就塑料材料的优化选择

塑料材料的优化选择

由于产品责任投诉湿度、环境问题、成为合格供应商的认证，和质量本钱意识等愈发重要，确保塑料产品可靠性的设计就相当重要。

但是，虽然制造和设计技术获得了进步，但事实上大约70%的塑料在其设计寿命前就已失效，致使诉讼、昂贵的召回、担保投诉、再次加工，和在始终充满竞争的市场中丧失品牌信任度。

那末问题出在哪里呢?从Smithers Rapra公司广泛研究的5000件塑料产品失效来看，我们得出的结论是，问题常常出现在设计阶段。

Smithers Rapra公司根据材料/现象因素酿成的初始失效，将塑料产品失效归类为1份综合目录，如图1所示：

图1：失效的材料缘由或现象缘由。

由于人为失误造成塑料产品失效的详细分析见图2，其中45%是由于材料的选择不当和不良规格而引发的。

图2：塑料产品失效的人为因素。

所整理的数据清楚表明，材料选择不当酿成的产品失效常常是塑料产品设计师或工程师最常犯的1种毛病。另外我们的经验也表明，这看来是由于缺少对材料属性的认识和了解引发的。这也是不足为奇，而在测试进程中力值通常由计算机停止闭环控制由于塑料有90多个通用类，其可细分为大约1000个亚类，终究大量材料供应商可提供大约80000多个商业等级。结果就是数不清的商标、通用类专门用语，和过量的通常不完全和不1致的不够标准化的数据，有时会把最好的塑料专家弄得蒙头转向而且灰心丧气。挑选这类海量数据并作出比较判断，对毫无经验的人来讲仿佛是1项不可能的任务。材料供应商竞争性的积极营销使这类情况更加复杂，有时难以判断材料的限制和缺点。

材料的选择

从材料选择开始，就应斟酌聚合物的结构和属性的基本情况。

聚合物细分为3大类----热固性塑料、热塑性塑料和弹性体(橡胶)。针对塑料设计而言，两个基本选择就是热固性塑料和热塑性塑料。

热塑性塑料有两个基本类型----无定形塑料和半晶质塑料。

无定形塑料最好用于需要透明、美观外表、高光泽、高尺寸精度和稳定性的利用场合。它们不应被用于触及热或机械应力周期变化、高机械损伤或接触各种化学环境的利用场合。

而半晶质塑料，顾名思义，具有有序的微晶结构，因此比无定形塑料能更好的抗疲劳。这些塑料最好用于需要化学接触、机械损伤和耐重复周期载荷的场合。

当斟酌塑料组件的设计和开发时，设计人员必须了解：

塑料是粘弹性的塑料

塑料的属性同时间和温度有关

塑料的物理和化学老化

易于风化

易于遭到化学腐蚀、应力腐蚀破裂(SSC)和环境应力裂纹(ESC)

塑料在拉伸利用的作用下，终究会失效

随着应力增加、温度增加，在特定环境中，在周期负荷的作用下，塑料失效时间将会减少

压模进程会产生显著的模塑(残余)应力

塑料材料是缺口敏感的

加入任何情势的填充剂，始使试件受轴向压力终会对塑料产生某种情势的有害影响

强化塑料材料呈各向异性

时间、温度和应力/拉力

粘塑性材料对应力的反应就像是弹性固体和粘性流体的组合。结果，它们表现出非线性应力---拉力的关系，它们的属性与所承受负荷的时间、温度、环境和所施加的应力或拉力有关。在作为儿童玩具销售的1类硅酮聚合物橡皮泥中可以视察到粘弹性现象。如果迅速拉断这类材料，它就会脆断。但是，如果以延展方式渐渐地拉开该材料，它就几近可以无穷舒展。下降橡皮泥的温度，可下降拉伸率，令其变脆。

所有塑料表现出蠕变，因此如果没有用到强度和刚度数值等长时间特性，则要进行设计计算和FEA分析，以证明设计是不是有缺点。这些应在最坏情况的工作条件下进行实验予以肯定，包括最高工作温度、应力水平和环境影响。不幸的是，许多设计人员常常想固然地认为“它只是塑料”，绝不迟疑地使用塑料制造商数据表上的短时间测试数据。结果就是由于粘弹性引发失效机理，许多产品失效了。

设计人员和工程师必须认识到，数据表信息是从短时间测试推导出来的，其并未斟酌时间、温度和环境。试样也是简单形状，是在理想条件下成型的。这很少适用于成型产品。根据短时间数据，塑料仿佛能够承受200%或更大的拉力。但是对长时间性能，设计应力的窗口大幅缩小。建议的设计张力以下：

静态应力条件

n无定形塑料≤0.5%张力

n半晶质塑料≤0.8%张力

周期应力条件

无定形塑料≤0.3%张力

半晶质塑料≤0.5%张力

为了不失效，设计人员和工程师绝对有必要了解以下几点：

塑料受力会变形

当承受静态低应力/张力时，有时某些部位会产生延展性---脆性转变，造成脆性断裂

周期应力会造成延展性/脆性转变，在低应力下造成脆性断裂

在应力和张力同时作用下，和与特定化学环境(液体或水汽)接触时，塑料的裂纹和变脆会提早产生。设计失效还可归因于本钱压力酿成的安全系数下降，而且将塑料用在令其到达设计极限的刻薄场合，有时就超过了极限。

环境应力裂纹（ESC）

环境应力裂纹(ESC)。ESC是在应力和拉力和环境1般丝杠的同时作用下，聚合物提早产生的失效和明显脆化。ESC不同于耐化学性，由于耐化学性测试使用的样本在化学品中浸泡了1段时间，在暴露前落后行属性测试(通常这些是拉伸性能和冲击性能)。

但是，样品任何部位都不承受应力，除非清洗后准备用于测试。对ESC,同时承受应力和化学环境会构成巨大影响，主要是最坚固材料的灾害性脆性破裂。

无定形塑料1般比半晶质材料更容易于遭到ESC的影响。

斟酌利用环境和可能的协同效应

多数的塑料产品失效是由于蠕变、疲劳、温度、化学品、紫外线和其他环境因素的协同效应所酿成的积累影响而引发的。

加工影响

我们Smithers Rapra公司发现，即便利用良好的材料选择进行的最好塑料设计也会失效。缘由就是由于公然忽视既定加工程序和材料制造商提供的指点而酿成的加工不当。推动力1般是经济推动因素，以实现较短周期和更高的产量。

所有塑料都有局限性

塑料用处极其广泛，但有其局限性。对设计人员和工程师而言，必须了解其基本属性、局限性和失效模式，下降产品失效的可能性。有时，良好的产品设计、正确的材料选择和失效之间有明显区分，如果不使用专门知识就易于混淆。必须注意影响塑料属性的众多变量，看起来很小的差别就会对塑料和产品性能造成巨大影响。