性与印刷性差.材料加工范围窄,如果加工条件不适,有臭味发生.应用:民生用品:拉鍊,扣具.汽机车:汽车门锁,电动窗零件,电子电气:事务机械的转动件,结构件.工业用:齿轮,滑轮PPO(PolyPhenylOxidem-PPO,改质聚苯醚)聚苯醚是1915年开始研发,於1965年美国GE公司开始生产,机械性与耐热性非常优异,但是加工性不佳.后来GE公司添加聚苯稀改善其加工性,自此以Noryl的商品名畅销於市场.聚苯醚属於非结晶性塑胶,具有优异的综合性能.全世界生产聚苯醚的公司并不多,主要是专利问题,形成寡占市场.特性:Tg=211℃,PPO为非结晶性的材料,黏度与PC相近约为104～105,属於高黏度的塑胶材料;同样的黏度与剪变速率,温度的依存性比较大.优点:比重为五大泛用塑胶中最轻的(约为1.06).2.电气绝缘性佳.3.尺寸安定性佳.4.耐水性与耐蒸煮性佳.5.机械强度好,尤其是拉伸强度与抗潜变性非常突出.6.低温耐冲击强度.7.无毒,具自熄性(UL94V-2以上).8.吸水率低,约为0.07%(为PC的一半),一般而