第十一章 高分子材料

第十一章 高分子材料－塑膠及橡膠 11.1 塑膠 11.2 橡膠

第十一章 高分子材料－塑膠及橡膠 高分子材料通稱聚合物（polymer） 聚合物指用碳元素為基礎的長鏈有機化合物，即由單體（monomer）聚集而成的大分子。 高分子聚合物有天然和人工兩種。天然聚合物如木材、天然橡膠、天然瀝青等；人工聚合物如聚氯乙烯、丁苯橡膠等。

第十一章 高分子材料－塑膠及橡膠 塑膠以合成樹脂為主要成分；橡膠的主要原料有天然橡膠、合成橡膠等。 塑膠冷凝後不易變形，橡膠則較容易變形。

11.1 塑膠 塑膠為天然或合成的有機材料，可在軟化狀態塑造出各種形狀，然後硬固成形。 塑膠的基本成分是樹脂，為有機體，類似於木材、糖等。 塑膠的分子結構類似於石油產物或碳氫化合物。例如天然的甲烷由一個碳原子與四個氫原子構成，而合成的聚乙烯則由數百或上千的碳氫鏈構成。

11.1.1 塑膠種類 塑膠又稱聚合樹脂，分成熱硬性塑膠及熱塑性塑膠兩大類： 一、熱硬性塑膠 由樹脂（resin）與硬化劑混合，經加熱加壓或在室溫下反應化合而成。初始加熱，塑膠會軟化，之後再加熱時即硬固，此化學變化稱為聚合作用。

11.1.1 塑膠種類 成形後之塑膠將永久堅硬，而稱之為熱硬性塑膠，可耐高溫、強度硬度大，耐化學侵蝕，絕緣性佳。 常見的熱硬性塑膠有幾種(表11-1)： 1.環氧樹脂 2.尿甲醛樹脂 3.三聚氰胺樹脂 4.酚甲醛樹脂 5.矽脂樹脂

二、熱塑性塑膠 常溫下為固態，加熱即熔融軟化成可塑性，冷卻後又恢復固態。在微熱下可加工製成各型產品。 熱塑性塑膠多為柔軟且富彈性，強度、硬度、耐熱性及耐藥性比熱硬性塑膠差。

重要的熱塑性塑膠有多種(表11-1)： 1.聚乙烯 2.聚丙烯 3.聚氯乙烯 4.聚苯乙烯 5.丙烯樹脂

表11-1 塑膠類型 熱塑性塑膠 熱固性塑膠 聚乙烯 環氧樹脂 聚氯乙烯 尿素甲醛樹脂 酚甲醛 聚丙烯 （碳酸）三聚氰胺-甲醛 聚苯乙烯 表11-1 塑膠類型 熱塑性塑膠 熱固性塑膠 聚乙烯 環氧樹脂 聚氯乙烯 尿素甲醛樹脂 酚甲醛 聚丙烯 （碳酸）三聚氰胺-甲醛 聚苯乙烯 不飽和聚酯 聚醯胺（尼龍） 聚氫基甲酸酯 聚甲基丙烯酸甲酯（壓克力）

11.1.2 塑膠性質 一、力學性質 塑膠具黏彈性，力性受溫度與載重速率之影響。 塑膠力性依聚合物組成分子的形狀與長度而定，典型應力－應變行為如圖11-3。大部分塑膠之彈性範圍小，彈性模數小，伸長率則較大，可達100％以上。

圖11-3 塑膠之典型荷重-變形曲線

塑膠的張力彈性模數比壓力彈性模數小，一般不大於6.89GPa，柏松比約0.3（表11-2） 塑膠的潛變大，但有高阻尼性，適合應用為受振構造體。

表11-2 各種塑膠性質 材質 比重 抗拉強度 （kgf/cm2） 彈性模數 106kgf/cm2 抗壓強度 (kgf/cm2) 膨脹係數 表11-2 各種塑膠性質 材質 比重 抗拉強度 （kgf/cm2） 彈性模數 106kgf/cm2 抗壓強度 (kgf/cm2) 膨脹係數 （10-6/℃） 熱 塑 性 膠 聚乙烯 0.92 125-280 1.3-11.2 28-165 160-210 聚氯乙烯 1.3-1.4 105-560 0.07-55 7-90 54 聚丙烯 0.91 280-380 8.4-12.2 590-700 310 聚苯乙烯 1.05 280-490 1.4-3.5 90 60-80 尼龍 1.14 490-840 18.2-28.7 490-900 硬 不飽和聚酯 1.6-2.2 280 21-105 1400-1750 75 酚甲醛 1.3-1.9 280-560 70-105 80 聚氫基甲酸酯 1.2 350 － 60 壓克力 1.19 560-700 29 70

二、物理性質 塑膠會產生風化，陽光中的紫外線輻射和環境的溫濕度改變是風化的要因，風化使塑膠褪色、變脆、開裂、硬化。 塑膠易燃、防火性不良，燃燒時且會產生有毒濃煙。 塑膠吸水性小，熱傳導係數遠小於混凝土者，適合做為防水和熱絕緣材料。

11.1.3 塑膠成品之製造 塑膠成品的製造依塑膠材料性質而定，工業上採用的加工成型方法甚多，如射出成型法，擠壓成型法等： 1.射出成型模法 2.轉移模製法 3.擠壓成型法 4.模鑄法 塑膠成品如管、筒、板、布等。

11.1.4 塑膠之應用 塑膠的應用範圍廣，包括民生用品、營建工程及汽車、電器、電子等的工業材料。 塑膠材料中，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯應用最廣，佔有80％以上的使用量。 塑膠應用在土木工程上的優點有多項，如成型容易、輕而具強度、熱傳導率低、絕緣性、耐久等。

11.2 橡膠 橡膠是先發現天然橡膠（1770）之後再發展出合成橡膠（1930） 橡膠有多項優良性質，如絕緣性、氣密性、高介電性、富於彈性和韌性並具化學抗性，廣泛應用於工業、工程和日常用品上。

11.2.1 天然橡膠 一、來源與製造 天然橡膠由採自橡膠樹的橡漿凝固而成。 橡膠樹主要生長於中南美洲、非洲和亞洲熱帶地區。今日全世界天然橡膠產量的80％以上由東南亞國家，尤其是馬來西亞供應。 天然橡膠片是由橡漿加水稀釋後，加入醋酸攪拌、靜置得橡膠凝塊，抽製成橡膠片，最後放入乾燥室（40～50℃）內煙燻、乾燥而得生橡膠片。

二、生橡膠之性質 1.物理性質 生橡膠輕而富有彈性，具有良好之防水性與防蝕性，絕緣而耐久。 生橡膠比重約0.91～0.93，過熱會逐漸軟化，熱傳導係數0.03～0.05 w/mh°k。 生橡膠承受持久應力會產生塑性變形，稱為可塑性，可利用此性質型塑成各種形狀的產品。

10.2.5 耐久性，硬化與老化 2.化學性質 生橡膠不溶於水、酒精、醚等溶劑，但會緩慢溶解於苯、石油醚、二硫化碳等。 濃硫酸可將乾燥生橡膠氧化分解。鹼溶液對橡膠在常溫下不會發生作用，但加熱時橡膠中的樹脂會被鹼化呈分散狀態。 加硫於橡膠中可改善其性質，如伸長率、抗拉強度等，這種處理稱為硫化。

三、橡膠之硫化及改良配合劑 生橡膠有弱點，如抗拉性低、熱塑化、老化等，這些缺陷可藉由摻加配合劑改良之。配合劑如硫、補強劑、老化劑、可塑劑等，分述如后：

1.橡膠之硫化 生橡膠中加入硫可改善其拉強、保濕性、熱塑性、黏性等，稱為硫化。 硫化法有熱硫化和冷硫化兩種，以熱硫化法應用較為普遍。 對硫化速率的提升可由高溫或添加促進劑，如氧化鎂、黃酸脂等達成。

2.補強填劑 橡膠中填加補強填劑，即配合劑，可提升其韌性、抗磨性。配合劑如煙煤、氧化鋅、碳酸鈣等。 3.增積劑 用以增加橡膠體積，以降低成本。常用的增積劑有碳酸鈣、瓷土、矽藻土、滑石粉等。

4.軟化劑與可塑劑 5.老化劑 橡膠中加入軟化劑或可塑劑時，可使之軟化，易於捏合，增加其可塑性。 常用的軟化劑有油酸、硬脂酸、樹脂等。 氧化、日曬和熱等會使橡膠老化或破裂 橡膠的老化劑有臘、酚類、二醛胺等。

四、天然橡膠之應用與製品 生橡膠原型的用途不多，可溶解成為溶劑或作為塗料、膠結劑及橡膠製品的原料。 生橡膠經硫化處理或加配合劑而成的硫化橡膠，有多項優良性能，可應用於日常用品、工業器具、營建零件等之製造。 我國橡膠產品如表11-3

表11-3 我國橡膠之主要產品 1.卡車胎 11.橡膠板 21.工礦用鞋 31.冰枕 2.汽車胎 12.橡膠帶 22.戰車履帶 表11-3 我國橡膠之主要產品 1.卡車胎 11.橡膠板 21.工礦用鞋 31.冰枕 2.汽車胎 12.橡膠帶 22.戰車履帶 32.耐酸襯裡 3.自行車胎 13.橡皮擦 23.玩具 33.森林用蠟靴 4.耕耘機胎 14.橡皮擦膠 24.雨衣布 34.球類 5.機踏車胎 15.膠帶 25.橡膠絲 35.電線電纜用膠 6.各種運動鞋 16.碾米滾筒 26.泡沫乳膠 36.減震墊 7.各種雨靴 17.印刷滾筒 27.氣球 37.塗料 8.再生膠 18.電槽 28.翻胎 38.黏著劑 9.補胎膠 19.橡皮圈 29.衛生套 10.橡皮管 20.墊圈 30.手套

11.2.2 合成橡膠 合成橡膠種類甚多，新品種仍繼續開發出來 常見的重要合成橡膠有： 1.苯乙烯－丁二烯橡膠 2.新平橡膠 3.丙烯晴－丁二烯橡膠 4.丁基橡膠 5.硫構橡膠 6.氟化橡膠 7.矽酯橡膠 8.聚胺尿橡膠 9.乙烯－丙烯橡膠