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1. 熱塑性塑膠的應用
熱塑性塑料由線性或支化聚合物組成，其分子鏈之間沒有交聯作用。這樣的結構使得在高溫下，它們可以融化成流體狀態，並在冷卻後成形。這類塑料具有很高的可塑性，能夠被製造成各種複雜的形狀，如薄膜、板材、管材、棒材和薄壁部件等(圖1)。
塑料在成型工藝和成品質量方面的各種性能，統稱為塑料的工藝性能。對塑料工藝性能的了解和掌握程度，直接關係到塑料是否能夠順利成型並保證成型品的品質，同時也影響到模具的設計要求。以下是有關於熱塑性塑膠的特性說明。
2. 塑膠的熱力學三態
在自然界中，我們把物質在常溫中的聚集狀態分成三種，即氣態、液態和固態。以非晶態線型高聚物為代表的高分子聚合物，由於分子結構的連續性，以及其巨大的分子量，所以它們的聚集狀態不同于一般低分子化合物，而是在不同的熱力條件下，以其獨特的三種形態存在，即玻璃態、高彈態和黏流態。
高分子聚合物是不存在氣態的，在受熱而可能氣化之前，分子結構已受到徹底的破壞，成為低分子的氣化物質或炭化物。
高分子聚合物的玻璃態實際上是固態的一種表現形式，特點是在一定的溫度範圍內，呈現出固態物質普遍具有的性質，在某些力學特性上類似于普通的玻璃。
高分子聚合物的黏流態是一種獨特的“液態”，在某個溫度範圍內，具有既可以流動又有別于普通低分子液體的力學性質。
高分子聚合物的高彈態是介於玻璃態和黏流態度範圍的特有形態。
高分子聚合物和其他物質一樣，在特定的溫度、壓力條件下都有一個相對穩定的形態。比如，在普通使用條件下，可以將有機玻璃視為玻璃態的代表，而將液體樹脂視為黏流態的代表。
當外界溫度、壓力發生變化並達到某種水準時，高分子聚合物將改變原有的狀態而轉變成另外的狀態。射出加工廠的任務就是提供這些變化的條件，在加工過程中，塑膠原料(以高分子聚合物為基體)受溫度、壓力、剪切作用時，其黏度、物理結構、形態等都會出現變化，其中以溫度影響最大，這是塑膠熱成型的理論依據。
非晶態線型高聚物在一定的壓力、不同溫度條件下，上述三種聚集態及其轉變條件如(圖2-1)所示，這是以相對形變率來表達的三態區間的劃分。圖中所示的溫度為聚苯乙烯試樣的溫度。
高分子聚合物，包括有結晶傾向的高聚物，不管是熱塑性的還是熱固性的，都有這樣類似的區間劃分，只是曲線的形狀各不相同。例如聚乙烯、聚丙烯等有結晶傾向的高聚物，其形變曲線如(圖2-2)所示，這類高聚物在進入熔點後即出現黏流態，黏度迅速下降，不可逆形變在整體中發生。在(圖 2-1)、(圖2-2)中形變曲線上有一個脆化溫度Tx，低於這個溫度，分子鏈段的自我振動被“凍結”下來，不可拉伸、扭轉，也無法吸收和分散外力。在外力作用下，鏈段很快斷裂，塑件將顯得像普通玻璃那樣易於擊碎。
3. 塑膠三態的微觀結構和工藝特性
(3-1) 玻璃態
處於玻璃態下的塑膠分子，鏈段運動基本上處於停止的狀態，分子在自身的位置上振動，分子鏈纏繞成團狀或捲曲狀，相互交錯，紊亂無序。在玻璃態時分子的聚集狀態如(圖3)所示。
當受到外力作用時，分子鏈段將作瞬間微小伸縮和鍵角改變。整個塑膠形體具有一定的剛性和強度(拉伸強度、彎曲強度等)。在這種形態下，塑件可以被使用或進行機械加工 (如切削、鑽孔、銑刨等)。
一般非結晶型塑膠(如聚苯乙烯、有機玻璃、聚碳酸酯等) ，其玻璃化溫度高於室溫，我們可以將原料顆粒、定型了的塑件視為玻璃態。至於聚乙烯、聚丙烯等“軟”性塑膠，事實上也存在“硬”性的玻璃態。這類塑膠中的非結晶部分，玻璃化溫度比室溫低很多 (-123~85°C) ，在玻璃化溫度以上處於高彈態，表現為柔性，而結晶部分熔點又比室溫高 (137°C) ，因晶格能的束縛，鏈段不能自由活動，表現為剛性，所以也能作為具有固定形狀的塑膠使用。
(3-2) 高彈態
處於高彈態下的塑膠分子，動能增加，鏈段展開成網狀，但分子的運動仍維持在小鏈段的旋轉，鏈與鏈之間不發生位置移動。受外力作用時可產生緩慢變形，當外力除去後，又慢慢恢復原狀。在這種狀態下，塑膠具有一種類似橡膠的彈性，所以又稱橡膠態。通常稱為彈性體或橡膠體的高聚物，便是在室溫下處于高彈態的高聚物。高彈態有以下兩個特點。
- (a) 在較小作用力下可產生較大變形，外力解除後能恢復原狀。
- (b) 高彈變形並非瞬間發生，而是隨時間逐漸發展。與普通的彈性變形不同，在同樣外力作用下，變形要延遲一段時間才能完成，而且變形量大，鬆弛性也較明顯。
塑膠的高彈態其實只有在熱加工過程中才出現。塑膠的使用溫度、加工溫度和彈性模量的關係如(圖4)所示。
(3-3) 黏流態
處於黏流態下的塑膠分子，網狀結構已經解體，大分子鏈與鏈之間、鏈段與鏈段之間都能夠自由移動。可以說，這是塑膠的“液體”存在的形式，只是黏性大，物理構成不同，力學性質不同。當給予外力時，分子間很容易相互滑動，造成塑性體的變形，除去外力便不再恢復原狀。
塑膠熱成型過程可以這樣描述：通過熱和力的作用，讓塑膠從室溫的玻璃態，經歷高彈態轉變為黏流態，注射入具有一定形狀的封閉模腔，然後在模腔內逐漸冷卻，從黏流態轉回玻璃態,最後形成與模腔形狀一致的塑件。
塑膠只能在黏流態下才能射出填充成型，即是說，塑膠的加工溫度範圍只能是從黏流溫度(或結晶型塑膠的熔點)到降解溫度之間。如果這個範圍寬，加工將比較容易；如果這個範圍窄，可選擇的加工溫度限制大，加工就較為困難。前者以聚乙烯為代表，後者以聚氯乙烯為代表。經常應用的聚苯乙烯、ABS 等亦屬於範圍寬的一類，所以在設定射出機料管溫度時，能夠比較隨意；如果不需考慮色粉對高溫的敏感性，溫度調高些或調低些，對生產影響不大。塑膠在加熱料管中經歷的熱力學變化如(圖5)所示。
從(圖5)中可以看出，在熱的作用下，塑膠是從玻璃態經歷高彈態轉化為黏流態。正常的加工溫度應保證這種轉化順利進行，從進料段向前到射嘴段，溫度逐漸遞增，如若破壞了這種遞增，將使操作不穩定。即使有時在實際生產中，設定的射嘴溫度比其前段料管溫度略低，但前段料管位置內的料事實上已完全進入黏流態，稍低溫度的射嘴起著保溫及出料均勻的作用。
塑膠的黏流態溫度範圍有一定極限，超過了這種極限，即超過了降解溫度，塑膠產生降解，會破壞原來的化學結構，成為低分子化合物，甚至炭化。有時噴嘴對空注射發生爆鳴聲，就是由於氣態低分子生成物從料管內的高壓突然轉變為低壓進入大氣，瞬間膨脹造成的。這種現象的出現，說明料管內部分塑膠不堪高溫或長時間受熱而發生了降解。
正常生產過程中的塑膠，一般不會超過降解溫度，但如果料管內壁或螺桿損傷後有死角，造成長時間停滯或受到劇烈的擠壓剪切，就有可能發生降解，射出出來的塑件，往往帶有焰火狀黃斑。
4. 塑膠分子的取向
在塑膠成型加工過程中，有一個取向現象值得注意。我們先看一下塑膠熔體是如何流入成型模具型腔的，這將有助於瞭解塑件表面和芯部方向性產生的原因，如(圖6)所示。
非晶態高聚物的玻璃態、高彈態和黏流態以及結晶型高聚物的非晶態部分，在一定條件下會存在分子取向。當液體狀態的塑膠在射出機中受力的作用下，高速通過噴嘴及模具的流道時，長線形的高分子會順著流動方向做相互平行的排列，一旦這些排列在塑膠冷卻固化之前來不及消除而留在了固態塑件中，分子的取向及因此而形成的取向效應便保持下來。
一般來說，取向作用會使塑件的整體性遭受削弱，表現為塑件內部各處的物理機械性能不均衡。由於分子排列的結果，與分子鏈相垂直方向的強度將差于平行方向。顯然，當這種取向強烈時，塑件很可能出現翹曲變形或開裂。(圖7)列舉了幾種常用塑膠分子取向後其縱、橫兩個方向上的拉伸強度及伸長率的比較。
塑膠的取向作用在有些塑件上是比較容易注意到的。如(圖8-1)中的透明聚苯乙烯圓形面蓋塑件，粗的直澆口設在中央，由於射出時起始射壓不高，後來的塑膠在較大的壓力梯度下緩慢進入模腔，造成分子輻射狀的取向排列，加上冷卻過程太快，定向作用便被保留下來。結果，經過一段不長時間的使用或靜置，機械強度的差異便以應力破壞的方式暴露出來，從中央開始沿輻射方向出現眾多裂紋。
(圖8-2)是黑色的改性聚苯乙烯及聚苯乙烯共混料塑件，在料流方向上出現一個彎曲位A，由於通道突然收縮變窄，塑膠充盈時壓力梯度大，分子取向作用大，當射出接近結束發生輕微脹模時，熱熔料擠開基本冷固了的排列有序的分子鏈，於是出現了A位置應力發白的缺陷。
克服取向作用的一個途徑是採用較充分的射出條件(如加快射出速度、提高料溫和模溫)，必要時讓塑件在接近塑膠軟化溫度下進行退火，但效果並不太理想。
註；退火是在低於Tm而高於Tg的溫度下(一般是在熱變形溫度以下20~30°C)進行的熱處理方法。
5. 塑膠的熔體黏度
熔體黏度是反映塑膠熔體流動的難易程度的特性，是熔體流動阻力的度量，黏度越高，流動阻力越大，流動越困難。聚乙烯的分子形狀及其分子量分佈不同，其熔體黏度將有不同的表現。當熔融溫度或施加的壓力所引起速率變化時，將對加聚物或縮聚物的熔體黏度產生影響。(圖9-1)和(圖9-2)分別為各種樹脂的熔體黏度與溫度、壓力的關係。
從(圖9-1)可以看出，醋酸纖維素(CA)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PM-MA)、尼龍(PA)及聚碳酸酯(PC)等樹脂，它們都是隨著溫度的增加而黏度急劇下降的，因此曲線的斜度較大，而聚乙烯及聚甲醛樹脂則對溫度不敏感，見(圖10)。
(圖9-2)和(圖11)表示測定時因加壓引起速率(稱之為剪切速率)變化時，各樹脂熔體黏度的變化情況。從(圖9-2)可知，聚苯乙烯及各種聚乙烯樹脂的熔體黏度隨速率的增加表現出急劇下降的傾向，而尼龍、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯及聚碳酸酯的熔體黏度則對速率不敏感。如果把熱塑性聚酯和聚丙烯做比較，在100cm/s以內的低速率區域，當剪切速率改變時熱塑性聚酯的黏度幾乎不變，而聚丙烯樹脂的黏度則隨剪切速率的增加而急劇下降。
熱塑性樹脂存在這樣一種傾向，如果其熔體黏度對溫度敏感的話對剪切速率就表現得不敏感；相反，對剪切速率敏感的話對溫度就不敏感。唯一例外的樹脂是聚苯乙烯，它的熔體黏度不僅對溫度敏感，而且對剪切速率也敏感，見(圖12)。
聚苯乙烯(PS)之所以是最容易成型加工的樹脂，就是因為它能簡單地通過提高熔融溫度，或通過提高熔融樹脂注入模具時的速度(射出速度)的方法來降低其樹脂黏度。像尼龍這樣含有官能團的樹脂，其最佳成型溫度(實際的射出溫度)都在熔融溫度附近，而且其溫度可調範圍較小；由於活潑原子團組成的加聚物，其最佳成型溫度高得多，溫度可調範圍大，通過提高射出速度的方法等都可降低其熔體黏度，加聚物樹脂的特性通過多級(多段)射出速度的射出機會得到更好的發揮。
6. 塑膠的結晶度
熱塑性樹脂固體中的分子聚集狀態有疏密，可以把緻密的部分稱為結晶部分，而把過疏的部分稱為非結晶部分，大多數的聚合物都會有某種程度的結晶部分，因此，我們把結晶部分的含有率稱為結晶度。但一般來說，像尼龍、熱塑性聚酯那樣具有官能團的聚合物，或像聚丙烯、聚乙烯等分子排列較規整的聚合物，它們的結晶度較高，而共聚物或混合的聚合物等其結晶度較低。一般聚合物的實際結晶度比其固有的結晶度要低，因此，其結晶度可以通過熱處理或提高模溫的方法得到提高。
結晶度高的聚合物其強度增加、伸長率下降、體積減小。塑膠的結晶度越高，其密度就越大，熔融溫度(熔點)也越高，而且強度大，透明性低，伸長率小。可見結晶度和物性有著緊密的關係，各種樹脂在拉伸特性上的變化和該樹脂在成型加工過程中產生的結晶化的差異有關。而且結晶化的差異越大，聚合物拉伸特性的變化幅度也越大。熱塑性樹脂的結晶部分和非結晶部分的模型如(圖13)所示。
結晶性較好的聚合物會因其結晶化的進行而產生體積收縮，進而影響其塑件的尺寸穩定性。因此，必須設法在加工時盡可能使其結晶度提高到固有的結晶度，以防止後收縮引起塑件的尺寸穩定性下降。事實上，為了改善塑件的尺寸穩定性，常在樹脂中添加一些能起結晶化的成核劑。
7. 塑膠的玻璃化溫度
熱塑性樹脂會出現一個玻璃化溫度(玻璃化轉變點)的現象，即聚合物在溫度增高的過程中，在其熔融前會在某一溫度範圍內處於既非固體又非黏性液體的橡膠態，我們把出現橡膠態的開始溫度稱為玻璃化溫度(Tg)。在這個溫度範圍裡聚合物的熱膨脹會突然變大，而且所發生的形變和橡膠不同，是不可逆的形變。
玻璃化溫度特性對使用聚合物塑件時是非常重要的，例如，把塑件放置在玻璃化溫度以上的溫度條件下時，會招致意想不到的變形。反之，如果想對塑件進行改變形狀加工處理等，則可以在玻璃化溫度以上進行實施。此外，希望提高塑件的結晶度時，也可以在這個溫度範圍中進行處理。
8. 塑膠的蠕變及應力鬆弛
如果把一個由熱塑性樹脂製成的細長板的一端掛上重物，在放置了一段較長的時間後，就會發現板的長度在隨著時間一點一點地增大，而且即使把重物取下來，板的長度也不會再恢復，我們把這種現象稱為蠕變。
如果在板的兩端加上拉應力或者壓應力並使之保持在一定的長度，同樣在放置了一段較長的時間後，就會發現所加的應力在逐漸變小甚至變為零，我們把這種現象稱為應力鬆弛。
當然，這種現象在作用力施加較短的瞬間是見不到的，只有在長時間受力的情況下才能發生。這種現象在鋼鐵、陶瓷或熱固性樹脂中是見不到的，熱塑性樹脂之所以發生這種現象，與線狀巨大分子隨時間順其應力方向滑移有關。
因此，為了防止這種現象的發生，就應該增加大分子和大分子之間的橫向束縛力。這其中的一個方法就是提高其結晶度，如尼龍、聚酯及聚丙烯等樹脂，本來其結晶度就較高，但為了更好地防止以上現象的發生,必須在進行纖維加工時,用熱處理或拉伸來最大限度地提高它們的結晶性。另一個方法就是使用某些化學藥品，使之形成三維網狀結構，如熱固性樹脂就屬於此類，因其三維網狀結構的束縛可以有效地防止大分子間的滑移。
塑膠的蠕變現象或應力鬆弛現象常引發一些意外的事故。如把一個是凹形、另一個是凸形的兩個塑件，強制壓在一起組合成“子母扣配合”的形式時，由於是強制壓入，在接合部兩塑件必然要分別受到壓應力和拉應力的作用，時間一長，接合部就會鬆動而影響裝配品的繼續使用。此外，在塑件的儲存或搬運過程中，必須注意不要使之受到很大的應力，否則會引起塑件的變形、破損等問題。
9. 塑膠的熱膨脹
熱塑性樹脂的缺點之一是其熱膨脹和熱收縮比較大，有時會因此影響其使用。例如，在其他種類的樹脂表面上用熱塑性樹脂塗覆時，或把金屬和熱塑性樹脂組合在一起使用時，由於各自膨脹係數的不同，有時會造成彎曲、龜裂、鬆弛等問題。而且，把其塑件作為機械零部件使用時，也會因發生熱膨脹等引起尺寸變化，造成配合不良等問題。
一般各種材料都有隨溫度升高其熱膨脹係數增大的傾向。樹脂的熱膨脹係數和品質體積(比容)與溫度的關係如(圖14)所示。
從(圖14)中可知，樹脂在一定的溫度範圍內其熱膨脹系數是以一定的速率變化的，而一旦到了玻璃化溫度就會有急劇的增大，最後導致熔融。根據對樹脂內部的觀察，在低溫下保持不變的自由體積(分子間的自由間隙) ，一旦到了玻璃化溫度後就會隨溫度升高而急劇增大。塑件變形加工必須在Tg以上進行，正是因為自由體積增大後分子易於運動，所以有利於改變其形狀的加工。熱塑性樹脂的熱膨脹係數一般比其 他材料要大5~10倍。
