第三章 什么是塑料

第三章 什么是塑料？

塑料(plastics)是一种简单的单体(monomers)经由化学聚合反应(polymerization)而成的长链状高分子聚合物(polymers)。根据美国塑料工业协会对于塑料的定义：「将全部或部分由碳、氧、氢和氮及其它有机或无机元素使用加热、加压、或两者并用的方式聚合而成，在制造中的阶段是液体，在制造的最后阶段成为固体，此庞大而变化多端的材料族群称为塑料。」高分子聚合物加工成为塑件的制程主要包括热塑性塑料之熔化与凝固的物理相态变化或热固性塑料之固化的化学反应两种。

简单的高分子材料呈链状结构，其中最重要者首推乙烯基高分子(vinyl polymer)，结构如下：

()R

| 2n

CH CH ---

其中，当 R = H ，为聚乙烯；当 R = CH 3，为聚丙烯；当 R = C 6H5，为聚苯乙烯；

当 R = Cl ，则成为聚氯乙烯。高分子材料依照分子量和分子结构的差异，也造成不同物性的塑料。例如甲烷(methane, CH 4)为气体，戊烷(pentane, C 5H 12)为液体，甲烷(polyethylene, C 100H 102)为固体。高分子材料的分子量通常为10,000 ~ 1,000,000，分子量愈大，愈增加成形的困难度，200,000为合理的成形上限。

高分子聚合物的分子链可以视为一重复单体长链，加上主要分子链旁枝的化学基，如图3-１所示。虽然“塑料”可以泛指聚合物或树脂，塑料一般是指添加了塑化剂、安定剂、填充料或是其它改善性能及成形性之聚合物系统，还包括橡胶、纤维、黏着剂与表面涂料。塑料加工成塑件的制程众多，可以参考图3-2。

聚合物分子链的结构、规模大小、化学成分都直接影响聚合物的化学性质与物理性质。塑料高分子还受到机械加工制程与热历程影响。例如，聚合物熔胶的黏滞性（亦即流动阻力）随着分子量增加而增加，随着温度上升而降低。玻璃转移温度、机械性质、耐热性、耐冲击性亦阶随着分子量增加而提高。此外，作用于材料的高剪应力所造成的整齐分子链配向性也会降低聚合物熔胶的黏滞性。就分子量分布而言，短分子链影响拉伸及冲击强度，中分子链影响黏滞性及剪切流动性质，长分子链影响熔胶之弹性。

图3-1 塑料之分类

图3-2 塑料之加工制程

塑料通常具有下列特性：

․低强度与低韧性（玻纤强化塑料则可以达到高强度与高韧性）․原料丰富，价格低廉。

․有最高使用温度限制。

․色彩鲜明，着色容易。

․受外力作用时会产生连续变形(潜变现象)。

☆易加工程复杂形状。(i.e. 容易成形，可以量产。)

☆低密度。(i.e.重量轻，塑料比重0.9~2，铝2.7，铁7.8)

☆耐腐蚀性佳。

☆良好的绝缘性和隔热性。

☆可以具有其它特殊性质，例如透明性、可弯曲性等。

塑料材料与金属材料比较，金属材料通常包括下列特性；高密度、宽广的使用范围、高热传导性、高导电性、刚性(rigidity)、高强度(strength)、不透明、易生锈、精密加工费用高昂。相对地，塑料材料则具有良好的机械阻尼、良好的热膨胀性、加工周期短而且可以减少穿孔等二次加工的成本、密度低、增加产品设计的空间与选择、料头可以回收以节省成本、可以提高产品寿命、亦可能获得很高的结构强度。钢的模数为210 GPa。一般而言，塑料的模数比金属小数十倍到数百倍。模数的定义E = 应力σ0╱应变ε0，单位是Pa(= N/m2)。塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较如表3-1。

表3-1 塑料材料与金属、陶瓷材料之特性比较

将数种聚合物混合，或是将聚合物与其它材料、补强剂复合，可以改变其物理性质、机械性质和材料之成本。这些混合制程造就了下列聚合物系统：

(1) 聚合物合金及混合物

聚合物合金(polymer alloys)及聚合物混合物(polymer blends)是将两种或更多种聚合物混合的系统。当混合结果产生融合效应(synergistic effect)而具有单一的玻璃转移温度，称为聚合物合金，其性质比各别的聚合物更佳。当混合结果具有多重的玻璃转移温度，称为聚合物混合物，其性质是各别聚合物的平均。ABS是最早期的一种成功混合物，它结合了各个成分聚合物的耐化学性、韧性(toughness)以及刚性(rigidity)。

(2) 聚合物复合材料

聚合物复合材料(polymer composites)是将强化物质添加到聚合物内，以增加所需的性质。单晶／须晶、黏土、滑石、云母等低长宽比（aspect ratio）之片状填充料可以提高材料的劲度（stiffness）；然而，纤维、玻璃纤维、石墨、硼等高长宽比的填充料可以同时提高拉伸强度和劲度。

3-1 塑料之分类

根据分子联结的聚合反应种类，塑料可以区分为热塑性塑料(thermoplastics)和热固性塑料(thermosets)。表3-2列出热塑性塑料与热固性塑料相关的结构与性质之整理。热塑性塑料根据分子结构或链的结构可以再细分为不定形(amorphous)、半结晶(semi-crystalline))或液晶(liquid crystalline)聚合物。聚合物的微结构及加热与冷却的效应如图3-3。其它类别的塑料包括弹性体(elastomers)、共聚合物(copolymers)、复合物(compounds)、商用塑料和工程塑料。添加物填充料和补强剂是直接与塑料性质和性能相关的其它分类方法。

表3-2热塑性塑料与热固性塑料的结构与性质

3-2 热塑性塑料

一般而言，热塑性塑料聚合度较高，分子量也较大。线状或分枝状的长分子链有侧链或官能基，而且不与其它聚合物分子相连接，结果，热塑性塑料可以重复地加热而软化，冷却而凝固。这种以物理反应之相变化为主的程序允许将塑料废料回收。虽然热塑性塑料可以回收，但在成形时仍可能有小程度的化学变化，回收塑料的性质可能不会与原始塑料的性质完全相同。

热塑性塑料占所生产塑料的70%，热塑性塑料以小球状或颗粒状贩卖，它们在压力下加热熔化成黏稠状流体，冷却时形成所需的成品形状。与热固性塑料比较，热塑性塑料通常具有较高的耐冲击强度，容易加工，对复杂设计有较好的适应性。

图3-3 不同塑料的微结构，及制程中加热或冷却对于为结构的影响。

在热塑性塑料中，商用塑料占了90%，例如高密度聚乙烯（HPPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）等。然而，工程塑料诸如缩醛(acetal)、ABS、耐隆、聚碳酸脂(PC)等提供了高机械强度、较佳的耐