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玻璃纖維補強的TPX(FR-TPX)

蔡宏斌 國立宜蘭技術學院化工系教授
蔡瑞禧 大華技術學院化工系副教授
林建興 允拓材料科技股份有限公司

FR-TPX是日本三井化學所新開發出的一種玻璃纖維補強工程塑膠。FR-TPX的設計概念係將玻璃纖維以化學鍵接於TPX基材上,因此,玻璃纖維與TPX基材樹脂間有絕佳的黏著性。FR-TPX可提供優異的電氣性質,耐熱性,耐焊接性以及薄壁成型性,因此,最適合應用於各種不同的工業零件。

 

簡介

TPX為4-甲基戊烯(4-methylpentene)的聚合體或共聚合體。其化學結構如下:

主要的單體4-甲基戊烯可由丙烯二聚化而得,價格已趨合理。因此,TPX就成為一種商業化的聚烯烴。

商業化的TPX通常為4-甲基戊烯與少許α-烯烴(如1-己烯)的共聚合體。TPX的最主要特色為熔點高(約230-245℃),比重低(約0.83)以及透明(透光率約90-92%)。

TPX最早是由英國ICI在1965年所開發出來,並於1968年開始商業化量產。日本三井石油公司(即現今的三井化學公司)取得ICI的授權,亦於1973年開始生產TPX並進入市場。目前,三井化學公司(Mitsui Chemicals, Inc.)為世界上唯一的TPX製造商。

TPX可應用於耐溫透明產品如醫療器材,化學實驗器材,微波爐零件,光電零件等。TPX的高熔點使其有機會成為耐高溫的高性能材料。然而,TPX本身材質較軟,強度也不高,欲作為高性能材料時有必要添加補強劑。基本上,補強劑如玻璃纖維與基材樹脂間的黏著性不佳會大幅降低補強效果。TPX與玻璃纖維之間也有黏著性不佳的問題。如果在TPX與玻璃纖維之間形成化學鍵結,玻璃纖維與TPX基材間當然有絕佳的黏著性,將有助於提升補強效果。三井化學將玻璃纖維以化學鍵接於TPX基材(譬如說將TPX接枝於玻璃纖維上),開發出一種新的玻璃纖維補強工程塑膠:FR-TPX。

FR-TPX可提供優良的電氣性質,耐熱性,耐焊接性(soldering resistance)以及薄壁成型性,因此,最適合應用於各種不同的工業零件,尤其是在電氣與電子工業領域相當具有潛力。

 

FR-TPX的主要特性與等級

FR-TPX具有優異的電氣性質。FR-TPX的高頻電氣性質與電氣絕緣性質相當優異,其介電常數很低(2.5),介電消散因子也很低(0.0007)。另外,FR-TPX的吸濕率非常低,所以其電氣性質即使在高濕度的環境下仍然可維持不變。

FR-TPX具有優良的耐熱性與耐焊接性。FR-TPX的熔點相當高(230℃),其熱變形溫度也相當高(190℃),因此具有優良的耐熱性與耐焊接性。由FR-TPX所製成的零件在高溫下,甚至暴露於在熔點之上的溫度下數分鐘,仍然可以維持良好的形狀。大致來說,FR-TPX的耐焊接性大致介於FR-PBT與PPS之間。

FR-TPX具有優異的薄壁成型性(thin-wall moldability)。FR-TPX的流動性極為優良,因此可加工成型成具超薄璧的零件。壁厚達0.1-0.2 mm的零件仍可加工成型。

FR-TPX具有優異的耐化學品性與耐沸水性。在實用上,FR-TPX對所有種類的化學品皆有優異的耐受性。而FR-TPX既不吸收水,也不會被水解,因此具有優異的耐沸水性與耐水蒸氣性。

質輕是FR-TPX的一大特色。FR-TPX的比重低,即使含有30%的玻璃纖維,其比重也僅有1.03,是近年來所有商業化的玻璃纖維補強工程塑膠中最低者。FR-TPX也有許多等級可供選擇。一些典型的等級如表1所示。

表1. FR-TPX的典型等級

 

FR-TPX的物理性質

一些等級的FR-TPX的物理性質如表2所示。

TPX為FR-TPX的基本材料。TPX的密度低達0.83g/cm3,可說是為商業化熱塑性塑膠中最低者。因此,FR-TPX的密度當然相對比較低。即使含有30%的玻璃纖維,FR-TPX的密度也僅有1.03g/cm3。FR-TPX 的質輕,其密度也可說是纖維補強工程塑膠中最低者。

表2. FR-TPX的等級與物性

TPX的機械性質較類似於聚烯烴(如聚丙烯、聚乙烯等),屬於較軟的材質。雖則在FR-TPX中,玻璃纖維與TPX間有很好的黏著性,而較軟的基材卻使其難逃剛硬性與機械強度不足的命運。

圖1比較FR-TPX與玻璃纖維補強聚對苯二甲酸丁二酯(FR-PBT)的曲折模數vs.溫度曲線。玻璃纖維含量增加的確使FR-TPX的曲折模數大幅提高,但仍然要較FR-PBT低得多。很明顯的可看出FR-TPX是相對較軟的材料。

圖1. 溫度對曲折模數的影響

在工程塑膠中,FR-TPX的機械強度並不太好。譬如說含30%玻璃纖維的T130的抗張強度僅有600 kg/cm2,而30%玻璃纖維的PBT的抗張強度可達1,300kg/cm2。因此,FR-TPX的訴求絕非高強度與高剛性。相對的,在工程塑膠中,FR-TPX為較軟的材料,反而具有優良耐龜裂性的優點。

 

FR-TPX的熱性質

FR-TPX的熔點相當高,約為230℃。高熔點使FR-TPX具有優良的耐熱性與耐焊接性(soldering resistance)。

如表2所示,含15%玻璃纖維的T110的熱變形溫度(負載為18.6kg/cm2)為175℃,而玻璃纖維含量為30%的T130的熱變形溫度達190℃。對屬於較軟材質來說,FR-TPX的熱變形溫度已經相當高。因此,FR-TPX具有優良的耐熱性。

在實用上,實際評估通常較具參考性。而模擬實際條件下,觀測零件的外觀變化情形亦可了解材料的耐溫性及耐焊接性。

將3828mm,厚度2mm(外徑為38 mm,壁厚為28 mm,厚度2mm)的試片置於高溫烘箱中6 min後,觀察其外觀變化。由此種測試可約略評估出耐溫性。結果顯示FR-TPX在高溫下的形狀維持性優於FR-PBT。另外,FR-TPX在高溫下,甚至於暴露於在熔點(230℃)之上的溫度下數分鐘,仍然可以維持良好的形狀。

將試片浸泡於高溫錫爐或油浴中數秒鐘(譬如說5秒鐘),然後觀察其外觀變化。如此可約略評估出材料的耐焊接性。測試結果顯示FR-TPX具有優良的耐焊接性。

圖2為一些玻璃纖維補強工程塑膠的耐焊接性比較。由圖可看出FR-TPX的耐焊接性大致介於FR-PBT與PPS之間。

FR-TPX的連續使用溫度尚屬優良。圖3顯示FR-TPX的抗張強度的半衰期與溫度間的關係。由抗張強度的半衰期數據可求得連續使用溫度(UL 746B)。由圖3可得知T110與T130的連續使用溫度為115℃。


圖2.各種材料的耐焊接性(浸焊,浸泡時間:5 sec)


圖3. FR-TPX長期耐熱性預測

 

FR-TPX的電氣性質

FR-TPX的電氣性質如表2所示。TPX分子並無任何極性基,以是FR-TPX具有優異的電氣性質。

整體而言,FR-TPX的電氣性質特色為介電常數很低(2.5),介電消散因子也非常小(0.0007),高頻範圍的介電損失很低以及電氣絕緣性質優異。

圖4顯示頻率對介電常數的影響。由圖可看出FR-TPX的介電常數較PPS與FR-PBT低得多,而且幾乎不受頻率的影響。


圖4.頻率對介電常數的影響(20℃)

圖5顯示頻率對介電消散因子的影響。由圖可看出FR-TPX的介電消散因子要較PPS與FR-PBT低得多。


圖5. 頻率對介電消散因子的影響(20℃)

圖6顯示溫度對介電常數的影響。很明顯的,FR-TPX的介電常數除了較PPS與FR-PBT為低之外,受溫度的影響更是小。


圖6. 溫度對介電常數的影響(1 MHz)

圖7則顯示溫度對介電消散因子的影響。在廣泛溫度範圍下,FR-TPX的介電消散因子皆較PPS與FR-PBT為低。


圖7. 溫度對介電消散因子的影響(1 MHz)

 

FR-TPX的耐化學品性與耐沸水性

在實用上,FR-TPX對所有種類的化學品皆具有優異的耐受性,並具有優異的耐沸水性。

表3顯示一些工程塑膠與FR-TPX 短期耐化學品性。由表可看出FR-TPX具有優異的耐化學品性。特別是對於常用為電子零件的清洗劑的三氯乙烷及Freon,FR-TPX有優異的耐受性。FR-TPX浸入三氯乙烷及Freon中,並不會造成龜裂或變色。

FR-TPX既不吸收水,也不會被水解,因此具有優異的耐沸水性與耐水蒸氣性。圖8顯示FR-TPX的耐沸水性。由圖可看出FR-TPX具有極為優異的耐沸水性。

表3. 短期耐化學品性(浸泡溫度:23℃,浸泡時間:5 min)

註:

○ 無實際外觀的改變

△ 外觀有少許改變

* 外觀有明顯改變


圖8. FR-TPX的耐沸水性

 

FR-TPX的燃燒性

如表2所示,FR-TPX T110與T130的UL 94燃燒性是屬於HB級,而N130的耐燃性較為優異,可通過UL 94 V-0級。

 

FR-TPX的加工成型性

與其他的玻璃纖維補強工程塑膠比較,FR-TPX顯現極為突出的流動性。此外,FR-TPX的加工成型性可說是極為優異。FR-TPX可加工成型成壁厚達0.1-0.2 mm的零件。

以Toshiba IS-50EP射出成型機進行流動性實驗。所用的模具為直徑6mm直接閘口(direct gate)的半圓螺旋試驗模,螺旋截面直徑4.8mm,在主要射壓為1000kg/cm2,次要射壓為800kg/cm2下於不同溫度下進行射出成型,然後觀察其充填長度。圖9顯示FR-TPX與其他工程塑膠的流動性實驗結果。很明顯的可看出FR-TPX具有極為優異的流動性。


圖9. FR-TPX的流動性

圖10顯示FR-TPX的薄壁成型性,並與其他玻璃纖維補強工程塑膠比較。由圖可看出FR-TPX具有優異的薄壁成型性。


圖10. FR-TPX的薄壁成型性

FR-TPX可利用一般的射出成型機來加工成型,而具有合適的加熱容量及良好溫度控制的設備將是有所助益的。FR-TPX的一般射出成型條件如表4所示。一典型的成型條件如表5所示。

表4. FR-TPX的一般射出成型條件

表5. FR-TPX的成型條件案例

 

FR-TPX的應用

FR-TPX可提供許多目的的用途,近如家用品,遠如太空應用。FR-TPX可符合如此高需求的兩樣理由為其電氣性質與耐焊接性。

FR-TPX可應用於一些特別的家庭用具,譬如說要求耐熱性與耐水蒸氣性,高度耐久的產品。FR-TPX也可應用於電氣/電子零件。一些典型的應用例子如表6所示。

表6.FR-TPX應用例子