進階篇：3.1.7）注塑件-材料選擇

本章目標：理解塑膠件材料和分類，把握選擇依據。

 

1.塑膠件材料分類

1.1 按塑料的加工特性分類

按塑料加工固化後的特性,將塑料分紅熱塑性塑料和熱固性塑料兩類。

1.1.1 熱塑性塑料

熱塑性塑料( Thermoplastic)在注塑成型過程當中只有物理變化。加熱時變軟,冷卻後變硬,這個過程可重複進行,其廢舊料可回收,但隨着回收次數的增長其杋械性能愈來愈差。
常見的熱塑性塑料有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS塑料、有機玻璃、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰胺、聚碸等。
因爲這類塑料易於回收,能夠重複使用,相對於熱固性塑料是比較環保的塑料。就電子產品來講,大部分塑料結構件是用熱塑性塑料,其中ABS塑料用量最大。

1.1.2 熱固性塑料

熱固性塑料( Thermoset)在成型過程當中起化學變化,受熱時可軟化並具備必定的可塑性,達必定的溫度即硬化定型,冷卻後再加熱也不會變軟或變成其餘形狀。
熱固性塑料的廢舊物品不能回收複製,僅能粉碎後用於填料。
常見的熱固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、環氧塑料、有機硅樹脂等。相對於熱塑性塑料其機械強度高,絕緣佳,耐燃燒性、耐水性、耐酸性好。在電子產品中,熱固性塑料的典型應用是基材的酚醛塑料和環氧樹脂。

1.2 熱塑性塑料按按結晶的類型分類

塑料都屬高聚物,這些高聚物有獨特的分子內部結構與分子外部結構。高分子內部結構決定了高聚物最基本的物理、化學性質,而高分子外部結構則決定高聚物的加工性能和物理、機械性能。

熱塑性塑料可進一步進行分類，按照塑膠材料的分子結構分類分爲兩種:非結晶型[即無定型( Amorphous)塑料]和結晶型( Crystal)塑料。

1.2.1 結晶型塑料

結晶型塑料在凝固時,有晶核到晶粒的生成過程,且造成必定的體態,如PE、PP、PA、POM等均屬結晶型。
結晶型塑料的結晶度與結晶形態影響到製品的物理、機械性能。若成型時的冷卻速度慢,有利於結晶的進行,能夠提升結晶度,從而提升機械性能。
這類材料的缺點是其分子結構的特性使其餘材料的分子不易滲透,故塗覆、電鍍性能和粘接性能較差。

結晶性塑料也不是徹底結晶，大都是部分結晶。雖然聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、氯化聚醚、聚甲醛都屬於結晶性塑料，但在不一樣的成型工藝條件下其結晶度也是不一樣的。

1.2.2 非結晶型塑料

非結晶型塑料又稱爲無定型塑料。在凝固時,沒有晶核與晶粒的生長過程,只是自由的大分子鏈的「凍結」,如PS、ABS、PVC、PMMA、PC等。
非結晶型塑料表面能吸取其餘分子,因此容易進行油墨、鍍鉻、噴塗等表面塗飾工藝,並容易粘接。

1.2.3 結晶塑料和非結晶塑料新能對比表格

結晶塑料和非結晶塑料有着大相徑庭的性能。如表3-1。

1.3 熱塑性塑料按照塑膠的應用領域進行分類

1.3.1 通用塑料

通用塑料(普通塑料)通常指產量大、用途廣和價格低的塑料,其中主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙稀(PVC)、聚苯乙烯(PS)、酚醛塑料(PF)、氨基(MF)塑料,這些塑料用於低載荷的裝飾件、絕緣墊和中小結構件，如薄膜、管材、鞋材、盆子、桶、包裝材料等。

1.3.2 普通工程塑料

工程塑料是指機械強度比通用塑料好,能承受中等載荷,可代替薄板金屬製成各類結枃件的塑料。這類塑料主要有丙烯腈一丁二烯腈一苯乙烯共聚(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱有機玻璃,其基材丙烯酸稱爲亞克力)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA,俗稱尼龍)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)、聚醚碸(PES)和聚碸(PSU)等,普遍應用於各類產品的外殼和殼體類。

1.3.3 高性能工程塑料

高性能塑料是比工程塑料剛強度更好的塑料,能承載中等的載荷,可代替金屬構件作傳動件、支撐件、室外結構件等。其中有些是耐高溫工程塑料，是其指在髙溫條件下仍能保持較髙力學性能的塑料,耐高溫和高剛度。

高性能塑料主要有聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、PSF、PAS、PAR、聚對苯二酰對苯二胺(PPA)、液晶聚合物(LCP)、聚己內酰胺(PCT)等,普遍應用於汽車發動機部件、油泵和睦泵蓋、電子電器儀表用高溫插座等。

1.3.5 塑料合金

塑料合金是指利用物理共混或化學接枝的方法而得到的高性能、功能化、專用化的一類新材料,如PC/ABS、PC/PBT、 PC/PMMA等。普遍用於汽車、電子、精密儀器、辦公設備、包裝材料、建築材料等領域,能改善或提升現有塑料的性能並下降成本,塑料合金已經成爲塑料工業中最活躍的品種之一。

1.3.6 熱塑性彈性體

熱塑性彈性體( Thermoplastic Elastomer,TPE)也稱熱塑性橡膠( Thermoplastic Rubber TPR),是一種兼具橡膠和熱塑性塑料特性,在常溫呈現橡膠般的高彈性,高溫下又能注射模塑成型的高分子材料。它也被稱爲繼自然橡膠和合成橡膠以後的第三代橡膠。

熱塑性彈性體具備硫化橡膠的物理、杋械性能和熱塑性塑料的工藝加工性能。因爲其不需通過熱硫化,使用通用的塑料加工設備便可完成產品生產。這一特色使橡膠工業生產流程縮短了1/4工序,節約能耗25%~40%,提升效率10~20倍,堪稱橡膠工業的又一次材料和工藝技術革命。

在室溫條件下,這種材料可被反覆拉伸至原來長度的2倍以上,並具備在應力消除後幾乎徹底恢復至其原來長度的能力。如今可注射模塑的熱塑性彈性體正在取代傳統的橡膠。除了以它的基本形式使用以外,熱塑性彈性體還普遍地用於剛性熱塑性塑料的改性,一般是用於改進塑料的抗衝擊強度。對於板材和通常模塑級複合材料來講,這種應用是至關廣泛的。
熱塑性彈性體能夠單獨成型,也能夠與PP、PE、PC、PS、ABS等基體材料混合成型。

常見的熱塑性彈性體品種有:氯乙烯類(TPVC)、苯乙烯類(TPES)、聚氨酯類(TPU)、聚酰胺類(PEBA)、聚烯烴共混物(TPO)和聚丁二烯類(TPB)等

廣義的熱塑性彈性體也包括硅橡膠材料,如美國道康寧公司的一種硅橡膠熱塑性彈性體TPSiV 。

1.3.7 改性塑料

改性塑料是指在塑膠原料中添加各類添加劑、填充料和加強劑(如玻璃纖維、導電纖維、阻燃劑、抗衝擊劑、流動劑、光穩定劑等),使塑料具備高阻燃性、高機械強度、髙衝擊性、耐高溫性、髙耐磨性、導電性等性能,從而擴大塑料的使用範圍。
玻璃纖維加強塑料( Fiberglass Reinforced Plastics,簡稱玻璃鋼)就是一種典型的改性塑料,玻璃鋼是在原有塑料(如PC、PP、PA、PET、PBT)的基礎上,加入玻璃纖維,複合而成的一種具備高強度、高性能的工程結構塑料。玻璃鋼材料質輕、不生鏽、結構總體成型成本低、自由設計度大,普遍應用於汽車、機械、電器、輪船、航空航天等領域,是替代傳統金屬材料的最好選擇。

 1.4 熱塑性材料分類表（好圖）

 

2.塑膠材料選擇的原則

2.1 參考材料選擇總原則

塑膠材料的選擇先參考進階篇：8）材料和工藝選擇；

其材料中的四條基礎原則要求記住的。
1)材料的通用化
2)材料的性價比
3)材料的環保要求
4)材料的應用創新

除此以外，針對塑膠這種材料，還須要遵照如下要求：

2.2 塑膠件載荷情況

選取塑膠材料時,產品設計工程師應當仔細分析零件在實際應用場合承受載荷的狀況,包括載荷的大小、類型和時間,而後對比塑膠材料的物理特性,選取合適的材料。五種典型的載荷條件及工程師應考慮的塑膠材料特性見表3-3。

2.3 產品使用環境

產品使用環境包括環境溫度和接觸介質。塑膠材料只能在必定的溫度範圍內保持性能,低於或者超過該溫度範圍,塑膠件在機械應力或化學攻擊下就很是容易變得脆弱而發生失效,並且不一樣塑膠材料工做溫度範圍也不同。
如圖3-2所示,相對於23℃的環境溫度,在80℃環境溫度下某品牌POM的拉伸強度大幅降低。

所以必須明確產品使用環境的溫度,包括最高和最低的工做溫度,以及長期的工做溫度等。

//通常的客戶要求書或實驗規格書中就有明確的規定。

在考慮溫度時,還須要考慮產品在裝配、後處理、運輸時的環境溫度。

塑膠材料的選取也要考慮產品在製造和使用環境中可能接觸的各類化學介質,例如脫模劑、衝壓油、脫脂劑、潤滑油、清洗劑、潤滑油、印刷染料、粘合劑等,另外還需考慮水、雨水、紫外線、砂對塑膠材料的影響。合理的選擇塑膠材料,確保與環境兼容。

2.4 價格

在產品設計中,成本永遠都是很是重要的一個因素,塑膠材料的選取須要考慮到材料的價格,在知足產品應用要求的條件下,儘可能選取價格比較便宜的塑膠材料。

圖3-3所示爲常見塑膠材料的價格對比。

須要注意的是,因爲塑膠材料的密度不一樣,在對比塑膠件成本時不只僅是對比原材料價格,還須要對比密度。

2.5 裝配要求

塑膠材料的選取須要考慮到零件是經過什麼方式裝配到產品之中的,根據產品的裝配要求選用合適的材料。有的塑膠材料適合於膠粘鏈接,有的適合超聲波焊接,而卡扣的鏈接則要求塑膠材料具備足夠的強度、彈性和尺寸穩定性。例如,某產品上下蓋要求用超聲波焊接裝配,上蓋的塑膠材料已經選定爲ABS,那麼下蓋的塑膠材料應當與ABS具備較好的超聲波焊接熔合性能,能夠爲ABS或PMMA等。

2.6 尺寸穩定性

在選擇塑膠材料時,應根據零件和產品的尺寸穩定性要求來選取合適的塑膠材料。無定形塑料的尺寸穩定性好,如PC;半結晶塑料因爲收縮率大、易翹曲等緣由會形成尺寸穩定性差,如PA66。

2.7 外觀

零件是否有透明度的要求、是否須要咬花、是否須要電鍍、表面粗糙度是否有要求等,這些外觀要求都會影響到塑膠材料的選擇。

2.8 安全規範

塑膠材料選擇時考慮產品是否須要知足某種安全規範或某種認證的要求,好比3C認證、FDA、USDA、UL等;同時也要考慮產品是否須要知足UI94阻燃等級的要求,阻燃等級分爲5VA、5VB、V-0、V-一、V-二、HB。不一樣的塑膠材料具備不一樣的阻燃等級,甚至同一種塑膠材料由於材料等級不一樣,其阻燃等級也不一樣。

 3.選用塑膠材料的雜談

塑膠材料在產品中的成功應用離不開如下4大方面:
1)塑膠材料的選擇。
2)塑膠件的設計。
3)塑膠模具的設計。
4)注射成型工藝的管控
其中塑膠材料的選擇和塑膠件的設計是屬於產品設計工程師的職責,本章將作詳細的闡述。塑膠模具的設計和注射成型工藝的管控屬於模具工程師和注射成型操做人員的職責,產品設計工程師沒必要精通注射模具和注射工藝的每個細節,但至少須要瞭解和熟悉,特別是與塑膠件質量、成本等相關的知識。
很是重要的一點是,這4大方面並非孤立存在的,而是須要有機的結合成個總體,產品設計工程師、模具工程師、注射模具工藝人員以及塑膠原料供應商技術工程師組成一個團隊,進行充分有效地溝通與合做,才能確保塑膠材料在產品中的成功應用。其中,塑膠材料供應商技術工程師的做用經常被忽略,他們是塑膠材料的專家,對塑膠材料自己的性能、應用和優缺點等很是瞭解,他們能對塑膠材料選擇和塑膠件設計提出有用的建議。所以,在產品開發時,越早讓塑膠原料供應商技術工程師介入越好。（固然，也有爲了錢坑人的）
塑膠材料衆多,性能各異,合適塑膠材料的選擇變得很是困難。通常來講,塑膠材料的選擇一般是沿用以往產品所用過的材料(不求有功,但求無過),或者由塑膠材料供應商、模具製造商推薦,但這樣的選擇每每不是最優選擇。塑膠材料的選取不只僅要求產品設計工程師全面瞭解塑膠材料的性能參數,並且還須要考慮產品的載荷情況、應用環境、功能、外觀、裝配和成本等因素。塑膠材料的選取必須在產品設計初期就肯定下來,由於塑膠材料的性能差別可能會形成塑膠件的設計徹底不一樣,這包括壁厚大小、增強筋厚度、螺釘配合孔大小以及裝配工藝選擇等的不一樣;另外,塑膠材料收縮率的不一樣也使得同一套注射模具加工不一樣塑料其尺寸存在差別,一旦注射模具開始加工,更換塑膠材料的可能性就變得很是小。

4.本章資料分享

塑膠材料特性一覽表，是做者分享的本章資料。

內容以下圖所示：

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