研究所製造設計報告一

版主說：
這是我第一次的製造設計作業，ㄟ...獻醜了，大家隨意看看就好...

一、 前言

聚合性材料在現今生活已是隨手可見，但其發展卻僅是近一世紀的歷史，聚合性材料的產生與發展，著實為人類的生活與長久以來的金屬工業帶來衝擊與巨大的改變，甚至有人誇口說現在已是「塑膠工業時代」。

確實，與金屬材料從採礦到煉製得所需純度的複雜技術相比，從實驗室的化學反應所得的聚合性材料就顯得較為簡單且成本也大幅的降低了，也因此成為工業上可替代金屬材料的新興材料，為此也發展了許多迥異於金屬製程的其他製造程序。

在生活上，聚合性材料質輕便宜且多變的特性，讓我們越來越大量的使用此類的產品，但相較於源自大自然界的金屬、木材等產品，這個人為製造出來的材料也漸漸引發了許多的問題。

本文除了介紹聚合物的分類與特性外，也詳細介紹了各類型的聚合性材料製程方法與及應用。

最後則補充些許近來聚合性材料所帶來的問題與解決方法的探討。

二、 聚合材料的影響變數

1. 聚合的結構

(i) 依聚合的反應可分為兩種：

(a) 加成聚合

以相同的單體做鏈狀聚合，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

(b) 縮合聚合

在聚合的過程中，某些化合物會被脫去，通常為水或氨等化合物。

(ii) 依聚合的形式可分為兩種：

(a) 線狀聚合

形狀為鏈狀，分子間的鍵結力較弱。

(b) 網狀聚合

形狀為三度空間中的立體網狀，鍵結力較強。

(iii) 依性質可分為三種：

(a) 熱塑性聚合

在高溫時具可塑性，冷卻後又可恢復固態。

(b) 熱固性聚合

此為縮合網狀聚合，較不具可塑性，無法因溫度而再成型加工。

(c) 彈性體

介於熱塑性聚合與熱固性聚合之間，可做彈性變形，但不會造成永久形變。

2. 添加劑

大多數的聚合物都含有添加劑，可使聚合物得到我們所期望的特殊性質，常用者如下：

	作用	例子
填充料	用以改善物理性質，如增加強度或耐磨性等。	天然橡膠加入碳黑
潤滑劑	降低黏度及摩擦性質。	尼龍加入石墨或二硫化鉬
安定劑	減低損傷老化，如抗氧化、抗紫外線、熱安定等。	苯乙烯加入石碳酸；聚乙烯加碳黑
滯燃劑	減緩燃燒，具防火效能。	如鹵素化合物，金屬鹽類、磷酸鹽酯等
著色劑	改變塑膠的顏色。	鉻黃、茜素紅等
增塑劑	可軟化具可撓性及加工性。	硝酸纖維素加樟腦
填充劑	增加形狀的穩定性。	甲醛樹酯加木屑
強補劑	改善材料之機械性質。	矽膠加入雲母

三、 塑膠材料的一般特性

1. 機械性質

塑膠材料較金屬材料軟，其硬度介在Rockwell及Shore之間，因此具有抗磨性質。

2. 物理性質

因鍵結力不若金屬材料強，而質輕比重小，如聚乙烯、劇本乙烯在0.9～1.1之間，PVC在1.2～1.55之間，鐵弗龍在2.1～2.2之間。

無法抵抗高溫，熱傳導性及電傳導性亦較金屬差。其光學性質則多變，半透明或不透明的材料甚至可由添加劑來改變顏色，如環氧樹酯、聚乙烯、碳纖化合物等，另外也有透明性佳的材料，如丙烯氰酯等。

3. 化學性質

塑膠材料為高分子聚合物，可抗強酸、強鹼。

4. 其他

可靠添加劑來增添或改變其特性，但塑膠材料之穩定性會隨環境而有所改變，如長期暴露在陽光底下，會因遭受紫外線照射而破裂。

四、 常用的熱塑性材料

佔有市場78％以上的比例，是最普遍使用的塑膠材料。常見的有：

	說明
纖維素 (Cellulosics)	利用棉花或木材纖維加上各種處理而製成，其韌性良好，且可製成多種顏色。
聚苯乙烯 (P.S) (Polystyrene)	適用於模製與擠壓操作，有透明至不透明等多種顏色。其尺寸穩定，絕緣能力強，為最佳的電器絕緣體，並可應用於消散模型。此外因為低的導熱係數使聚苯乙稀可作為絕熱材料。聚苯乙稀之缺點為易碎，不耐沸水溫度以及不太好的油質抗性。聚苯乙稀之重要光學性質為其可見波長的高透射度以及低的折射率。
聚乙烯 (P.E) (Polyethylene)	主要特性為防火不受化學藥劑之影響。其可製成多種顏色，為密度最低的塑膠之一，可以浮在水中且可用於製作包裝材料、塑膠容器等。
聚丙烯 (P.P) (Polypropy lene)	具有優良的電器性質、高衝擊值及抗拉強度，能耐熱及化學藥劑之侵蝕。主要用以製造行李箱、玩具、食物包裝紙等。
乙烯聚合物	包括有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯丁醛及聚偏二氯乙烯等，皆為熱塑性塑膠。其中PVC生產成本低，用途廣泛，其主要性質有：耐磨損、耐化學侵蝕、強度高、易於著色等。
ABS塑膠	由丙烯情(Acrylonitrile)、丁二烯(butadiene)、及苯二烯(Styrone)三組化合物所組成，ABS之名字是取三字之首而來。此種塑膠視組合成分之不同，可具有較高之硬度，也可具有較高之彎曲性或韌性。ABS塑膠之加工行為，大部份可藉著化學性質來預測之，且由於是屬於非結晶性的高分子聚合物，故其具有一種低的模製件收縮率以及相當寬裕的融化範圍。其熱安定性不如聚苯乙稀及聚乙烯良好，且在加工範圍進高溫端時會有害的蒸汽跑出，將導致困擾。
尼龍(Nylons)	尼龍絲可作襪子、刷子毛等。

五、 常用的熱固性材料

佔整個塑膠市場的14％，一般能耐較高的溫度且比較硬，但比熱塑性材料脆，有較好的尺寸穩定性，抗潛變性，抗化學性和電的性質。一旦成形，將不會回到原來的狀態。處理前，熱固性塑膠是以樹脂系統和填塞物組成，有時也會加補強材料。熱固性塑膠常依據樹脂成份來分類，填料主要影響機械性質，特別是纖維類的形式。常用的有：

1. 酚醛材料 (Phenolics )

佔整個塑膠市場的6％。雖然脆，但有高的抗熱、防水及抗化學性，價格便宜並以良好的剛性和抗衝擊性快速成形，但顏色常限制在黑色或棕色。酚醛材料可被分類成：一般用途為木材粉末填塞物，抗衝擊性的紙或織品填塞物，熱阻抗的礦質或玻璃填塞物，礦質填塞物的電導材料，無填塞物的化學材料和橡膠酚醛材料。酚醛材料能以壓力模製、移轉模壓製或注射模製與擠製而形成，典型應用包括馬達外殼、滑輪、輪子、家電品連接插頭、點火零件、冷凝器外殼、電子絕緣體、方向盤和把手。

2. 氮基物 (Aminos)、尿素 (urea)和三聚氰胺 (melamine)

佔整個塑膠市場的4％，性質視組成物而定，但一般來說既硬且抗磨和抗碎裂。尿素成形較快且花費少，但三聚氰胺有較硬的表面和較高的熱與化學抵抗性。尿素的應用是在電和電子的組件，三聚氰胺的應用是在餐具和方向盤。

3. 還氧基 (Epoxies)

可用在各種多樣的類型，不論液態或固態，和靠觸媒處理完成的產品，還氧基樹脂除了極佳的連結性質外，並提供良好的化學抵抗性和電的性質，且有足夠的高強度，特別是用玻璃纖維或其他類似的纖維補強的方式。液態的還氧基是以鑄造法成形，粉末狀則以塑製法成形。某些配方可以不用加熱或加壓。還氧基使用，包括黏著劑、需高強度的和絕熱的組件、電子組件的包裝、工具和模。

4. 多元脂 (Polyester) 熱固性樹脂

多元脂(polyester)和苯乙烯(styrene)的合成聚合物，產品主要是玻璃補強或塑製法或夾層法。多元脂展現出極佳的機械、電子和化學性質的平衡。能以多種的顏色製成，且成形時不用揮發劑。多元脂有低的濕氣吸收，被廣泛用來製作玻璃纖維船身、游泳池、椅子、汽車車身嵌版和其他高強度組件。

5. 聚醯胺 (Polyurethane) 熱固性塑膠

能夠依配方而成柔性或剛性，有優良的韌性和磨耗抵抗性，特別適合發泡零件，不論柔性或剛性形態。

6. 矽氧樹脂 (Silicones)

是半有機聚合物，可為液態、彈性體或剛性固體。矽氧樹脂能使用在自溫度-73～+260℃(-100～+500℉)的範圍，有優良的電的性質和防水性與抗化學性，也與身體組織相容。可使用在臨界或高性能應用，如飛行器、太空船和電子零件。

六、 常見的彈性體

彈性體能夠容忍很大的彈性變形而沒有破裂，柔軟且彈性模數低，並有低的玻璃化溫度。彈性體在負荷移去後，具有復原原來形狀與大小能力者。常見的有：

1. 橡膠 (Rubbers)

一般是加硫或其他添加物來產生類似熱固性的結構，使橡膠變得更強，當橡膠被拉伸，聚合物鏈被拉直且平行，增加結晶性與強度。

2. 自然橡膠 (Natural Rubbers)

是異戊二烯(isoprene)的單體聚合物，添加了如碳黑(carbon black)、二氧化矽(silica)與矽酸鹽(silicate)的填塞物的材料所製成。有優良的回彈力與抗磨損性，並可抗油、抗熱、抗氧化與日照，添加物如碳黑可改善紫外線輻射的抵抗性。自然橡膠主要的應用包括輸送帶、輪胎產品、隔音材料與墊片。

3. 苯乙烯 (Styrene) 丁二烯 (butadiene) 橡膠 (SBR)

是苯乙烯與丁二烯的異量分子聚合物，因為廉價可用在汽車輪胎，性質可依苯乙烯與丁二烯比例的改變而有寬廣的範圍，若苯乙烯含量超過50％則被視作塑膠。SBR有優良的抗衝擊與抗磨損性，但抗化學性差。主要用途包括汽車輪胎、輸送帶、墊片與隔音材料。

七、 塑性材料的模鑄製程

製程步驟如下：

常用的方法有：

1. 壓縮成型法

壓縮成形法通常使用熱固性塑膠，它需要供給預先量好的部份固化材料數量送進模裡面，然後用衝鎚壓擠使它填滿空穴，在溫度和壓力的作用下塑膠材料變的可塑性，並因而填滿空穴模的形狀，進而凝固硬化。熱量必須透過模壁才能硬化，每一循環需要數分鐘的時間供給鬆散的粉末或小丸材料。一節省製程時間的方法是將材料冷壓制所需的形狀，放進爐中烘烤使之變硬，這後面的製程類似於粉末冶金技術。

可以被壓縮成形的物體尺寸，受限於壓製機的大小和有效出力能力。壓縮成形法大部份適用於簡單的均勻壁厚形狀，壁厚較合宜的尺寸範圍是3到6㎜（1/8到1/4 in），較厚的壁是不良好的，因為其需要長時間硬化，它的厚度大約是12㎜（1/2 in），這表示一個實際經驗的最大尺寸限，較複雜的部份是過熔低焰。

2. 射出成型法

射出成型法可以改變熱塑性和熱固性材料，使它們進入形狀更複雜的模，速率更快且有更精確的尺寸。未加工的材料是由重力供給至壓力室的衝錘，當衝錘推進時，聚合體受力進入至加熱室然後穿過噴嘴到對合模穴。熔化塑膠的快速冷卻造成模內存在內應力、翹曲和性能粗劣，減少冷卻速率來增加模的溫度減少內應力，但卻會增加循環時間及產品成本，折衷的方案是達到內應力與產品成本兩者數量間的平衡。

事實上所有的熱塑性材料都可以射出成形，熱塑性的塑膠也可以，在此，機器的設定必須安全以至於材料不會在填滿模之前硬化，典型的射出塑製零件包含了儀器的齒輪、小型機器、瓶蓋螺桿、電池、垃圾桶、杯子和容器。

3. 轉移成型法

轉移成形法非常類似壓縮成形法而且主要使用於熱固性塑膠，在此製程中，材料首先在室內加熱和加壓，然後施加力量使之穿過一個孔進入模穴。當材料流到模穴時大量的功作用在材料上，這可使材料的濃度均質化及溫度上升，再將模加熱以使得塑模材料的溫度上升至繼續交連製程，維持模的封閉狀態直到硬化反應完成，然後才能打開脫掉。

轉移成形法是發展來克服壓縮成形零件的一些設計極限，與壓縮成形比較起來循環時間較短但模的價錢較貴，具有較薄的模壁、封閉的公差和更均勻的密度，典型的產品是電子零組件。

八、 塑性材料的擠押成型法

由漏斗將材料送進預熱預壓的螺桿室，然後推進輸送帶上加熱過的模，擠製塑膠的溫度範圍是130到400℃，

當材料離開模的時候必須快速冷卻維持擠製的形狀，影響冷卻的有鼓風、水噴霧或沈浸在水中，均勻的冷卻速率對尺寸控制是重要的，因為不均勻的冷卻速率會導致收縮、和彎曲。介於模孔口和最後產品尺寸兩者之間通常有一重要的尺寸差異，這導致塑膠在離開模之後立即伸長。

擠製可以使用於製造薄片（厚於0.75㎜或0.03 in）、薄膜（薄於0.75㎜或0.03 in）、桿、細線、真空管和多樣化外型，也使用於塗層金屬線、鋼索、板條和塑膠輥壓成形的外形。雙擠製可以使用於結合不同的塑膠成單一的外形，通常安定模壁厚度特別的重要，可以擠製的壁厚範圍介於0.5到6.25㎜。

大部份的熱塑性、彈性體和熱固性材料都可以被擠製，一般擠製材料是熱塑性材料包含了固乙稀、軟乙稀、多苯乙稀、ABS、多丙稀、多乙稀。其它還包含有尼龍、多碳酸鹽、多硫化物和乙縮醛二乙醇。

九、 熱成型

熱塑成形一般只用於片狀成形，而管狀的成形則稱之為吹製成形。廣泛的應用於熱塑成形的塑膠，方法如下：

1. 板片加熱成形

板片加熱成形是將塑膠板加熱軟化後利用空氣壓力之差或某種機械的方法，加壓使其與某種模子之形狀相同成形法。目前以發展成功多種方法如：空氣壓力差自由成形法、真空反彈成形法，模中抽空或吹入成形法、覆蓋成形法、由柱塞協助之真空或壓力成形法及配合模成形法。

2. 吹模製法

吹模製法主要是用以製造中空薄壁之容器，材料首先經過擠製成圓管型之胚料，然後以最快之速度送至分裂式之模內。當模子閉合後，管之兩端即行夾緊並切斷，壓縮空氣由擠製端吹入，迫使模內之管漲大而與模壁相貼。製品必須有足夠的冷卻防止變形。此時方打開模子，取出製品。此項操作之全部過程，頗似玻璃瓶子之吹製。

吹模製品中有化妝品盒子、瓶子、浮沈子、汽車加熱器導管、液體清潔劑容器、熱水瓶等，所用的材料有聚乙稀、聚丙烯、醋酸纖維等。

十、 塑性材料的鑄造

利用地心引力使材料流動於各個模子之內，一般的鑄造模子同常有兩到三成的模版所組成，其內有一澆鑄系統來使材料能夠完整的填滿模子。優點在於模子材料便宜、不需要貴重的機構。缺點是速度慢。利用多重澆道的方法亦可應用於不同材料間的包嵌。大部份以液體的型態將於模子中強化的部份包覆而形成。

熱塑塑膠的鑄造包含混和的單體、結晶及添加劑，用熱來使其均勻的混和在一起，然後再將其澆入模子中，然後開始成形。當塑膠冷卻後即可取出﹔壓克力及耐龍可以用來生產大形狀的構件，而零件的重量可從0.5到680公斤皆可鑄造。正常的鑄造公差則為±0.1百分比。旋轉模造或是鑄造皆可做出中空的成品，灌入一已決定體積的塑膠流體後開始旋轉並同時加熱，並使熱均於的分佈於模子上，然後當模子冷卻後，塑膠硬化即可取出。此製程的優點在於不會有一些殘餘物的損失及完美的成品。至於其他相關於鑄造的製程上有電子元件的構裝等。

十一、 塑膠零件的固定與接合

1. 機械固定

壓及硬裝可以用來組合塑膠零件中的肋及槽，這類的組裝需要一接近的尺寸公差才能達成且塑膠必須具有彈性及韌性，才能允許一零件可以強迫插入另一零件而不使其發生斷裂，除此之外也應避免可能發生的潛變。

2. 溶劑與接合劑

通常上了溶劑的塑膠表面會融化或軟化，然後再將兩結合件施以壓力使之膠合在一起，一般用於壓克力及聚乙烯及一些乙烯基的塑膠材料上，膠合後之強度與母材相同。

膠合劑一般用來膠合熱塑性塑膠及熱固性塑膠，當設計使用膠合劑結合時，膠合面應儘量的取最大面積，如此才能確保材料的穩固性。

3. 熔接塑膠零件

焊接的方法大部份是加熱使其表面融化，而達成接合的目的，常用的熔接方法有；電磁感應熔接、高周波、超音波、熱熔接、摩擦接合等。

十二、 塑膠零件的修整

1. 塑膠切削

塑膠可以輕易的使用傳統製程及切削工具，因此一般的車、洗、磨、刨皆可應用於塑膠的成形製程中。當使用這些製程時有一些準則需要考量如下﹕

(i) 塑膠不會將切削時的熱散逸

(ii) 熱固性塑膠對於切削時的溫度梯度非常敏感，因此當切削條件非常不好時表面亦會非常的粗糙。

(iii) 熱塑性塑膠會因為切削時刀拒產生的高溫而軟化。

最好切削塑膠的刀具乃是具有正傾角及高relief角的刀具。小的切削量及小的進給深度、較高的轉速尖銳的刀具、足夠的切削液及適當的支持機具等，都是塑膠切削時所需要的。為了要消除殘留應力，塑膠零件的工作溫度會被升高到80至160度C左右，並且以一較低的及均勻的卻速率來冷卻零件以減輕殘留應力的效應。

2. 裝飾作業

裝飾作業包含著色於模造零件上或是表面壓紋等。但在上色時各種塑膠對於漆的掌握及保持有不同的特性。聚苯乙烯與熱固性塑膠就很難著色在一起除非有特珠的參數。熱塑性塑膠可以藉由熱貼的方式來達成著色的目的，其主要是利用將顏料及欲著色的表面加熱，然後相互貼在一起即可。

3. 金屬塗層

有真空鍍金法及電解鍍金法等方法，在真空鍍金法中塑膠表面需先度上一層漆以助長金屬帶與表面的結合力，然後將零件置於一真空管道中覆以金屬蒸汽，通常是鋁蒸汽，最後表面再上一層保護漆以保護鍍金模。也可使如此鍍模看起來像鏡面般的表面、金屬般的帶狀物。

十三、 聚合材料的設計及選擇要素

依塑膠製品的使用方法可分為：

1. 直接使用

2. 做為主材質或使用最多的組合零件

3. 做為輔材質或使用較少的組合零件

4. 做包裝材料

5. 做塗裝材料

依照上述五種用途，有幾點是設計上必須要考慮的：

1. 材料的選擇

2. 加工方式的選擇

3. 模具的設計

4. 二次加工方式

5. 安全規範及有關法令

十四、 未來的發展

隨著塑膠的用量增加，廢塑膠的公害問題也日益嚴重。由於數量大、微生物無法分解及可回收利用較少，因此在環保意識的口號下，塑膠廢料的處理及在利用成了最重要的課題。

目前的解決方法有：

1. 再生處理

2. 再利用

3. 熱分解

4. 再製成有價物

十五、 結論

塑膠為我們的生活帶來許多便利性，但由於無法自然分解或有效處理，最迫切的問題就是龐大的垃圾量，除了呼籲商家減少產品的包裝，也呼籲使用者做有效的分類，以方便往後的再生處理或是再利用。而目前科學家們也積極開發更好的替代品，期望可以有效替代不具環保性的聚合材料。而在工業界方面，也不斷研發結合金屬的複合性材料，以增加其電和熱的傳導性，以應用到高科技工業。

十六、 參考資料

1. 賴耿陽編譯, 塑膠廢料有效利用, 復漢出版社, 1989.

2. 洪瑞庭編著, 塑膠加工技術與工程, 高立圖書有限公司, 1987.

3. 陳琰編著, 塑膠添加劑, 高立圖書有限公司, 1999.