一、塑料的定義
塑料是以石油或天然氣為原料，經過合成反應而得到的高分子樹脂。所謂高分子樹脂是指單體化合物經過聚合反應，聚合合成高分子聚合體，其分子量可達到數千甚至數百萬。在高分子領域的分類上，分子量未達1000者稱為低分子，介于1000～10000者稱為準高分子或寡聚合體（Oligomer），大于一萬以上者稱為高分子（Polymer）。一般常用來做成型加工的塑料，其分子量大約在10000～1000000之間，而分子量低于一萬的寡聚合體則常用來做紡織用樹脂、涂料、接著劑、合成樹脂等。所以，并非所有高分子聚合體均可作為塑料的用途，事實上要看其分子量、分子結構、官能基、玻璃轉移溫度（Glass transition temperature ，簡稱Tg）等種種因素，塑料隨溫度與分子間鍵結而呈現玻璃態、橡膠態、熔膠態等變化。
塑 料 名 稱 分 子 量 M/W.C
聚 乙 烯PE 4000
聚異丁烯 PIB 17000
* PVA 29200
聚苯乙烯 PS 38000
亞克力 PMMA 10400
二、塑料的來源
塑料工業屬于高分子工業，是石化工業的一環，具有高度關聯性，是多層次加工特性之產業。塑料是以石油或天然氣為原料，經提煉、裂解成各種石化基本原料（單體）后，再經聚合反應（加成聚合或縮合聚合）而得的高分子樹脂。各類塑料經過逐步加工衍生出各種下游制品，包括橡膠、涂料、接著劑、人造纖維、合成樹脂等。
三、塑料的性質
塑料雖有許多優良性質，但并非每一種塑料均能具備所有的優良性質。材料工程師與工業設計家都必須深入了解各類塑料的性質，才能設計出的塑膠制品。塑料的性質，大體可分為基本物性、機械性質、熱性質、化學性、光學性及電氣性等六類，下文將逐項加以討論。
（一）基本物性
基本物性是指塑膠原料的基本物理性質，常見的有比重、粒徑、粘度、分子量、游離單體含量、吸水率及透氣率。
1、熔融指數（Melt Flow Index, MI） （ 熔融指數測試儀 ）
熔融指數，全稱熔液流動指數，是一種表示塑膠材料加工時的流動性的數值。它是美國量測標準協會（ASTM）根據美國杜邦公司（DuPont）慣用的鑒定塑料特性的方法制定而成，其測試方法是先讓塑料粒在一定時間（10分鐘）內、一定溫度及壓力（各種材料標準不同）下，融化成塑料流體，然后通過一直徑為2.1mm圓管所流出的克（g）數。其值越大，表示該塑膠材料的加工流動性越佳，反之則越差。zui常使用的測試標準是ASTM D 1238，該測試標準的量測儀器是熔液指數計（Melt Indexer）。測試的具體操作過程是：將待測高分子（塑料）原料置入小槽中，槽末接有細管，細管直徑為2.095mm，管長為8mm。加熱至某溫度后，原料上端藉由活塞施加某一定重量向下壓擠，量測該原料在10分鐘內所被擠出的重量，即為該塑料的流動指數。有時您會看到這樣的表示法MI25g/10min，它表示在10分鐘內該塑料被擠出25克。一般常用塑料的MI值大約介于1~25之間。MI愈大，代表該塑料原料粘度愈小及分子重量愈小，反之則代表該塑料粘度愈大及分子重量愈大。
2、比 重
比重是指物質密度與水密度的比值（水密度為1），所謂密度是指單位體積的重量。目前所知塑料中比重較輕的為聚甲基戊烯（0.83），較重的為鐵氟龍（2.3），其它的多在1左右。比重可用來估算制品所需原料的重量，而要減輕塑料的用量或重量可采用發泡的方式解決。比重的測定可依ASTM D792水中置換法測得。
3、分子量
一般化合物的分子量是不變的，而聚合體的分子量則是大小不均，所以必須采用平均值及分布度表示。常用的分子量表示法為重量平均分子量MW及數目平均分子量MN，其比值MW/MN稱為分子量分布。這些的測定可依ASTMD3598的膠粒穿透色層分析法得到。
4、粘 度
粘度常用來顯示膠塑體（Plastisol）及膠溶體（Organosol）的特性，一般可依ASTM D1823及ASTMD1824的方法測得。
5、比重及粒徑分布
這兩項常用來顯示塑料原料的顆粒大小及填塞緊密狀況。粒徑分布可依ASTMD1921的篩分法測得，比重可依ASTM D1895的方法測得。
6、游離單體（Free monomer）
游離單體含量可表示樹脂聚合的程度，一般以?或ppm表示。用做食品容器的塑料，或單體聚有毒性的塑料對游離單體含量管制較嚴。
7、吸水率（Water absorption）
吸水率表示塑料吸收水份的程度。其測量方法是將樣品烘干后稱重，再浸入水中24或48小時，然后取出來再稱重，計算重量增加的百分比，即為吸水率。酚醛樹脂、尿醛樹脂、尼龍、纖維素樹脂等吸水率較高，PE、PP等吸水率較低。一般吸水率大者，其機械強度與尺寸穩定性易受影響。
8、透氣率
透氣率表示塑料膜或塑料板氣體穿透難易的程度，可依ASTM D1434的方法測得。
四、塑料的種類
一般而言，塑料可大分為兩大類：熱塑性塑料（Thermoplastic）及熱固性塑料（Thermosetting）。
熱塑性塑料在常溫下通常為顆粒狀，加熱到一定溫度后變成熔融狀，將其冷卻后則固化成型，若再次加熱則又會變成熔融狀，可進行再次的塑化成型。因此，熱塑性塑料可經加熱熔融而反復固化成型，所以熱塑性塑料的廢料通常可回收再利用，即有所謂的「二次料」之稱。熱塑性塑料分通用塑料（如PE、PP、PS、PVC、ABS等）、工程塑料（如PC、PA、POM、PBT、PPO、PPS、LCP等）和合金（如PC/ABS等）。
熱固性塑料則是加熱到一定溫度后變成固化狀態，即使繼續加熱也無法改變其狀態。因此，熱固性塑料無法經再加熱來反復成型，所以熱固性塑料的廢料通常是不可回收再利用的。
（二）機械性質 （ 塑料拉力試驗機 ）
機械性質是指塑料的各種機械性能強度，主要可分下列各項：
1、抗張強度（Tensile strength）及伸長率（Elongation）
抗張強度又稱抗拉強度，是指將塑膠材料拉伸到某一程度，所需力量的大小，通常以每單位面積多少力來表示，而其所拉伸長度的百分比即為伸長率。拉伸強度試片其拉伸的速度通常為5.0～6.5mm/min。詳細測試方法依ASTM D638。Strain）。
2、彎曲強度（Flexual strength或Bending strength ）
彎曲強度又稱折曲強度，主要用來測定塑料耐折的能力，可依照ASTMD790的方法測試，常以每單位面積多少力來表示。一般塑料以PVC、美臘明樹脂、環氧樹脂及聚酯類彎曲強度為佳。玻璃纖維也常用來提升塑料的耐折性。
彎曲彈性率是指將試片彎曲時（測試方法如彎曲強度），在彈性范圍內，單位變形量所產生的彎曲應力。一般彎曲彈性率越大，則表示該塑膠材料的剛性越好。
3、壓縮強度（Compressive strength）
壓縮強度是指塑料承受外來壓縮力的能力，其測試值可依照ASTMD695方法測定。聚縮醛、聚酯、壓克力、尿權樹脂和美臘明樹脂在這方面性能較突出。
4、沖擊強度（Impact strength）
沖擊強度是指塑料受外力打擊所能承受的強度，其測試值可依照ASTMD256測試，其中有夏比（Charpy）法及艾氏（Izod）法兩種。計算方法是將破壞試片所需的能量值除以試片的寬度。一般塑料以PVC、PE、PP、ABS等沖擊強度較高。
5、硬度（Hardness）
一般塑料的硬度常采用Rock Well Durometer（洛氏硬度）及Shore Durometer（蕭氏硬度）法來測試。其中Shore A常用來測定較軟的塑料，如TPE等彈性體或橡膠；Shore D則用來測定較硬的塑料；而Rock Well幾乎都是測定較硬之工程塑料或高性能工程塑料。它們的公式換算為Shore D ＋ 50 = Shore A。普通PE、MF、UF、FRP等塑料較硬，PE類較軟。
6、彈性系數（Modulus）
彈性系數是指塑料受外力作用變形后恢復原來形狀的能力，一般以應力對應變的比值表示。彈性值愈大表示塑料材料的剛性（Rigidity）愈好。
四、工程塑料的定義及其特性
工程塑料是指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。日本業界將它定義為“可以做為構造用及機械零件用的高性能塑料，耐熱性在100℃以上，主要運用在工業上”，其性能包括：
1. 熱性質：玻璃轉移溫度（Tg）及熔點（Tm）高；熱變形溫度（HDT）高；*使用溫度高（UL-746B）；使用溫度范圍大；熱膨脹系數小。
2. 機械性質：高強度、高機械模數、低潛變性、強耐磨損及耐疲勞性。
3. 其它：耐化學藥品性、抗電性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。
被當做通用性工程塑料者包括聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）、聚酰胺（尼龍, Polyamide, PA）、聚縮醛（Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM）、變性聚苯醚（Poly PhenyleneOxide, 變性PPE）、聚酯（PETP，PBTP）、聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide, PPS）、聚芳基酯，熱硬化性塑料則有不飽和聚酯、酚塑料、環氧塑料等。它們的基本特性為拉伸強度均超過50Mpa，抗拉強度在500kg/cm²以上，耐沖擊性超過50J/m，彎曲彈性率在24000kg/cm²，負載撓曲溫度超過100℃，硬度、老化性優。聚丙烯若改善其硬度和耐寒性，也可列入工程塑料的范圍。此外，還包括較特殊者的強度弱、耐熱耐藥品性優的氟素塑料，耐熱性優的硅溶融化合物，以及聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺、Polybismaleimide、Polysufone（PSF）、PES、丙烯塑料、變性蜜胺塑料、BTResin、PEEK、PEI、液晶塑料等。
各工程塑料的化學構造不同，所以它們的耐藥品性、摩擦特性、電機特性等有所差異。由于各工程塑料的成型性不同，因此有的適用于任何成型方式，有的只能以某種成型方式進行加工，這樣就造成了應用上的局限。熱硬化型工程塑料的耐沖擊性較差，因此大多添加玻璃纖維。工程塑料除了聚碳酸酯等耐沖擊性大外，通常具有硬、脆、延伸率小的性質，但如果添加20~30%的玻璃纖維，則它的耐沖擊性將有所改善。
五、結晶性塑料的定義及其特性
結晶是指分子排列的規則，冷卻后成為結晶構造。一般塑料的結晶構造是由許多線狀、細長的高分子化合物組成的集合體，依分子成正規排列的程度，稱為結晶化程度（結晶度），亦謂每條分子只有部分排列整齊，所以結晶性樹脂其實只有部分是結晶。結晶部分占有的比例，即為結晶度。而結晶化程度可用X線的反射來量測。有機化合物的構造復雜，塑料構造更復雜，且分子鏈的構造（線狀、毛球狀、折迭狀、螺旋狀等）多變化，致其構造亦因成形條件不同而有很大的變化。結晶度大的塑料為結晶性塑料，分子間的引力易相互作用，而成為強韌的塑料。為了要結晶化及規則的正確排列，故體積變小，成形收縮率及熱膨脹率變大。因此，若結晶性越高，則透明性越差，但強度越大。
結晶性塑料有明顯熔點（Tm），固體時分子呈規則排列，強度較強，拉力也較強。熔解時比容積變化大，固化后較易收縮，內應力不易釋放出來，成品不透明，成形中散熱慢，冷模生產后收縮較大，熱模生產后收縮較小。相對于結晶性塑料，另有一種為非結晶性塑料，其無明顯熔點，固體時分子呈不規則排列，熔解時比容積變化不大，固化后不易收縮，成品透明性佳，料溫越高色澤越黃，成形中散熱快，以下針對兩者物性進行比較。
結晶性塑料的特性如下：
1.分子在結晶構造中緊密的靠在一起，所以結構就更堅實。密度、強度、鋼度、硬度就增加，但透明度降低。
2.結晶性樹脂在熔點溫度時產生了急劇的比容下降，非結晶性樹脂比容在熔點溫度沒有急劇改變。比容是指單位質量的體積，單位是/g。結晶度依樹脂種類，冷卻速度而異，硬質聚乙烯結晶度高達90％，耐龍的結晶度僅20～30％左右。冷卻速度愈慢，結晶度愈高。
A. 結晶性與非結晶性塑料的物性對比
物 性 結晶性 非結晶性 物 性 結晶性 非結晶性
比重 較高 較低 耐磨耗性 較佳 較低
拉伸強度 較高 較低 抗潛變性（Creep） 較佳 較低
拉伸模數 較高 較低 硬度 較硬 較低
延展性或伸長率 較低 較高 透明性 較低 較高
耐沖擊性 較低 較高 加玻纖補強效果 較高 較低
zui高使用溫度 較高 較低 尺寸穩定性 較差 較佳
脆性 較脆 較柔韌 翹曲性 較易 不易
收縮率 較高 較低 著色性 較難 較易
流動性（MI） 較佳 較低 耐熱性 較高 較低
耐化學藥品性 較高 較低 折動性 較佳 較差
B. 塑料依應用范圍分類
泛用塑料
聚乙烯（Polyethylene, PE）
聚丙烯（Polypropylene, PP）
聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride, PVC）
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物（Acrylonitrile-Butadene-Styrene, ABS）
通用級聚苯乙烯（General purpose polystyrene，GPPS）
亞克力（Acrylic Resin, PMMA）
泛用工程塑料
尼龍（Polyamide, PA-6, PA-66, PA-46, PA-11, PA-12）
聚對苯二甲酸乙酯（Polyethylenephthalate, PET）
聚對苯二甲酸丁酯（Polybutylenephthalate, PBT）
聚縮醛（Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM）
變性（PPO）
聚碳酸酯（Polycarbonate, PC）
變性氧化二甲苯（Polyphenylene Oxide PPO）
特殊工程塑料
聚苯硫醚（Polyphenylene Sulfide, PPS）
液晶（Liquid Crystal Polymer, LCP）
聚二醚酮（Polyether Ether Ketone, PEEK）
氟碳樹脂（Polytetrafluorcethylene, PTFE）
聚氧苯甲酯 （Polyoxybenzylene, POB）
聚醚（Polyphenylene Sulfide, PES）
聚諷 （Polysulfone, PSF）
聚芳香酯（Polyarylate, U-Polymer, PAR）（Polyetherimide, PEI）
聚酰胺酰亞胺（Polyamideimide, PAI）
（三）熱性質 （ 熱變形維卡軟化測試儀 ）
熱性質是指塑料在溫度變化的影響下，各種形性改變的程度。通常熱性質與塑料加工的關系zui為密切。現將重要的項目分述如下：
1、玻璃轉移點（Glass Transition Point，Tg）
當塑料的溫度達到玻璃轉移點時，其分子鍵的分枝開始局部脈動，塑料便由玻璃狀變成橡膠狀。也就是說，當聚合物的溫度在Tg時，會由較高溫下呈現的橡膠態，轉至低溫下所呈現的具堅硬易脆性質的玻璃狀。結晶性塑料有明顯的Tg及潛熱值，聚合物是呈現橡膠態還是玻璃狀全視Tg與當時使用時的溫度而定，故Tg為聚合物在使用上的重要指針。以下列舉數種塑料的Tg值：
塑料名稱Tg （℃）
塑料名稱 Tg （℃）
PVC （rigid） 80~212
聚碳酸酯 （Polycarbonate, PC） 39~150
HDPE 120
PET 79
LDPE 120
PBT 20
Polypropylene, PP -10~-18
PI 410
聚苯乙烯 （Polystyrene, PS） 63~112
PPS 85
PMMA 100~120
PSF 190
ABS 88~105
PESF 230
PA 57
PEEK 143
聚縮醛 （Polyacetal, POM） 50~-85
PEI 217~220
PAI 280
Nylon 650
聚乙烯 （Polyethylene, PE） 120~125
Polyvinyl chloride60~76Polysulfone 146~273
聚丙烯 （Polypropylene, PP） -10~-18
ASA 104
HIPS 100
PES 230
SAN 100
PU 120
2、塑料的熔點（Melting Point，Tm）
塑料的熔點是指塑料由固體狀態變成熔融狀態時的溫度，此時結晶性塑料的比容顯著增加，此溫度又稱可加工溫度。下表為一些塑料的Tm值：
塑 料 名 稱 Tm （℃）
HDPE 130~135
PET 250~265
LDPE 107~120
PBT 225~230
Polypropylene, PP 165~176
POB 450
PA 220
PEEK 334
聚縮醛 （Polyacetal, POM） 175~181
PPS 285~290
PTFE 327
Nylon 6 215~225
Nylon46 295
Nylon 11 184~187
聚碳酸酯 （Polycarbonate, PC） 220
Nylon 12 177~178
PMMA 160
Nylon 66 225~265
PVC （rigid） 212
Nylon 610 213
ACETAL 160
聚乙烯 （Polyethylene, PE） 115~176
Nylon 612 210~220
聚丙烯 （Polypropylene, PP） 176
3、熱變形溫度（Heat distortion temperature，HDT）
熱變形溫度顯示塑膠材料在高溫受壓下能否保持不變的外形，一般用來表示塑料的短期耐熱性。若考慮安全系數，短期使用的zui高溫度應保持低于熱變形溫度10℃左右，以確保不致于因溫度而使材料變形。
D648試驗法，即將試片在一定壓力及一定加溫速度下，彎曲到一定程度時的溫度。例如，在一標準試片（127×13×3mm）的中心，置放在455kPa或1820kPa負載下，并以2℃/min條件升溫直到變形量為0.25mm時的溫度。對非結晶塑料，HDT比Tg小10~20℃；對結晶塑料，HDT則接近于Tm。通常加入纖維補強后，塑料的HDT會上升，因為纖維補強可以大幅提升塑料的機械強度，以致在升溫的耐撓曲測試時，會呈現HDT急劇升高的現象。下表列舉幾項常用塑料的熱變形溫度比較：
塑料名稱 HDT1820Kpa（℃）
聚乙烯 （Polyethylene, PE） 29~126
硬質 PVC 54~79
聚丙烯 （Polypropylene, PP） 40~152
聚苯乙烯 （Polystyrene, PS） 63~112
PBT 60~65
ABS 66~107
PET 80~100
亞克力 PMMA （Acrylic Resin） 68~99
尼龍6PA-6 63~80
PPO 100~128
Homopolymer POM 125~136
聚碳酸酯 （Polycarbonate, PC） 39~148
Copolymer POM 110
H-PVC 54~74
PI 315~360
PSF 175
HDPE 43~49
PAR 175
MDPE 32~41
PES 205
尼龍6, 6PA-6, 6 62~261
GPPS 96
HIPS 96
LDPE 32
PS+20~30%GF 103
尼龍6-10PA-6-10 57
AS 88~104
尼龍6-12PA-6-12 60
Poly （vinyl chloride） 60~76
尼龍11PA-11 55
Polysulfone 146~273
4、熱膨脹系數（Heat Expansion coefficient）
熱膨脹系數是指塑料加熱時尺寸膨脹的比率，可依ASTM D696的試驗法測定。由于一般塑料的熱膨脹系數比金屬大2～10倍，因此在設計模具、塑料與金屬并用的器具、塑料的鉗核物時，必須詳加考慮，以防止因內部應力而造成產品的龜裂變形。
5、收縮率（Shrinkage）
收縮率是指塑膠制品經冷卻、固化并脫模成形后，其尺寸與原模具尺寸之差的百分比，可依ASTM D955方法測得。在塑料模具設計時，收縮率是首先必須考慮的，以免造成成形品尺寸的誤差。
因結構不同的關系，結晶性塑料與非結晶性塑料的收縮率存在明顯的差異。一般地，結晶性塑料的收縮率比非結晶性塑料的收縮率大上好幾倍。同時有添加玻璃纖維或其它強化劑的塑膠材料，其收縮率可降低好幾倍。影響成型收縮的因素有熱收縮、結晶度（熱塑性）或硬化度（熱固性）、彈性回復、分子配向、與成型條件等因素。
（1）熱塑性塑料
塑料名稱 成形收縮率（%） 塑料名稱 成形收縮率（%） 塑料名稱 成形收縮率（%）
ABS 0.3~0.8 PA 0.6~2.5 POM 0.8~3.5
AS 0.2~0.7 PA-6 0.5~2.2 PP 1.0~2.5
CA 0.3~0.8 PA-66 0.5~2.5 PPO 0.5~0.7
CAB 0.4~0.5 PA-610 1.2 PPS 0.6~1.4
CAP 1 PA-612 1.1 PS 0.2~1.0
CP 0.4~0.5 PA-11 1.2 PVA 0.5~1.5
EC 0.4~0.5 PA-12 0.3~1.5 PVAC 0.5~1.5
EPS 0.4 PAR 0.8~1.0 PVB 0.5~1.5
FEP 3.0~4.0 PBT 1.3~2.4 硬質PVC 0.1~0.5
FRP 0.1~0.4 PC 0.4~0.7 軟質PVC 1.0~5.0
EVA 0.5~1.5 PCTFE 0.2~2.5 PVCA 1.0~5.0
HDPE 1.2~2.2 PE 0.5~2.5 PVDC 0.5~2.5
HIPS 0.2~1.0 PET 2.0~2.5 PVFM 0.5~1.5
LCP 0.1~1.0 PES 0.5~1.0 SAN 0.2~0.6
LDPE 1.5~3.0 PMMA 0.2~0.8 SB 0.2~1.0
（2）熱固性塑料
塑料名稱 成形收縮率（%） 塑料名稱 成形收縮率（%）
EP 0.1~0.5 SP 0.0~0.5
MF 0.5~1.5 UF 0.6~1.4
PDAP 0.1~0.5 UP 0.1~1.2
PF 0.4~0.9 DAP 0.1~0.5
PU 0.6~0.8 BMC 0.0~0.2
