English
選擇頁面

PPS工程塑膠特性與應用

作者:
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

PPS具有優良的耐高溫性及高溫機械性質,優異的耐燃性、耐化學品性以及電氣絕緣性而成為受到注目的耐高溫工程塑膠。大日本油墨(DIC)提供多種等級的 PPS(聚萃撐硫化物),包括交連型PPS及線型PPS的基本等級系列,超韌系列,合金與改質系列,自潤滑系列,導電系列及電子元件封裝系列等。適當的選擇等級, DIC的PPS可適用於許多不同的應用產品。重要應用領域有電子/電氣零件,精密光電零件,汽車零件以及特殊工業零件與機械零件等。

 

簡介

PPS為聚萃撐硫化物[poly(phenylene sulfide)]的簡稱。PPS通常是由對二氯萃 與硫化納在溶劑中聚合而得。

Cl-C6H4-Cl + Na2S —-> -(- C6H4-S- )n- + NaCl

PPS為半結晶聚合體。PPS的玻璃轉變溫度(Tg)約為90°C而其熔點(Tm)約為280°C。高熔點使PPS具有承受高溫的潛力。

芳香結構使PPS具有優良的熱安定性。圖1為PPS以TGA所測得的熱重曲線。在氮氣下,PPS的熱分解溫度高 於500°C。如圖1所示,在空氣下,PPS的熱分解溫度較之在氮氣下有所下降,但在450°C的高溫下並無明顯的重量損失。此表示PPS對於高溫氧化有優異的耐受性。然而, PPS在氧氣的存在下加熱至高溫並非完全無變化,有一奇特的現象:交連反應(cross-linking)可能發生。


圖1.PPS在氮氣及空氣的熱重曲線

在製造過程中,PPS可利用在空氣 下加熱處理來提高分子量。如此,PPS聚合體含有部份交連的分子架構,並使其顯現較高的剛性。部份交連也使PPS 相對上有略高一點的耐溫性,略佳的機械強度。我們把這些部份交連的PPS稱為交連型PPS(cross-linked PPS)。未經交連的PPS聚合體其有較低的模數,以及較佳的延展性。未交連PPS聚合體的分子為直鏈,故稱之為線型PPS(linear PPS)。

PPS的熔點雖高達約280°C’但不代表PPS具有如此高的耐溫性。此因耐溫性與應用產品有很大的關係。圖2為 PPS的動態機械性質曲線。從其模數對溫度的關係可看出在100°C以上, PPS的模數會大幅滑落。此係PPS的玻璃轉變溫度約為90°C所致。在許多工程應用領域中,純PPS樹脂在150°C以上的模數可能已不敷使用。經由補強之後,PPS 具有優良的高溫剛性,而可成為優良的工程塑膠。在實用上,PPS往往需要補強。因此,PPS的等級配方對應用產品有很大的影響。


圖2.交連型的動態機械性質曲線

大日本油墨(Dainippon Ink & Chemicals Inc.)提供多種等級的PPS。其中包括交連型PPS及線型PPS的基本等級系列,超韌系列,合金與改質系列,自潤滑系列,導電系列及電子元件封裝 系列等。適當的選擇等級,PPS可適 用於許多不同的產品。

 

DIC的PPS的系列等級

DIC-PPS的系列等級如表1所示。而一些典型等級的PPS的性質如表2所示。

表1.DIC-PPS的系列等級分類

表2.一些典型等級的PPS的性質

 

PPS的機械性質

PPS的機械性質依等級配方而定。一些典型等級PPS的機械性質如表2所示。一般而言,交連型PPS的剛性較高,線型PPS的韌性較佳。添加了填充劑或補強纖維後,斷裂伸長率大幅降低,但模數大幅提高。補強纖維的存在提高了機械強度,其中,碳纖維補強級顯現佳的機械強度。

填充劑雖可提高模數,但其對機械強度的補強不如玻璃纖維。譬如說含40%玻璃纖維的FZ-2140的抗張強度為180MPa,抗張模數為14,000 MPa,而含玻璃織維及填充劑的FZ-6600的抗張張強度為130MPa,抗張模數為時18,500 MPa。由此可看出填充劑對提高模數似乎較為有效。

作為耐高溫工程塑膠,高溫下的機械性質也是很重要的。溫度對PPS的機械性質的影響很大(見圖1)。然而,補強級PPS在高溫下仍可維持優良的機械性質。圖3顯示溫度對一些補強級PPS的抗張強度的影響。補強級PPS的抗張強度隨溫度的上升而明顯下降,但在180 ℃時,補強級PPS仍具有一定水準的抗張強度。一些補強級PPS在不同溫度下的曲折模數如圖4所示。圖4也顯示出Tg所扮演的角色。


圖3.溫度對一些補強級PPS的抗張強度的影響

PPS的Tg約為90°C,由圖4可看出,在Tg之下,補強級PPS的曲折模數隨溫度升高而緩慢降低,且維持相當高的值。在Tg以上,補強級PPS的曲折模數大幅下降。而高於140°C後,PPS的曲折模數的變化叉趨緩和。因此,設計時必須考慮曲折模數在Tg之下與Tg之上的大相逕庭。然而,PPS在140至200°C的溫度範圍間的曲折模數仍然相當高,足以當作結構材料。

補強纖維的引入使材料具有異向性(anisotropy),也就是說不同方向可能會有不同的機械性質。圖5為溫度對一些補強級PPS的TD(垂直於流動方向)曲折模數的影響。自圖4(流動方向;MD) 及圖5比較可看出TD曲折模數明顯比MD方向為低。另外,填充劑的引入有降低異向性的效果,因此含填充劑的PPS的等級如FZ-3600及FZ-6600可提供較佳的尺寸安定性。


圖4.溫度對一些補強級PPS的曲線模數的影響


圖5.溫度對一些補強級PPS的TD曲線模數的影響 

高分子材料具有黏彈性,在受外力之下其應變(strain)常會隨著時間而增大,此為蠕變現象(creep)。補強級PPS具有優良的耐蠕變性。由於交連型PPS的剛性較高,其耐蠕變性較相同配方的線型PPS為佳。

疲勞(fatique)可視為材料在連續的週期性負載下而造成機械性質的降低。在疲勞試驗中(ASTM D-671),試片持續地在某特定頻率下以方波形式加以延伸至預定的應力,再釋放至無延伸狀態。在此週期性負載下,觀察其敗壞所需的週數,其中,脆性敗壞或塑性變形等皆 可視為疲勞敗壞。

圖6及圖7為一些補強級PPS在不同溫度下曲折應力與造成敗壞的週數的關係圖。經107週數後未造成敗壞的最大應力值定為疲勞強度,其結果列於表3中。一般而言,疲勞強度僅約為靜態強度的20-25%。補強級PPS具有不錯的耐疲勞性。不過,含填充劑的PPS的等級如FZ-3600及FZ-6600顯現較低的疲勞強度,如表3所示。


圖6.FZ-1140及FZ-2140的曲折應力與造成敗壞的週數的關係圖


圖7.FZ-3600及FZ-6600的曲折應力與造成敗壞的週數的關係圖

表3. 一些補強級PPS的107週數疲勞強度(單位: MPa)

 

PPS的熱性質

整體而言,PPS具有優良的耐熱性。 一些不同等級PPS的的熱變形溫度(HDT)如表2所示。PPS純樹脂的HDT約為110°C,然而,纖維補強級的HDT可高達265°C。從補強級PPS的HDT的觀點來看,PPS的耐熱性可說相當優良。

依據UL746B,PPS試片在不同溫度下進行熱老化一段時間後測其性質(如介電強度,抗張強度及耐衝擊強度等)。由熱老化試驗的結果可求得經過100,000小時後材料的性質掉到原來的50%所相應的溫度,此溫度便是UL相對溫度指數,或稱為連續使用溫度。一些補強級PPS的不同條件下的UL連續使用溫度如表4所示。補強級PPS的UL連續使用溫度可達200-240°C,可說是相當的優良。

表4.補強級在不同條件下的UL連續使用溫度(℃)

溫度對一些補強級PPS的線性熱膨脹係數的影響如圖8所示。很明顯的可看出PPS的熱膨脹係數在Tg以上會以較快的速率增高。另外,補強纖維的引入使材料具有異向性,使得TD膨脹係數明顯高於MD。

當TD與MD膨脹係數差異越大,表示異向性越高。由圖8比較可看出填充劑的引入有降低異向性的效果。換言之,含填充劑的PPS的等級如FZ-3600及FZ-6600可提供較佳的尺寸安定性。


圖8.溫度對一些補強級PPS的線性熱澎脹係數的影響

 

PPS的燃燒性

PPS本身的化學結構相當穩定,而且含有阻燃性的元素:硫,因此,PPS具有優異的耐燃性。將試片點燃,調整氧氣與氮氣的流速觀察燃燒情形。而剛好讓試片持續燃燒的氧氣濃度便是極限氧氣指數,其值越高,表示耐燃性越佳。純PPS的極限氧氣指數可高達44,也就具有優良的耐燃性。含填充劑或玻璃纖維的PPS的極限氧氣指數更高,其耐燃性更佳。   

純PPS如FZ-2200-AS在厚度為0.8mm時便可通過UL-94 V-O級。基本上,除了少數等級如超韌系列Z-240之外,各種等級PPS的UL94燃燒性都是屬於V-0級,在UL 94燃燒性中已是最佳的等級了。超韌系列PPS含有一些增韌劑,會犧牲一些耐燃性。

 

PPS的電氣性質

純PPS及未添加導電物的PPS等級皆具有優良的電氣絕緣性質,如表2所示。添加碳纖維的PPS等級則有相當低的體積電阻係數。

溫度對PPS的體積電阻係數似乎有很大的影響,如圖9所示。溫度上升,體積電阻係數有下滑的趨勢。另外,吸溼也會使PPS的體積電阻係數降低,如圖10所示。比較特殊的地方是線型PPS的體積電阻係數較不受溼氣的影響,如圖10所示。換言之,線型PPS等級FZ-2140或FZ-6600較交連型PPS顯現更穩定的電氣絕緣性。

一些等級PPS的其他電氣性質如表2所示。溫度及頻率對PPS的介電常數及介電消散因子tanδ的影響如圖11所示。在廣泛的溫度與頻率範圍下,FZ-1140等PPS等級顯現穩定而相當低的介電常數以及介電消散因子,這對高頻及高密度電子零件的應用是有利的。


圖9.吸溼溫度對FZ-1140及FZ-2140的體積電組係數的影響


圖10.溫度對FZ-1140及FZ-2140的體積電組係數的影響


圖11.溫度及頻率對FZ-1140的介電常數及介電消散因子tanδ 的影響

 

PPS的耐化學性

PPS具有優良的耐化學品性。PPS 對醇類,酮類,甲萃,酯類等有機溶劑,汽油,潤滑油,無機鹽水溶液,一些無機稀酸及稀鹼等皆有優良的耐受性。即使在較高溫度下,PPS對這些化學品仍有良好的耐受性。基本上,PPS在200℃以下並不會被溶解。

其有氧化能力的強酸如硝酸會使PPS分解。PPS可能會受到一些強酸如硝酸,苯磺酸,氯磺酸,濃鉻酸,甲酸,氫溴酸,氫氟酸,硫酸,王水(Aqua Regia)等強酸的攻擊。一些活性很強的試劑如氟,氯,溴,碘,氯化鐵等也會攻擊PPS。濃鹽酸會使PPS與玻璃織維之間的鍵結弱化,而造成配料的機械性質降低。

PPS的吸水率很低,且PPS不會受到水或高壓水蒸氣的化學攻擊,因此具有優異的耐水解性。在高溫及高壓下,PPS在或水蒸氣中經歷長時間後仍可維持相當高水準的機械性質。不過,吸濕後PPS的尺寸安定性,機械性質及電氣性質可能會受到少許影響,其影響程度依吸水率而定。溫度提高會使PPS的吸水率增高。有趣的是線型PPS在高溫高濕度下的吸水率明顯要較交連型PPS為低,所以線型PPS的體積電阻係數較不受溼氣的影響(見圖10)。

 

PPS的耐候性

  
PPS的耐候性還算不錯。PPS暴露於紫外線下經一段時間之後,可能造成表面微小破裂以及變色。然而,此種老化所造成的機械強度損失很小。

 

PPS的加工

 
PPS可利用大部份的螺桿式射出成型機來加工。對於玻璃纖維補強級PPS,射出成型機螺桿及料筒以及模具的製造材料宜選用耐磨損材料,以保護機器以及模具免於快速磨損。   

PPS的典型的射出成型條件如表5所示。

對大部份的應用,300-340°C的射出溫度應己合適。

模溫對於PPS成品的結晶度的影響很大。PPS為半結晶性聚合體,欲使其具有較佳的物性,模溫至少要120°C。較適當的模溫範圍為130-150°C。若使用低模溫時,應避免80-100°C的範圈,此模溫範圍可能降低脫模性。

PPS的結晶或固化速率快,射速應調快(高速)以免造成成品不均勻或表面品質不良。適當的充填時間(filling time)可設定為0.5-1.5秒。

由於射速使用高速,高射壓往往是需要的。保壓(holding pressure)可設定為50MPa或高一點。

螺桿轉速不宜過高,以免破壞玻璃纖維。螺桿轉速可設定為低速至中速。背壓宜低,合適的背壓為1-4 MPa。

中斷或結束加工操作,關機之前可利用清洗料將機器中的PPS清除 (purging)。適當的清洗料為高分子量聚乙烯。

表5.PPS的典型的射出成型條件

 

PPS的應用

整體而言,PPS具有優良的耐高溫性及高溫機械性質,優異的耐燃性、耐化學品性以及電氣絕緣性,而成為受到注目的耐高溫工程塑膠。DIC的PPS有許多不同等級而可適用於許多不同的應用產品。DIC-PPS的重要應用領域有電子/電氣零件,精密光電零件,汽車零件以及特殊工業零件與機械零件等。

(1)電子/電氣零件

PPS具有優良的耐溫性,優良的機械性質以及優異的耐燃性、耐化學品性以及電氣絕緣性。在尼龍中,ARLEN的吸水率亦屬較低者。此外,PPS在高溫下具有優良的尺寸安定性。這些特性使得PPS可廣泛地應用於電子/電氣零件。典型的應用例子如電子連接器,IC封裝零件,硬碟線圈零件,事務機(影印機、印表機、傳真機、掃瞄器等)乾燥加熱器零件,行動電話零件,照明器具零件,燈具反射板,電動馬達零件與絕緣,電磁閥,微波爐零件,熱水瓶幫浦零件,暖爐出風口葉片,馬達電刷零件以及變壓器零件等。

(2)精密光電零件

優良的尺寸安定性及高剛性使PPS可應用於精密光電零件。典型的應用例子如CD,CD-ROM及DVD用零件。

(3)汽車零件

由於PPS具有優異的耐化學品性,優良的機械性質以及耐溫性,使其可廣泛地應用於汽車零件。典型的應用例子如汽車用電子連接器,引擎蓋下的各種零件,汽車感應器零件,方向盤電磁閥,汽車空調幫浦零件,汽車空調冷媒配管固定器,點火線圈零件,汽車電源控制 器,以及各種汽車用電子零件等。

(4)工業零件與機械零件

由於PPS具有優異的耐化學品性,優良的機械性質以及耐溫性,且DIC-PPS還有一些自潤滑等級可供選擇,使其可廣泛地應用於工業零件與機械零件。典型的應用例子如齒輪,幫浦 零件,幫浦外殼與葉片,閥,過濾器零件,熱水管閥與接頭(joints) ,冷熱水控制器,冷媒配管零件,手錶機心座以及精密機械零件等。