2009年10月2日 星期五

添加劑, 安定劑, 操作助劑, 安定劑, 改良劑, 改良劑 (27)

5.4. 添加劑 (Additives)
對於塑膠原料來說,添加劑是用於提升其熔解及成型的特性。添加劑也可用於改善塑膠產品的強度、安定性、耐化學性、耐候性等。添加劑,可被分成操作助劑(process additives)與功能添加劑(functional additives)等兩種添加劑。表格4-1 即列出了此兩種添加劑。

5.4.1. 操作助劑 (Process Additives)
操作助劑又分為兩類,安定劑(stabilizers)與操作助劑(processing aids)。在沒有加入添加劑的狀況下,塑膠產品將無法大量生產;如果沒有添加劑,在熔解加工過程中產生的熱能與高剪切率(high shear rates),將會破壞分子結構,並使之失去作用。在沒有穩定劑和潤滑劑的情況下,具剛性的聚氯乙烯(PVC)將無法被加工。聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚苯乙烯(polystyrene)、和尼龍(nylon),需要抗氧化劑(antioxidants),否則其分子結構將會在成型的過程中快速分解。

5.4.1.1. 加工安定劑 (Process Stabilizers)
塑膠產品,是由塑膠原料與添加劑組合加工而成。將塑膠材料轉為融熔狀態時,其分子結構將會受到壓縮(compression)、剪切(shearing)和高溫的影響。
在高溫時,某些高密集混合的塑膠分子將被破壞;其將促使糾纏在一起的分子變形。少部分會被破壞,其他的將失去一個旁邊的原子。那些失去一個旁邊原子的分子,將分裂(split 斷鏈(chain scission))及交聯(cross link),並硬化成為脆性(brittle)材料。一些被破壞的分子將形成碳環(carbon rings),進而加深塑膠的顏色。其他的,則形成過氧化氫(hydroperoxide),或具備與其他原子連結的功能。這些易反應的原子被稱為「自由基」(free radicals),同時,可以加速其與其他分子斷裂。加工過程中,加入的添加劑可使段裂的塑膠趨於穩定。
熱安定劑(Heat stabilizer)與抗氧化劑(antioxidant),用於消除自由基,以阻止分子斷裂。一種常見的熱安定劑特性,是指化學反應與消去氯化氫(hydrogen chloride)的能力。(過程中,發生金屬羧酸(metal carboxylate)和有機硫醇鹽(organotin mercaptide)的複雜反應,超出了本章節的範圍)。通常,藉由增加酚類抗氧化劑(phenolic antioxidant),以制止脫氯化氫(dehydrochlorination)作用(由聚氯乙烯(PVC)分子中消去一個氯(chlorine)原子),和脫氫(dehydrogenation)作用(由任一塑膠分子中消去一個氫原子)。抗氧化劑(antioxidant)的目的有2 種,一為減少自由基的生長和另一為使其失去形成過氧化氫(hydroperoxide)的功能。在本章節的後段,對於抗氧化劑功能會有更完整的解釋。
對於所有的熱塑性塑膠(thermoplastics)來說,聚氯乙烯(PVC)是特別容易在加工過程中降解等級的。聚氯乙烯的加工溫度在300℉~450℉之間,如果沒有熱安定劑(heat stabilizers),聚氯乙烯則會在大約200℉時開始熱分解。
聚氯乙烯與其他熱塑性塑膠在降解等級時,會造成顏色的變化,從白色變到黃色、棕褐色、棕色、甚至黑色。物理性質也會隨著脆性(brittle)的增加而改變。聚氯乙烯的被破壞,是導因於氯原子(chlorine atom)的脫去,被稱為「脫氯化氫」(dehydrochlorination)。聚氯乙烯經脫氯化氫作用的副產物,是氯化氫(hydrogen chloride),其對加工設備具有高腐蝕性。對於其他熱塑性塑膠而言,其中氫原子會與氧反應,而將碳原子保留下來,這些碳原子相連而形成石墨粒子。

5.4.1.2. 潤滑劑 (Lubricants) for Processing Aids
所有的潤滑劑都會造成摩擦力下降;而且,潤滑劑可以由固體、粉狀、或液體狀的形式,以小量的方式,加入塑膠原料中。潤滑劑可減少原料的黏性(viscosity),以利加工。同時,也可協助成型元件,具有平滑高光澤的外觀。依據加工設備與最終產品的外觀需求而定,潤滑劑的濃度,介於0.5%~1%之間。由剪切(shearing)作用造成的高熱應力(thermal stress),會使塑膠降解等級(degradation)、變色(discoloration)、和碳化(carbonization),潤滑劑是可降低高熱應力的影響。潤滑劑也可減少融解的塑膠其內部及外部的摩擦力,使其在加工設備中,易於流經狹窄的狹縫、管道、和模具。由於潤滑劑可以減少隨著剪切率(shear rate)、熔點溫度升高所造成的破壞效應,而提高對於產品的生產力。
潤滑劑會減少分子間,和塑膠與加工設備間,內部及外部的摩擦力。潤滑劑會在塑膠分子之間被吸收,提高分子的流動性,進而促進熔融過程。潤滑劑也可被視為一種抗靜電劑(antistatic agent),能減少電子在塑膠表面的形成。同時,它也可以在分子間,建立了一種「緩衝」(cushioning)效應;當外力擠壓塑膠時,其分子可以更容易地移動,而不被破壞。在分子之間添加顏料添加劑,潤滑劑也可以保留原有的顏色。
一般而言,潤滑劑是一種有機化合物,可分為四類: 硬脂酸(stearates)、不飽和脂肪酸(fatty acids)、烴蠟(hydrocarbon waxes)、和低分子量聚乙烯(polyethylene)。潤滑劑最有效用的使用方式是,先被分散,然後在塑膠分子結構中被吸收。其吸收的效率取決於潤滑劑的溶解度(solubility)。
潤滑劑的溶解度,取決於塑膠分子結構的極性及潤滑劑結構的極性的相似度。表4-2,列出了部分的塑膠與溶劑的溶解度參數。如果塑膠與潤滑劑的溶解度相同(或近似於相同),則塑膠會吸收此潤滑劑。塑膠與潤滑劑的相容性是相當重要的;不充份的潤滑,將造成等級降解(degradation)及產生較高的熔解黏性(melt viscosity),這導因於塑膠分子間及加工設備與塑膠之間的摩擦力上升;反之,在加工時,過多的潤滑劑會產生過多的滑動,造成塑膠原料供給量降低。

5.4.1.3. 脫模劑 (Mold Release Agents) for Processing Aids
塑膠熔體內部的潤滑劑,會浮升至模具的表面,不讓塑膠製品黏於模具上。脫模劑可用噴霧罐由外加入;在高壓射出成型、吹製成型與壓縮成型的加工方式都需要脫模劑。在射出成型加工過程中,塑料以5,000~ 40,000 PSI 的壓力壓入模具;在那樣的壓力下,塑料會在模具的核心及周圍,冷卻與收縮;這個巨大的壓力,會將塑料鎖定在模具表面上,所以,脫模劑是必要的噴霧式脫模劑(aerosol release agents),會在模具的表面形成薄膜,使塑料組件從模具滑落。內部脫模劑與塑料混合,然後,移至塑膠表面;他們產生與噴霧式脫模劑相同的效果。不管是在內部或外部的應用,矽膠(silicone)是最普遍的脫模劑。如果塑料組件需要上色或畫記,則矽膠(silicone)必需由塑料組件的表面移除。在吹製模具的聚乙烯瓶中,通常會將該瓶經由天然氣火焰,以移除矽膠(silicone) ;火焰會燃燒掉矽膠(silicone),使標記黏著於塑膠上。脫模劑,也稱為助滑劑(slipping agent),常用於薄膜的製造。
其他被加入塑膠薄膜的添加劑,有防滑劑(anti-slip agent),和防阻塞劑(anti-blocking agent),其目的在減少塑膠薄膜的滑動性質。

5.4.1.4. 成核劑 (Nucleating Agents)
加於塑膠原料的成核劑(Nucleating agents),可以控制結晶結構的生成。
第二章討論過塑膠的結晶與非結晶分子結構。晶軆結構(Crystalline structures)是由中心核,有序地向外生長。結晶(Crystals)是由核內,向外生長,其分子會向自身回疊,並堆積形成晶球狀(spheres)。圖4-16,說明塑膠分子如何由核形成結晶球。非結晶分子結構(Amorphous structures)是隨機的、鬆散的分子排列在晶體與晶體之間。這兩種結構,在塑膠的物理特性中,扮演非常重要的角色。塑膠,可以在室溫下,不借助外界壓力,慢慢冷卻,而形成大的結晶,稱為「球粒」(spherulites)。這個塑膠產品的特性,部分取決於球粒生長的數量、大小與質量。
晶體,由核心起始生長,可以由3 種方式開始:
第一:核心可與快速冷卻的外來物質反應,例如:催化劑的殘留物、塑膠未熔解的部分、降解等級後的聚合物、或是其他雜質。
第二:在冷的模具牆上,核心可在熔融的塑膠中開始。
第三:借用外加物於塑膠,使之生長結晶,稱做成核劑。
成核劑(Nucleating agents)可為無機的添加劑,像是滑石粉(talc)、矽土(silica)、高嶺土(kaolin),也可能是有機化合物,包括鹽、彩色顏料(color pigments)以及一些應用中的某些共聚合物,例如:乙烯(ethylene)/丙烯(acrylic)酸酯(esters)。這些添加劑,或以粉狀混合物,或是懸浮於水溶液中,以master batch 的方式均勻分佈,其數量很少超過0.1%。加入適當的數量,並使之均勻分布於塑膠中,這些添加劑會以極佳的特性與較快的生長速率,產生細顆粒狀的球型晶體。
結晶結構比非結晶結構要堅固、穩定許多;當一個塑膠產品需要高穩定性時,其結晶形態是否一致、細微的、並均勻分佈於整個原料中,是相當重要的。圖4-17說明,塑膠原料的結晶模式過程,和用相同的塑膠,經由成核細結晶的生長過程。具有較粗的顆粒和較大的晶體結構所產生的塑膠,比起同樣的塑膠,但用較細的晶體形態所產生的塑膠,具有易脆性和較差的透明度。較細的晶體形態所產生的塑膠,通常具有較大的硬度、較佳的透明度、具有更好的抗磨損的表面光澤度、以及更大的拉伸強度。結晶的均勻性,在塑膠產品中,也可產生更加一致的收縮率,從而降低翹曲(warping)和塑膠模具中心的孔洞(holes)。較細的顆粒結構,可以減少塑膠必須加工的次數,進而減少每單位的生產成本。塑膠的結晶粒在高於熔點的溫度形成;製造業者,試圖找出成型產品所需的溫度,而該溫度可產生均勻且細的結晶粒結構。表4-2 比較了,晶體成長發生的溫度,及選用塑膠原料的熔點。

5.4.1.5. 發泡劑 (Blowing Agents)
發泡劑,可以是有機,或無機的物質,以化學或物理的方式,產生泡沫塑料(foamed plastic)。發泡劑,可減少所需的塑料量去生產組件,因此,所需的重量將減少,成本也會降低。發泡劑可小量地改善硬度、絕緣性、防止收縮、以及使塑料具有產生厚牆的能力。發泡劑的數量,會決定塑膠的多孔性(porosity);使用發泡劑的產品,可以是仿造皮革、乙烯基(vinyl)地板墊、包裝材料、海綿、咖啡杯、及寢具。
發泡劑,通常在加工之前,加入塑膠。發泡劑,可發生化學反應形成氣體,或可物理性擴展,形成泡沫結構。化學用發泡劑,會在高溫時,分解而產生氣體,進而擴大塑膠原料。物理用發泡劑,隨著熱能擴張,強迫多孔結構的形成。最常見的發泡劑,有氟氯碳氫化合物(HCFCs),二氯甲烷(methylene chloride),三氯乙烷(methyl chloroform),正戊烷(n-pentane),異戊烷(isopetane),丙酮(acetone),二氧化碳(carbon dioxide),氮(nitrogen)和水。氟氯碳化合物(CFCs)曾經被使用,但它們會破壞地球的臭氧層,因此,已被淘汰。

5.4.2. 功能性添加劑 (Functional Additives)
功能性添加劑,可以提升塑膠產品的環境的特性,增加其保存期限。許多塑膠暴露於戶外的氣候時,會被破壞。聚丙烯(PP)與低密度聚乙烯(LDPE)的耐候性較差;可能在幾個月的戶外曝曬後,變得易碎,或褪色。丙烯酸(Acrylic)的耐候性是最好的,但如果受潮,則會迅速產生應力裂紋。
功能性添加劑,可分為安定劑(stabilizing)與改良劑(modifying)兩種。
安定劑,源於氧化、光線或活性金屬攻擊的反應,延緩塑膠分子的分解(breakdown)。另一種安定劑,稱為阻燃劑(flame retarding agents),可阻止點火或燃燒的蔓延。改良劑,可以增加色料、彈性、提升耐衝擊性、強度與膨脹。其他的改良劑,還有防靜電劑和螢光增白劑。殺菌劑可以防止微生物造成的生物腐蝕。

5.4.2.1. 安定劑 (Stabilizing Additives)
5.4.2.2. 抗氧化劑 (Antioxidants)
所有的塑膠原料,在加熱過程中,或是暴露於紫外光下,都會發生氧化。氧化過程中,氧原子反應,並移去塑膠分子上的氫原子;失去氫原子,會造成分子鏈被打斷,而形成碳原子與碳原子之間連結的化學鍵。失去氫原子的碳鍵,會形成活性連接基,稱為「自由基」;此自由基,會尋求連結於另一個碳的弱雙鍵,或與另一相鄰分子的自由基交聯(cross link);這個雙鍵或交聯會使塑膠原料性質變弱,變得易碎。碳與碳的鍵結,會產生暗色的石墨顆粒,進而造成塑膠變暗、變色。
抗氧化劑,屬於化學製品,通常為粉末狀,用於延緩塑膠原料(比例少於1%)的氧化作用。氧化速率的不同,取決於其分子結構與化學性質。
塑膠的氧化,有時也被稱作老化。氫與氧反應,常會在塑膠表面形成白堊。例如:在風化的乙烯車頂,和白色粉末狀的塑膠漆,都可以發現氧化作用,進而發生變色。乙烯車頂、著色漆與被塑膠包裹的電纜,特別容易氧化。氧化作用的效應,包括變色(尤其是泛黃),硬化,張裂,表面光澤的失去和透明度的降低。任一聚合物的實質的品質(physical assets)都會大大降低。聚丙烯腈(polyacrylonitrile)和丙烯酸(acrylic) ,具有很高的抗氧化性,聚乙烯(polyethylene)與聚氯乙烯(PVC) ,則易氧化。抗氧化劑大量使用於ABS樹脂(ABS)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚丙烯(polypropylene)和聚乙烯(polyethylene)。

5.4.2.3. 光安定劑 (Light Stabilizers)
光安定劑,也稱為紫外光吸收劑,用於阻止分子的降解等級。紫外光(UV),跟氧化作用一樣,會攻擊表面分子,去破壞原材料的視覺和物理性質。光安定劑,會干擾這種降解等級的作用;如果塑膠產品的顏色,比任何形式的黑還深,像是碳黑、黑色染料、或黑色顏料,那種顏色即可當作紫外光吸收劑。然而,較淺的顏色和透明的塑膠,使用一種叫作二苯甲酮(benzophenones)的化學品,作為紫外光吸收劑。這樣的分子降解等級作用,是緩慢的,並依據塑膠的類型,以一個極小的規模(100~100000 分子之間)發生。這使得塑膠組件,得以持續使用,就算長時間暴露於紫外光之下,也不會明顯的損害視覺性質。使用於溫室或露台屋頂的聚酯瓦楞紙板(corrugated polyester),通常是由丙烯酸單體(acrylic monomer)形成的化合物,此化合物能抵抗由紫外線所造成的損害。
丙烯酸單體,可以延緩紫外線造成的損害,並且延長溫室中聚酯紙板五年的壽命。任何形式的光安定劑,濃度,通常大約在0.25%~1%之間。聚乙烯(olyethylene),聚苯乙烯(polystyrene),聚氯乙烯(PVC), ABS 樹脂(ABS),聚酯(polyesters)和聚胺甲酸酯(polyurethane),特別容易受到這種傷害。

5.4.2.4. 金屬活性抑制劑 (Metal Deactivators)
如果含有常見的金屬,包括銅、鐵、鈷、錳、鈰、和釩,敏感的塑膠(尤其是聚乙烯),會在高溫氧化降解等級時,加速氧化。這些金屬,會使自由基,在塑膠分子內部生長,進而造成分子鏈斷裂;因此,塑膠會失去彈性,而變得易碎。這一點,對銅線,由聚乙烯和聚氯乙烯所製作的絕緣體,尤為顯著。金屬活性抑制劑,可利用化學方法,形成活性較差的結構,去抑制那些金屬快速氧化的特性。

5.4.2.5. 阻燃劑 (Flame Retarding Agents)
大部分的熱塑性塑膠,具有很高的可燃性,然而,熱固性塑膠,則具有阻燃性。阻燃劑,可能是有機的,也可能是無機的,通常,用於降低各種塑膠產物的可燃性。阻燃劑,可使用下列四種方式工作:(1)將阻燃劑與塑膠反應,以影響其燃燒、(2)阻燃劑可提供隔熱的特性 (3)將阻燃劑塗一層在產品上,以阻隔氧氣,防止燃燒、(4) 阻燃劑可提供外部冷卻反應。最常見的阻燃劑,有硼(boron)、氮(nitrogen)、鹵素(halogens)、銻(antimony)和磷(phosphorus)。
許多阻燃劑,會因加工溫度、紫外線以及氧化劑的使用而失效。大多數熱塑性塑膠,會使用兩種以上的阻燃劑,以達到阻燃的目的。這種化學添加劑,在燃燒第一階段,可減少塑膠燃燒的機率。熱塑性塑膠的阻燃效果,取決於燃燒的規模與類型;但是,就算使用了效果最佳的阻燃劑,也無法防止其在烈火中,燃燒。

5.4.2.6. 改良劑 (Modifiers)
改良劑,可以改善下列特性:顏色、彈性、衝擊性、強度、抗生物攻擊性、添加白色、增加體積、以及延緩靜電在塑膠產品上的增長。塑膠,比金屬與陶瓷有優勢的地方之一是,塑膠能夠接受各種類型的成分,去改變顏色、改善韌性、吸收衝擊、增加表面硬度、加強剛度,並可消減生物助劑的攻擊。混合粉末狀橡膠於聚苯乙烯(polystyrene)的分子結構中,可以大大改善聚苯乙烯(polystyrene)的性質。在不同的塑膠上,塗上相同的顏色,將可結合不同的塑膠原料成為單一顏色的產品。現今,影印機和列印機的內部元件,已可由塑膠件來取代鋁。改良劑被分成八種不同的種類,包括:著色劑(colorants)、可塑劑(plasticizer)、衝擊改良劑(impact modifiers)、填充劑(fillers)、增強劑(reinforcements)、抗靜電劑(anti staticagents)、增白劑(whitening agents)、以及殺菌劑(biocides)。

5.4.2.7. 著色劑 (Colorants)
著色劑的選擇,是依據塑膠的相容性與可溶性。最終產品的顏色,必須符合產品的需求,包括鮮艷度、光亮度、色牢度(保持顏色的能力)、透明度、或不透明度等。著色劑,在加工溫度下,同時暴露於光、溼氣與氧中時,必須是穩定的。在添加著色劑之後,變色的發生,是緣於光的吸收或反射。吸收大部分光波長的著色劑,會比將光波長反射或分散出去的著色劑,呈現較暗的顏色。一般來說,塑膠提供預著顏色(precolored)的材料,但特殊的塑膠,必須依據客制化的需求化合。染色劑,可分為色素(pigments)或染料(dyes)兩種。
色素,為不透明的色劑,其可為粉末狀、或與可塑劑(plasticizer)混合好的液體狀、或當作與主要塑膠原料混合的色母(color concentrate)。色素必須能夠被分散於整個塑膠材料中。一般來說,粉末狀的色素,會與塑膠顆粒在大的滾桶中,翻滾混合。色素集料很容易擠在一起,所以混合的時間與混合的重量是很重要的。色素的分散,是成功染色的關鍵:色素顆粒大小與塑膠的分子量,將決定分散的效果。在化合過程中,色素集料的粉末,會熔融過程中,與塑膠材料充分混合。
染料被轉移到塑膠原料分子間,進而混合。所有染料都是透明的,只能吸收光,而不能散射光。在加工過程中,染料是很容易溶解於塑膠的。染料常用於增加塑膠原料的透明度;但不像色素一樣穩定,染料容易在加工過程中分解,使塑膠顏色變為黃色或棕色。染料也易受移染現象(color migration) 的影響,可能造成衣服、皮膚、桌巾變色,或導致過敏反應。

5.4.2.8. 可塑劑 (Plasticizers)
在沒有添加可塑劑的情況下,製造塑料板、薄膜、管材、和具有韌性的聚氯乙烯(PVC),是不可能的。可塑劑是一種內部潤滑劑,可增加塑膠韌性、回彈性、和熔體流動性。有500 種不同的可塑劑,其中,大部分為液體。可塑劑會在塑膠原料分子間混合;其所需的空間,會使塑膠原料分子間的距離更遠,進而減少分子間凡得瓦力(Van der Waal's forces)的強度。鏈與鏈之間的距離越大,加上可塑劑的潤滑作用,會使塑膠原料分子鏈更加自由移動、減少分子鏈之間的糾纏、降低其熔點、並顯著地減少其物理性質。加入越多的可塑劑,塑膠的韌性則越高。有些聚氯乙烯熱塑性溶膠(PVC plastisols),是由50~60%的可塑劑組成;聚氯乙烯(PVC)加上纖維素(cellulose),佔了近80%的可塑劑使用量;ABS 樹脂和聚苯乙烯(polystyrene),也佔了很大的比例。
在聚氯乙烯(PVC)中,使用較低價格的可塑劑時,會造成熱不穩定的副作用,例如:聚氯乙烯車頂,淋浴簾,和室內的裝飾等,當可塑劑分子逐漸消散時,會失去其韌性。一個便宜的淋浴簾,剛從包裝拿出來時,會散發出刺激性的氣味;此氣味,是出自於包裝內的可塑劑蒸發物。當車子停放在大太陽下時,由聚氯乙烯(PVC)製成的方向盤,會釋放出可塑劑;方向盤表面,也會造成可塑劑的堆積,產生油膩的感覺。由車內坐椅裝飾物產生的可塑劑蒸發物,會堆積在車窗內與車頂之間,形成棕色的油薄膜。如車頂和花園的軟水管,在失去可塑劑之後,會變得易碎、進而斷裂。使用成本較低的可塑劑製成的聚氯乙烯淋浴簾,同時,當黴菌從可塑劑中得到滋養時,其底部易滋生細菌。這裡也有幾種較高成本的可塑劑,具有良好的抗移動性及抗菌性。低成本的可塑劑常加入殺菌劑,以減少來自黴菌的攻擊,然而,這也會大幅增加聚氯乙烯的生產成本。

5.4.2.9. 耐衝擊改良劑 (Impact Modifiers)
許多塑膠原料是易碎的,必須利用改良劑,去改善其吸收衝擊的特性。聚氯乙烯(polyvinyl chloride (PVC))、聚苯乙烯(polystyrene)、和聚丙烯(polypropylene)的缺口衝擊強度,在室溫時,是很低的;在大部分的應用中,需要加入耐衝擊改良劑。耐衝擊性,可經由與下列添加物的化合或聚合,顯著地被改善,包括可吸收衝擊的橡膠、可塑劑、以及高耐衝擊性的塑膠。借助耐衝擊改良劑,有三種方法可用以改良易碎塑膠的耐衝擊性:第一種,將添加物與塑膠原料化合。第二種和第三種,則使用聚合技術的不同變化來達成。
提升塑膠耐衝擊性,最經濟實惠的方法,是將塑膠與粉末狀橡膠或可塑劑化合在一起(乾燥混合或在熔融狀態下)。通常,由聚苯乙烯中的聚氯乙烯與橡膠化合而成的塑膠,此塑膠的易碎分子會先吸收衝擊,再將能量轉移至橡膠粒子去。此化合而成的橡膠,其功能就像汽車的避震器一樣。聚氯乙烯,通常在製造時,會使用耐衝擊改良劑。耐衝擊的聚氯乙烯,可廣泛應用於建築行業,例如:雨水槽、門框、浪板、戶外家具、及花園水管等。改良過後的聚氯乙烯,可廣泛用於包裝工業,像是桶裝石油、免洗杯、泡殼包裝機(blister packaging)、和密著包裝機(skin packaging)等。對於電子工業來說,它用於絕緣管線和電纜管線。聚苯乙烯塑膠,常與粉末狀橡膠化合,並以耐衝擊等級販售給兒童玩具與模型零件的製造商。
第二個方法,是將兩個單體聚合;一個是易碎塑膠,另一個則是耐衝擊塑膠。此聚合產物(共聚合物),則具有易碎和耐衝擊等兩種特性。共聚合技術,可產生比橡膠粉末化合成為塑膠的技術,還要多15~25%的耐衝擊成分。ABS 樹酯塑膠的共聚合反應,苯乙烯與丙烯腈聚合,再以人造橡膠(rubber polybutadiene)改良;ABS 樹脂多樣性的功能,是眾所週知的。它易於製造、良好的耐化學性、硬度、高耐衝擊性、顏色耐久性和卓越的表面特性,使ABS 成為下列產品的最理想材料,包括電腦與電子用品的外殼, ABS 樹脂管線,以及廣泛的消費性產品,包括冰箱內襯,電視外殼,遠程控制器外殼,廚房用具外殼與兒童玩具。
第三個,也是最新發現的方法,是將耐衝擊塑膠嫁接到易碎塑膠的分子結構上。這種嫁接的方式,相似於將不同的嫩芽嫁接到樹幹上;這使得易碎的聚氯乙烯塑膠(PVC)形成較牢固且較具韌性的窗框。嫁接乙丙膠(EPD)的聚丙烯,已經被證實可應用於下列產品,例如:鞋跟、具有韌性的暖氣管和軟管、絕緣電纜、以及汽車產品,像是保險槓外表、側面板、方向盤外殼、儀表板、操縱台、把手和車輪內襯。

5.4.3. 填充物 (Fillers)
填充物屬於低成本的添加劑,可取代高成本塑膠。同時,它也提供了塑膠表面的耐磨性。大部份的填充物是礦物、岩石或礦石,存在大地之中,並由此得到適當的大小。最常見的填充物有碳酸鈣(calcium carbonates)、白雲石,矽酸鹽,滑石,高嶺土,雲母,矽石(砂),炭黑,和石墨。填充物通常佔有填充塑膠材料的10%~60%重量。常用於熱固性塑膠,包括:酚類(phenolic)、尿素(urea)和三聚氰胺(melamine);然而,熱塑性塑膠現在也開始廣泛的使用填充物。
最基本的填充物有兩種,包括惰性(inert)與活性(active)。惰性填充物,一般稱作增量劑(extender),用於減少塑膠量的使用,以達到降低成本。增量劑,有時也稱為大量填充物,通常以粉末狀存在,例如:核桃殼、木屑、木材紙漿、黃麻或雲母。在聚氯乙烯中,加入至多60%的二氧化矽(Silica),以形成不同硬度和剛度等級的地磚。將白堊狀的天然碳酸鈣加入聚氯乙烯增塑溶膠裡,可同時改善塗層和減少滴水兩項需求,此白堊同時也可提高附著力和連結基板的強度。
活性填充物,可改善塑膠材料的物理或機械性質,例如強度、硬度、熱穩定性、耐化學性、和外觀。玻璃纖維和球型玻璃、棉織物和紙張,往往被用作增強物以改善塑膠產品的穩定性。礦石粉末,金屬氧化物,粉末狀金屬,碳纖維和二氧化矽的使用,可增加塑膠材料的硬度和耐化學性。添加陶瓷氧化物、二氧化矽、或矽藻土,可改善塑膠材料的熱穩定性。塑膠外觀,則可由添加碳黑,金屬粉末,磷光礦物和梭織布(oven fabric),加以改善。
在1960 年代中期,微型球形的玻璃被用作塑膠材料填充物。球形玻璃可降低系統中的熔融粘度,並改善纖維的分佈狀況與流動率。球形玻璃,也可改善加工的性能,並透過控制收縮和翹曲,減少射出產出的廢品量;同時,減少加工設備的負擔。

5.4.4. 強化物 (Reinforcements)
強化物,用於增加塑膠材料的強度與穩定性,同時,提升熱變形溫度,減少模具的收縮,及提供較好的產品穩定性(借助於減少creep 與cold flow)。用於塑膠材料的強化物,通常可分為退化短纖維、或退化長纖維。此章節將集中在短纖維型增強物,用於填充熱塑性塑膠。至於長纖維強化物,則會在書的後段,複合材料章節中提到。
對於熱塑性塑膠,最重要的兩種強化物是玻璃與碳纖維。玻璃和碳纖維的長度,通常為1/4 英寸,在化合之前,會用乾攪拌混合的方式,將玻璃和碳纖維與塑膠材料混合成熱塑性塑膠顆粒。在經過加強的剪切和混合後的化合物,其纖維長度,通常只剩下1/16 英寸。碳纖維是良好的導電體;當印表機和影印機需要去除靜電時,碳纖維常被用作強化物;紙張在塑膠表面移動時,會聚集靜電。如之前所討論過的,在化合過程中,碳纖維能放掉靜電,以減少電子電路的損害。在化合過程中產生的顆粒,將以可直接加工的形式販售。玻璃具有高抗拉強度,良好的耐化學性和耐熱性。玻璃纖維的強化功能,是很重要的;加入30%重的玻璃,可增加2 倍的抗拉強度、3 倍的彈性係數,並減少1/3 的熱擴張率和熱收縮率。玻璃纖維強化塑膠材料的功能,是依據塑膠材料塗層在玻璃纖維表面的能力而定。這種塗層的能力,稱為浸透(wet-out)。在玻璃表面,不具有穩固的塑膠附著力,需要添加偶合劑;通常使用的偶合劑,是由下述兩種反應所組成,一是與玻璃表面反應的無機成分,另一為塑膠材料反應的有機成分。玻璃或碳強化了熱塑性塑膠,結合塑膠良好的特性,和強化纖維的高強度,提供塑膠產品接近金
屬等級的特性。

5.4.5. 抗靜電劑 (Anti Static Agents)
有些塑膠材料是良好的絕緣體,它們表面具有低電導率,不允許電子的釋放;進而造成靜電聚集於表面。靜電會經由有力的接觸摩擦後,產生於塑膠表面,特別是在乾燥的環境裡。如果溼度高於65%,將不會有靜電的產生。然而,在溼度低於20%時,對於特別容易產生靜電的塑膠產品,必須加入抗靜電劑。容易產生靜電的塑膠產品有,聚乙烯(polyethylene),聚丙烯(polypropylene),聚苯乙烯(polystyrene),尼龍(nylon),聚酯(polyesters),聚氨酯(urethanes),纖維素(cellulose),丙烯酸(acrylic),丙烯腈(acrylonitrile)。
靜電的聚集,會造成嚴重且危險的情況。例如:灰塵和髒粒子會聚集在產品的表面上,污染產品的元件、或會干擾錄音設備的聲音播放。經由合成纖維毛毯、或塑膠墊摩擦時產生的靜電,會聚集在人體上,其上的電荷會透過門把、或其他導電表面放電,而產生電擊。薄膜和薄板塑膠,放在一起也會延遲靜電的聚集。粉末狀的抗靜電劑,在真空系統中被運送時,會堆在一起,而造成系統堵塞。由大量靜電電荷產生的火花,會點燃灰塵或空氣混合物溶劑。抗靜電劑(混合於塑膠內部或應用於塑膠的外部),可藉由增加表面的導電性,有效地減少塑膠表面電荷的產生。

5.4.6. 螢光增白劑 (Whitening Agents)
大部分塑膠會吸收藍色光譜範圍的自然光,造成塑膠的外觀呈現黃色。天然的聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(polystyrene)、和聚碳酸酯(polycarbonate)呈現一個獨特的黃色外觀。此外,聚碳酸酯(polycarbonate),聚氨酯(polyurethane)和聚丙烯(polypropylene)的加工溫度範圍約為450癋。
在低於此高溫下,會發生黃化。螢光增白劑,有時稱為螢光劑或調藍劑,加入塑膠原料,藉由增加藍光的反射,以減少黃色外觀。螢光增白劑,可以將長波長的紫外光,轉為光譜中的藍光或紫光。添加螢光增白劑,可使塑膠產品呈現鮮艷白、黑色以及其他鮮艷色系的顏色。加入增白劑的塑膠原料會顯得更白、更亮、更鮮豔。
增白劑,可在特定濃度下,進行乾混合,或與增塑劑,進行主混合,或在製造過程中,以白堊狀加入塑膠顆粒中。增白劑,通常以100~500ppm 的濃度添加。
在塑膠應用中,其最重要的應用是,易受紫外光影饗而崩解;這些塑膠,包括熱塑性塑膠聚氯乙烯(thermoplastic PVC)、聚苯乙烯及其共聚物(polystyrene and its copolymers)、聚氨酯(polyurethane)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚丙烯(polypropylene)和聚乙烯(polyethylene)。這些塑膠,可製造成薄膜,塗料,熱固油墨添加劑,仿皮革和射出成型產品。

5.4.7. 殺菌劑 (Biocides)
殺菌劑,有時也稱作biostablizers、殺真菌劑(fungicides)、bactericides、或 microbiocides,加入塑膠材料中時,能防止增塑劑被生物腐蝕;塑膠材料,能抵抗來自微生物的生物攻擊;然而,許多用於聚氯乙烯的增塑劑,是很容易受到攻擊的;攻擊可能來自真菌、細菌、或其他將增塑劑當為營養的微生物;最容易受攻擊的增塑劑,有己二酸酯(adipates)、azeleates、 sebacates、聚酯(polyesters)、環氧化油(epoxidized oils)、和潤滑油(lubricants)。殺菌劑,通常以介於0.1%~5%的範圍,小量的加入塑膠;殺菌劑屬於有毒的化學物質,然而,使用的量很小,所以不會表現出其毒性的危險。但是,殺菌劑不應該使用於長時間會接觸人類皮膚、飲用水、與食物的產品;同樣的,也不應該使用於兒童或嬰兒的用品。
生物攻擊塑膠材料時,會影響外觀,使其產生粉紅色污斑、損失機械和電氣特性、以及造成發霉和臭味的產生。具有增塑劑的PVC 產品,常需要保護,產品包括:淋浴窗簾、浴墊、水床、遮篷、帳篷、庭園用家具、海洋內飾(marine upholstery)、汽車座椅椅套、地面布、牆壁覆蓋物、地板鋪裝物、塗層織物、以及絕緣電器。在潮濕溫熱的環境(溫度80~100癋 和相對溼度63%~99%)下,會加速這些生物的攻擊。大部分聚氯乙烯製的淋浴窗簾,會在這種環境中使用,造成發霉和臭味的快速產生。

5.4.8. UV-Stabilizers

5.4.9. Slip agents

5.4.10. 小結
為了生產出成功且高品質的產品,複合添加劑是非常重要的;塑膠材料,若少了添加劑的結合,其對於工業的重要性,將會顯著地降低。對於生產任何高質量的塑膠元件,化合過程是第一步,也是最關鍵的一步。添加劑這一節,取自於http://online.sfsu.edu/~jge/html/topofchachapter4.html

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