塑胶件断裂原因（原来是忽略了环境中的四大因素）

关于作者：钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。 2020年即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。

导读

塑胶材料正在大规模的替代金属材料，在我们的生活中塑胶材料谁处可见，例如：我正在用于打字的键盘、以及显示器外壳、音响、打印机和复印机等等，甚至连汽车引擎的大部分零部件都是塑胶材料。

▲汽车引擎

这很容易让人误以为塑胶材料的性能已经足够强大，以致于在产品设计时对塑胶件的材料选择和产品设计没有做更多的考量；

或者认为塑胶件同金属零件类似，注塑加工后的塑胶件在长期的使用过程中，性能不会发生大的变化。（注：金属零件在长期使用过程中性能也会变化，只不过没有大多数的塑胶件明显）

这种错误认识的后果是塑胶件在使用时因为使用环境中各种因素影响造成性能下降，不符合使用要求，甚至使得产品功能失效。这一点对于是对于热塑性塑料更加明显。

▲塑胶件失效

塑胶件在使用过程中影响性能的主要因素包括温度、化学物质、辐射和时间，我们称之为塑胶件性能的四大杀手。

1 杀手1：温度

所有热塑性塑料，包括PC、ABS、PBT和尼龙等，都会在一定温度下软化和熔化。不同塑料的熔化温度高低存在差别。但是，即使在较低的温度下，热塑性塑料长期暴露在受热的环境中也会对性能造成比较大的负面影响。

首要原因是热量会造成塑料分子链的断裂，造成塑料分子量下降，从而使得性能降低。性能降低主要体现在弹性和韧性上，其它性能也会受到影响。

▲分子链断裂

塑胶材料开始降解的温度点因材料而已，取决于聚合物的化学族，及其涉及的化学机理（氧化、解聚等）。有时，这种降解可以通过添加热稳定剂来减少减少。但是，降解依然仍会发生；只是在较高的温度下，以较低的速率发生。

▲ 平板电脑外壳因为内部温度过高而发生变形

而如果环境温度过高，这会造成塑胶件变形、熔化甚至产生火灾。

▲ 手机充电器因为过热而完全损坏

▲ 笔记本充电器因为过热变形而完全损坏

▲ 手机充电器因为过热而熔化

2杀手2：化学物质

同很多其它材料一样，热塑性塑料也非常容易被化学攻击。一想到化学物质，我们首先想到的诸如酸、溶剂（例如油漆和油漆稀释剂、丙酮和甲苯）、汽油和燃料、或者洗涤剂和清洁剂等有气味、有腐蚀性的东西。

但是，我们在日常生活中遇到的各式各样的东西中也有化学物质，从防晒乳液到保湿霜，再到润唇膏，甚至水。

我们经常认为水是一种惰性物质，但对于某些物质，如生铁，接触水会立即引起化学反应。

幸运的是，大多数热塑性塑料不与水发生化学反应。

但也有一些热塑性塑料，如尼龙可以吸水。这种吸收过程是完全可逆的，使材料膨胀，也起到增塑剂的作用，使材料更硬、更柔韧、更延展，同时降低其机械强度。

▲ 不同牌号的尼龙在吸水后弯曲模量的保持率

还有一些塑料，例如PBT，在高温下容易水解。这是由于PBT含有酯键，在高于其玻璃化转变温度的温度下置于水中会发生酯键断裂，水解形成的酸性环境使水解加速反应，性能急剧下降。

我曾经使用过一款PBT塑料，在经过双85试验1000个循环之后，塑胶件内部差不多已经变成面粉，只需轻微用力，就可以把零件掰开。

当然，可以在PBT中添加水解稳定剂等方法来避免这个问题的发生。已经有很多商用的耐水解PBT塑料。

热塑性塑料是否会受到化学攻击或者影响程度如何取决于三大因素。

第一因素最重要的是塑料是否与这种化学物质发生反应。它可能完全不受这种化学物质的影响。也可能在低温下不受影响，但受高温暴露的影响。

第二因素是化学物质的相对浓度；暴露是长期恒定的还是间歇的；以及暴露的持续时间。

第三因素是化学机制。这种化学物质是起塑化剂的作用，如果是，它是可逆作用，还是永久作用？这种化学物质会引起氧化反应、塑料降解或只是表面变色吗？

▲ CPVC管子因为与不兼容的密封胶接触而发生破裂

3 杀手3：辐射

影响热塑性塑料的另一个最终使用条件是辐射。大多数人认为辐射这个词与放射性有关，放射性是一种在核衰变过程中释放粒子和能量的物质。但辐射是一个更宽泛的术语，它描述了电磁波在太空中传播的过程。

电磁波是由电场和磁场组成的一种能量形式。这些波的波长可以小到1皮米（10-12米），大到100兆米（106米，或1000公里）。这种波长范围通常称为电磁光谱，从伽马射线（小于10皮米）开始，包括x射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。

这些波所携带的能量随着波长的增加而减少。伽马射线携带的能量最多，其次是x射线，然后是紫外线。在物理学中，电磁波被统称为“光”波，尽管术语“光”通常用于描述可见光，可见光是由波长大约在390到750纳米之间的电磁波组成的。

在选择热塑性塑料时，我们有时会关心热塑性塑料及其所含的添加剂是否会阻挡给定频率的电磁波，或在没有损失的情况下传输它们。例如，在光学应用中，我们通常希望可见光谱中的所有光都被传输，而不考虑其他波长。或者，对于太阳镜，我们可能想要阻挡一定数量的可见光，或者紫外线范围内的波长。或者，在电子屏蔽应用中，我们可能希望阻止电磁波在射频（RF）频谱的某个频带内的传输。

然而，我们也需要考虑电磁波对塑料聚合物本身的影响。基本上，我们把能量输入聚合物基质，特别是在光谱的低端（通过紫外线的伽马射线）。如果聚合物对这些波是透明的，能量就会通过。但是，如果聚合物阻止了这种传输，能量将被吸收，或者转化为热量，从而导致聚合物分子链断裂。

▲ PS塑料高分子膜在UV照射前后的变化

阳光对材料（所有材料，不仅仅是热塑性塑料）造成如此破坏的原因之一，是因为它不仅在可见光谱中包含电磁波，而且在红外和紫外光谱中也包含电磁波。长期、持续的阳光直射意味着材料会吸收大量的能量，通常会产生有害的影响。

▲ 家用电器在日光灯长期照射下颜色变黄

▲ 汽车仪表盘在长期阳光暴晒下破裂

4杀手4：时间

俗话说：时间是一把杀猪刀，刀刀致命！

对塑胶件来说，也是如此！

随着时间的推移，尤其是与一个或多个因素结合，几乎总是会导致塑胶材料性能的损失。实际上，用于评估环境影响的大多数测试数据都是使用时间作为变量创建的。

例如，高温老化试验用于评估长期暴露在高温下的后果，定时对对某些机械性能（如抗拉强度）的测量，可以反映出性能随时间的变化。

以类似的方式，耐候性测试通常用于评估暴露于室外环境的长期影响。这些测试通常涉及在数天、数周、数月或数年内测量的温度、化学和辐射（主要是紫外线）效应的组合。

而这些测试可能随着塑胶件的应用区域不同而包括不同的因素：例如，某些地区的风化测试需要针对干燥环境中的高热和高紫外线，而某些地址的风化测试则针对亚热带环境中的高湿度和高紫外线，有时还会附加盐雾的影响。虽然这些测试通常都是以一定加速因子进行，但其目的是预测在数月和数年的暴露中的塑胶件长期性能。

为了评估暴露于上述条件之一的影响，需要测量对比塑胶件暴露前后的性能数据。因为性能数据的任何变化都将是显而易见的，于是就可以很容易地预测对性能的影响。

▲ 塑胶件暴露在冷、热、刹车油和阳光等环境中三十年后的效果

题外话：

俗话又说：“时间是治愈一切创伤的良药，走过去，依然是晴天”。

时间会让人遗忘伤痛，同时也会让人遗忘过去的经验教训。

曾经不知道有多少次，我发现过去的成功经验在下一次产品设计中忘了运用，而过去犯过的错误在下一次产品设计中又犯了。

解决方法只有一个：把经验、把教训、以及把各类知识以书面化的形式整理和总结下来，这正是我过去十几年做过的、现在正在做、将来会继续做下去的一件事情。

参考资料：

1.Photodegradation and photostabilizationof polymers, especially polystyrene Yousif and Haddad SpringerPlus 2013, 2:398

2. Polyamide absorption charateristics EN(1508 R3)， http://www.kepital.com/
3. https://diffuserspecialist.com/uv-light-degrades-the-plastics-in-your-home-heres-what-you-can-do-about-it/

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钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。

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