1.2 塑料的性能

塑料的性能包含使用性能和工藝性能，使用性能體現塑料的使用價值；工藝性能體現塑料的成型特性。

1.2.1 塑料的使用性能

塑料的使用性能包括物理性能、化學性能、力學性能、熱性能、電性能等，這些性能都可以進行衡量和測定。

1.物理性能

（1）密度：單位體積中塑料的質量（重量）。塑料的密度一般比金屬的密度小，在0.83～2.20g/cm3之間。

（2）透濕性：塑料透過蒸氣的性質，用透濕系數表示。在一定的濕度下，試樣兩側在單位壓力差情況下，單位時間內在單位面積上通過的蒸氣量與試樣厚度的乘積。

（3）透氣性：塑料阻止空氣穿過的性質，是衡量塑料制品密封能力的一個指標。

（4）吸水性：塑料吸收水分的性質，用吸水率表示。吸水率是指在一定溫度下，將塑料放在水中浸泡一定時間后質量（重量）增加的百分率。

（5）透明性：塑料透過可見光的性質，用透光率表示。透光率是指透過塑料的光通量與其入射光通量的百分比的比值。

2.塑料的化學性能

（1）耐化學腐蝕性：指塑料耐酸、堿、鹽、溶劑和其他化學物質腐蝕的能力。

（2）耐候性：指塑料暴露在日光、冷熱、風雨等氣候條件下，保持其性能的能力。

（3）耐老化性：指塑料暴露于自然環境或人工條件下，隨著時間的推移，不產生化學結構變化，并保持其性能的能力。

（4）光穩定性：指塑料在日光或紫外線照射下，抵抗褪色、變黑或降解的能力。

（5）抗霉性：指塑料對霉菌的抵抗能力。

3.塑料的力學性能

塑料的力學性能主要包括抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、斷裂伸長率、沖擊韌度、抗疲勞強度、耐蠕變性、硬度、摩擦系數及磨耗等。

磨耗是塑料試樣與特定的砂紙摩擦一定時間后損失的體積，其他指標與金屬的力學性能指標有相似的意義。

4.塑料的熱性能

塑料的熱性能主要包括線膨脹系數、導熱系數、玻璃化溫度、耐熱性、熱變形溫度、熔體指數、熱穩定性、熱分解溫度、耐燃性等。

（1）玻璃化溫度：塑料從黏流態或高彈態（橡膠態）向玻璃態（固態）轉變（或反向轉變）的溫度。

（2）耐熱性：塑料在外力作用下受熱而不變形的性質，用熱變形溫度或馬丁耐熱溫度衡量。

提示

測定熱變形溫度和馬丁耐熱溫度的原理：將塑料試樣置于等速升溫的環境中，并在試樣上施加一定的彎矩，測定其達到一定彎曲變形量時的溫度。熱變形溫度適合測量常溫下是硬質的塑料和板料的耐熱性。馬丁耐熱溫度適合測量耐熱性小于60℃的塑料。

（3）熔體指數：熱塑性塑料在一定的溫度和壓力下，其熔體在10min 內通過標準毛細管的質量，以g/10min表示，是反映塑料在熔融狀態下流動性的一個量值。

（4）熱穩定性：塑料在加工或使用過程中受熱而不分解變質的性質。

（5）熱分解溫度：塑料在受熱時發生分解的溫度，是衡量塑料熱穩定性的一個指標。塑料加熱時應控制在此溫度以下。

（6）耐燃性：塑料接觸火焰時抵制燃燒或離開火焰時阻礙繼續燃燒的能力。

5.塑料的電性能

塑料的電性能包括表面電阻率、體積電阻率、介電常數、介電強度、耐電弧性、介電損耗等，是衡量塑料在各種頻率的電流作用下表現出來的性能。

1.2.2 塑料的工藝性能

1.熱固性塑料的工藝性能

（1）收縮性（縮水）：熱固性塑料在高溫下成型后冷卻至室溫，其尺寸會發生收縮的特性稱為收縮性，用收縮率表示，其表達式為：δ=(Lm?L1)/L1×100%。式中δ為塑料的收縮率，Lm為模具在室溫時的尺寸（mm），L1為塑件產品在室溫時的尺寸（mm）。

① 造成收縮的原因。

a.化學結構發生變化：熱固性塑料在成型過程中，分子結構從線型過渡到體型結構后密度增大，必然導致體積減小，從而造成收縮。

b.熱收縮：塑料的膨脹系數要比鋼材大，其收縮也比鋼材大，故塑料制品尺寸要比模具尺寸小。

c.彈性恢復：塑料在型腔中成型時有很大的壓力，一旦開模后壓力消失，塑料制品產生彈性恢復而脹大，可抵消一部分收縮。

d.塑性變形：當模具打開時，塑料受的壓力降低，但模具仍緊壓制品的四周，可使制品局部變形，造成局部收縮。

② 影響收縮，造成收縮率波動的原因。

a.塑料的種類：不同的塑料，由于其分子結構的差異，其收縮是不同的。同一種塑料，由于分子量和填料的品種含量的不同，收縮率也有差別。一般的樹脂含量高，分子量大、填料為有機物時收縮較大。

b.塑料制品結構：同一種塑料，由于制品的形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件、嵌件多少、如何分布等因素也會造成收縮變化，使收縮率波動。一般制品越復雜、壁薄、嵌件多且均勻分布的收縮率較小。

c.成型工藝：預熱情況、成型溫度、模具溫度、成型壓力、保壓時間、冷卻速度等也會使收縮率產生波動。一般地，有預熱、成型溫度較低，壓力較大，保壓時間長的產品收縮率較小。

d.后收縮和后處理收縮：塑料件在成型時，由于受到成型壓力和剪切應力作用，加上各向異性及成型工藝影響，使產品存在殘余應力，脫模后使產品尺寸發生變化，稱為后收縮。有時產品在成型后，需要進行熱處理，也會使尺寸發生變化，引起收縮，稱為后處理收縮。

e.其他原因：塑件的收縮具有方向性。塑料成型時其流動方向上收縮較大，垂直于流動方向上收縮較小。填料分布不均勻，也會造成收縮不均勻。

總之，引起收縮和造成收縮波動的原因很復雜，設計時必須全面考慮，從而獲得合格的產品。

（2）流動性。塑料在一定溫度與壓力下，充滿模具型腔的能力稱為塑料的流動性。衡量塑料流動性的指標通常用拉西格流動性表示。測定拉西格流動性的標準壓模，如圖1.1所示。將待測塑料預壓成圓錠置于壓模上端的圓柱孔中，將其加熱至一定溫度，給頂部的活動柱塞一定壓力，熔融的塑料會從下端的模孔中擠出。我們測量其擠出的長度即為拉西格流動值，單位是mm。數值越大，流動性越好。

① 影響塑料流動性的因素。

a.不同品種的塑料，其流動性不同。

b.同種塑料由于其分子量、填料的性質和含量、顆粒的形狀與大小、含水量、增塑劑和潤滑劑含量的不同，其流動性也不同。一般來說，樹脂分子量小，填料呈球狀，增塑劑含量高的塑料流動性大。同種塑料的流動性分成三等，即拉西格流動值為100～130mm、131～150mm、151～180mm三個等級。

c.塑料的流動性還與模具結構，表面粗糙度，預熱成型工藝條件（溫度，壓力）等有關。

② 塑料流動性對塑料制品的質量、模具設計及成型工藝的影響。流動性過大，易造成溢料，制品內部產生疏松、粘模等問題，造成脫模和清理困難；但流動性太小，會造成充模困難，產生缺料等現象；所以應根據制品的結構、尺寸來選擇適當流動性的塑料。模具設計時根據塑料的流動性來考慮分型面、澆注系統和進料方向。成型工藝的條件也對流動性產生影響，例如，提高成型溫度和壓力時，會使流動性增大。

③ 提高塑料流動性。在塑料中加入增塑劑和潤滑劑，加大澆注系統的截面，提高表面粗糙度，減少轉角，提高成型溫度和壓力等。

（3）比容和壓縮率（壓縮比）。比容是單位質量塑料所占的體積，單位是 cm3/g。壓縮率是成型前塑料原材料的體積與成型后制品的體積之比，其值恒大于1。造成壓縮率恒大于1的原因是因為塑料的原材料較松散，在壓力作用下成型后體積減小所造成的。

比容和壓縮率大的塑料，要求加料較大，內部充氣也較多，成型時排氣困難，成型周期長，生產率低；比容和壓縮率小，對成型有利，但也會造成加料量不準確。

不同品種的塑料的比容和壓縮率不同，同種的塑料也會因為塑料的形狀、顆粒度及均勻性的不同，造成比容和壓縮率的波動。

（4）水分和揮發物的含量。塑料中的水分和揮發物一方面來自塑料原材料生產過程中遺留下來，以及成型生產之前在運輸、保管期間吸收空氣中的水分；另一方面來自成型過程中塑料發生化學反應產生的副產品。

如果塑料中水分和揮發物含量過多又處理不及時，會造成塑料流動性增大，易產生溢料、成型周期長、收縮率大，產品易產生氣泡、疏松、變形、翹曲、波紋等缺陷。有的揮發物還對模具有腐蝕作用，刺激人的感官。因此，在成型時應盡量消除其有害作用。例如，進行預熱干燥、模具上開設排氣槽排氣、模具型腔表面鍍鉻防腐等。

（5）固化特性。熱固性塑料在成型過程中樹脂發生交聯反應，分子結構由線型變為體型，塑料由既可熔化又可溶解變成既不可熔化又不可溶解的狀態。這個過程稱為固化（熟化）。

固化速度是指熱固性塑料試樣在固化過程中每硬化1mm 厚度所需要的時間，單位為秒（s）。固化速度與塑料的品種、制品的形狀、壁厚、是否有預熱、成型溫度、預壓等因素有關。采用預壓、預熱、提高成型溫度、延長加壓時間都能加快固化速度。固化速度并不是越快越好，應與成型方法、制品大小及復雜程度相適應。一般地，要求其在塑化和充模時固化速度較慢，有利于充滿型腔；而在充滿型腔后則應加快固化速度，減少成型時間。形狀復雜、尺寸較大的制品應降低固化速度，否則無法成型。

總之，如何通過控制成型工藝條件來控制固化速度是熱固性塑料成型中的關鍵問題之一。

常用熱固性塑料的使用性能、成型性能及用途見表1.1。

2.熱塑性塑料的工藝性能

（1）收縮性。熱塑性塑料的收縮性基本上與熱固性塑料的收縮性相同。

（2）塑料狀態與加工性。熱塑性塑料在一定的壓力下，隨著溫度的變化，呈現三種狀態，其塑料狀態與成型加工性的關系如圖1.2所示。

① 玻璃態：玻璃態（結晶型樹脂是結晶態）樹脂是堅硬的固體，不易進行大變形量的加工，但可以進行車、銑、鉆等切削加工。

② 高彈態：在 Tg～Tf（或 Tm）之間時，樹脂是橡膠狀態的彈性體，稱為高彈態，可進行真空成型、壓延成型、中空成型、沖壓、鍛造等。因為高彈態具有可逆性，為了得到所需形狀和尺寸的塑料制品，必須把成型后的制品迅速冷卻到Tg以下的溫度，防止變形恢復。

③ 黏流態：在Tf（或Tm）～Td之間時，樹脂是黏性流體，通常把這種液體狀態的聚合物稱為熔體。在這種狀態下成型后具有不可逆的性質，一經成型和冷卻后，其形狀永遠保持下來，可進行注射、吹塑、擠出等成型加工。值得注意的是，在黏流態的溫度范圍內，溫度過高，會使熔體黏度大大降低，流動性增加，導致溢料、扭曲等問題，如果溫度達到 Td附近時，會使聚合物分解。因此Tf（或Tm）、Td是進行成型加工的重要參數。

（3）黏度和流動性。

① 黏度：塑料熔體內部抵抗流動的阻力。影響黏度的因素有兩個方面。一方面，不同的塑料因其本身的樹脂分子結構，塑料組成的不同而具有不同的黏度。另一方面，受到成型工藝中的溫度、壓力、剪切應力（或剪切速度）的影響。一般地，黏度隨剪切應力（或剪切速度）的增加而降低，隨溫度升高而下降，隨壓力增高而增大。

② 流動性：熱塑性塑料的流動性是指塑料在一定的溫度和壓力下充滿型腔的能力，可以用熔體指數來衡量，其數值用熔體指數測定儀測定。即在一個筒內裝入一定量的塑料并加熱至規定的溫度，在一定的壓力下將熔融的塑料從固定直徑的毛細管中壓出，每10min 所壓出的塑料質量即為該塑料的熔體指數，單位為g/10min。

③ 黏度與流動性的關系：黏度大，流動性差；黏度小，流動性好。

提示

我們常按流動性大小將塑料分為三類：

流動性好：聚酰胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙稀、醋酸纖維素等。

流動性中等：改性的聚苯乙烯、ABS、AS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、氯化聚醚等。

流動性差：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜等。

（4）吸水性。吸水性表示塑料吸收水分的能力。一般分為兩類：一類為具有吸水或黏附水分傾向的塑料，例如，聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜、ABS 等。這類塑料必須在成型前進行干燥處理去除水分，否則水分在成型設備的高溫料筒中變成氣體并促使塑料發生水解，導致塑料起泡和流動性下降，嚴重影響制品質量。因此，必須嚴格控制塑料的含水量。一般不超過0.4%，ABS 應不超過0.2%。

（5）結晶性。結晶性是塑料在冷凝時是否具有結晶的特性。根據其特性，可將塑料分為結晶型和非結晶型兩種：結晶型塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚四氯乙烯、聚甲醛、聚酰胺等；非結晶型塑料有聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS、聚砜等。

一般地，結晶型塑料是不透明或半透明的；非結晶型塑料是透明的，但也有例外，例如，ABS 是非結晶型塑料卻不透明。結晶型塑料一般使用性能較好，但由于加熱熔化需要吸收較多熱量，冷卻凝固時放出熱量也多，因而必須注意成型設備的選用和冷卻裝置的設計；結晶型塑料收縮大，容易產生縮孔和氣孔，并且各向異性明顯，內應力大，制品容易產生變形和翹曲。同時結晶型塑料的結晶—熔化溫度范圍窄，易發生未熔塑料注入模具或堵塞澆口，應引起足夠重視。

應當指出，結晶型塑料不可能形成完全的晶體，一般只有一定程度的結晶，其結晶程度隨成型條件的變化而改變。如果熔體溫度、模具溫度高，熔體冷卻速度慢，結晶度就越大；相反，則結晶度就越小。結晶度大的塑料密度大，強度、硬度高，剛度、耐磨性好，耐化學性和電性能好。結晶度小的塑料密度小，柔軟性、透明性較好，伸長率和沖擊韌性較好。因此，可以通過控制成型條件來控制塑料的結晶度從而控制其性能。

（6）熱敏性。熱敏性是指某些熱穩定差的塑料，在溫度高和受熱時間長的情況下產生降解、分解、變色的特性。具有這種特性的塑料稱為熱敏性塑料，例如，硬聚氯乙烯、聚甲醛等。

熱敏性塑料發生分解、降解，不但影響塑料性能，而且會產生一些有毒和腐蝕性氣體（如 HCl 氣體），對人體、模具造成損害。為了防止分解和降解，可在塑料中加入熱穩定劑，正確控制模具溫度和成型時間，對模具和設備采取防腐措施（如鍍鉻）等。

（7）應力開裂。有些塑料質地較脆，成型時又容易產生內應力，在外力作用下容易產生開裂。為防止開裂，可在塑料中加入增強材料加以改性。采用正確的成型工藝，對塑料制品進行后處理，合理設計制品的結構，在模具上采取措施等，來防止開裂。

（8）熔體破裂。塑料在恒溫下通過噴嘴孔或澆口等狹小部位時，流速超過一定值后，擠出的熔體表面會發生明顯的橫向凹凸不平或外形畸變至使其肢離或斷裂，這種現象稱為熔體破裂。熔體破裂會影響制品的外觀和性能。為防止熔體破裂可以增大噴嘴、澆口、流道的截面尺寸，減小壓力和注射速度。

常用熱塑性塑料的使用性能、成型性能及用途見表1.2。