基礎(chǔ)知識(shí)：了解不同的塑料

魔猴君  知識(shí)堂   247天前

在 1967年的美國(guó)電影《畢業(yè)生》中，達(dá)斯汀·霍夫曼飾演的男主被告知塑料是一個(gè)很有前途的行業(yè)。 男主是否認(rèn)同這個(gè)看法我們無(wú)從得知，但五十多年過(guò)去了，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道制造行業(yè)肯定是認(rèn)同了此看法，現(xiàn)在塑料在制造業(yè)被廣泛使用，包括多種類型的塑料及類塑料，覆蓋了幾乎所有的工業(yè)類別，而且已經(jīng)變?yōu)槲覀兊纳钪胁豢煞指畹囊徊糠帧?/span>

對(duì)于新手外行來(lái)說(shuō)，塑料有很多不同類型，到底不同塑料之間有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？這種困惑通常是因?yàn)橐韵聨讉€(gè)原因：

? 對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系沒(méi)有概念。

? 產(chǎn)品材料的性能通常沒(méi)有被足夠的重視，沒(méi)有被分配足夠的時(shí)間和精力。

? 即使克服了上述兩個(gè)障礙，也很難找到準(zhǔn)確的材料屬性數(shù)據(jù)。

為您的產(chǎn)品選擇合適的材料會(huì)涉及到將各種來(lái)源的數(shù)據(jù)，每個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)有可能不完整，有重疊有沖突，您需要把這些各不完整，甚至相互毛肚的材料性能數(shù)據(jù)整合在一起。 對(duì)一種材料，最主要應(yīng)該看它的材料數(shù)據(jù)表（MDS，Material Data Sheet），一個(gè)中肯的建議是您應(yīng)該盡可能從該表中獲取盡可能多的信息。 有時(shí)也可以從各個(gè)材料供應(yīng)商發(fā)布的設(shè)計(jì)手冊(cè)和應(yīng)用說(shuō)明中獲得更詳細(xì)的信息，用來(lái)可以填補(bǔ)材料數(shù)據(jù)表中的空白。 完整詳盡的材料信息一般是高性能工程和特種材料才會(huì)有（為顯示性能的優(yōu)越性），而常見(jiàn)的一些商品材料可能會(huì)有信息缺失。 如果您真的需要了解一個(gè)材料，你除了查找資料之外，可能還需要做一些試驗(yàn)和測(cè)試工作。

熱塑性塑料

熱塑性塑料是一種在一定溫度以上變軟，變得可模塑，然后在冷卻時(shí)固化，并且這一過(guò)程往返重復(fù)，所以熱塑性塑料通常用于注塑成型，也一般都可以再次回收利用。

熱塑性塑料在加熱時(shí)發(fā)生的情況用專業(yè)術(shù)語(yǔ)講就是是相變。 材料經(jīng)歷相變的一個(gè)非常常見(jiàn)的例子是水在零度以下會(huì)變成冰，冰在零度以上會(huì)變?yōu)樗?nbsp;低于這個(gè)相變溫度，材料是固態(tài)，高于這個(gè)溫度，材料是液態(tài)。

一些常見(jiàn)的熱塑性塑料

?乙縮醛 Acetal，也稱為 Delrin

? 亞克力(Acrylic,PMMA,Polymethyl methacrylate）

? 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS，Acrylonitrile butadiene styrene)

? 尼龍 Nylon (PA,Polyamide)

? 聚碳酸酯 (PC Polycarbonate )

? 聚乙烯 (PE Polyethylene )

? 聚乳酸 (PLA, Polylactic acid )

? 聚丙烯 (PP, Polypropylene )

? 聚苯乙烯 (PS,Polystyrene )

? 聚四氟乙烯 (PTE,Polytetrafluoroethylene)，也稱為 Teflon

? 聚氯乙烯 (PVC,Polyvinyl chloride )

熱固性塑料

熱固性這個(gè)名稱可能看起來(lái)有點(diǎn)令人困惑，尤其是與熱塑性塑料相比（參見(jiàn)上一節(jié)）。 熱固性材料是一種不可逆固化的材料，而不是加熱可以重新軟化的材料。 記住這兩種塑料區(qū)別最簡(jiǎn)單方法可能是，熱塑性塑料加熱可逆，而熱固性塑料則是永久變形。

熱固性材料根據(jù)材料的成分不同，可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)固化或輻射固化。 液態(tài)硅膠是一種常見(jiàn)得可模塑的熱固性材料。

熱固性材料通常比熱塑性材料更強(qiáng)固，也可以用于各種成型工藝。

常見(jiàn)的熱固性塑料有：

?電木

? 環(huán)氧樹(shù)脂

? 三聚氰胺

? 聚氨酯（也存在于熱塑性塑料中，但較少見(jiàn)）

? RTV 硅膠

? 硅橡膠

光敏聚合物

光敏聚合物是一種塑料，液態(tài)未固化前多稱為光敏樹(shù)脂，光敏樹(shù)脂在光照時(shí)會(huì)改變其特性，發(fā)生固化反應(yīng)。 這些塑料通常使用紫外線固化，并且固化速度非?？?。 光敏樹(shù)脂通常用于3D 打印及類似工藝（如UV打印等）。光敏聚合物往往比其他類型的塑料更脆，并且在暴露于陽(yáng)光或高濕度時(shí)通常不穩(wěn)定。與熱固性材料一樣，光敏聚合物也經(jīng)歷了一個(gè)不可逆的固化過(guò)程，一旦固化就不能再軟化。 當(dāng)用于3D打印等工藝時(shí)，光敏樹(shù)脂會(huì)逐層固化。 通常通過(guò)一個(gè)UV 激光頭在樹(shù)脂上繪制（和固化）一層零件，然后將工作臺(tái)下降一層的高度， 然后再繪制下一層并固化，該過(guò)程不斷進(jìn)行，直到整個(gè)零件形成。

光敏樹(shù)脂是數(shù)字制造中的重要的原材料之一，人們開(kāi)發(fā)了很多光敏樹(shù)脂用來(lái)制作具有一定特性的光聚合物。

比較塑料和類塑料

從技術(shù)角度來(lái)看，并非所有看似塑料的東西就都是塑料。 熱固性塑料和光敏聚合物的性能行為與真正的“塑料”不同，雖然對(duì)普通人來(lái)說(shuō)分不清楚很正常。但如果您想成為一個(gè)專家，又或者只是有興趣稍微多了解一些，比較塑料和類似塑料還是很有趣的。

立體光刻（一種常用的增材制造工藝，可以簡(jiǎn)稱為 SLA）原材料是光敏樹(shù)脂而不是熱塑性塑料，因此在一些關(guān)鍵特性上是不同于普通的工程級(jí)樹(shù)脂。 盡管如此，這些類塑料對(duì)設(shè)計(jì)師和工程師來(lái)說(shuō)仍然非常有用，只要它們?cè)谀?/span>些維度上與預(yù)期的最終生產(chǎn)材料相匹配，那么它們還是可以用于外觀、裝配和有限的功能測(cè)試。 通常，設(shè)計(jì)師和工程師最看重的屬性是剛度（技術(shù)術(shù)語(yǔ)拉伸模量）， 因此，如果原材料是類 ABS 材料時(shí)，它通常指該材料與ABS的剛度類似，而其他材料屬性有可能會(huì)差別很大。

光敏材料與工程級(jí)熱塑性塑料最常見(jiàn)的性能不同是斷裂伸長(zhǎng)率（斷裂前的拉伸程度，以百分比衡量）和耐溫能力（軟化前的溫度）。光敏聚合物的斷裂伸長(zhǎng)率和耐溫能力都遠(yuǎn)不如對(duì)應(yīng)的工程塑料。

所有光敏聚合物都對(duì)氧氣具有長(zhǎng)期敏感性，也就是長(zhǎng)期暴露在氧氣環(huán)境各項(xiàng)性能會(huì)老化而退化，并且這種敏感性隨著溫度的增高會(huì)增加。 衡量老化的將能指標(biāo)為相對(duì)熱指數(shù) (Relative Thermal Index, RTI)。 這是目前測(cè)量老化對(duì)光敏聚合物機(jī)的械和電氣性能的長(zhǎng)期影響的最佳方法。 RTI 從測(cè)量關(guān)鍵基線屬性開(kāi)始， 然后測(cè)試樣品在多個(gè)溫度下的老化，監(jiān)測(cè)其基線屬性，直到它們下降到原始值的 50%。 達(dá)到 50% 性能所需的時(shí)間稱為失效時(shí)間。

選擇合適的塑料

如果不了解一個(gè)零件的完整的應(yīng)用性能要求，就不能做出完全準(zhǔn)確的材料選擇。但如果提前為選材料做太多的工程計(jì)算有時(shí)候又不太劃算，那么我們?cè)撊绾螢楫a(chǎn)品選一個(gè)合適的材料呢？下面我們提供一些快速選擇塑料的經(jīng)驗(yàn)法則：

? 試試 ABS。 ABS 適用于很多很多應(yīng)用。它價(jià)格合理，堅(jiān)固，相對(duì)堅(jiān)韌，外觀不錯(cuò)，即使您不遵循塑料零件的所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則，它也很寬容。不過(guò)它的熔點(diǎn)確實(shí)相對(duì)較低。

? 如果需要更便宜和更剛強(qiáng)，并且外觀不是很重要，請(qǐng)嘗試聚丙烯 (PP)。

? 如果您需要比 ABS 更堅(jiān)固或能夠承受更高溫度的東西，請(qǐng)嘗試使用聚碳酸酯 (PC)，PC不如ABS那么可以容錯(cuò)設(shè)計(jì)規(guī)則，需要了解塑料零件的設(shè)計(jì)規(guī)則。。

? 如果需要美觀和透明，請(qǐng)嘗試亞克力（PMMA）。 PMMA 可能有點(diǎn)脆。

透明的 PC 會(huì)比 PMMA 更堅(jiān)固，但在美觀上會(huì)少一些。

? 如果這些規(guī)則沒(méi)有選出合適的材料，那么你需要做數(shù)學(xué)和工程分析。

如果您打算使用注塑成型來(lái)制作零件，您可以制作模具之前，先用不同的候選目標(biāo)材料機(jī)加工幾個(gè)零件，確定最終材料后再制作模具。這是模具在設(shè)計(jì)時(shí)是需要匹配了特定材料的屬性，樹(shù)脂在固化時(shí)會(huì)收縮，不同樹(shù)脂收縮率不一樣，因此可能無(wú)法在同一模具中使用多種樹(shù)脂，不同樹(shù)脂可能會(huì)對(duì)零件尺寸、公差和精度造成風(fēng)險(xiǎn)。