工程塑料知識介紹大全,PE,POM,PC - 台部落
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所以,並非所有高分子聚合體均可作爲塑料的用途,事實上要看其分子量、分子結構、官能基、玻璃轉移溫度(Glass transition temperature ,簡稱Tg)等 ...
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工程塑料知識介紹大全,PE,POM,PC
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wilson_jiang
2020-02-2512:37
一、塑料的來源
塑料工業屬於高分子工業,是石化工業的一環,具有高度關聯性,是多層次加工特性之產業。
塑料是以石油或天然氣爲原料,經提煉、裂解成各種石化基本原料(單體)後,再經聚合反應(加成聚合或縮合聚合)而得的高分子樹脂。
各類塑料經過逐步加工衍生出各種下游製品,包括橡膠、塗料、接着劑、人造纖維、合成樹脂等。
二、塑料的定義
塑料是以石油或天然氣爲原料,經過合成反應而得到的高分子樹脂。
所謂高分子樹脂是指單體化合物經過聚合反應,聚合合成高分子聚合體,其分子量可達到數千甚至數百萬。
在高分子領域的分類上,分子量未達1000者稱爲低分子,介於1000~10000者稱爲準高分子或寡聚合體(Oligomer),大於一萬以上者稱爲高分子(Polymer)。
一般常用來做成型加工的塑料,其分子量大約在10000~1000000之間,而分子量低於一萬的寡聚合體則常用來做紡織用樹脂、塗料、接着劑、合成樹脂等。
所以,並非所有高分子聚合體均可作爲塑料的用途,事實上要看其分子量、分子結構、官能基、玻璃轉移溫度(Glass transition temperature ,簡稱Tg)等種種因素,塑料隨溫度與分子間鍵結而呈現玻璃態、橡膠態、熔膠態等變化。
塑 料 名 稱分 子 量 M/W.C
聚 乙 烯 PE4000
聚異丁烯 PIB17000
聚乙烯醇 PVA29200
聚苯乙烯 PS38000
壓克力 PMMA10400
三、塑料的種類
一般而言,塑料可大分爲兩大類:熱塑性塑料(Thermoplastic)及熱固性塑料(Thermosetting)。
熱塑性塑料在常溫下通常爲顆粒狀,加熱到一定溫度後變成熔融狀,將其冷卻後則固化成型,若再次加熱則又會變成熔融狀,可進行再次的塑化成型。
因此,熱塑性塑料可經加熱熔融而反覆固化成型,所以熱塑性塑料的廢料通常可回收再利用,即有所謂的「二次料」之稱。
熱塑性塑料分通用塑料(如PE、PP、PS、PVC、ABS等)、工程塑料(如PC、PA、POM、PBT、PPO、PPS、LCP等)和合金(如PC/ABS等)。
熱固性塑料則是加熱到一定溫度後變成固化狀態,即使繼續加熱也無法改變其狀態。
因此,熱固性塑料無法經再加熱來反覆成型,所以熱固性塑料的廢料通常是不可回收再利用的。
四、工程塑料的定義及其特性
工程塑料是指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料,是強度、耐衝擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。
日本業界將它定義爲“可以做爲構造用及機械零件用的高性能塑料,耐熱性在100℃以上,主要運用在工業上”,其性能包括:
1. 熱性質:玻璃轉移溫度(Tg)及熔點(Tm)高;熱變形溫度(HDT)高;長期使用溫度高(UL-746B);使用溫度範圍大;熱膨脹係數小。
2. 機械性質:高強度、高機械模數、低潛變性、強耐磨損及耐疲勞性。
3. 其它:耐化學藥品性、抗電性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。
被當做通用性工程塑料者包括聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、聚酰胺(尼龍, Polyamide, PA)、聚縮醛(Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM)、變性聚苯醚(Poly PhenyleneOxide, 變性PPE)、聚酯(PETP,PBTP)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)、聚芳基酯,熱硬化性塑料則有不飽和聚酯、酚塑料、環氧塑料等。
它們的基本特性爲拉伸強度均超過50Mpa,抗拉強度在500kg/cm²以上,耐衝擊性超過50J/m,彎曲彈性率在24000kg/cm²,負載撓曲溫度超過100℃,硬度、老化性優。
聚丙烯若改善其硬度和耐寒性,也可列入工程塑料的範圍。
此外,還包括較特殊者的強度弱、耐熱耐藥品性優的氟素塑料,耐熱性優的硅溶融化合物,以及聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺、Polybismaleimide、Polysufone(PSF)、PES、丙烯塑料、變性蜜胺塑料、BTResin、PEEK、PEI、液晶塑料等。
各工程塑料的化學構造不同,所以它們的耐藥品性、摩擦特性、電機特性等有所差異。
由於各工程塑料的成型性不同,因此有的適用於任何成型方式,有的只能以某種成型方式進行加工,這樣就造成了應用上的侷限。
熱硬化型工程塑料的耐衝擊性較差,因此大多添加玻璃纖維。
工程塑料除了聚碳酸酯等耐衝擊性大外,通常具有硬、脆、延伸率小的性質,但如果添加20~30%的玻璃纖維,則它的耐衝擊性將有所改善。
五、結晶性塑料的定義及其特性
結晶是指分子排列的規則,冷卻後成爲結晶構造。
一般塑料的結晶構造是由許多線狀、細長的高分子化合物組成的集合體,依分子成正規排列的程度,稱爲結晶化程度(結晶度),亦謂每條分子只有部分排列整齊,所以結晶性樹脂其實只有部分是結晶。
結晶部分佔有的比例,即爲結晶度。
而結晶化程度可用X線的反射來量測。
有機化合物的構造複雜,塑料構造更復雜,且分子鏈的構造(線狀、毛球狀、折迭狀、螺旋狀等)多變化,致其構造亦因成形條件不同而有很大的變化。
結晶度大的塑料爲結晶性塑料,分子間的引力易相互作用,而成爲強韌的塑料。
爲了要結晶化及規則的正確排列,故體積變小,成形收縮率及熱膨脹率變大。
因此,若結晶性越高,則透明性越差,但強度越大。
結晶性塑料有明顯熔點(Tm),固體時分子呈規則排列,強度較強,拉力也較強。
熔解時比容積變化大,固化後較易收縮,內應力不易釋放出來,成品不透明,成形中散熱慢,冷模生產後收縮較大,熱模生產後收縮較小。
相對於結晶性塑料,另有一種爲非結晶性塑料,其無明顯熔點,固體時分子呈不規則排列,熔解時比容積變化不大,固化後不易收縮,成品透明性佳,料溫越高色澤越黃,成形中散熱快,以下針對兩者物性進行比較。
結晶性塑料的特性如下:
1. 分子在結晶構造中緊密的靠在一起,所以結構就更堅實。
密度、強度、鋼度、硬度就增加,但透明度降低。
2.結晶性樹脂在熔點溫度時產生了急劇的比容下降,非結晶性樹脂比容在熔點溫度沒有急劇改變。
比容是指單位質量的體積,單位是/g。
結晶度依樹脂種類,冷卻速度而異,硬質聚乙烯結晶度高達90%,耐龍的結晶度僅20~30%左右。
冷卻速度愈慢,結晶度愈高。
A. 結晶性與非結晶性塑料的物性對比
物 性結晶性非結晶性 物 性結晶性非結晶性
比重較高較低耐磨耗性較佳較低
拉伸強度較高較低抗潛變性(Creep)較佳較低
拉伸模數較高較低硬度較硬較低
延展性或伸長率較低較高透明性較低較高
耐衝擊性較低較高加玻纖補強效果較高較低
最高使用溫度較高較低尺寸安定性較差較佳
脆 性較脆-翹曲性較易-
收縮率較高較低着色性較難較易
流動性(MI)較佳較低耐熱性較高較低
耐化學藥品性較高較低折動性較佳較差
B. 熱塑性塑料依結晶性與非結晶性區分
結晶性塑料非結晶性塑料
泛
用
塑
料聚乙烯
(Polyethylene, PE)
聚丙烯
(Polypropylene, PP)聚氯乙烯
(Polyvinyl Chloride, PVC)
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物 (Acrylonitrile-Butadene-Styrene, ABS)
通用級聚苯乙烯
(General purpose polystyrene,GPPS)
壓克力
(Acrylic Resin, PMMA)
泛
用
工
程
塑
料尼龍
(Polyamide, PA-6, PA-66, PA-46, PA-11, PA-12)
聚對苯二甲酸乙酯
(Polyethylenephthalate, PET)
聚對苯二甲酸丁酯
(Polybutylenephthalate, PBT)
聚縮醛
(Polyacetal, Polyoxy Methylene, POM)
變性
(,PPO)
聚碳酸酯
(Polycarbonate, PC)
變性氧化二甲苯
(Polyphenylene Oxide PPO)
特
殊
工
程
塑
料聚苯硫醚
(Polyphenylene Sulfide, PPS)
液晶
(Liquid Crystal Polymer, LCP)
聚二醚酮
(Polyether Ether Ketone, PEEK)
氟碳樹脂
(Polytetrafluorcethylene, PTFE)
聚氧苯甲酯
(Polyoxybenzylene, POB)
聚醚
(Polyphenylene Sulfide, PES)
聚諷
(Polysulfone, PSF)
聚芳香酯
(Polyarylate, U-Polymer, PAR)
聚醚酰亞胺
(Polyetherimide, PEI)
聚酰胺酰亞胺
(Polyamideimide, PAI)
六、塑料的性質
塑料雖有許多優良性質,但並非每一種塑料均能具備所有的優良性質。
材料工程師與工業設計家都必須深入瞭解各類塑料的性質,才能設計出完美的塑膠製品。
塑料的性質,大體可分爲基本物性、機械性質、熱性質、化學性、光學性及電氣性等六類,下文將逐項加以討論。
(一)基本物性
基本物性是指塑膠原料的基本物理性質,常見的有比重、假比重、粒徑、粘度、分子量、遊離單體含量、吸水率及透氣率。
1、比 重
比重是指物質密度與水密度的比值(水密度爲1),所謂密度是指單位體積的重量。
目前所知塑料中比重較輕的爲聚甲基戊烯(0.83),較重的爲鐵氟龍(2.3),其它的多在1左右。
比重可用來估算製品所需原料的重量,而要減輕塑料的用量或重量可採用發泡的方式解決。
比重的測定可依ASTM D792水中置換法測得。
2、分子量
一般化合物的分子量是不變的,而聚合體的分子量則是大小不均,所以必須採用平均值及分佈度表示。
常用的分子量表示法爲重量平均分子量MW及數目平均分子量MN,其比值MW/MN稱爲分子量分佈。
這些的測定可依ASTMD3598的膠粒穿透色層分析法得到。
3、黏 度 黏度常用來顯示膠塑體(Plastisol)及膠溶體(Organosol)的特性,一般可依ASTM D1823及ASTMD1824的方法測得。
4、假比重及粒徑分佈 這兩項常用來顯示塑料原料的顆粒大小及填塞緊密狀況。
粒徑分佈可依ASTMD1921的篩分法測得,假比重可依ASTM D1895的方法測得。
5、遊離單體(Free monomer)
遊離單體含量可表示樹脂聚合的程度,一般以?或ppm表示。
用做食品容器的塑料,或單體聚有毒性的塑料對遊離單體含量管制較嚴。
6、吸水率(Water absorption)
吸水率表示塑料吸收水份的程度。
其測量方法是將樣品烘乾後稱重,再浸入水中24或48小時,然後取出來再稱重,計算重量增加的百分比,即爲吸水率。
酚醛樹脂、尿醛樹脂、尼龍、纖維素樹脂等吸水率較高,PE、PP等吸水率較低。
一般吸水率大者,其機械強度與尺寸穩定性易受影響。
7、透氣率 透氣率表示塑料膜或塑料板氣體穿透難易的程度,可依ASTM D1434的方法測得。
8、熔融指數(Melt Flow Index,MI)
熔融指數,全稱熔液流動指數,是一種表示塑膠材料加工時的流動性的數值。
它是美國量測標準協會(ASTM)根據美國杜邦公司(DuPont)慣用的鑑定塑料特性的方法制定而成,其測試方法是先讓塑料粒在一定時間(10分鐘)內、一定溫度及壓力(各種材料標準不同)下,融化成塑料流體,然後通過一直徑爲2.1mm圓管所流出的克(g)數。
其值越大,表示該塑膠材料的加工流動性越佳,反之則越差。
最常使用的測試標準是ASTM D 1238,該測試標準的量測儀器是熔液指數計(MeltIndexer)。
測試的具體操作過程是:將待測高分子(塑料)原料置入小槽中,槽末接有細管,細管直徑爲2.095mm,管長爲8mm。
加熱至某溫度後,原料上端藉由活塞施加某一定重量向下壓擠,量測該原料在10分鐘內所被擠出的重量,即爲該塑料的流動指數。
有時您會看到這樣的表示法?MI25g/10min,它表示在10分鐘內該塑料被擠出25克。
一般常用塑料的MI值大約介於1~25之間。
MI愈大,代表該塑料原料粘度愈小及分子重量愈小,反之則代表該塑料粘度愈大及分子重量愈大。
(二)機械性質
機械性質是指塑料的各種機械性能強度,主要可分下列各項:
1、抗張強度(Tensile strength)及伸長率(Elongation)
抗張強度又稱抗拉強度,是指將塑膠材料拉伸到某一程度,所需力量的大小,通常以每單位面積多少力來表示,而其所拉伸長度的百分比即爲伸長率。
拉伸強度試片其拉伸的速度通常爲5.0~6.5mm/min。
詳細測試方法依ASTM D638。
Strain)。
2、彎曲強度(Flexual strength或Bending strength )
彎曲強度又稱折曲強度,主要用來測定塑料耐折的能力,可依照ASTMD790的方法測試,常以每單位面積多少力來表示。
一般塑料以PVC、美臘明樹脂、環氧樹脂及聚酯類彎曲強度爲佳。
玻璃纖維也常用來提升塑料的耐折性。
彎曲彈性率是指將試片彎曲時(測試方法如彎曲強度),在彈性範圍內,單位變形量所產生的彎曲應力。
一般彎曲彈性率越大,則表示該塑膠材料的剛性越好。
3、壓縮強度(Compressive strength)
壓縮強度是指塑料承受外來壓縮力的能力,其測試值可依照ASTMD695方法測定。
聚縮醛、聚酯、壓克力、尿權樹脂和美臘明樹脂在這方面性能較突出。
4、衝擊強度(Impact strength)
衝擊強度是指塑料受外力打擊所能承受的強度,其測試值可依照ASTMD256測試,其中有夏比(Charpy)法及艾氏(Izod)法兩種。
計算方法是將破壞試片所需的能量值除以試片的寬度。
一般塑料以PVC、PE、PP、ABS等衝擊強度較高。
5、硬度(Hardness)
一般塑料的硬度常採用Rock Well Durometer(洛氏硬度)及Shore Durometer(蕭氏硬度)法來測試。
其中Shore A常用來測定較軟的塑料,如TPE等彈性體或橡膠;Shore D則用來測定較硬的塑料;而Rock Well幾乎都是測定較硬之工程塑料或高性能工程塑料。
它們的公式換算爲Shore D + 50 = Shore A。
普通PE、MF、UF、FRP等塑料較硬,PE類較軟。
6、彈性係數(Modulus)
彈性係數是指塑料受外力作用變形後恢復原來形狀的能力,一般以應力對應變的比值表示。
彈性值愈大表示塑料材料的剛性(Rigidity)愈好。
(三)熱性質
熱性質是指塑料在溫度變化的影響下,各種形性改變的程度。
通常熱性質與塑料加工的關係最爲密切。
現將重要的項目分述如下:
1、玻璃轉移點(Glass Transition Point,Tg)
當塑料的溫度達到玻璃轉移點時,其分子鍵的分枝開始局部脈動,塑料便由玻璃狀變成橡膠狀。
也就是說,當聚合物的溫度在Tg時,會由較高溫下呈現的橡膠態,轉至低溫下所呈現的具堅硬易脆性質的玻璃狀。
結晶性塑料有明顯的Tg及潛熱值,聚合物是呈現橡膠態還是玻璃狀全視Tg與當時使用時的溫度而定,故Tg爲聚合物在使用上的重要指針。
以下列舉數種塑料的Tg值:
塑料名稱Tg (℃)
塑料名稱Tg (℃)
PVC (rigid)80~212聚碳酸酯
(Polycarbonate, PC)39~150
HDPE-120PET79
LDPE-120PBT20
Polypropylene, PP-10~-18PI410
聚苯乙烯
(Polystyrene, PS)63~112PPS85
PMMA100~120PSF190
ABS88~105PESF230
PA57PEEK143
聚縮醛
(Polyacetal, POM)-50~-85U Polymer190
PEI217~220PAI280
Nylon 650~59Nylon 6, 649~261
Nylon 4678聚乙烯
(Polyethylene, PE)
-120~-125
Polyvinyl chloride60~76Polysulfone146~273
聚丙烯
(Polypropylene, PP)-10~-18ASA104
HIPS100PES230
SAN100PU120
2、塑料的熔點(Melting Point,Tm)
塑料的熔點是指塑料由固體狀態變成熔融狀態時的溫度,此時結晶性塑料的比容顯着增加,此溫度又稱可加工溫度。
下表爲一些塑料的Tm值:
塑 料 名 稱Tm (℃)
塑 料 名 稱Tm (℃)
HDPE130~135PET250~265
LDPE107~120PBT225~230
Polypropylene, PP165~176POB450
PA220PEEK334
聚縮醛
(Polyacetal, POM)175~181PPS285~290
PTFE327Nylon 6215~225
Nylon 46295Nylon 11184~187
聚碳酸酯
(Polycarbonate, PC)220Nylon 12177~178
PMMA160Nylon 6, 6225~265
PVC (rigid)212Nylon 6, 10213
ACETAL160聚乙烯
(Polyethylene, PE)115~176
Nylon 6, 12210~220聚丙烯
(Polypropylene, PP)176
3、熱變形溫度(Heat distortion temperature,HDT)
熱變形溫度顯示塑膠材料在高溫受壓下能否保持不變的外形,一般用來表示塑料的短期耐熱性。
若考慮安全係數,短期使用的最高溫度應保持低於熱變形溫度10℃左右,以確保不致於因溫度而使材料變形。
最常用的熱變形測定法爲ASTM
D648試驗法,即將試片在一定壓力及一定加溫速度下,彎曲到一定程度時的溫度。
例如,在一標準試片(127×13×3mm)的中心,置放在455kPa或1820kPa負載下,並以2℃/min條件升溫直到變形量爲0.25mm時的溫度。
對非結晶塑料,HDT比Tg小10~20℃;對結晶塑料,HDT則接近於Tm。
通常加入纖維補強後,塑料的HDT會上升,因爲纖維補強可以大幅提升塑料的機械強度,以致在升溫的耐撓曲測試時,會呈現HDT急劇升高的現象。
下表列舉幾項常用塑料的熱變形溫度比較:
塑料名稱HDT1820Kpa(℃) 塑料名稱HDT1820Kpa(℃)
結晶性非結晶性
聚乙烯
(Polyethylene, PE)29~126硬質 PVC54~79
聚丙烯
(Polypropylene, PP)40~152聚苯乙烯
(Polystyrene, PS)63~112
PBT60~65ABS66~107
PET80~100壓克力 PMMA
(Acrylic Resin)68~99
尼龍6PA-663~80PPO100~128
Homopolymer POM125~136聚碳酸酯
(Polycarbonate, PC)39~148
Copolymer POM110H-PVC54~74
PI315~360PSF175
HDPE43~49PAR175
MDPE32~41PES205
尼龍6, 6PA-6, 662~261GPPS96
HDPE43HIPS96
LDPE32PS+20~30%GF103
尼龍6-10PA-6-1057AS88~104
尼龍6-12PA-6-1260Poly
(vinyl chloride)60~76
尼龍11PA-1155Polysulfone146~273
尼龍12PA-1255
4、熱膨脹係數(Heat Expansion coefficient)
熱膨脹係數是指塑料加熱時尺寸膨脹的比率,可依ASTM D696的試驗法測定。
由於一般塑料的熱膨脹係數比金屬大2~10倍,因此在設計模具、塑料與金屬並用的器具、塑料的鉗核物時,必須詳加考慮,以防止因內部應力而造成產品的龜裂變形。
5、收縮率(Shrinkage)
收縮率是指塑膠製品經冷卻、固化並脫模成形後,其尺寸與原模具尺寸之差的百分比,可依ASTM D955方法測得。
在塑料模具設計時,收縮率是首先必須考慮的,以免造成成形品尺寸的誤差。
因結構不同的關係,結晶性塑料與非結晶性塑料的收縮率存在明顯的差異。
一般地,結晶性塑料的收縮率比非結晶性塑料的收縮率大上好幾倍(如下表所示)。
同時有添加玻璃纖維或其它強化劑的塑膠材料,其收縮率可降低好幾倍。
影響成型收縮的因素有熱收縮、結晶度(熱塑性)或硬化度(熱固性)、彈性回覆、分子配向、與成型條件等因素。
(1)熱塑性塑料
塑料
名稱成形收縮率(%)
塑料
名稱成形收縮率(%)
塑料
名稱成形收縮率(%)
ABS0.3~0.8PA0.6~2.5POM0.8~3.5
AS0.2~0.7PA-60.5~2.2PP1.0~2.5
CA0.3~0.8PA-660.5~2.5PPO0.5~0.7
CAB0.4~0.5PA-6101.2PPS0.6~1.4
CAP1PA-6121.1PS0.2~1.0
CP0.4~0.5PA-111.2PVA0.5~1.5
EC0.4~0.5PA-120.3~1.5PVAC0.5~1.5
EPS0.4PAR0.8~1.0PVB0.5~1.5
FEP3.0~4.0PBT1.3~2.4硬質PVC0.1~0.5
FRP0.1~0.4PC0.4~0.7軟質PVC1.0~5.0
EVA0.5~1.5PCTFE0.2~2.5PVCA1.0~5.0
HDPE1.2~2.2PE0.5~2.5PVDC0.5~2.5
HIPS0.2~1.0PET2.0~2.5PVFM0.5~1.5
LCP0.1~1.0PES0.5~1.0SAN0.2~0.6
LDPE1.5~3.0PMMA0.2~0.8SB0.2~1.0
(2)熱固性塑料
塑料名稱成形收縮率(%) 塑料名稱成形收縮率(%)
EP0.1~0.5SP0.0~0.5
MF0.5~1.5UF0.6~1.4
PDAP0.1~0.5UP0.1~1.2
PF0.4~0.9DAP0.1~0.5
PU0.6~0.8BMC0.0~0.2
(3)各類塑料對超音波融接的難易
材 質適宜融着技術的難易強 度
PS(一般用)優優優
Polyester
(tetoron dacron)優優優
AS良良優
ABS良良良
PC良良優
Polyactal
(Delrin,Duracon)良良優
亞克力
(Acrylic)可可可
PVC
(硬質)可可良
PP不可可良
PE不可不可不可
Polyamide
(尼龍)不可不可不可
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- 2【韩国工程塑料TG-63】POM TG-63注塑温度_TG-63成型 ... - PBT塑料
POM TG-63经销商提供的工程塑料TG-63注塑温度,TG-63注塑温度,TG-63缩水率、流动性等数据参数!
- 3塑料的四個特徵溫度及常用塑料玻璃化溫度、熔點、分解溫度參考
玻璃化溫度Tg:指無定型聚合物(包括結晶型聚合物中的非結晶部分)由玻璃態 ... POM的密度為1.41~1.425,原料顆粒具有磁質感覺,通常乾燥溫度為80℃, ...
- 4玻璃轉移溫度Glass transition temperature - SMARTMolding
玻璃轉移溫度(Tg) 會因不同塑膠種類而異,玻璃轉移溫度(Tg) 主要是由塑膠的微觀分子鏈結構所決定,分子鏈結構越柔軟、越容易運動(ex. 曲折、旋轉、振動等 ...
- 5夺钢® POM成型技术- 成型加工特性- 热稳定性 - Polyplastics
成型加工特性. 6.4 热稳定性. 6.4.1 因料筒内滞留而引起的物性变化. 图6-16 成型机料筒内滞留时间与物性. 6.4.2 分解开始温度. 用DSC(差式扫描热量仪)及TG(热天平) ...