塑料的選用及回收分類

塑料原料會影響到塑件的使用性能、塑件的成型工藝、塑件的生產成本以及塑件的質量。目前為止,作為原材料的合成樹脂種類已達到上萬種,實現工業化生產的也不下千餘種。但實際上並不是所有工業化的合成樹酯品種都獲得了具體應用。 在實際運用過程中,有些塑料在性能上十分接近,難分伯仲,需要多方考慮、反覆權衡,才可以確定下來。因此,塑料材料的選用是一項十分複雜的工作、缺乏可遵循的規律。對於某一塑件,選材料這個角度應從以下因素中考慮。
塑料的選用

1. 選用的塑料要達到製品功能要求

要充分了解塑件的使用環境和實際使用要求,主要從以下幾個方面考慮。
1.1 塑料的力學性能
如強度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、衝擊性能以及對應力的敏感性等是否滿足使用要求。
在選取塑膠材料時,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情況,包括載荷的大小、類型和時間,然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(圖1)。

1.2 塑料的物理性能
如對使用環境溫度變化的適應力、光學特性、絕熱或電器絕緣的程度。
塑膠材料選擇時考慮產品是否需要滿足某種安全規範或某種認證的要求,比如3C認證、FDA、USDA、UL等;同時也要考慮產品是否需要滿足UI94阻燃等級的要求,阻燃等級分為5VA、5VB、V-0、V-1、V-2、HB。不同的塑膠材料具有不同的阻燃等級,甚至同一種塑膠材料因為材料等級不同,其阻燃等級也不同。

1.3 塑料的化學性能
如對接觸物(水、溶劑、油、藥品)的耐性以及使用上的安全性等是否滿足使用要求。
產品使用環境包括環境溫度和接觸介質。塑膠材料只能在一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非常容易變得脆弱而發生失效,而且不同塑膠材料工作溫度範圍也不一樣。如(圖2)所示,相對於23℃的環境溫度,在80℃環境溫度下某品牌POM的拉伸強度大幅下降。

因此必須明確產品使用環境的溫度,包括最高和最低的工作溫度,以及長期的工作溫度等。
通常在客戶的產品規格書中就會有明確的規定。在考慮溫度時,還需要考慮產品在裝配、後處理、運輸時的環境溫度。
此外,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種化學介質(圖3),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,確保與環境相容。

1.4 裝配(組裝)要求
塑膠材料的選取需要考慮到零件是通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連接,有的適合超聲波焊接,而卡扣的連接則要求塑膠材料具有足夠的強度、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為ABS,那麼下蓋的塑膠材料應當與ABS具有較好的超聲波焊接熔合性能,可以為ABS或PMMA等。

1.5 外觀要求
零件經加工和外觀的完美程度是否滿足使用要求。例如是否有透明度的要求、是否需要咬花、是否需要電鍍、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。

根據材料性能數據選材時,塑料和金屬之間有明顯的差別,對金屬而言,其性能數據基本上可用於材料的篩選和製品設計。但對於具有黏彈性的塑料卻不一樣,各種測試標準和文獻記載的聚合物性能數據是在許多特定條件下測定的,通常是短時間作用力或者指定溫度或低應變速率下測定的,這些條件可能與實際工作狀態差別較大,由其不適於預測塑料的使用強度和對升溫的耐力,如不吻合則要把全部所數據轉換成實際使用性能有關的工程性能數據,並根據要求的性能進行選材。

2. 塑料工藝性能要滿足成型工藝要求

材料的工藝性能對成型工藝能否順利實施,模具結構的確定和產品質量的影響很大,在選材時要認真分析材料的工藝性能,如塑料的收縮率的大小,各項收縮率的差異,流動性、結晶型、熱敏性等、以便正確訂製成型工藝及工藝條件、合理設計模具結構。
此外,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。無定形塑膠的尺寸穩定性好,如PC;半結晶塑膠由於收縮率大、易翹曲等原因會造成尺寸穩定性差、如PA66。

3. 考慮塑料的成本

在產品設計中,成本永遠都是非常重要的一個因素,塑膠材料的選取需要考慮到材料的價格,在滿足產品應用要求的條件下,儘量選取價格比較便宜的塑膠材料。
(圖4)所示為常見塑膠材料的價格對比。

選用塑料材料時,要首先選成本低的材料以便製成物美價廉的塑件,提高在市場上的競爭力。塑件的成本主要包含原料的價格、加工費用、使用壽命、使用維護費等。
在實際生產中,找出了一些塑料材料選用的規律,根據這些規律作為塑料的選用原則。

3.1 一般質輕、比強度高的結構零件用塑料
一般結構零件,例如罩殻,支架,連接件,手輪,手柄等,通常只要求具有較低的強度和耐熱性能,有的還要求外觀漂亮,這類零件批量較大,要求有低廉的成本,大致可選用的塑料有:改性聚苯乙烯,低價聚乙烯,聚丙烯,ABS等。其中前三種塑料經玻璃纖維增強後能顯著提高機械強度和鋼性,還能提高熱變形溫度。在精密、綜合性能要求好的塑件中,使用最普遍的是ABS。
有時,也採用一些綜合性能更好的塑件達到某一項較高性能指標,如尼龍1010和聚碳酸酯等。

3.2 耐磨損傳動零件用塑件
要求有較高強度、剛性、韌性,耐磨損和耐疲勞性,並有較高的熱變形溫度,如各種軸承、齒輪、凸輪、渦輪、渦桿、齒條等,優先選用的塑件有MC尼龍(澆鑄尼龍),聚甲醛、聚碳酸酯;其次是聚酚氧(超高分子量環氧樹脂)、氯化聚醚、線性聚脂等。其中MC尼龍可在常壓下於模具內快速聚合成型,用來製造大型塑件。各種儀表中的小模數齒輪可用聚碳酸酯製造;聚酚氧特別適用於於精密零件及外型複雜的結構件;而氯化聚醚可用腐蝕性介質中工作的軸承、齒輪等,以及摩擦傳動零件與塗層。

3.3 減摩自潤滑零件用塑料
這類零件一般受力較少。對機械強度要求往往不高,但運動速度較高,要求具有低的摩擦因數,如活塞環、機械運動密封圈、軸承和裝卸用箱框等。這類零件選用的材料為聚四氟乙烯和各種填充物的聚四氟乙烯粉末或纖維充填的聚甲醛、低壓聚乙烯。

3.4 耐腐蝕零件用塑料
塑料具有很高的耐腐蝕性,其耐腐蝕性僅次於剝離及陶瓷材料,一般要比金屬好。不同品種塑料的耐腐蝕性不同,大多數塑料不耐強酸、強鹼及強氧化劑。要求耐強酸、強鹼極強氧化劑的,則應選各種氟塑料,如聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(PCTFE)、聚三氟乙烯及聚偏氟乙烯(PVDF)等。一些化工管道、容器及需要潤滑的結構部件都宜應用耐腐蝕塑料材料製造。

3.5 耐高溫零件用塑料
一般結構零件和耐磨損傳動零件所選用的塑料,大都只能在80~150°C溫度下工作,當受力較大時,只能在60~80°C工作,對耐高溫零件的塑料,除了有各種氟塑料外,還有聚苯醚(PPO)、聚醯亞胺(PI)、芳香尼龍等,他們大都可以在150°C以上工作,有的還可以再260~270°C下長期工作。

3.6 光學用塑料
目前光學塑料已有十餘種。可根據不同用途選用。常有的光學塑料有聚甲基丙烯酸鉀酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯、聚甲基戊烯-1(PMP)、聚丙烯、烯丙基二甘醇碳酸酯(Allyl diglycol carbonate; ADC)、苯乙烯丙烯酸酯共聚物、丙烯腈共聚戊等。另外,環氧樹脂、矽數酯、聚硫化物、聚酯、透明聚酰胺等也是可供選擇的光學材料。光學塑料在軍事上已應用於夜視儀器、飛行器的光學系統、全塑潛望鏡、三防(核、化學、生物)保護眼睛等。在民用領域,也已應用於照相機,顯微鏡,望遠鏡,各種眼鏡,複印機,傳真機。雷射印表機等辦公設備,視頻光碟等新型家用電器。
選擇光學材料的主要依據視光學性能,及投射率、折射率、散射及對光的穩定性。因使用條件的不同,還應考慮其他方面的性能,如耐熱、耐磨損、抗化學侵蝕及電性能等。

4. 塑膠材料選用的應用

塑膠材料在產品中的成功應用離不開以下4大方面:
a. 塑膠材料的選擇。
b. 塑膠件的設計。
c. 塑膠模具的設計。
d. 射出成型工藝的管控

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;塑膠模具的設計和射出成型工藝的管控屬於模具工程師和射出成型操作人員的職責。產品設計工程師不必精通射出模具和射出工藝的每一個細節,但至少需要瞭解和熟悉,特別是與塑膠件品質、成本等相關的知識。
非常重要的一點是,這4大方面並不是孤立存在的,而是需要有機的結合(註1)成個整體,產品設計工程師、模具工程師、射出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作,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作用常常被忽略,他們是塑膠材料的專家,對塑膠材料本身的性能、應用和優缺點等非常瞭解,他們能對塑膠材料選擇和塑膠件設計提出有用的建議。因此,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。(當然,也有為了錢坑人的)。
塑膠材料眾多,性能各異,合適塑膠材料的選擇變得非常困難。一般來說,塑膠材料的選擇通常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,但這樣的選擇往往不是最優選擇。塑膠材料的選取不僅僅要求產品設計工程師全面瞭解塑膠材料的性能參數,而且還需要考慮產品的載荷狀況、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確定下來,因為塑膠材料的性能差異可能會造成塑膠件的設計完全不同,這包括壁厚大小、加強筋厚度、螺釘配合孔大小以及裝配工藝選擇等的不同;另外,塑膠材料收縮率的不同也使得同一套射出模具加工不同塑膠其尺寸存在差異,一旦射出模具開始加工,更換塑膠材料的可能性就變得非常小。

(註1)有機結合==>簡單説就是互相結合。兩個及兩個以上事物互相結合,並不相互牴觸、牽制,而是各出所長,相互取長補短,獲得更好的成果。
這裏的“有機”是指事物的各部分互相關連協調而不可分,就像一個生物體那樣有機聯繫。

5. 塑料的回收分類

我國「塑膠材質回收辨識碼」係引用美國塑膠工業協會(Society of the Plastics Industry)於1988年所發展出來的塑膠辨識碼(Resin identification code),目前為世界通用的辨識碼。
一般我們常接觸的日常塑膠製品有許多是可以回收再利用的,最簡單辨識可否回收的方式,是檢查物品上是否有標上四個箭頭組成的「可回收標誌」,以及三個箭頭所組成的「塑膠材質回收辨識碼」,三角形中1~7號的號碼,意味著所使用的塑膠材質。不同的材質,有不同的特性與耐熱度,適用於各種不同的用途,有關於辨識碼的各數字說明可參考(☆其他參考資料及文章)的影片說明。

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