PC塑料技术手册.docx
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PC塑料技术手册
PC塑料技术手册作成:
胡三本
1、何谓PC
2、PC物性
3、PC塑料射出成型
4、PC塑料在车灯上的应用
5、PC灯壳之耐候认证
六、其它注意事项
1、何谓PC:
PC为Polycarbonate之简称,中文名为聚碳酸酯;其结构如下:
CH3
OCOC
nn=85~130
CH3
PC为有机高分子材料,其制造方法有溶剂法(又称光气法)和熔融法
(又称酯交换法)。
前者是在酸结合剂及溶剂的存在下,对BisphenolA灌
进光气(COCl2)而起界面重聚反应合成的。
酸结合剂有使用Pyridine而
在非水系反应之Pyridine法和使用碱液的碱水溶液法,后者较具经济性
。
制造技术上BisphenolA的纯度,分离精制工程中的不纯物去除法以及
溶解于溶剂中的PC分离技术等都需费一番心机。
在工程上也有采取连
续法,藉此减低BisphenolA使用量等改善方案,最近的趋势则倾向于为
节省能源的工程改良为主题。
用溶剂法的制品,可合成的分子量范围广
泛,品质良好;因此熔融法的生产方式已渐渐被淘汰。
2、PC物性:
1.PC在工程塑料中算是性质平衡的树脂,下表是PC代表性用途中的利
用特性及替代理由。
用途
所利用的特性
成形材料
替代理由
耐冲击性
耐热性
透明性
尺寸精度
尺寸安定
难燃性
耐候性
无毒性
电气特性
轻量化
绝缘化
一体化
安全化
生产性
降低成本
联结器
○
○
○
○
热硬化性树脂
○
继电器盖
○
○
○
铁板、AS树脂
○
吹风机壳套
○
○
○
热硬化性树脂
○
○
○
船用灯身
○
○
○
炮金
○
○
汽车车门把手
○
○
锌模制品
○
○
○
照相机零件
○
○
铝模制品
○
○
○
○
电动工具壳套
○
○
○
○
铝模制品
○
○
○
○
仪表用玻璃
○
○
玻璃
○
钢盔
○
○
FRP
○
○
○
人工透析零件
○
○
○
PVC
○
奶瓶
○
○
○
玻璃
○
○
○
2.TYC使用PC之物性:
厂牌
物性
单位
住友303-10
(PC透明料)
奇异LS2-111
(PC透明料)
陶氏330
(PC+GF30﹪)
比重
------
1.2
1.2
1.42
吸水性
%
0.15
0.15
------
模收缩率
%
0.5~0.7
0.5~0.7
0.1~0.3
全光透过率
%
90
89
不透明
熔流指数
g/10min
10
11
6.5
引张强度
kg/cm²
720
630
1000
延伸率
%
130
100
------
弯曲强度
kg/cm²
980
950
1300
弯曲弹性率
kg/cm²
25000
24000
66000
IZOD冲击强度
kg.cm/cm
91
87
14
热变形
温度
荷18.6kg/cm²
℃
136
132
142
荷4.6kg/cm²
148
138
------
线膨胀系数
10-5㎝/㎝-℃
6.8
7
------
燃烧性(UL–94)
------
V-2
V-2
V-0
3.冲击特性:
PC的耐冲击性在所有工程塑料中特别高,不过冲击性也会因加力
方法或应变速度而显示不同的行动。
另外,破坏状态中也有延性破坏
及脆性破坏之分,影响这些差异因素是分子量、温度、角隅弧度、厚
度、添加物、裂化等。
当分子量达2.0×104以下时冲击强度会大幅降低,在这以上则逐渐
上升;到2.8×104~3.0×104达最高点,此分子量用于钢盔等需要高度耐
冲击性的制品(灯壳用之PC分子量约2.0×104左右)。
当改变缺口先
端的弧度时就会对强度产生很大的变化;角隅弧度的影响亦则角隅部位
的应变速度的改变,弧度愈小破坏部位的应变速度则增大而移向于脆性
破坏;另一方面角隅弧度的影响也与分子量有关,分子量愈小缺口感也
升高,弧度的影响增大。
关于厚度的影响,在平板落球冲击试验上并没
有明显倾向;但在附有缺口的Izod冲击试验上,当厚度到5~6㎜以上
则会发生脆性破坏。
在低温时影响冲击强度愈大,亦则分子量愈大低温
耐冲击特性愈好,在室温显示脆性破坏的低分子量材料,在高温时会显
示延性破坏。
添加物是对PC的耐冲击性发生莫大影响的因素,通常用
颜料、可塑剂、紫外线吸收剂、离型剂来做添加物时,其含量超过某一
程度,冲击强度就明显下降;因此,添加物的添加量多半考量与冲击强
度的平均上来决定。
4.光学性质:
PC在工程塑料中以透明性凸显而被应用于特种方面;尽管之前就
有PMMA,但从冲击强度、耐热性、尺寸安定性来看,PC是一种更
佳的高级透明材料,其用途已扩至光学用。
PC在不含紫外线吸收剂时
会吸收280~290nm;对于可见光线通常可达80~90﹪之光线透过率(与
厚度有关);对于红外线部分,则厚度达5.0μm以上就几乎不透过。
PC
的折射率约1.58,比PMMA(1.49)大,更适合于透镜的设计。
PC会被
290nm之紫外线作用发生光氧化反应而劣化,劣化现象从表面开始,
引发变黄,切断主链而引起分子量降低、架桥、产生凝胶等各种化学
构造的变化,继而引起机械强度和柔软性的降低,终至龟裂;因此,
添加紫外线吸收剂可把劣化现象抑制至相当程度。
TYC用于车灯灯壳
之PC,因需要长时间暴露在户外,使用之原料规格皆有添加紫外线吸
收剂。
5.应力龟裂性:
当PC超过一定水准之应力就产生龟裂。
界限应力与分子量有关,
分子量为24000以上时为300㎏/㎝2,分子量为22000以上时为200
㎏/㎝2。
因此假如残留应力或箍模部应力在这界限应力以下的话就不致
于产生裂痕;不过也有例外:
A.在成型过程中材料分解裂化而分子量降低至20000以下时界限
应力会极端降低。
B.有缺口或焊接部分。
C.在化学环境中使用(通常以环境应力龟裂表示)。
PC在实用上以C的情形问题较大。
因为产生裂纹的情形不仅是一般的
有机溶剂,而与油类、接着剂、橡胶迫紧、PVC接触时,即使在应力
不大时也常发生裂纹事故。
原因多半是这些材料所含添加物引起的;
问题是添加物的种类一般并没有公开,因此预测就显得极为困难。
6.尺寸安定性:
尺寸安定性的概念中应包括吸水膨胀、热膨胀、热缩收、蠕变变形
等。
比起结晶性塑料(PA、PBT、POM),非晶性PC塑料的尺寸安定性
是特别优越。
PC因吸水而产生的尺寸变化为0.02﹪(㎜/㎜);热膨胀率
与一般塑料大致相同;热缩收率在120℃处理时约0.1﹪左右;成形缩
收率(模缩收率)为0.5~0.7﹪。
3、PC塑料射出成型:
1.成型机的选择:
PC是一种高粘度塑料,因此在选择成型机时要注意下列事项:
A.为防止因材料滞留而烧焦,螺旋最好用不附逆流防止环的,喷
嘴则用开放型。
B.以往箍模力的计算都用P=350~500㎏/㎝2×S(S为投影面积)公
式;随着高压射出的趋势,选定成型机宜采用比上式高之压力。
C.射出率愈高愈适合薄制品。
最近成形条件趋势倾向多段控制或死循环控制,多段控制的项目包括射
出速度、射出压、背压、螺旋转数等;死循环控制应包括实际造成制品
的模具的控制。
其它的特殊成形机有喷孔式射出成型机、超高压成型机、射出压
缩成型机;喷孔式射出成型机使用PC时即使材料未干燥也可以顺利
成形。
使用超高压成型机成形PC制品时,成形缩收会减少;射出压
缩成型机则适合厚成型品及不要有光学歪形的成形品。
2.成型条件:
PC的成型温度最高限制为320℃,但高速成型时常有330~340℃
的高温出现;模具温度,只要厚度薄而均一,在60℃以下的低温也可
顺利成型,但若要减少成型内应力,模具温度最好提升至100~120℃
以上。
成型时的材料劣化主要有因水份存在引发的水解、因氧气存在而
引起的氧化分解、因加热而引起的热分解,这些因素在成型过程中相
互交错进行,情况复杂。
成型上的有关因素是原料的预备干燥、成型温
度、滞留于料管中的时间、背压、螺旋转数等。
PC原料的预备干燥只
要严守干燥条件(120℃×4~5小时以上)应无问题;但在使用回收料时
容易发生干燥不充分而诱起水解劣化。
成型温度与滞留于料管中的时
间相关联,成型温度在300℃以下滞留于料管中的时间可达120分钟,
若成型温度在320℃滞留于料管中的时间勿超过30分钟。
背压及螺旋
转数则与供料处一方的空气带入或挥发成分的脱气有关,提升背压而
降低转数则可提高脱气效果并防止因氧气引发的焦烧现象。
成形变形可分为定向变形和在玻璃转移温度以下发生的变形(冷却
变形)。
定向变形是分子主链在保压过程中定向而产生的,肉眼可以看
出光弹性条纹;冷却变形与分子链接合角或结合间隙等变形有关,浸
渍于有机溶剂时看到的龟裂就是由冷却变形引起的,可用120℃回火处
理即可解决。
定向变形在透镜等光学用途是一种障碍;树脂温度愈高保
压愈低定向变形愈少;低分子量的材料所成型的制品定向变形愈少。
冷
却变形之影响因素有模温及保压,模温愈高保压愈低冷却变形愈少。
3.品质管制:
不论如何测试已成型的完成品品质,都不是根本解决的方法,毕
竟从设计阶段就开始检讨及讨论测试的方法较重要。
PC塑料之缺点
包括耐温水性、耐碱性、耐有机溶剂性、耐疲劳性,故在设计时就要
考量角隅弧度及结合强度等,另外亦须检讨材料、成型机、模具、成
型条件等因素。
试作时(非量产后)PC的品质评鉴方法有:
A.测定分子量(黏度平均分子量)。
B.耐冲击试验。
C.外观检查。
D.溶剂浸渍试验。
E.成型品之环境加速试验。
F.装配作业试验。
G.完成品环境试验。
量产阶段常发生的问题:
A.因材料批号、成型机、模具品号而产生的变动。
B.长久成型时模具温度的变动、料管内死角的材料滞留焦烧。
C.因使用回收料而产生的劣化。
D.因作业者不同而发生的偏差。
4、PC塑料在车灯上的应用:
1.透明件:
A.灯壳:
(Lens)
PC塑料用于头灯、雾灯、角灯灯壳上,主要是利用PC的
高透明度(厚度3㎜时,可见光穿透率约88~90﹪)、高耐冲
击性(有缺口的Izod冲击强度达80㎏-㎝/㎝以上)、高热变形
温度(荷重4.6㎏/㎝2时达135℃以上),在造型上可较流线形
的设计(玻璃灯壳很难达成)。
应用于头灯灯壳的PC塑料,一般使用透明无色的新料,且
是有添加紫外线吸收剂的新料(例如奇异PC-GE111C、住友
PC-JY30310C);射出成必须做回火处理,以消除成型时的残
留应力,回火条件为将成型品放置120℃之环境下2小时以上
(低于HDT5~10℃×4~8小时为佳)。
用于头灯之PC灯壳必须在其表面Coating一层较硬的树脂,
保护材质较软的PC免被刮伤及溶剂的侵蚀。
此层树脂之加工
可分Thermoset及UVcuring涂料,效果以UVcuring较佳。
B.内套:
(InnerLens)
PC塑料用于内套上,必须注意耐热及色度问题:
a.耐热问题:
若后灯或角灯之内套为杯形,则须注意其内壁
受热状况,受热因素有杯形内空间或尺寸、灯泡之瓦特数
、该灯泡之功能(方向灯、煞车灯、倒车灯等)、灯泡(丝)至
内套距离、内套本身是否有散热设计(灯泡上方的内套开孔)
等。
若后灯或角灯之内套为板形(有鱼眼或花纹者),受热状
况较杯形者低。
不论但若杯形或板形内套,其受热温度勿
超过140℃(新料),否则将可能导致变形。
b.色度问题:
PC塑料用于内套都须染色(本色除外),方向灯为
琥珀色,煞/行车灯为红色,头灯、倒车灯为白色;正规车及
改装车灯种若须通过法规认证,其颜色色度要符合色度法规
标准。
各种颜色色度范围如下:
(x+y+z=1)
地区
颜色
SAE
ECE
JIS
琥珀色
y=0.39
y=0.79-0.67x
y=x-0.12
y≧0.398
y≦0.429
z≦0.007
y≧0.398
y≦0.429
z≦0.007
红色
y=0.33
y=0.98-x
y≦0.335
z≦0.008
y≦0.335
z≦0.008
白色
x=0.31
x=0.50
y=0.15+0.64x
y=0.44
y=0.38
y=0.05+0.75x
x≦0.500
x≧0.310
y≦0.440
y≧0.382
y≦0.150+0.64x
y≧0.050+0.75x
x≦0.500
x≧0.310
y≦0.440
y≧0.382
y≦0.150+0.64x
y≧0.050+0.75x
2.不透明件:
A.副反射镜(RS):
PC塑料用于RS上,大部份皆须要真空铝蒸镀:
若整个RS都
要蒸镀,则选用黑色PC塑料较佳;若RS只有部份要蒸镀,即
从外观可以看到原素材颜色者,则须按照KD件颜色,对照现有
PC色板,选取适当颜色料号成形,以免产生色差客诉。
PC塑料用于RS上,真空铝蒸镀时须注意外观品质(因有RS的灯
具,其灯壳大多为无花纹之透明灯壳)、真空底漆的耐热程度。
B.反射镜(R)或底座(B):
PC塑料用于R或B上,若须保留背面颜色者或不须真空铝蒸镀
者(如侧面标示灯或改装车灯等),则按照KD件颜色,对照现有
PC色板,选取适当颜色料号成形,以免产生色差客诉。
5、PC灯壳之认证:
PC塑料用于户外件时,若有安全虞虑(像车灯)就须要有耐候认证:
A.SAE:
根据SAEJ576C法规之耐候测试规定:
将被测物(该被测物
可以为没Coating的试片,也可以为有Coating,有Coating者
须注明Coating涂料厂商及涂料规格。
PC试片厚度分别为1/4、
1/8、1/16inch)分别置放于美国高温高湿的Florida州及高温干
燥的Arizona州之户外向南方45O角摆放,历经三年的风吹日
晒雨淋后,量测试验前后之差异。
量测项目有:
(a)Appearance:
测后外观不得有龟裂、剥落等严重异常现象。
(b)PercentLuminousTransmittance&
PercentChangeinLuminousTransmittance:
比较三年耐候测
试前后,全光(380nm~780nm)穿透率的改变程度。
(c)ChromaticityCoordinates(CIEIlluminantA):
以CIE标准A
光源量取测试前后之色差。
(d)TransmissionHaze:
模糊度的改变。
若上述测试结果皆能符合检验规格,则会将该PC的生产工厂
、商品名称、材质、规格编号、颜色,登录在AMECA之手册
中;若有Coating,则Coating涂料厂商、涂料规格编号、地址
亦一并登录其中。
以使用者立场(如TYC),只须查阅该手册,
即可轻易得知哪些PC塑料搭配哪些Coating涂料之认证。
B.ECE:
根据ECEReg.57法规,使用塑料材质灯壳之灯具,须做下列之
测试:
(a)耐温度循环:
下列条件做5个循环
(i)40±2℃及85~95﹪RH×3小时
(ii)23±5℃及60~75﹪RH×1小时
(iii)-30±2℃×15小时
(iv)23±5℃及60~75﹪RH×1小时
(v)80±2℃×3小时
(vi)23±5℃及60~75﹪RH×1小时
试验前后之配光值差异不得超过10﹪。
(b)耐大气射线:
将试品置于相当于色温5500OK及6000OK
下(用滤光片降低低于295nm及高于2500nm之辐射),照射
总能量为4500±200MJ/m2;照射期间并以23±5℃蒸馏水
喷洒(喷5分、干25分循环)。
试验后之样品不得有破裂、变形等异样;透光率差异(Δtm)不
得超过0.020。
(c)耐化学药剂:
以体积比混合正-庚烷61.5﹪、甲苯12.5﹪、
四氯乙烷7.5﹪、三氯乙烯12.5﹪、二甲苯6﹪之溶剂涂抹于
试片上10分中(施压50N/m2)。
试验前后之光量分布变异(Δdm)不得超过0.020。
(d)耐清洁剂及烃化物:
将试品加热至50±5℃,涂抹99﹪蒸
馏水与1﹪磺化月桂酸混合物5分钟,再加温至50±5℃
干燥,再以湿布擦净。
原试品再以正-庚烷70﹪与甲苯30﹪
(体积比)涂抹。
透光率的变异量(Δtm)不得超过0.010。
(e)耐机械破坏:
用直径1.3㎜喷嘴之喷枪,压力6.0~6.5bars,
流速0.24±0.02L/min之砂浆(Mohr硬度为7的硅砂,粒径
大小为0~0.2㎜与水混合比:
每升水加25g硅砂)喷于试品
上,喷嘴与试品距离380±10㎜,被喷面直径170±50㎜。
试验前后之透光率的变异量(Δtm)不得超过0.100,光量分布
变异(Δdm)不得超过0.020。
(f)涂装附着力测试:
在涂装表面20㎜×20㎜的地方切割成
2㎜×2㎜之方格,在周温23±5℃及65±15﹪RH用测试胶
带以2N±20﹪之力量粘贴在方格上5分钟,放置10分钟后
,以1.5±0.2m/sec速度,90O角撕开。
方格损伤不得超过15﹪。
(g)其它尚有整灯Test,在此不详述。
6、其它注意事项:
PC塑料为非结晶性工程塑料,具有高透明度、高冲击强度、高耐热性、
无毒性、耐燃性等优点,故常被应用在医疗设备、光学仪器、汽机车部
品、电动工具壳套、电子产品、采光屋顶或墙板、较高级的日常用品;
PC塑料之用途虽然广泛,但在使用上仍需注意:
1.价格:
PC必竟是工程塑料,其单价当然比泛用塑料(如PP、PE、PS、
PMMA、ABS、PVC等)贵很多,若泛用塑料之性能即可适用时
,就不需要使用PC料。
2.缺口冲击强度:
虽然PC塑料的冲击强度是所有塑料中最高的,但随着
抽色、射出成形等加工,颜料、染料的添加,多次熔融而造成
平均分子量下降,影响其冲击强度;尤其是有尖锐缺口的成形
件,冲击强度就不能与无缺口的新PC料成形件同日而语。
3.硬度:
PC塑料的Rockwell硬度为R-108或M-80(PMMA约为M-95),
只要碰触到尖硬的物体,即可能被刮伤,甚至手指甲就会有刮痕
;故PC的成形件不可以重叠放置,以免造成不良,尤其是用于
光学类的车灯无色灯壳。
4.残留内应力:
前面有提到应力龟裂性,此处再次强调射出成形时、后
加工所造成的残留内应力破坏及防止对策和检测方法。
A.PC为非结晶塑料,没有明显的熔点,粘度大,射出成形时若
没刻意留心操作条件,成形品的残留内应力将大增,解决方
式有:
(a).模具设计、开发前,先做塑料模流分析之仿真。
(b).射出成形时,增加塑料熔融温度,降低射速、保压,提高
模具温度,会增加成形CycleTime。
(c).素材回火(annealing):
回火可以缓和内部应力;在不引起
成形品变形的温度(HDT)以下10~15℃,加温2~3小时,
即可达到降低内应力的效果;需注意回火炉内温度分布的
均温性。
B.热板加工的灯具亦会造成残留内应力,解决方式有:
(a).灯壳与底座素材试组合之间隙要小,不要有翘曲,热板加
工时熔料要平均,结合时压力不要过大。
(b).另一方法为回火,回火时要注意灯壳与底座是否同为PC
料,方可比照A之(c)。
C.应力检测方法:
有偏光镜法(非破坏性)及溶剂法(破坏性):
(a).偏光镜法:
使用两片偏光镜相互交叉置于无色透明灯壳上
方,利用光程差原理,可看出残留内应力的分布状况。
(b).溶剂法:
不论是透明件或不透明件,此法皆可检测出来;
根据日本资料,可用正-丁醇与四氯化碳不同比例的混合,
检测出残留内应力的大小:
NO
溶剂混合(体积比)
残留内应力
(㎏f/㎝2)
正-丁醇
四氯化碳
1
1
0
136
2
2
1
104
3
1
1
84
4
1
1.5
68
5
1
2
48
6
0
1
42
注:
有机溶剂皆有毒性,四氯化碳尤其甚者,需小心。
例如:
有一PC成形品欲测试残留内应力,以NO:
2之溶
剂浸渍(或涂抹)没有异样,而以NO:
3之溶剂浸渍
(或涂抹)产生龟裂,则表示该成形品之残留内应力
为84~104㎏f/㎝2。