一、塑料的来源 
    
    塑料工业属于高分子工业，是石化工业的一环，具有高度关联性，是多层次加工特性之产业。塑料是以石油或天然气为原料，经提炼、裂解成各种石化基本原料（单体）后，再经聚合反应（加成聚合或缩合聚合）而得的高分子树脂。各类塑料经过逐步加工衍生出各种下游制品，包括橡胶、涂料、接着剂、人造纤维、合成树脂等。 
    
    二、塑料的定义 
    
    塑料是以石油或天然气为原料，经过合成反应而得到的高分子树脂。所谓高分子树脂是指单体化合物经过聚合反应，聚合合成高分子聚合体，其分子量可达到数千甚至数百万。在高分子领域的分类上，分子量未达1000者称为低分子，介于1000～10000者称为准高分子或寡聚合体（Oligomer），大于一万以上者称为高分子（Polymer）。一般常用来做成型加工的塑料，其分子量大约在10000～1000000之间，而分子量低于一万的寡聚合体则常用来做纺织用树脂、涂料、接着剂、合成树脂等。所以，并非所有高分子聚合体均可作为塑料的用途，事实上要看其分子量、分子结构、官能基、玻璃转移温度（Glass transition temperature ，简称Tg）等种种因素，塑料随温度与分子间键结而呈现玻璃态、橡胶态、熔胶态等变化。 
    
    塑 料 名 称分 子 量 M/W.C 
    聚 乙 烯 PE4000 
    聚异丁烯 PIB17000 
    聚乙烯醇 PVA29200 
    聚苯乙烯 PS38000 
    压克力 PMMA10400 
    
    三、塑料的种类 
    
    一般而言，塑料可大分为两大类：热塑性塑料（Thermoplastic）及热固性塑料(Thermosetting)。 
    
    热塑性塑料在常温下通常为颗粒状，加热到一定温度后变成熔融状，将其冷却后则固化成型，若再次加热则又会变成熔融状，可进行再次的塑化成型。因此，热塑性塑料可经加热熔融而反复固化成型，所以热塑性塑料的废料通常可回收再利用，即有所谓的「二次料」之称。热塑性塑料分通用塑料（如PE、PP、PS、PVC、ABS等）、工程塑料（如PC、PA、POM、PBT、PPO、PPS、LCP等）和合金（如PC/ABS等）。 
    
    热固性塑料则是加热到一定温度后变成固化状态，即使继续加热也无法改变其状态。因此，热固性塑料无法经再加热来反复成型，所以热固性塑料的废料通常是不可回收再利用的。 
    
    四、工程塑料的定义及其特性 
    
    工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。日本业界将它定义为“可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在100℃以上，主要运用在工业上”,其性能包括： 
    
    1. 热性质：玻璃转移温度(Tg)及熔点(Tm)高；热变形温度(HDT)高；长期使用温度高(UL-746B)；使用温度范围大；热膨胀系数小。 
    
    2. 机械性质：高强度、高机械模数、低潜变性、强耐磨损及耐疲劳性。 
    
    3. 其它：耐化学药品性、抗电性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。 
    
    被当做通用性工程塑料者包括聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、聚酰胺(尼龙, Polyamide, PA)、聚缩醛(Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM)、变性聚苯醚(Poly PhenyleneOxide, 变性PPE)、聚酯(PETP，PBTP)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)、聚芳基酯，热硬化性塑料则有不饱和聚酯、酚塑料、环氧塑料等。它们的基本特性为拉伸强度均超过50Mpa，抗拉强度在500kg/cm²以上，耐冲击性超过50J/m，弯曲弹性率在24000kg/cm²，负载挠曲温度超过100℃，硬度、老化性优。聚丙烯若改善其硬度和耐寒性，也可列入工程塑料的范围。此外，还包括较特殊者的强度弱、耐热耐药品性优的氟素塑料，耐热性优的硅溶融化合物，以及聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、Polybismaleimide、Polysufone(PSF)、PES、丙烯塑料、变性蜜胺塑料、BTResin、PEEK、PEI、液晶塑料等。 
    
    各工程塑料的化学构造不同，所以它们的耐药品性、摩擦特性、电机特性等有所差异。由于各工程塑料的成型性不同，因此有的适用于任何成型方式，有的只能以某种成型方式进行加工，这样就造成了应用上的局限。热硬化型工程塑料的耐冲击性较差，因此大多添加玻璃纤维。工程塑料除了聚碳酸酯等耐冲击性大外，通常具有硬、脆、延伸率小的性质，但如果添加20~30%的玻璃纤维，则它的耐冲击性将有所改善。 
    
    五、结晶性塑料的定义及其特性 
    
    结晶是指分子排列的规则，冷却后成为结晶构造。一般塑料的结晶构造是由许多线状、细长的高分子化合物组成的集合体，依分子成正规排列的程度，称为结晶化程度（结晶度），亦谓每条分子只有部分排列整齐，所以结晶性树脂其实只有部分是结晶。结晶部分占有的比例，即为结晶度。而结晶化程度可用X线的反射来量测。有机化合物的构造复杂，塑料构造更复杂，且分子链的构造（线状、毛球状、折迭状、螺旋状等）多变化，致其构造亦因成形条件不同而有很大的变化。结晶度大的塑料为结晶性塑料，分子间的引力易相互作用，而成为强韧的塑料。为了要结晶化及规则的正确排列，故体积变小，成形收缩率及热膨胀率变大。因此，若结晶性越高，则透明性越差，但强度越大。 
    
    结晶性塑料有明显熔点(Tm)，固体时分子呈规则排列，强度较强，拉力也较强。熔解时比容积变化大，固化后较易收缩，内应力不易释放出来，成品不透明，成形中散热慢，冷模生产后收缩较大，热模生产后收缩较小。相对于结晶性塑料，另有一种为非结晶性塑料，其无明显熔点，固体时分子呈不规则排列，熔解时比容积变化不大，固化后不易收缩，成品透明性佳，料温越高色泽越黄，成形中散热快，以下针对两者物性进行比较。 
    
    结晶性塑料的特性如下： 
    
    1.分子在结晶构造中紧密的靠在一起，所以结构就更坚实。密度、强度、钢度、硬度就增加，但透明度降低。 
    
    2.结晶性树脂在熔点温度时产生了急剧的比容下降，非结晶性树脂比容在熔点温度没有急剧改变。比容是指单位质量的体积，单位是/g。结晶度依树脂种类，冷却速度而异，硬质聚乙烯结晶度高达90％，耐龙的结晶度仅20～30％左右。冷却速度愈慢，结晶度愈高。 
    
    A. 结晶性与非结晶性塑料的物性对比 
    
    物 性结晶性非结晶性 物 性结晶性非结晶性 
    比重较高较低耐磨耗性较佳较低 
    拉伸强度较高较低抗潜变性(Creep)较佳较低 
    拉伸模数较高较低硬度较硬较低 
    延展性或伸长率较低较高透明性较低较高 
    耐冲击性较低较高加玻纤补强效果较高较低 
    最高使用温度较高较低尺寸安定性较差较佳 
    脆 性较脆－翘曲性较易－ 
    收缩率较高较低着色性较难较易 
    流动性(MI)较佳较低耐热性较高较低 
    耐化学药品性较高较低折动性较佳较差 
    
    B. 热塑性塑料依结晶性与非结晶性区分 
    
    结晶性塑料非结晶性塑料 
    泛用塑料聚乙烯(Polyethylene, PE) 
    聚丙烯(Polypropylene, PP) 
    聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride, PVC) 
    丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(Acrylonitrile-Butadene-Styrene, ABS) 
    通用级聚苯乙烯(General purpose polystyrene，GPPS） 
    压克力(Acrylic Resin, PMMA) 
    
    泛用工程塑料尼龙(Polyamide, PA-6, PA-66, PA-46, PA-11, PA-12) 
    聚对苯二甲酸乙酯(Polyethylenephthalate, PET) 
    聚对苯二甲酸丁酯(Polybutylenephthalate, PBT) 
    聚缩醛(Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM) 
    变性(，PPO） 
    聚碳酸酯(Polycarbonate, PC) 
    变性氧化二甲苯（Polyphenylene Oxide PPO） 
    
    特殊工程塑料聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS) 
    液晶(Liquid Crystal Polymer, LCP) 
    聚二醚酮(Polyether Ether Ketone, PEEK) 
    氟碳树脂(Polytetrafluorcethylene, PTFE) 
    聚氧苯甲酯 (Polyoxybenzylene, POB) 
    聚醚(Polyphenylene Sulfide, PES) 
    聚讽 (Polysulfone, PSF) 
    聚芳香酯(Polyarylate, U-Polymer, PAR)(Polyetherimide, PEI) 
    聚酰胺酰亚胺(Polyamideimide, PAI) 
    
    六、塑料的性质 
    
    塑料虽有许多优良性质，但并非每一种塑料均能具备所有的优良性质。材料工程师与工业设计家都必须深入了解各类塑料的性质，才能设计出完美的塑胶制品。塑料的性质，大体可分为基本物性、机械性质、热性质、化学性、光学性及电气性等六类，下文将逐项加以讨论。 
    
    （一）基本物性 
    
    基本物性是指塑胶原料的基本物理性质，常见的有比重、假比重、粒径、粘度、分子量、游离单体含量、吸水率及透气率。 
    
    1、比 重 
    
    比重是指物质密度与水密度的比值（水密度为1），所谓密度是指单位体积的重量。目前所知塑料中比重较轻的为聚甲基戊烯（0.83），较重的为铁氟龙（2.3），其它的多在1左右。比重可用来估算制品所需原料的重量，而要减轻塑料的用量或重量可采用发泡的方式解决。比重的测定可依ASTM D792水中置换法测得。 
    
    2、分子量 
    
    一般化合物的分子量是不变的，而聚合体的分子量则是大小不均，所以必须采用平均值及分布度表示。常用的分子量表示法为重量平均分子量MW及数目平均分子量MN，其比值MW/MN称为分子量分布。这些的测定可依ASTMD3598的胶粒穿透色层分析法得到。 
    
    3、黏 度 黏度常用来显示胶塑体（Plastisol）及胶溶体（Organosol）的特性，一般可依ASTM D1823及ASTMD1824的方法测得。 
    
    4、假比重及粒径分布 这两项常用来显示塑料原料的颗粒大小及填塞紧密状况。粒径分布可依ASTMD1921的筛分法测得，假比重可依ASTM D1895的方法测得。 
    
    5、游离单体（Free monomer） 
    
    游离单体含量可表示树脂聚合的程度，一般以?或ppm表示。用做食品容器的塑料，或单体聚有毒性的塑料对游离单体含量管制较严。 
    
    6、吸水率（Water absorption） 
    
    吸水率表示塑料吸收水份的程度。其测量方法是将样品烘干后称重，再浸入水中24或48小时，然后取出来再称重，计算重量增加的百分比，即为吸水率。酚醛树脂、尿醛树脂、尼龙、纤维素树脂等吸水率较高，PE、PP等吸水率较低。一般吸水率大者，其机械强度与尺寸稳定性易受影响。 
    
    7、透气率 透气率表示塑料膜或塑料板气体穿透难易的程度，可依ASTM D1434的方法测得。 
    
    8、熔融指数（Melt Flow Index,MI） 
    
    熔融指数，全称熔液流动指数，是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。它是美国量测标准协会(ASTM)根据美国杜邦公司(DuPont)惯用的鉴定塑料特性的方法制定而成，其测试方法是先让塑料粒在一定时间（10分钟）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）下，融化成塑料流体，然后通过一直径为2.1mm圆管所流出的克（g）数。其值越大，表示该塑胶材料的加工流动性越佳，反之则越差。最常使用的测试标准是ASTM D 1238，该测试标准的量测仪器是熔液指数计(MeltIndexer)。测试的具体操作过程是：将待测高分子（塑料）原料置入小槽中，槽末接有细管，细管直径为2.095mm，管长为8mm。加热至某温度后，原料上端藉由活塞施加某一定重量向下压挤，量测该原料在10分钟内所被挤出的重量，即为该塑料的流动指数。有时您会看到这样的表示法?MI25g/10min，它表示在10分钟内该塑料被挤出25克。一般常用塑料的MI值大约介于1~25之间。MI愈大，代表该塑料原料粘度愈小及分子重量愈小，反之则代表该塑料粘度愈大及分子重量愈大。 
    
    （二）机械性质 
    
    机械性质是指塑料的各种机械性能强度，主要可分下列各项： 
    
    1、抗张强度（Tensile strength）及伸长率（Elongation） 
    
    抗张强度又称抗拉强度，是指将塑胶材料拉伸到某一程度，所需力量的大小，通常以每单位面积多少力来表示，而其所拉伸长度的百分比即为伸长率。拉伸强度试片其拉伸的速度通常为5.0～6.5mm/min。详细测试方法依ASTM D638。Strain）。 
    
    2、弯曲强度（Flexual strength或Bending strength ） 
    
    弯曲强度又称折曲强度，主要用来测定塑料耐折的能力，可依照ASTMD790的方法测试，常以每单位面积多少力来表示。一般塑料以PVC、美腊明树脂、环氧树脂及聚酯类弯曲强度为佳。玻璃纤维也常用来提升塑料的耐折性。 
    
    弯曲弹性率是指将试片弯曲时（测试方法如弯曲强度），在弹性范围内，单位变形量所产生的弯曲应力。一般弯曲弹性率越大，则表示该塑胶材料的刚性越好。 
    
    3、压缩强度（Compressive strength） 
    
    压缩强度是指塑料承受外来压缩力的能力，其测试值可依照ASTMD695方法测定。聚缩醛、聚酯、压克力、尿权树脂和美腊明树脂在这方面性能较突出。 
    
    4、冲击强度（Impact strength） 
    
    冲击强度是指塑料受外力打击所能承受的强度，其测试值可依照ASTMD256测试，其中有夏比（Charpy）法及艾氏（Izod）法两种。计算方法是将破坏试片所需的能量值除以试片的宽度。一般塑料以PVC、PE、PP、ABS等冲击强度较高。 
    
    5、硬度（Hardness） 
    
    一般塑料的硬度常采用Rock Well Durometer（洛氏硬度）及Shore Durometer（萧氏硬度）法来测试。其中Shore A常用来测定较软的塑料，如TPE等弹性体或橡胶；Shore D则用来测定较硬的塑料；而Rock Well几乎都是测定较硬之工程塑料或高性能工程塑料。它们的公式换算为Shore D ＋ 50 = Shore A。普通PE、MF、UF、FRP等塑料较硬，PE类较软。 
    
    6、弹性系数（Modulus） 
    
    弹性系数是指塑料受外力作用变形后恢复原来形状的能力，一般以应力对应变的比值表示。弹性值愈大表示塑料材料的刚性（Rigidity）愈好。 
    
    （三）热性质 
    
    热性质是指塑料在温度变化的影响下，各种形性改变的程度。通常热性质与塑料加工的关系最为密切。现将重要的项目分述如下： 
    
    1、玻璃转移点（Glass Transition Point，Tg） 
    
    当塑料的温度达到玻璃转移点时，其分子键的分枝开始局部脉动，塑料便由玻璃状变成橡胶状。也就是说，当聚合物的温度在Tg时，会由较高温下呈现的橡胶态，转至低温下所呈现的具坚硬易脆性质的玻璃状。结晶性塑料有明显的Tg及潜热值，聚合物是呈现橡胶态还是玻璃状全视Tg与当时使用时的温度而定，故Tg为聚合物在使用上的重要指针。以下列举数种塑料的Tg值： 
    
    塑料名称Tg (℃) 
    
    塑料名称Tg (℃) 
    PVC (rigid)80~212聚碳酸酯 
    (Polycarbonate, PC)39~150 
    HDPE-120PET79 
    LDPE-120PBT20 
    Polypropylene, PP-10~-18PI410 
    聚苯乙烯 
    (Polystyrene, PS)63~112PPS85 
    PMMA100~120PSF190 
    ABS88~105PESF230 
    PA57PEEK143 
    聚缩醛 
    (Polyacetal, POM)-50~-85U Polymer190 
    PEI217~220PAI280 
    Nylon 650~59Nylon 6, 649~261 
    Nylon 4678聚乙烯 
    (Polyethylene, PE) 
    -120~-125 
    Polyvinyl chloride60~76Polysulfone146~273 
    聚丙烯 
    (Polypropylene, PP)-10~-18ASA104 
    HIPS100PES230 
    SAN100PU120 
    
    2、塑料的熔点（Melting Point，Tm） 
    
    塑料的熔点是指塑料由固体状态变成熔融状态时的温度，此时结晶性塑料的比容显着增加，此温度又称可加工温度。下表为一些塑料的Tm值： 
    塑 料 名 称Tm (℃) 
    
    塑 料 名 称Tm (℃) 
    HDPE130~135PET250~265 
    LDPE107~120PBT225~230 
    Polypropylene, PP165~176POB450 
    PA220PEEK334 
    聚缩醛 
    (Polyacetal, POM)175~181PPS285~290 
    PTFE327Nylon 6215~225 
    Nylon 46295Nylon 11184~187 
    聚碳酸酯 
    (Polycarbonate, PC)220Nylon 12177~178 
    PMMA160Nylon 6, 6225~265 
    PVC (rigid)212Nylon 6, 10213 
    ACETAL160聚乙烯 
    (Polyethylene, PE)115~176 
    Nylon 6, 12210~220聚丙烯 
    (Polypropylene, PP)176 
    
    3、热变形温度（Heat distortion temperature，HDT） 
    
    热变形温度显示塑胶材料在高温受压下能否保持不变的外形，一般用来表示塑料的短期耐热性。若考虑安全系数，短期使用的最高温度应保持低于热变形温度10℃左右，以确保不致于因温度而使材料变形。最常用的热变形测定法为ASTM 
    D648试验法，即将试片在一定压力及一定加温速度下，弯曲到一定程度时的温度。例如，在一标准试片（127×13×3mm）的中心，置放在455kPa或1820kPa负载下，并以2℃/min条件升温直到变形量为0.25mm时的温度。对非结晶塑料，HDT比Tg小10~20℃；对结晶塑料，HDT则接近于Tm。通常加入纤维补强后，塑料的HDT会上升，因为纤维补强可以大幅提升塑料的机械强度，以致在升温的耐挠曲测试时，会呈现HDT急剧升高的现象。下表列举几项常用塑料的热变形温度比较： 
    塑料名称HDT1820Kpa(℃) 塑料名称HDT1820Kpa(℃) 
    结晶性非结晶性 
    聚乙烯 
    (Polyethylene, PE)29~126硬质 PVC54~79 
    聚丙烯 
    (Polypropylene, PP)40~152聚苯乙烯 
    (Polystyrene, PS)63~112 
    PBT60~65ABS66~107 
    PET80~100压克力 PMMA 
    (Acrylic Resin)68~99 
    尼龙6PA-663~80PPO100~128 
    Homopolymer POM125~136聚碳酸酯 
    (Polycarbonate, PC)39~148 
    Copolymer POM110H-PVC54~74 
    PI315~360PSF175 
    HDPE43~49PAR175 
    MDPE32~41PES205 
    尼龙6, 6PA-6, 662~261GPPS96 
    HDPE43HIPS96 
    LDPE32PS+20~30%GF103 
    尼龙6-10PA-6-1057AS88~104 
    尼龙6-12PA-6-1260Poly 
    (vinyl chloride)60~76 
    尼龙11PA-1155Polysulfone146~273 
    尼龙12PA-1255 
    
    4、热膨胀系数（Heat Expansion coefficient） 
    
    热膨胀系数是指塑料加热时尺寸膨胀的比率，可依ASTM D696的试验法测定。由于一般塑料的热膨胀系数比金属大2～10倍，因此在设计模具、塑料与金属并用的器具、塑料的钳核物时，必须详加考虑，以防止因内部应力而造成产品的龟裂变形。 
    
    5、收缩率（Shrinkage） 
    
    收缩率是指塑胶制品经冷却、固化并脱模成形后，其尺寸与原模具尺寸之差的百分比，可依ASTM D955方法测得。在塑料模具设计时，收缩率是首先必须考虑的，以免造成成形品尺寸的误差。 
    
    因结构不同的关系，结晶性塑料与非结晶性塑料的收缩率存在明显的差异。一般地，结晶性塑料的收缩率比非结晶性塑料的收缩率大上好几倍（如下表所示）。同时有添加玻璃纤维或其它强化剂的塑胶材料，其收缩率可降低好几倍。影响成型收缩的因素有热收缩、结晶度（热塑性）或硬化度（热固性）、弹性回复、分子配向、与成型条件等因素。 
    （1）热塑性塑料 
    塑料 
    名称成形收缩率(%) 
    塑料 
    名称成形收缩率(%) 
    塑料 
    名称成形收缩率(%) 
    ABS0.3~0.8PA0.6~2.5POM0.8~3.5 
    AS0.2~0.7PA-60.5~2.2PP1.0~2.5 
    CA0.3~0.8PA-660.5~2.5PPO0.5~0.7 
    CAB0.4~0.5PA-6101.2PPS0.6~1.4 
    CAP1PA-6121.1PS0.2~1.0 
    CP0.4~0.5PA-111.2PVA0.5~1.5 
    EC0.4~0.5PA-120.3~1.5PVAC0.5~1.5 
    EPS0.4PAR0.8~1.0PVB0.5~1.5 
    FEP3.0~4.0PBT1.3~2.4硬质PVC0.1~0.5 
    FRP0.1~0.4PC0.4~0.7软质PVC1.0~5.0 
    EVA0.5~1.5PCTFE0.2~2.5PVCA1.0~5.0 
    HDPE1.2~2.2PE0.5~2.5PVDC0.5~2.5 
    HIPS0.2~1.0PET2.0~2.5PVFM0.5~1.5 
    LCP0.1~1.0PES0.5~1.0SAN0.2~0.6 
    LDPE1.5~3.0PMMA0.2~0.8SB0.2~1.0 
    
    （2）热固性塑料 
    塑料名称成形收缩率(%) 塑料名称成形收缩率(%) 
    EP0.1~0.5SP0.0~0.5 
    MF0.5~1.5UF0.6~1.4 
    PDAP0.1~0.5UP0.1~1.2 
    PF0.4~0.9DAP0.1~0.5 
    PU0.6~0.8BMC0.0~0.2 
    
    （3）各类塑料对超音波融接的难易 
    材 质适宜融着技术的难易强 度 
    PS（一般用）优优优 
    Polyester 
    （tetoron dacron）优优优 
    AS良良优 
    ABS良良良 
    PC良良优 
    Polyactal 
    （Delrin，Duracon）良良优 
    亚克力 
    （Acrylic）可可可 
    PVC 
    （硬质）可可良 
    PP不可可良 
    PE不可不可不可 
    Polyamide 
    （尼龙）不可不可不可