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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，沖擊強度低是一個很大的弱點,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。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了軟質(zhì)塑料 和硬質(zhì)塑料，當時的塑料要么柔而軟，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試作一些敘述。
1. 韌性和剛性 韌性和剛性是對立的概念。在力學中有剛度和柔度兩個物理量。“剛度”是指物體發(fā)生單位形變時所需要的力 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。在力學分析時,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屬性。 韌性的材料比較柔軟，它的拉伸斷裂伸長率、抗沖擊強度較大；硬度、拉伸強度和拉伸彈性模量相對較小。而剛性材料它的硬度、拉伸強度較大；斷裂伸 長率和沖擊強度就可能低一些；拉伸彈性模量就較大。 彎曲強度反應(yīng)材料的剛性大小，彎曲強度大則材料的剛性大，反之則韌性大。在 ASTM D790 彎曲性能標準試驗方法中說，這些測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去測試彎曲強度的。以上說的韌性和剛性與測試的力學性能關(guān)系是相對的。可能 會出現(xiàn)意外。例如用玻纖增強塑料后，它的剛性變大，但也可能出現(xiàn)拉伸強度和沖擊強度都增加的可能。 在沖擊,震動荷載作用下,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。脆性是指當外力達到一定限度時,材料發(fā)生無先兆的突然破壞, 且破壞時無明顯塑性變形的性質(zhì)。脆性材料力學性能的特點是抗壓強度遠大于抗拉強度,破壞時的極限應(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,它們對抵抗沖擊荷載和承受震動作用是相當不利的。 作為工程塑料，我們希望它同時具有良好的韌性和剛性。在改善材料的韌性時，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,我們曾經(jīng)為客戶測試過加入改 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中占有重要地位。
3. 沖擊改性劑對其他性能的影響 沖擊改性劑雖然可以提高沖擊強度，但對其他機械強度有不利的影響。如 MBS 加入 PVC 中使拉伸強度和彎曲強度下降。ACR 的加入，也會使 HPVC-高分子 量 PVC 的拉伸強度、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度、彎曲強度、維卡軟化點下降。所以使用沖擊改性劑時，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,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-納米級蒙脫土作為增強劑。這樣就可以達到既增強又增韌的目的。
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,屈服強度等于拉伸強度。我們給客戶測試時常出現(xiàn)如此曲線。高韌性的材料其拉伸強度高于屈服應(yīng)力，曲線 B 就是拉伸強度高于屈服應(yīng) 力，我們在給供應(yīng)商測試加了沖擊改性劑的 PS 材料時，就出現(xiàn)了曲線 B 的現(xiàn)象。該材料比 PS 的沖擊強度提高許多，是高韌性材料了。 在 GB/T9341-2000 塑料彎曲試驗方法中：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)計的依據(jù)，而非線性材料的彎曲性能僅是公稱值。 對于脆性材料，即難于作拉伸試驗的材料，最好采用彎曲試驗。
5. 塑料抗沖擊性能測試 塑料抗沖擊性能試驗是在沖擊負荷作用下測定材料的沖擊強度。沖擊強度用于評價材料抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性或韌性程度。因此沖擊強度也稱 沖擊韌性。塑料的沖擊韌性在工程應(yīng)用上是一項重要的性能指標，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定的國際 標準。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,同時為了在內(nèi)部固有限制的試驗條件下評估樣品的脆性或韌性。 對于高分子材料沖擊強度常常受到溫度、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只是該材料在試驗方法規(guī)定的條件 下的沖擊韌性，沒有絕對的物理意義。在試樣的幾何形狀和測試儀器確定下來以后，測試時的溫度和濕度對沖擊性能有較大的影響。一般溫度高時材料韌性 好，低溫時材料發(fā)脆，沖擊強度會下降。對于以吸濕的材料，測試時的濕度對沖擊強度也有影響，例如尼龍吸濕性比較強，在濕度大的添加下，沖擊強度會 變大。 沖擊試驗的方法很多，依據(jù)試驗溫度分：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 次沖擊試驗或落錘沖擊試驗)和小能量的多次沖擊試驗(簡稱多次沖擊試驗)。不同材料或不同用途可選擇不同的沖擊試驗方法。并得到不同的結(jié)果，這些結(jié)果 是不能進行比較的。一次沖擊性能試驗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。 在沖擊負荷下測定材料的沖擊強度.用于評價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)用上是一項重要指標,反映不同材料抵抗高速沖擊
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。對于完全不破壞的試樣不報告數(shù)值,用 NB 表示。無缺口與有缺口計算公式 不同,前采用試樣寬度,后采用試樣缺口底部的剩余寬度。 測得完全破壞和鉸鏈破壞值計算平均值,部分破壞值以 P 表示.紀錄破壞類型.規(guī)定厚度小于 3mm 的試樣不可做沖擊試驗。沖擊測試的影響因素如下： 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,沖擊線對準缺口,以沖擊前后 擺錘的能量差確定破壞時吸收的能量.試樣單位橫截面 積吸收的沖擊能表示沖擊強度(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),有時占消耗的能量 40~50%,因此脆性小的材 料必須進行修正,例如 PMMA。 試樣尺寸:厚度大,沖擊強度值越高,試驗跨度大,沖擊強 度值也越高。 沖擊速度:對變形速度敏感的材料如 PVC,ABS,PF,UF,擺錘 的沖擊速度高時沖擊強度值反而降低,因此標準中規(guī)定 沖擊速度為 2.9m/s 或 3.8m/s。對懸臂梁同樣有影響。 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 量試樣破壞時吸收的能量.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:沖擊強度隨溫度降低而降低,規(guī)定測試溫度 23±2℃。 缺口的加工方式:注塑缺口較機械加工缺口強度高,前者 因收縮缺口尺寸變化,不符合標準要求,選用后者. 濕度:吸濕大材料如尼龍,吸濕越多,沖擊強度越高,須控 制測試環(huán)境濕度. 試樣缺口底部的曲率半徑:曲率半徑越小沖擊強度值越 低. 試樣夾持力:夾持力過大沖擊強度一般偏低,夾持力過小 沖擊強度一般偏高,同一組試樣應(yīng)保持相同的夾持力.
沖擊試驗的測試標準有 ISO179 塑料-簡支梁沖擊性能的測定、ISO 180 塑料-懸臂梁沖擊性能測定、ASTM D256 塑料-懸臂梁沖擊性能測定。ISO 標準的沖擊強 度單位是 kJ/m2;ASTM 標準的沖擊強度單位是 J/m。
