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【日常】工程塑膠介紹:纖維強化尼龍(聚醯胺+玻璃纖維)

愛天使亞夜 | 2021-03-03 20:08:59 | 巴幣 24 | 人氣 112

聚醯胺(Polyamide/PA),
以尼龍為代表的高分子化合物。
在塑膠工業中使用量非常大的塑膠鋼。

聚醯胺(發音:具西安)的材料特性為高延展性、耐腐蝕、且兼具自潤滑,
常見材料為尼龍6及尼龍66。
尼龍6是己環醯胺(C6H11NO)的聚合物,
簡單說就是原本環狀的環醯胺斷掉一個鍵結,
然後斷點跟另一個斷掉的環醯胺分子的斷點重新接合起來的聚合物。
尼龍66則是己二胺(C6H16N2)跟己二酸(C6H10O4)的聚合物,
結構是己二胺的兩端脫掉羥基(-OH),
而己二酸的兩端脫掉氫原子,
然後彼此的斷點對接起來形成的聚合物。
料號中的6代表其單位分子中有六個碳的意思,
你也會發現,
尼龍6跟尼龍66具有相同的單元分子式。
尼龍6:(C6H11NO)n
尼龍66:(C12H22N2O2)n (聚合時每個分子之間都要脫去一個水分子,因此單元分子式會脫去兩個水分子)

這種尼龍材料是同時有醯基(=O,配位氧)跟胺基(-NH)的鏈狀結構,
因此結構間有強大的氫鍵結合,
這使的這種材料具有熱可塑性及強大的韌性,
因此他取代了「絲」成為了紡織纖維材料的材料。

這種材料具有一定程度的化學吸水性,
這跟藉由毛細現象等的物理吸水性有著決定性上的不同。
具有化學吸水性的材料就是指上面的結構能夠抓住水分子並且水合,
嚴格來說就是指水分子跟原材料分子「化合」成新的分子了,
屬於化學變化而非物理變化。
聚醯胺的化學吸水性使的它濕潤了以後需要更大的工夫才能風乾。
(不過尼龍的吸水性不強,本身就不濕所以其實還是比棉還要容易乾)
而吸了水的聚醯胺其材料剛性會下降而韌性上升,
因此尼龍製的衣服很耐洗。

玻璃纖維又稱玻璃鋼,
通常被依一定比例混入工程塑膠中製成纖維強化塑膠(Fiber Reinforcement Plastic/FRP)。
玻璃纖維本身的高硬度及耐腐蝕性可以進一步強化塑膠材料的剛性,
因此常被添入一般工程塑膠中以製作成塑膠鋼。

鋼是工程應用最廣泛的金屬材料,
鋼是同時具有高鋼性與高延展性的延性材料。
土木工程上藉由混入聚有高抗壓強度的混凝土與高延展性的鋼筋來製作同時具有高強度又具有相當韌性的建材,
同樣的,
工程塑膠界也會藉由混合相對柔軟的工程塑膠與提供鋼性與強度的玻璃纖維來製作混合材料。
PA6+GF30就是很常見的一種塑膠鋼,
當中PA6指的就是尼龍6(Polyamide 6),
而GF30則是30%玻璃纖維(Glass Fiber 30%)。
不是30個女朋友嘿!
它具有高剛性、高強度、耐磨、耐腐蝕、自潤滑、且有一定程度的柔韌性。
雖然它沒有像金屬那麼強壯,
但它也沒有金屬那麼重,
而且透過射出成型的生產方式也絕對比金屬鑄造或粉末冶金來的容易,
因此在一些需要一定強度但又不需要非常高強度的應用中,
這種塑膠材料的應用十分廣泛。

由於PA6的熔點在260攝氏度以上,
已經高過了水的沸點,
因此在成形之前必須先經過乾燥除溼的過程去除結構裡的水合水分子。
因為如果你不將水分子去除掉的話,
在成形過程中熔融的液態塑膠中的水分子必然會汽化,
這些水分子輕則在射出過程中在成品表面上留下噴射的痕跡與刮痕,
重一點的被包在材料裡面形成一個空腔形成一個應力集中點,
到時候才料要破就從這裡破掉,
因此在成形前乾燥是必須的。

然而,
容易吸水的特性這個是材料本身的性質,
並不會因為你成形了就消失不見。
空氣中包含了水蒸氣,
因此當成品接觸到水蒸氣時就會手賤去抓住水蒸氣來水合,
也因此成品會隨著時間經過逐漸變大、變重、變軟、剛性降低。
所幸,
PA結構本身能抓住水分子的點很少,
最多了不起抓住材料自身重量3%左右的水分子就是極限,
因此工程上大多都會在成形完成後再透過強制吸濕的方式讓材料直接趨於穩定。

PA6+GF30是很廣泛使用的塑膠鋼,
因為高強度高韌性又耐磨耐腐蝕所以常常用來做成一些安全結構,
例如馬達的外蓋、動力工具的外殼等等。
不過好用歸好用,
吸濕後會變軟強度下降是一定會有的現象,
設計時如果忽略這點將會造成不可挽回的後果。


【後記】

為什麼忽然聊起了這樣好像很專業但其實沒卵用的廢話?
因為最近工作上遇到了問題客戶。
敝人本業是塑膠業,
如果你是反塑份子要鄙視敝人敝人欣然接受不過這不是重點就是了。
客戶這次剛好選用了PA6+GF30這支料去製作一個產品,
不過因為放太久了因此在強度測試的過程中發生破壞現象。
我們花了幾個禮拜的時間確認原因大概就是在材料自然水合導致強度降低的這個現象上,
因為這項部品在成形時不會特地經過吸濕過程才出貨,
因此成形完的新品強度很足都能通過測試,
但偏偏就是因為不小心拿到一個舊的,
然後就這麼剛好它破了,
所以客戶就要求解釋。
解釋了以後客戶完全不能接受,
還要我們提出「如何確保你交給我是OK的而我交給客戶後放了幾年後它依然OK」的辦法,
窩草,
巧婦難為無米之炊啊有沒有?
這材料就是這樣的特性,
不然你換材料啊,
到底想要我們怎麼做啊OTZ

封面圖片:夏語遙突擊百合:王雨嘉
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