Effect of Temperature and Other Factors on Plastics and

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‫به نام خدا‬

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THE EFFECT OF TEMPERATURE AND OTHER FACTORS ON
PLASTICS AND ELASTOMERS
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THE EFFECT OF TEMPERATURE AND OTHER FACTORS ON
PLASTICS AND ELASTOMERS
Second Edition
Laurence W. McKeen
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Copyright © 2008 by William Andrew Inc.
No part of this book may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the Publisher.
Plastics Design Library and its logo are owned by William Andrew Inc. ISBN: 978-0-8155-1568-5
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
McKeen, Laurence W. The effect of temperature and other factors on plastics and elastomers/Laurence W. McKeen. — 2nd ed. p. cm. ISBN 978-0-8155-1568-5
1. Plastics–Thermal properties. 2. Plastics–Testing. 3. Elastomers–Thermal properties. 4. Elastomers–Testing. I. Title.
TA455.P5M3445 2007 620.1’9231–dc22 2007037328
Printed in the United States of America This book is printed on acid-free paper.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Published by: William Andrew Inc. 13 Eaton Avenue Norwich, NY 13815 1-800-932-7045 www.williamandrew.com
NOTICE To the best of our knowledge the information in this publication is accurate; however the Publisher does not assume any responsibility or liability for the accuracy or completeness of, or consequences arising from, such information. This book is intended for informational purposes only. Mention of trade names or commercial products does not constitute endorsement or recommendation for their use by the Publisher. Final determination of the suitability of any information or product for any use, and the manner of that use, is the sole responsibility of the user. Anyone intending to rely upon any recommendation of materials or procedures mentioned in this publication should be independently satisfied as to such suitability, and must meet all applicable safety and health standards.
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Dedicated to my wife Linda
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Contents

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv

1 Introduction to Plastics and Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Plastics and Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Polymerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.2 Copolymers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.3 Linear, Branched, and Cross-linked Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.4 Molecular Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.5 Thermosets vs. Thermoplastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.6 Crystalline vs. Amorphous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.7 Blends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.1.8 Elastomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.9 Additives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.9.1 Fillers and Reinforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.9.2 Combustion Modifiers, Fire and Flame Retardants, and Smoke Suppressants . 5

1.1.9.3 Release Agents, Lubricants, Slip, and Antiblocking Agents . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.9.4 Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.9.5 Impact Modifiers and Tougheners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.9.6 UV Stabilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.9.7 Antistatic Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.9.8 Plasticizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1.9.9 Pigments, Extenders, Dyes, Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.9.10 Coupling Agents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.9.11 Thermal Stabilizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Testing of Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1 Mechanical Property Testing of Plastics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1.1 Tensile Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1.2 Compressive Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1.3 Shear Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1.4 Flexural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.2 Impact Property Testingof Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.2.1 Izod Impact Strength and Charpy Impact Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.2.2 Gardner and Falling Dart Impact Strength. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.3 Thermal Property Testingof Plastics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2.3.1 Heat Deflection Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.3.2 Vicat Softening Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.3.3 Melt Flow Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.3.4 1.2.3.5 1.2.3.6

Glass Transition Temperature (Tg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Melting Point Tm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Coefficient of Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3 Principles of Plastic Product Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.3.1 Rigidity of Plastics Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.3.2 The Assessment of Maximum Service Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

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Contents

1.3.2.1 Assessment of Thermal Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.3.3 Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3.1 The Assessment of Impact Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.3.3.2 Time Dependent Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.3.3.3 Selection Guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Styrenic Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.1 Polystyrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.2 Acrylonitrile-Styrene-Acrylate (ASA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.1.3 Styrene-Acrylonitrile (SAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.1.4 Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.1.5 Styrene-Maleic Anhydride (SMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.1.6 Styrenic Block Copolymers (SBCs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.1.7 Blends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2 Polystyrene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3 Acrylonitrile-Styrene-Acrylate (ASA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.4 Styrene-Acrylonitrile (SAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.5 Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.6 Styrene-Maleic-Anhydride (SMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.7 Styrenic Block Copolymers (SBCs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.8 Styrenic Blends and Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Polyether Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.1.1 Polyoxymethylene (POM or Acetal Homopolymer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.1.2 Polyoxymethylene Copolymer (POM-Co or Acetal Copolymer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.1.3 Modified Polyphenylene Ether/Polyphenylene Oxides (PPE or PPO) . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2 Acetals—Polyoxymethylene POM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.3 Acetal-Copolymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.4 Modified PolypropyleneEther (PPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4 Polyesters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.1.1 Polycarbonate (PC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 4.1.2 Polybutylene Terephthalate (PBT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.1.3 Polyethylene Terephthalate (PET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.1.4 Liquid Crystalline Polymers (LCPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.1.5 Polycyclohexylene Dimethylene Terephthalate (PCT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.1.6 Polyester Blends and Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.2 Polycarbonate (PC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 4.3 Polybutylene Terephthalate (PBT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 4.4 Polyethylene Terephthalate (PET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 4.5 Liquid Crystalline Polymers (LCPs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 4.6 Polycyclohexylene Dimethylene Terephthalate (PCT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5 Polyimides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.1.1 Polyetherimide (PEI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 5.1.2 Polyamide-Imide (PAI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
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