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塑料的沖擊性能和塑料的韌性
塑料的沖擊性能和塑料的韌性
在某些塑料中，沖擊強(qiáng)度低是一個(gè)很大的弱點(diǎn),例如 PVC、PS、PP 等。尤其是 PVC 性脆,在光照下降解，加工溫度下發(fā)生熱降解,幾乎成為一種無用的材料。 但是,在 PVC 中加入改性劑，就可變成為可以接受的材料。通過在 PVC 中加入大量的增塑劑就可以獲得極廣泛的用途。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了軟質(zhì)塑料 和硬質(zhì)塑料，當(dāng)時(shí)的塑料要么柔而軟，要么硬而脆。軟質(zhì)塑料使用壽命短，由于增塑劑的揮發(fā)和材料在大氣中老化降解而變脆成為硬質(zhì)塑料。而硬質(zhì)塑料因 為缺乏足夠的韌性給塑料工業(yè)帶來毀滅性的威脅，塑料工業(yè)就要開始發(fā)展革新性的產(chǎn)品。開發(fā)高分子量和低揮發(fā)量、或低抽取性的增塑劑挽救了軟質(zhì)和硬質(zhì) 塑料制品，主要是苯乙烯類的產(chǎn)品開發(fā)。它們因開發(fā)在聚合物結(jié)構(gòu)中引入橡膠組分的技術(shù)獲新生。 塑料添加劑的開發(fā)，可改善塑料生產(chǎn)工藝和提高產(chǎn)品性能。其中增塑劑、穩(wěn)定劑、沖擊改性劑是有利于塑料沖擊性能的改善。以下就材料的韌性和剛性及 反映材料韌性的沖擊性能的測(cè)試作一些敘述。
1. 韌性和剛性 韌性和剛性是對(duì)立的概念。在力學(xué)中有剛度和柔度兩個(gè)物理量。“剛度”是指物體發(fā)生單位形變時(shí)所需要的力 的大小;“柔度”則指物體在單位力下所發(fā)生的形變大小。 可以看出, “剛度”越大的物體,越不容易發(fā)生變形(表現(xiàn)在伸長率很小); “柔度”越大的物體越容易發(fā)生變形 (表現(xiàn)在伸長率較大)。一種理想狀態(tài)，物體的剛度趨近于無窮大(或者物體受力作用其變形小到可以忽略的程度)，我們就稱該物體為剛體。在力學(xué)分析時(shí),可以 不考慮其自身形變。因此,剛性是反映物體形變難易程度的一個(gè)屬性。 韌性的材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長率、抗沖擊強(qiáng)度較大；硬度、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量相對(duì)較小。而剛性材料它的硬度、拉伸強(qiáng)度較大；斷裂伸 長率和沖擊強(qiáng)度就可能低一些；拉伸彈性模量就較大。 彎曲強(qiáng)度反應(yīng)材料的剛性大小，彎曲強(qiáng)度大則材料的剛性大，反之則韌性大。在 ASTM D790 彎曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中說，這些測(cè)試方法適合于剛性材料也 適合于半剛性材料。未說它適合于韌性材料，所以韌性很大的彈性體是不會(huì)去測(cè)試彎曲強(qiáng)度的。以上說的韌性和剛性與測(cè)試的力學(xué)性能關(guān)系是相對(duì)的。可能 會(huì)出現(xiàn)意外。例如用玻纖增強(qiáng)塑料后，它的剛性變大，但也可能出現(xiàn)拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都增加的可能。 在沖擊,震動(dòng)荷載作用下,材料可吸收較大的能量產(chǎn)生一定的變形而不破壞的性質(zhì)稱為韌性或沖擊韌性。建筑鋼材(軟鋼)、木材、塑料等是較典型的韌性材料。 路面、橋梁、吊車梁及有抗震要求的結(jié)構(gòu)都要考慮材料的韌性。剛性和脆性一般是連在一起的。脆性是指當(dāng)外力達(dá)到一定限度時(shí),材料發(fā)生無先兆的突然破壞, 且破壞時(shí)無明顯塑性變形的性質(zhì)。脆性材料力學(xué)性能的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度,破壞時(shí)的極限應(yīng)變值極小。磚、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、鑄鐵等 都是脆性材料。與韌性材料相比,它們對(duì)抵抗沖擊荷載和承受震動(dòng)作用是相當(dāng)不利的。 作為工程塑料，我們希望它同時(shí)具有良好的韌性和剛性。在改善材料的韌性時(shí)，還應(yīng)設(shè)法提高剛性。一般加入彈性體可增加韌性，加入無機(jī)填料可增加剛 性。最有效的方法是將彈性體的增韌和填料的增強(qiáng)結(jié)合起來。
2. 塑料沖擊改性劑 抗沖擊性能差是工業(yè)上某些重要塑料的性能缺陷。如 PVC、PS、PP 等，尤其在低溫時(shí)因抗沖擊性能太低而使其應(yīng)用受到限制。然而在熱塑性塑料中，通過 添加“沖擊改性劑”就能大大提高它們的抗沖擊性能。
如下圖：
沖擊強(qiáng)度：KJ/M2
從上圖可見 PA 的抗沖擊性能最好;其次是 PC。PP、PVC-HI、PMMA、PS、PA 添加沖擊改性劑后,抗沖擊性能大大提高。ABS、PA、PC 即使不加抗充擊改性劑 的抗沖擊性能也較大。其中 PMMA 和 PC 都是透明材料,PMMA 的剛性好,脆;PC 的韌性好,不脆。無改性劑的 PS 抗沖擊性能較差,我們?cè)?jīng)為客戶測(cè)試過加入改 性劑的 PS 產(chǎn)品，抗沖擊性能提高許多。 沖擊改性劑的品種很多，常用的有 ACR-丙烯酸酯類樹脂、MBS-甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、CPE-氯化聚乙烯、ABS、EVA、EPT-三元乙丙膠等。 從制品的改性效果來看，ACR 是綜合性能最好的一類，MBS 是透明制品重要的沖擊改性劑,在全球沖擊改性劑市場(chǎng)中占有重要地位。
3. 沖擊改性劑對(duì)其他性能的影響 沖擊改性劑雖然可以提高沖擊強(qiáng)度，但對(duì)其他機(jī)械強(qiáng)度有不利的影響。如 MBS 加入 PVC 中使拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度下降。ACR 的加入，也會(huì)使 HPVC-高分子 量 PVC 的拉伸強(qiáng)度、硬度和維卡耐熱性有所下降。CPE 的加入，也使共混物的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、維卡軟化點(diǎn)下降。所以使用沖擊改性劑時(shí)，必須兼顧其他 性能，予以綜合考慮。以確定合適的用量。 為使通用塑料工程化， 在改善韌性的同時(shí),設(shè)法提高剛性。 我看到有文章介紹， 采用 PPB(嵌段聚丙烯)為基礎(chǔ)樹脂,用 POE-聚乙烯辛烯共彈性體為增韌劑， HDPE 協(xié)同增韌，用 MMT-納米級(jí)蒙脫土作為增強(qiáng)劑。這樣就可以達(dá)到既增強(qiáng)又增韌的目的。
4. 拉伸應(yīng)力 應(yīng)變曲線 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線 從應(yīng)力應(yīng)變曲線上也可看出脆性或韌性材料，見下圖
曲線 B1 是常見的曲線,屈服強(qiáng)度等于拉伸強(qiáng)度。我們給客戶測(cè)試時(shí)常出現(xiàn)如此曲線。高韌性的材料其拉伸強(qiáng)度高于屈服應(yīng)力，曲線 B 就是拉伸強(qiáng)度高于屈服應(yīng) 力，我們?cè)诮o供應(yīng)商測(cè)試加了沖擊改性劑的 PS 材料時(shí)，就出現(xiàn)了曲線 B 的現(xiàn)象。該材料比 PS 的沖擊強(qiáng)度提高許多，是高韌性材料了。 在 GB/T9341-2000 塑料彎曲試驗(yàn)方法中：只有具有線性應(yīng)力-應(yīng)變特性的材料。其彎曲性能才能作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)，而非線性材料的彎曲性能僅是公稱值。 對(duì)于脆性材料，即難于作拉伸試驗(yàn)的材料，最好采用彎曲試驗(yàn)。
5. 塑料抗沖擊性能測(cè)試 塑料抗沖擊性能試驗(yàn)是在沖擊負(fù)荷作用下測(cè)定材料的沖擊強(qiáng)度。沖擊強(qiáng)度用于評(píng)價(jià)材料抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性或韌性程度。因此沖擊強(qiáng)度也稱 沖擊韌性。塑料的沖擊韌性在工程應(yīng)用上是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它反映不同材料抵抗高沖擊而致破壞的能力。ISO179 是塑料-簡支梁沖擊性能的測(cè)定的國際 標(biāo)準(zhǔn)。它在第 1 章范圍內(nèi)說：該方法用于在規(guī)定的沖擊條件下研究指定類型樣品的性能,同時(shí)為了在內(nèi)部固有限制的試驗(yàn)條件下評(píng)估樣品的脆性或韌性。 對(duì)于高分子材料沖擊強(qiáng)度常常受到溫度、濕度、沖擊速度、試樣的幾何形狀以及應(yīng)力方式等影響，因此抗沖擊性能試驗(yàn)只是該材料在試驗(yàn)方法規(guī)定的條件 下的沖擊韌性，沒有絕對(duì)的物理意義。在試樣的幾何形狀和測(cè)試儀器確定下來以后，測(cè)試時(shí)的溫度和濕度對(duì)沖擊性能有較大的影響。一般溫度高時(shí)材料韌性 好，低溫時(shí)材料發(fā)脆，沖擊強(qiáng)度會(huì)下降。對(duì)于以吸濕的材料，測(cè)試時(shí)的濕度對(duì)沖擊強(qiáng)度也有影響，例如尼龍吸濕性比較強(qiáng)，在濕度大的添加下，沖擊強(qiáng)度會(huì) 變大。 沖擊試驗(yàn)的方法很多，依據(jù)試驗(yàn)溫度分：有常溫沖擊、低溫沖擊和高溫沖擊三種，我們技術(shù)中心只有常溫沖擊；依據(jù)試樣首例狀態(tài)，可分為彎曲沖擊-簡支 梁和懸臂梁沖擊、拉伸沖擊、扭轉(zhuǎn)沖擊和剪切沖擊，我們只有彎曲沖擊-簡支梁和懸臂梁沖擊；依據(jù)采用的能量和沖擊次數(shù)，可分為大能量的一次沖擊(簡稱一 次沖擊試驗(yàn)或落錘沖擊試驗(yàn))和小能量的多次沖擊試驗(yàn)(簡稱多次沖擊試驗(yàn))。不同材料或不同用途可選擇不同的沖擊試驗(yàn)方法。并得到不同的結(jié)果，這些結(jié)果 是不能進(jìn)行比較的。一次沖擊性能試驗(yàn)得不到表征該材料的固定參數(shù)。在這兒僅介紹簡支梁和懸臂梁沖擊試驗(yàn)。 在沖擊負(fù)荷下測(cè)定材料的沖擊強(qiáng)度.用于評(píng)價(jià)材料抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性或韌性程度.在工程應(yīng)用上是一項(xiàng)重要指標(biāo),反映不同材料抵抗高速?zèng)_擊
而至破壞的能力. 簡支梁用于硬質(zhì)塑料;使用簡支梁沖不斷的材料,使用懸臂梁沖擊就顯得特別重要。對(duì)于完全不破壞的試樣不報(bào)告數(shù)值,用 NB 表示。無缺口與有缺口計(jì)算公式 不同,前采用試樣寬度,后采用試樣缺口底部的剩余寬度。 測(cè)得完全破壞和鉸鏈破壞值計(jì)算平均值,部分破壞值以 P 表示.紀(jì)錄破壞類型.規(guī)定厚度小于 3mm 的試樣不可做沖擊試驗(yàn)。沖擊測(cè)試的影響因素如下： 簡支梁: 簡支梁 原理: 使用擺錘一次沖擊支撐成水平梁的試樣,使之破 壞,沖擊線位于支座正中間,沖擊線對(duì)準(zhǔn)缺口,以沖擊前后 擺錘的能量差確定破壞時(shí)吸收的能量.試樣單位橫截面 積吸收的沖擊能表示沖擊強(qiáng)度(GB).吸收功/斷裂面積。 飛出功:沖擊過程產(chǎn)生的彈性變形,使試樣飛出.飛出功與 韌性無關(guān),有時(shí)占消耗的能量 40~50%,因此脆性小的材 料必須進(jìn)行修正,例如 PMMA。 試樣尺寸:厚度大,沖擊強(qiáng)度值越高,試驗(yàn)跨度大,沖擊強(qiáng) 度值也越高。 沖擊速度:對(duì)變形速度敏感的材料如 PVC,ABS,PF,UF,擺錘 的沖擊速度高時(shí)沖擊強(qiáng)度值反而降低,因此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定 沖擊速度為 2.9m/s 或 3.8m/s。對(duì)懸臂梁同樣有影響。 溫度.濕度.缺口半徑.缺口加工方法等因素對(duì)沖擊影響與 懸臂梁有共同之處。 懸臂梁: 懸臂梁 原理: 使用擺錘一次沖擊垂直固定成懸臂梁的試樣,測(cè) 量試樣破壞時(shí)吸收的能量.擺錘的沖擊線與試樣的夾具 和缺口的中心線相隔一定距離.數(shù)據(jù)也與截面積有關(guān)。 溫度:沖擊強(qiáng)度隨溫度降低而降低,規(guī)定測(cè)試溫度 23±2℃。 缺口的加工方式:注塑缺口較機(jī)械加工缺口強(qiáng)度高,前者 因收縮缺口尺寸變化,不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,選用后者. 濕度:吸濕大材料如尼龍,吸濕越多,沖擊強(qiáng)度越高,須控 制測(cè)試環(huán)境濕度. 試樣缺口底部的曲率半徑:曲率半徑越小沖擊強(qiáng)度值越 低. 試樣夾持力:夾持力過大沖擊強(qiáng)度一般偏低,夾持力過小 沖擊強(qiáng)度一般偏高,同一組試樣應(yīng)保持相同的夾持力.
沖擊試驗(yàn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有 ISO179 塑料-簡支梁沖擊性能的測(cè)定、ISO 180 塑料-懸臂梁沖擊性能測(cè)定、ASTM D256 塑料-懸臂梁沖擊性能測(cè)定。ISO 標(biāo)準(zhǔn)的沖擊強(qiáng) 度單位是 kJ/m2;ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的沖擊強(qiáng)度單位是 J/m。
