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高分子簡介 塑料技術發展部 主要內容 高分子及塑膠基本概念 塑膠微結構與物性之影響 塑膠熱性質 塑膠機械性質 塑膠電氣性質 工程塑膠的UL規範 Polymer Technology Application Center 2 聚合物(高分子) 分子所組成 高分子量組成聚合物 聚合物的優缺點 1)比重小：聚合物 0.8-2.2 金屬 2.7-7.5 陶瓷材料 2.2-2.5 2)成形性：較金屬壓鑄，陶瓷預鑄好 3)機械特性：金屬最強，陶瓷抗壓抗折強度大 4)熱性質：熱傳導率低，熱膨脹率高 5)電性質：良好電絕緣體 6)加工性及精度：機械加工，差異頗大 7)化學性質：性質不一 3 塑膠材料分類(1) 以基本結構來分 熱塑性： 1)線性高分子組成 2)加熱與冷卻具有改變液態與固態的可逆性反 應 3)加工過的材料可重複回收使用 熱固性： 1)分子構造呈網狀、三次元結構 2)無法進行液態與固態的可逆性反應 3)加工過的材料無法重複回收使用 Polymer Technology Application Center 4 塑膠材料分類(2) 以結晶結構來分 結晶性： 1)具有明顯熔點 2)當結晶結構被破壞時，比容(單位重量的體積) 會有明顯的變化。 非結晶性： 1)熔點及在熔點附近的比容均不太明顯 2)具透明性 3)抗化學性較差 Polymer Technology Application Center 5 塑膠材料分類(3) 以功能來分 塑膠依其機械、電氣、熱學及其他性質功能來分。 1 )泛用塑膠：外觀及低功能使用要求，用在一般商 用產品的外觀或包裝上。如：PE 、 PVC 、 PMMA ABS 2 )工程塑膠：常用以取代鋁、鐵等金屬鑄造及高功能 要求的精密零件上。如：POM 、 PBT 、 NYLON 、 PC 3 )高級工程塑膠：運用於特別要求之電子精密零件。 如：LCP 、 PES 、 PEEK 、 PEI 6 塑膠微結構與物性之影響(1) 分子量與物性之關係 1)分子量增加，強度增強。 2)不可無限制增加，因分子糾纏，不易流動，加工 困難 無定形與結晶狀態。 1)聚合物分子鏈之間以雜亂糾纏卷曲的方式聚集 在一起，此狀態稱之為無定形狀態 (Amorphos state) 。 2)聚合物分子鏈和其他分子鏈互相以位置精準， 有規則的方式聚集在一起，則稱有規則排列的 部分為結晶狀態(Crystal state) 。 7 塑膠微結構與物性之影響(2) 結晶狀態 結晶化速度表成結晶核發生速率與結晶核成長速率之積 熔融塑膠的結晶核發生速率是愈低溫愈大。結晶核成 長速率取決於分子鏈的擴散速度，所以愈高溫愈大。 此關係的模型，若適當控制射出成形時的模具溫度， 即可得希望的結晶狀態。 往模具射出後，徐冷的話推進結晶化，急冷的話未結 晶前就固化，結晶程度小。 Polymer Technology Application Center 8 結晶對聚合體性質的影響 密度(density) 剛性或倔強性(rigidity or stiffness) 抗張強度(tensile strength) 耐衝擊強度(impact strength) 硬度與抗磨損性(hardness and abrasion resistance) 熱機械性質(thermal mechanical property) 滲透性(permeability) 光學性質(optical property) 溶解性(solubility) 抗應裂性 (stress cracking resistance) 9 塑膠熱性質(1) 對溫度變化的形狀尺寸抵抗性 1)耐熱變形性（反翹、彎曲、扭曲） 熱變形溫度，軟化點 2)尺寸變化（溫度變化所致） 線膨脹係數，加熱收縮率，結晶化度─溫度關係特性 機械性質及其他物性的抵抗性 1)機械性質的變化 機械的性質溫度特性（耐熱性） 低溫脆化溫度（耐寒性） 2)電氣特性及其他物性之變化 10 各種特性溫度特性 塑膠熱性質(2) 對溫度變化的化學抵抗性 外觀變化 膨脹、龜裂、變色、透明度損失 熱安定性、耐藥品性（劣化） 、硬化 耐燃性 UL94 氧氣指數測試 燃燒速度 Polymer Technology Application Center 11 實用熱分析技術 熱分析法 測試記錄 微差掃描卡計(DSC) 熱量變化 應用範圍 璃轉移點(Tg) 熔點 相轉移溫度 結晶現象 反應動力 熱重量分析儀(TGA) 重量變化 熱安定性 分解溫度 溫度變化 荷重耐熱性 組成分析 熱變形溫度(HDT) Polymer Technology Application Center 12 難燃化原理與機構（1） 耐燃劑(Flame retardant)可說是種較好的買長時間物質 耐燃劑之功用主要為抑制燃燒的進行 物理作用 1)藉冷卻效果 ：耐燃劑釋出低溫物質來冷卻，使 溫度低於燃點而無法燃燒。 2)藉形成保護膜：促使或本身形成一固態或氣態層 來阻止氣體釋出，隔絕氧氣及熱傳導。 3)藉稀釋作用：耐燃劑燃燒後產生中性氣體，沖淡 氧氣，使之低於最低含氧量。 Polymer Technology Application Center 13 難燃化原理與機構（2） 化學作用：大多數化學作用主要發生於固相和氣相 1)氣相反應自由基被耐燃劑所終止，放熱過程停止， 系統冷卻，可燃氣體供應減少，從而完全抑制燃燒 。 2)固相反應有兩種形式之作用發生 2-1)耐燃劑加速高分子之崩潰，而造成聚合物顯 著的流動， 從火焰的影響帶移去，以阻止 繼續燃燒。 14 2-2)耐燃劑經由脫水作用，而在高分子表面形成 難燃劑分類 有機難燃劑 溴系 磷酸酯 氯系 無機難燃劑 氫氧化鋁 氫氧化鎂 硼酸鋅 其他 Polymer Technology Application Center 15 塑膠機械性質 材料受到外力作用時，材料本身會對此外力產生回應 ，不同測試條件下，如不同的外力、方向、大小及種 類檢測及相關變化，即為機械性質之測試。 抗張強度及模數 抗折強度及模數 衝擊強度 Polymer Technology Application Center 16 塑膠電氣性質(1) 電阻 表面電阻(Rs) 電壓與由材料表面的溼氣或其他導電性雜質所引起 電流間的比值，與材料的性質和表面乾淨度有關。 體積電阻(Rv) 電壓與通過材料內部的電流間的比值 電阻係數定義為電位梯度與電流密度的比值 一般定義體積電阻在 108ohm-cm 以上者為絕緣材料， 而103-108ohm-cm 範圍者為部份電導體。 Polymer Technology Application Center 17 一些聚合物的體積電阻係數 聚合物 壓克力 環氧樹酯 聚苯乙烯(PS) 聚碳酸酯(PC) ABS PA66 聚乙烯 聚丙烯 熱塑性聚酯 PPO 聚四氟乙烯(PTFE) 體積阻抗係數 1014 1016 1016 5╳1016 2╳1014 1014 1016 1016 3╳1016 1017 1018 Polymer Technology Application Center 18 塑膠電氣性質(2) 介電強度(Dielectric strength) 介電崩潰電壓定義為絕緣材料在失去其絕緣性前， 所能忍受之最大電壓，而介電強度等於介電崩潰 電壓除以材料厚度之比值。 塑料絕緣材料的介電強度主要與三項因素相關 1)電路特性 2)成品的形狀 3)成品的工作環境因素 Polymer Technology Application Center 19 一些聚合物的介電強度 聚合物 氟碳化合物 剛性聚氯乙烯 熱塑性聚酯 聚丙烯 耐衝擊聚苯乙烯 尼龍 聚四氟乙烯 PPO 聚乙烯 聚碳酸酯 ABS 介電強度(V/mil) 2000 800-1400 600-750 650 650 350-560 500 500 480 450 415 20 塑膠電氣性質(3) 介電容量 介電容量為導電系統的性質。將絕緣器放置在兩個導 電金屬板間儲存電荷，單位電壓所儲存之電量定義之 。 介電常數(Dielectric Constant) ASTM D150 絕緣材料的介電容量與真空或空氣的介電容量之比值 會受頻率、電壓、溫度溼度等的影響，介電常數越小 則絕緣性越好。 介電常數為電路內部儲存能量的指標，儘管微小的電 容量對整體電路的電能影響不大，但對於需要低功率 頻率寬泛訊號穩定的電路設計，如通訊器材的應用， 21 介電常數更要求其穩定性。 一些聚合物的介電常數 聚合物 醋酸纖維素 酚樹酯 尼龍 環氧樹酯 耐衝擊聚苯乙烯 酯類共聚合物(25%GF) 尼龍 聚碳酸酯(30%GF) 熱塑性聚酯 ABS SPS PS 氟碳化合物(PFA,FEP) 介電常數 3-7 4-7 3.5-5.4 4.3-5.1 2-4 3.9 3.5-3.8 3.48 3.2 3.2 2.8 2.7 2.1 22 塑膠電氣性質(4) 耗散因子(Dissipation Factor) ASTM D150 電器應用上都希望能使電力損失（絕緣器的效率）達 到最小，耗散因子就是絕緣材料的效率指示量測，指 出當電壓應用到這個迴路時，絕緣材料能量的損失量 ，亦即電流轉換為熱能的比例，比例越低介電性越佳 。 電弧阻抗 (ARC resistance) ASTM D495 材料抵抗高伏特電弧作用的能力，以產生電導性所需 的時間來定義。 電弧崩潰通常定義為絕緣體表面碳化產生裂痕、局部 白熱現象或產生燃燒使得絕緣性被破壞。 Polymer Technology Application 23 Center 一些聚合物的電弧阻抗 聚合物 聚碳酸酯(10-50%GF) 耐衝擊聚苯乙烯(HIPS) ABS 剛性聚氯乙烯 環氧樹酯 酯類均勻聚合物 低密度聚乙烯(LDPE) 聚四氟乙烯 壓克力 電弧阻抗(SEC) 5-120 20-100 50-85 60-80 120-150 130 135-160 >200 NO TRACK Polymer Technology Application Center 24 工程塑膠的 UL規範(1) 塑膠材料應用在電子/電機結構零件或家用電器上須經 Underwriters Laboratories Inc.單位機構嚴格的檢 驗認證。 主要功能為降低電氣性質或燃燒傷害的可能性。 除產品功能段外，塑膠的原材料的各項性質也必須 要符合UL的要求。 凡經由UL單位認可的塑膠材質特性將列入報告 “Recognized Component” ，同時對本塑膠材質發予 認證書，俗稱 “Yellow Card” 。 測試規範請參考 UL-94,UL746A,746B,746C等說明 。 Polymer Technology Application Center 25 工程塑膠的 UL規範(2) Relative Temperature Index (RTI) 1) 評估絕緣塑材在長期高溫下，仍能保持其機械、 物理及電器特性之指標。 2) 一般評估在經過 60000小時後，素材仍能維持 原始 50% 物性下的溫度。 相對溫度指數申請有下示兩種類 1)依據經驗記錄 2)依據長時間的熱劣化試驗 Polymer Technology Application Center 26 工程塑膠的 UL規範(3) Hot Wire Ignition (HWI) ASTM D3874 1)電器設備，電線導體，電阻或其他零件，在某些 狀況下會有不正常發熱現象，而此發熱體接觸絕 緣塑料時可能造成起火燃燒，故須作此測試。 2)將塑料樣品以電阻線纏捲，經由電熱能量的加熱 塑料樣品轉為發熱變紅起火燃燒，或未產生火焰 ，但樣品焚化時所需之平均時間(sec) ，依其時 間長短分類。 Polymer Technology Application Center 27 工程塑膠的 UL規範(4) High Voltage Tracking Rate (HVTR) 1)目的為測試塑料表面在遭受高電壓、低電流環境下 產生磁化軌跡或可識見的碳化通路的速率(mm/min) 2)測試條件為 open-circuit voltage 5200 volts short-circuit current 2.36 mA電弧環境下，觀 其產生通路的速率。 3)UL對於直接使用於電流導體支撐零件，可容許最大 電路軌跡達 25.4mm/min，但若電子零件結構設計 可 降低電路軌跡產生，該塑料即使超過最大限制時， 此部品仍屬可接受的程度。 Polymer Technology Application 28 Center 工程塑膠的 UL規範(5) Comparative Tracking Index (CTI) ASTM D3638 1)電器設備有可能在高電壓狀況，塑料絕緣體暴露 於污染環境或是表面受到污染，引起電路導通， 造成設備當機。此測試為加速模擬污染環境下電 路失敗的條件。 2)測試方法為使用 2.5 mm 厚度、50 mm 或 100 mm 直徑圓板試片，在表面置放兩電極，同時在表面 每 30秒滴下 0.1% NH4CL之水溶液，此時表面逐 步產生電路軌跡，隨滴下水溶液滴數增加，表面 突然導通產生電流(由0A升至1A)，記錄其滴數及 產生電壓。依此法作圖可得出在滴下50滴 NH4CL 水溶液產生破壞的電壓而分類。 29 工程塑膠的 UL規範(6) High Amp Arc Ignition (HAI) 1)塑料絕緣材在偶爾不正常操作下，暴露於電弧中 ， 若此電弧強度過高，可能引起火花。 2)測試以 0.5-5 in 厚試片表面，分別以兩個電極 ， 在 240V、60HZ 電源下，每分鐘 40次釋放 32.5A 之高電壓電弧，計算引起燃燒的電弧產生次數， 依其電弧釋放次數分類。 Polymer Technology Application Center 30