材料、塑胶与聚丙烯

一、材料、塑膠與聚丙烯二、塑膠與溫度的互動三、聚丙烯的特性與結構四、聚丙烯分類五、聚丙烯加工六、聚丙烯應用七、折撓設計要點一、材料、塑膠與聚丙烯1.材料金屬、陶瓷、玻璃、塑膠、橡膠、混凝土以及木材等都是材料的一種，都已融入我們的生活當中，我們用材料製作成各種器具使用。選擇材料除了品質要求適當外，成本效益也成為考量之一。2.塑膠塑膠為合成的高分子化合物，利用單體原料以合成或縮合反應聚合而成的材料，圖1.1為塑膠產生之過程。圖1.1塑膠產生過程塑膠可區分為熱固性與熱可塑性二類，前者無法重新塑造使用，後者可一再重複生產。塑膠與其他材料比較有如下的特性：〈1〉耐化學侵蝕〈2〉具光澤，部份透明或半透明〈3〉大部份為良好絕緣體〈4〉重量輕且堅固〈5〉加工容易可大量生產，價格便宜〈6〉用途廣泛、效用多、容易著色、部份耐高溫塑膠也區分為泛用性塑膠及工程塑膠，主要是用途的廣泛性來界定，如PE、PP價格便宜，可用在多種不同型態的機器上生產。工程塑膠則價格較昂貴，但原料穩性及物理物性均好很多，一般而言，其同時具有剛性與韌性兩種特性。表1.1為塑膠原料對照表，1至8項為泛用性塑膠，第9、10項介於二者之間。一般稱PP、HDPE、LDPE、PVC及PS為五大泛用塑膠。表1.1塑膠原料對照表學名英文簡稱中文學名俗稱PolypropylenePP聚丙烯HighDensityPolyethyleneHDPE高密度聚乙烯硬性軟膠LowDensityPolyethyleneLDPE低密度聚乙烯LinearLowDensityPolyethyleneLLDPE線性低密度聚乙烯PolyvinylChloridePVC聚氯乙烯GeneralPurposePolystyreneGPPS一般級聚苯乙烯硬膠ExpansiblePolystyreneEPS發泡性聚苯乙烯發泡膠HighImpactPolystyreneHIPS耐沖擊性聚苯乙烯耐沖擊硬膠Styrene-AcrylonitrileCopolymersAS,SAN苯乙烯─丙烯青共聚物透明大力膠Acrylonitrile-Butadiene-StyreneCopolymersABS丙烯青─丁二烯─苯乙烯共聚合物超不碎膠PolymethylMethacrylatePMMA聚甲基丙烯酸酯壓克力Ethylene-VinylAcetateCopolymersEVA乙烯─醋酸乙烯之共聚合物橡皮膠PolyethyleneTerephthalatePET聚對苯二甲酸乙酯聚酯PolybutyleneTerephthalatePBT聚對苯二甲酸丁酯Polyamide(Nylon6.66)PA聚醯胺尼龍PolycarbonatesPC聚碳酸樹酯防彈膠PolyacetalPOM聚縮醛樹酯賽鋼、奪鋼PolyphenyleneoxidePPO聚氧化二甲苯NorylPolyphenylenesulfidePPS聚苯硫醚PolyurethanesPU聚胺基甲酸乙酯3.聚丙烯PolypropylenePP聚丙烯,其特性如下所列：〈1〉低比重，為主要塑膠中比重最輕的一種。〈2〉良好的機器物性，特別是衝擊強度與剛性的比值。〈3〉高耐溫效果。〈4〉優秀的加工特性。〈5〉廣泛性的複合材料用途。〈6〉適當環保材料。〈7〉其它：耐化學性、耐折繞、電器阻隔效果。塑膠是高分子化合物，聚合度會影響塑膠的本質，表1.2所列為聚乙烯不同聚合度之狀態。表1.2聚乙烯不同聚合度之狀態名稱化學式聚合度(n)分子量融點(oC)狀態乙烯C2H4128-169氣體丁烷C4H10258-135氣體己烷C6H14386-94液體二十烷C20H421028236.4蠟狀四十烷C40H822056281蠟狀─C400H8022005602115固體(聚乙烯)─C1000H200250014002120固體(聚乙烯)圖1.2聚丙烯分子結構二、塑膠與溫度變化的互動塑膠的特性與可塑造有密不可分關係，最大的關鍵點即在溫度的影響，每一種材料都有不同溫度差異，也都會影響到材料的特性，而塑膠裡頭不同的原料彼此的差異性也極大。就聚丙烯而言，因基材組合不同也會有溫度上的差異，相同的基材不同的分子量(反應至不同的熔融流度率)也需要不同的溫度去控制加工。就算是不同機器型態也會有不同的溫度要求。表2.1至表2.4所列為聚丙烯透明料(含透明劑)的加工條件或許就可說明一些差異觀點。簡而言之，加工是實務問題，相同型式機器可能也會需要不同溫度微調，畢竟機器表上的溫度並不意味著是原料本身的受熱溫度。原料本身受熱溫度除了來自加熱器的熱能外，也與受熱時間有關，更與螺桿壓縮比及轉速帶動所產生的摩擦熱有關。另外，聚丙烯受久熱會自行裂解成分子量較小(熔融流率較大)，所以特意或無意的造成原料迴流改善流動率也是方法之一。表2.1壓出成型加工條件加工條件熔融指數2.0-3.5滾軸光澤度接觸熔融薄板的兩個滾軸必須高度拋光熔融溫度一般級聚丙烯235oC-245oC隨機共聚聚丙烯225oC-235oC滾軸溫度控制一般聚丙烯表面溫度110oC控制隨機共聚聚丙烯表面溫度95oC邊角料再用不能使用含有其它成核劑的樹脂表2.2壓板再成型部份加工條件加工條件模具光澤度一般光澤度沖頭材料低導熱材料並且高度光滑溫度控制一般聚丙烯154oC-158oC隨機共聚聚丙烯(3%乙烯)138oC-141oC模腔溫度熱模腔會造成熱收縮表2.3射出成型加工條速度塑化90rpm注射快時間注射3-5sec冷卻5-10sec壓力初級800-1200kg/cm2次級600-1000kg/cm2背壓5-10kg/cm2溫度後段180-200oC中段190-210oC前段201-220oC噴嘴190-220oC模具30-50oC表2.4射出加工聚丙烯用於高透明方面之需求塑膠的可塑性也引導出幾個溫度點，但這些溫度點都是概括的觀念，為了說明塑膠的特性會設計不同的檢測方法作成實驗數據，成為差異性比較，但數據畢竟是在方法的限制底下，並無法充分展現事實現象；這裡試圖描述原料在溫度影響下的改變。原料在低溫時分子不能隨意移動，我們稱為玻璃轉移點，溫度在此以下會呈現出類似玻璃般既硬又易碎的特性。溫度超出此點以上，分子移動範圍會隨著溫度的提高逐漸加大，一般稱此分子移動現象為微布朗運動。就物理而言，可移動就會較柔軟，受外力時作用力消除也較大，會較不易碎，這也是聚丙烯產品常受氣溫影響不同緯度地區會有不同品質要求。當溫度漸漸往上提昇時，分子移動的幅度較大，當受外力撞擊時錯位會不易恢復原來的形狀，所以有熱變形溫度與軟化點兩項測試方法。溫度再高時分子也會完全自由移動稱之融點，可以重新塑造形狀冷卻定型。但如溫度太高則會炭化燃燒，稱之燃點。這些祇是一些觀念溫度點而已。我們也會利用融點後冷卻定型或未定型逕以再改變形狀，如：壓板再成型做成免洗餐具，又如：抽絲後再伸延以加強抗張拉力；再如：生產薄膜再雙向延伸為收縮膜，當包裝東西後再加熱薄膜會想縮回原先定型狀態，這就有記憶合金的觀念。冷卻與否程度上的不同再定型對於成品物性是有影響，例如強制延伸破壞結晶會較強制力較少的延伸程度較小。總而言之，溫度對塑膠是會造成許多改變的。三、聚丙烯結構與物性圖3.1生產、結構與物性影響圖圖3.1所示為聚丙烯結構與物性之關係，以下將對分子量、分子量分佈、立體結構、無規則性與型態其關係做一詳細說明。1.分子量聚合物聚合時會因聚合度不同造成不同的分子量，但一般很難準確評估其分子量大小，較簡單的是以ASTM測試方法測定熔融流率(MeltFlowRate，MFR，PE用MeltIndex，MI)。若分子量較高則其分子鏈較長且黏度較高，透過測試其MFR較低。分子量高低最直接的影響是加工成型，尤其是與模具的配合收縮率上的問題，以及加工條件甚至生產週期。另外，分子量也影響了同基材的物理特性，分子量高MFR低成型不易，材質剛性則稍差但衝擊強度會好很多。2.分子量分佈分子量是一個大數量下的平均值的概念，分子的分佈基本上是常態分配，正如自然界大部份集合內的分子分佈狀況，例如平均身高、平均年齡、、、等。分子量分佈寬窄會影響加工的穩定性，尤其是在雙向延伸膜及高速複絲纖維生產行業，會影響加工效率及品質。新一代的觸媒Metallocene下原料品質除了分子量分佈較窄，加工性會好很多。分子量分佈情形可參考圖3.2。圖3.2不同聚丙烯分子量分佈圖原料廠商會以PI值(PolydidpersityIndex)及XyleneSoluble二種方式來比較分子量分佈的情形，但XyleneSoluble也是錯位結構PP的含量測試，一般而言含量越高越柔軟，衝擊強度也稍好較透明。PI值越高分子量分佈越寬，以抽絲而言，耐溫較差、生產效率較差、熔融強度較高、較差的熔融延伸、斷點抗張較差、斷點延伸率較好、成絲後紡紗時耐溫性較好效率較高。所以生產必須在加工及後加工中取得平衡。但BOPP分子量寬熔融強度高產出量較大。另外一現象是PI值越高剛性越好，熱變形溫度越高，比重越高，以高結晶PP而言，彎曲彈性可達24,000顯然較一般17,000挺性較好；比重0.91較所有PP都在0.9左右顯然較重。不過新觸媒的研發都有這種原料物性趨勢：比重漸趨增加、PI值提高、剛性增加、ｘyleneSoluble值減少，但文具行業大概不易同意此改變觀點，他們的訴求剛好相反。另一方面複絲級規格常以斷鍵Visbroken方式去提高熔融流率，這方面的技術可能也會影響原料物性。3.立體結構在聚乙烯的結構會有直鏈結構及支鏈結構，但聚丙烯在聚合時，因結構的排列關係會有三種立體結構，如圖3.3所示。圖3.3a同側結構圖3.3b異側結構圖3.3c錯位結構A與B兩種具規則性結晶化架構同側結構是目前商業化PP的主成份錯位結構為聚合時副產品，分離出來後為蠟狀軟性物質，可做為熱熔膠材料或摻合其他材料的便宜偶合劑。PP之結晶度高低取決於聚合時分子間的立體規則性，規則性越高則結晶度越高，相對剛性與熱變形溫度會提高。而結晶度越大其光線折射率越大越不透明，加入適當增核劑(透明劑)可在成形冷卻時提早定型減少結晶化，結晶核較小折射率較小產品較透明。所以PP是結晶物無法像非結晶系塑膠或玻璃般透明，但可以原料減少結晶度及後加工強制延伸破壞結晶或提早定型，如：加工定型時急速冷卻或添加增核劑改善。單聚合物的立體規則性一般大於90%，若高於98%可將之歸類於高結晶PP。一般PP的結晶度介於40%~70%之間，而高結晶PP則可高於70%。高結晶PP比重約0.91，剛性可達24,000，熱變形溫度可提高至140℃。市面上高結晶PP都是儘可能減少錯位結構比例再添加增核劑來達到物性目標要求，但結晶度不同的差異仍是會表現在物性上，因此需要仔細的評估。4.無規則性PP立體結構的無規則性會影響到結晶程度PP共聚合物內乙烯與丙烯的排列與比例也會影響共聚合物內不同單體的排列有下列三種：〈1〉隨機共聚合物(RandomCopolymer)〈2〉塊狀共聚合物(BlockCopolymer)〈3〉接枝共聚合物(GraftCopolymer)其中隨機共聚合物具不規則性較透明，另因熔點較低〈乙烯溫度較低且鍵接丙烯上〉適合熔接處理。5.型態乙烯與丙烯共聚合物主要是改善PP單純的物性尤其是塊狀共聚合物改善了耐衝擊強度，但因為添加了乙烯相對就會柔軟與失去透明性，而此不透明性則是其規則性所導致。這種方式比隨機共聚合物可添加更多乙烯在PP裡頭，隨機共聚合物添加乙烯在3.5%以上往往要藉助丁二烯添加成為三共聚合物〈Terpolymer〉以降低各項測試溫度。但今天原料廠商已很少生產塊狀共聚合物而改生產耐衝擊共聚合物，主要是生產設備均已改為連續式製程居多，生產單聚合物過程中再聚合乙烯丙烯橡膠(EPR)摻合在裡頭，可以達到類似物性卻大幅降低生產成本的目的。一般乙烯添加量在5~7.5%間但近年乙烯逐漸加大到可達12%左右並朝接近橡膠物性著手，也有以隨機共聚合物再添加EPR方式求得更好衝擊強度。聚合耐衝擊乙烯丙烯共聚合物會產生PP、PE及EPR三種成份在PP裡頭〈比率高低而已，PP為主體〉，而會影響