塑料的特性与选用C

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1、塑料的特性与选用在设计塑件，分析机件应用时发生的破坏，或选用材料时，塑料的特性是很重要的参 考资料。这些特性主要是来自料商对材料作出试验，然后把数据列出。在参考特性数据时，我们对试验的方法及环境必定要充足了解，才能准确的利用数据。 现今对塑料的测试标准是有多种的，但不同标准中的测试方法可以大至相同，亦可能 完全不一样。因此，在看数据时，我们必须同时看测试的标准。在众多的试验标准中，美国试验及材料协会（ASTM）是应用得最为广泛。本部分的 内容亦主要根据 ASTM 的试验方法编写。但详细的试验方法及环境仍需参看 ASTM 的测试标准。1. 吸水率（ WATER ABSORPTION）（ 1.1）

2、试验方法试件可以是一件模塑的试件或是一件从片材，棒材，或管材切出的试件，它 们各有一规定的尺寸。试验时，试件先在烘烤中烘干，然后量度重量。接着浸在一定温度的水中二 十四小时，从水中取出后，用一块布擦干，立刻量度其重量。用百分率表示 浸水后增加的重量就是吸水率。有些材料在浸水时会损失若干可溶性物质，试料必须重新烘干。记下“可溶 性物质损失的百分率”。重量增加的百分率加上可溶性物质损失的百分率等于 吸水率。（ 1.2 ）意义各种塑料的吸水率并不相同。吸收的水分可能以不同的方式影响塑料。塑料 的吸水性跟电气特性的关系最为显著。这是几乎不吸水的聚乙希（PP）是最 合用的绝缘材料的一个理由。吸收水分较多

3、的材料，在加工时容易改变尺寸。在设计尺寸稳定性要求高的 机件时，最好选用吸水率较低的塑胶。2. 拉伸性能（TENSILE PROPERTY） 塑料的拉伸性能是指当塑料在拉伸试验夹具中，经过拉伸过程时出现的应力（拉 伸力）和应变（伸长）的关系。（ 2.1）试验方法图 1 所示是试件及试验机的简图。将试料的两端向外拉。连接试验机的记录 仪器把当时的应力和应变的变化记录出来。图2是应力和应变的关系曲线。图 2 中应力和应变的变化特点：AB在 A 点至 B 点的过程中，试件是在弹性变形的阶段当拉伸力消除后试件会立即回复原来长度。这时的变化是成正比例的，这比例称为弹性模量 (MODULUS OF ELA

4、STICITY)。BC在 B 点至 C 点的过程中，试件仍然在弹性变形的阶段。但当拉伸力消除后试件是需要一段时间才回复原来的长度。这时的变化是成曲线的，即 应力和应变的变化并没有一定的比例。C当经过 C 点后，试件的伸长是永久性的，也是说当拉伸力消除后试件是不会回复原有的长度。这点称为屈服点(YIELD POINT)D到达 D 点时。试件会断开这是试料的断裂点。以下是图 2得到的材料强度数据：1. 屈服强度(TENSILE STRENGTH AT YIELD)-这是图2中C点时试件 所承受的应力，亦即当时的拉伸力除以原始横截面积，单位为 N/mm2。2. 拉伸强度(TENSILE STRENG

5、TH AT BREAK)-这是图2中D点时试 件所承受的应力，亦即试件所能承受的最大拉伸力以原始横截面积，单 位为 N/mm2。3. 断裂伸长率(ELONGATION AT BREAK)-这是图2中D点时，试件 的长度跟原始长度的比率，单位为%。2.2)意义 拉伸性能是表达材料在短时期的拉伸力下的强度数据。根据这些数据塑料可 分为三种。1. 材料硬而脆，模量及抗拉强度都高，断裂伸长率很小，受力时呈脆性断裂， 可作刚性制品；但不抗冲击，适用于承受静压力的场合，如聚苯乙烯(PS) 制品。2. 材料坚而韧，模量及抗拉强度高，断裂伸长率较小，如硬聚氯乙烯(PVC)。3. 材料坚而韧，模量及抗拉强度高，

6、断裂伸长率较大。材料受力时，多属韧 性破坏，受力部位发白。材料的强与弱，可从抗拉强度的大小来判断；硬与软，可从模量的大小来判 断；韧与脆，可从曲线下面积的大小来判断。所谓脆性断裂是指在拉伸时， 未出现屈服点断裂的一种破坏形式。3. 抗弯强度(FLEXURAL STRENGTH )这是显示塑料在抵抗折弯的能力。( 3.1)试验方法这试验所用的仪器简图如图3 所示。试件是一件长行的塑胶块，仪器底部有 两跟相隔一定距离的支柱。试件就是横跨的放在支柱上。在试件的中央以规 定的速率施加载重，试件断裂时的载重，就是试件的抗弯强度，单位为 N/mm2。当试件为软塑料，不发生断裂时，则把令试件产生百分之五应变

7、的 弯曲应力定为抗弯强度。( 3.2)意义 利用抗弯强度的数据来计算及设计受力弯曲的机件会比利用抗拉强度的数据 准确。4. 弯曲弹性模量( FLEXUARL MODULUS) 弯曲弹性模量是用来量度材料在弯曲变形起始阶段的韧性。这数据在很多情况下都 差不多跟拉伸的弹性模一样。弯曲弹性模量在应力和应变关系图中，是起始阶段线性部分的应力跟应变的比例。 计算跟拉伸弹性模量的方法一样。高弯曲弹性模量代表材料有强的韧性。5. 抗冲击强度(IZOD IMPACT)作用在塑料制品上的力有时上冲动力，如制品从高处掉到地上。如果塑料制品经受 不住这中冲击力，即将破坏，因此，必须控制塑料的抗冲击性能。测定塑料冲击

8、性能的方法有冲击摆法，落钟法和落物法。其中以冲击摆法最常用以 下将会介绍冲击摆法(IZOD IMPACT)。( 5.1)试验方法冲击摆的示意图见图 4。试料是一块长条形的胶件，缺口朝想摆钟。当摆钟升 高时，摆钟具有了势能(POTENTIAL ENERGY),摆钟下落后，势能边成功 能(WORK DONE)，冲击夹在夹具中的试件，然后摆想另一方，摆钟升高。 但由于冲击试件时消耗了一部分能量，所以不能摆到原始高度。高度减少值可 以换算成功(WORK)的数值，在表盘的指针上显示出来，称为冲击功。冲 击功除以试件最小处的横截面积，贝U为冲击强度(IMPACT STRENGTH)，单 位为 MJ/mm2

9、 或 KJ/mm2。( 5.2)意义 冲击强度数值在比较同一种塑料的不同等级时很有用。但比较两种塑料时，却 不应该把冲击强度当作比较强韧度或冲击强度的可靠方法。特别在缺口试验 中，有些材料对缺口较为敏感，而缺口会把应力集中起来。但缺口试验可以物 出使用这些材料时必须避免有尖锐的缺口。6. 洛氏硬度（ROCKWELL HARDNESS）一种塑料的硬度是该材料对压缩、压凹、及划伤的抵抗力。它只是一个相对的术语。 并不能跟耐磨混为一谈。也不意味着材料越硬，其划伤或耐磨的抵抗力越高。很多 的硬度测量都把硬度定义为材料对压凹的抵抗力。仪器是借着特定的压痕器在一定 的载重下把试件的表面压凹，再量度凹陷的深

10、度就得出材料的硬度。（ 6.1）试验方法图 5 是洛氏硬度计测试步骤的示意图。试件块至少 0.25 寸厚的薄片，或是 把几件较薄材料叠至足够厚度的试件。把试件放在洛氏硬度计上，利用硬度 计把一个有小载重的钢球压在试件的表面上，使钢球略为压入试件的表面。 把硬度计上的量表归零，然后把载重加大十五秒钟，把大载重移开，只剩下 小载重。在十五秒钟后，钢球仍然是压入试件的表面下。硬度计上的量表会 把这压入的深度量出，量表上的读数就是洛氏硬度。试验中所用的钢球大小，和所施加的载重是会因应材料而选择不同的系列 的，在各系列中，数字越大，就表示材料越硬。（ 6.2）意义 洛氏硬度是可以用来比较每一种塑料的各种

11、形式的硬度。但是由于这种实验涉 及弹性复原和硬度，所以不宜完全根据这试验来比较各种塑料的硬度。7. 热变形温度（HEAT DEFLECTION TEMPERATURE/HDT UNDER LOAD）这是表示塑料在热作用下的形状稳定性，即塑料在热作用下形状不发生变化的特性。（ 7.1）试验方法 图6是热变形温度的测定装置。在恒温浴的底部有两个支点，一长行试在上 面，试件中央利用砝码加上弯曲应力。然后以每分钟摄氏 2 度的速率提高温度。但试件弯曲到一定时，记下这时的温度，称为热变形温度（HDT）。（ 7.2）意义这种试验显示在一定载重和温度下材料的弯曲程度。这并不是用来规定某种 产品的最高限制温度

12、。它可以用来比较在这种实验环境下的行为。8. UL 温度指数（ UL TEMPERATURE INDEX）热变形温度（HEAT DEFLECTION TEMPERATURE ）试验可提供塑胶使用时的 上限温度指示。不过，是否能在这温度实际长久使用，则无法保证。尤其因热会 引起化学热劣化时更甚。若要求出能连续使用的温度，则需由连续使用时间和这时的物性值变化分别依各 方标准比较，UL温度标准是针对这项问题而作出的试验，它以塑料在连续使用 一段长时间后的强度降到当初的二分之一的温度为定格温度。(8.1)试验方法试验是把厚度一致的一批试件分为五份。一份会留作比较。而其余的试件是会放 在烘炉中以四个不同

13、温度烘热。每隔一段时间，试件会从炉中取出，逼供内进行 各种试验，如抗冲击强度试验，如抗冲击强度试验，绝缘击穿强度试验等。连串 的试验后利用数据找出强度值最先降到当初二分之一的强度特性，并以该时间定 为时间的指标。并以这时间计算出其他的机械及电学性能在那一个温度会降至当 初的二分之一的强度特性。(8.2)意义UL温度指数是可以UL出版的“黄卡”找到的，如图7所示。从卡中可以发现 UL温度指数是会跟随试件的厚度而变化的。而每一种材料品种及规格都有不同 的 UL 温度指数。9.UL94 燃烧试验UL94燃烧试验UL试验室(UNDER WRITERS ； LABORATORIES)开发出来的,是现今最

14、普遍采用的燃烧试验。其实验结果可作为选择防火塑料时的指标。 UL94 试验包括水平及垂直两种燃烧方法，而试验则可分为四个种类，在试验后试件会评 定为很多等级。以下是这四个试验：1. 水平燃烧试验(HORIZONTAL BURNING TEST),材料可评定为(94HB)。2. 垂直燃烧试验(VERTICAL BURNING TEST)，材料可评定为(94V-0, 94V-1,94V-2)。3. 垂直燃烧试验(VERTICAL BURNING TEST),材料可评定为(94-5V)。4. 垂直燃烧试验(VERTICAL BURNING TEST),材料可评定为(94VTM-0,94-VTM-1，

15、或 94VTM-2)。(9.1) 水平燃烧试验(94HB，方法图8是水平燃烧试验的装置，试件是水平的固定在铁架上，用本生灯(BURNER) 燃烧试件的末端。如试件能符合下列其中一项要求,试件会评定为 94HB。1. 厚度在0.12寸至0.5寸，而燃烧速度在1.5寸/分钟以下。2. 厚度在0.12寸以下，而燃烧速度在3寸/分钟以下。3. 不能燃烧超过4寸。(9.2) 垂直燃烧试验(94V-0, 94V-1，94V-2)方法图 9 是垂直燃烧试验的装置，不同的地方是试件是处于直立状态，其上端固定， 下端为自由端。而试件下则放置了棉花。用本生灯燃烧试件的自由端，材料的燃 烧状态会按表1评定为94V-

16、0, 94V-1及94V-2。(9.3) 垂直燃烧试验(94-5V，方法这是最严格的试验，利用垂直燃烧试验的装置试验试件。如试件没有熔融塑料滴 下，而又能符合以下的两项要求的其中一项或全部，塑料会给评定为94-5V。1. 试件不会被燃烧。2. 试件在 5 次燃烧后亦不会燃烧超过60秒钟。(9.4)垂直燃烧试验(94VTM-0, 94-VTM-l, 94VTM-2)方法这是用于非常薄的材料的试验，方法跟以上的垂直方法一样，不同的是薄片 材料是卷成条状。同样用本生灯燃烧试件的自由端,材料的燃烧状态会按2 评定为 94VTM-0, 94-VTM-l, 94VTM-2。( 9.5)意义 塑料的燃料等级

17、是设计高温下使用,或电器产品时的重要资料。按不同的安 全标准对产品各部分的塑件都不同的防燃要求。10. 绝缘击穿强度(DIELECTRIC STRENGTH)绝缘体被击穿,是指电压达到一定值 4,绝缘体被毁坏,不再绝缘。其机理是当 电压足够高时,绝缘体中的少数离子或电子被加速。由于它们碰撞其他离子或电子, 产生更多高速离子或电子,使导电性增加,而导致某瞬间材料的绝缘性完全破坏。(10.1)试验方法 图10所示是试验方法的简图。其测量方法是试件夹在两电极之间,交流电 压以每分钟100, 150, 1000或3000V的速率升高，直到击穿。击穿时的电 压即位击穿压。击穿电压除以试件的厚度即得出击穿

18、强度,单位为 KV/mm 或 KV/cm。( 10.2 )意义 击穿强度在设计电气制品时是很有用的数据,但要注意的是击穿强度不但与 测试材料有关,还与惦记形式、电压频率、试验温度、作用时间、试件厚度 等有关。一般来说,强度随试件厚度增加而增,随温度上升而下降,随作用 时间增加而减少。因此在设计时实际情况下的测试是很重要的。11. 耐电弧性试验( ARC RESISTANCE)耐电弧性是塑料抵抗高压电弧作用的能力,一般可用材料产生导电的时间来描述。 破坏的特征是表面碳化,局部灼焦或燃烧。在导电元件之间要进行接触的所有场合 中，电弧是不可避免的。如开关、断路器(CIRCUIT BREAKERS)和

19、汽车自动配 电罩(AUTOMATIVE DISTRIBUTOR CAPS)等，在这些场合中，电弧都有可能 造成电器损坏。与电弧作用有联系的另一种术语是电弧径迹(TRACKING)，径迹 的定义是高压电源产生电流泄漏或在电极之间的绝缘材料表面缓慢但稳定地形 成一层薄薄的金属丝状碳化痕迹的现象。(11.1) 试验方法耐电弧性试验原理见图 11，以高压、小电流在电极间产生的电弧，间歇 作用于固体绝缘材料表面。使材料经受逐渐厉害的燃弧条件，从而分辨出 材料的耐电弧性，以电弧产生至材料破坏所经过的时间(S)来衡量材料 的耐电弧性。(11.2) 意义 试件是在很清洁的情况下测试。在实际使用塑件时，塑件表面的污染物如 尘埃、油污及水分会加速产射干内电弧径迹。耐电弧性的数据只适用于比较差不多成分相同的塑料。