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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(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(wú)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(guò)在 PVC 中加入大量的增塑劑就可以獲得極廣泛的用途。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現了軟質(zhì)塑料 和硬質(zhì)塑料，當時(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(lái)毀滅性的威脅，塑料工業(yè)就要開(kāi)始發(fā)展革新性的產(chǎn)品。開(kāi)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(lèi)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。它們因開(kāi)發(fā)在聚合物結構中引入橡膠組分的技術(shù)獲新生。 塑料添加劑的開(kāi)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(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(表現在伸長(cháng)率很小); “柔度”越大的物體越容易發(fā)生變形 (表現在伸長(cháng)率較大)。一種理想狀態(tài)，物體的剛度趨近于無(wú)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(chēng)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(cháng)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(cháng)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(shuō)，這些測試方法適合于剛性材料也 適合于半剛性材料。未說(shuō)它適合于韌性材料，所以韌性很大的彈性體是不會(huì )去測試彎曲強度的。以上說(shuō)的韌性和剛性與測試的力學(xué)性能關(guān)系是相對的?？赡?會(huì )出現意外。例如用玻纖增強塑料后，它的剛性變大，但也可能出現拉伸強度和沖擊強度都增加的可能。 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(chēng)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(chē)梁及有抗震要求的結構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(shí),材料發(fā)生無(wú)先兆的突然破壞, 且破壞時(shí)無(wú)明顯塑性變形的性質(zhì)。脆性材料力學(xué)性能的特點(diǎn)是抗壓強度遠大于抗拉強度,破壞時(shí)的極限應變值極小。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(dòng)作用是相當不利的。 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)，還應設法提高剛性。一般加入彈性體可增加韌性，加入無(wú)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合起來(lái)。

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用受到限制。然而在熱塑性塑料中，通過(guò) 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(jiàn) 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(wú)改性劑的 PS 抗沖擊性能較差,我們曾經(jīng)為客戶(hù)測試過(guò)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(lèi)樹(shù)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(lái)看，ACR 是綜合性能最好的一類(lèi)，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(huì )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(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),設法提高剛性。 我看到有文章介紹， 采用 PPB(嵌段聚丙烯)為基礎樹(shù)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. 拉伸應力 應變曲線(xiàn) 拉伸應力-應變曲線(xiàn) 從應力應變曲線(xiàn)上也可看出脆性或韌性材料，見(jiàn)下圖

曲線(xiàn) B1 是常見(jiàn)的曲線(xiàn),屈服強度等于拉伸強度。我們給客戶(hù)測試時(shí)常出現如此曲線(xiàn)。高韌性的材料其拉伸強度高于屈服應力，曲線(xiàn) B 就是拉伸強度高于屈服應 力，我們在給供應商測試加了沖擊改性劑的 PS 材料時(shí)，就出現了曲線(xiàn) B 的現象。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(xiàn)性應力-應變特性的材料。其彎曲性能才能作為工程設計的依據，而非線(xiàn)性材料的彎曲性能僅是公稱(chēng)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(jià)材料抵抗沖擊的能力或判斷材料的脆性或韌性程度。因此沖擊強度也稱(chēng) 沖擊韌性。塑料的沖擊韌性在工程應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(jiǎn)支梁沖擊性能的測定的國際 標準。它在第 1 章范圍內說(shuō)：該方法用于在規定的沖擊條件下研究指定類(lèi)型樣品的性能,同時(shí)為了在內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定的條件 下的沖擊韌性，沒(méi)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(lái)以后，測試時(shí)的溫度和濕度對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，沖擊強度會(huì )下降。對于以吸濕的材料，測試時(shí)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(huì ) 變大。 沖擊試驗的方法很多，依據試驗溫度分：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；依據試樣首例狀態(tài)，可分為彎曲沖擊-簡(jiǎn)支 梁和懸臂梁沖擊、拉伸沖擊、扭轉沖擊和剪切沖擊，我們只有彎曲沖擊-簡(jiǎn)支梁和懸臂梁沖擊；依據采用的能量和沖擊次數，可分為大能量的一次沖擊(簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)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。并得到不同的結果，這些結果 是不能進(jìn)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。在這兒僅介紹簡(jiǎn)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(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(jiǎn)支梁用于硬質(zhì)塑料;使用簡(jiǎn)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值,用 NB 表示。無(wú)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(lèi)型.規定厚度小于 3mm 的試樣不可做沖擊試驗。沖擊測試的影響因素如下： 簡(jiǎn)支梁: 簡(jiǎn)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(xiàn)位于支座正中間,沖擊線(xiàn)對準缺口,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度(GB).吸收功/斷裂面積。 飛出功:沖擊過(guò)程產(chǎn)生的彈性變形,使試樣飛出.飛出功與 韌性無(wú)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(shí)沖擊強度值反而降低,因此標準中規定 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(shí)吸收的能量.擺錘的沖擊線(xiàn)與試樣的夾具 和缺口的中心線(xiàn)相隔一定距離.數據也與截面積有關(guān)。 溫度:沖擊強度隨溫度降低而降低,規定測試溫度 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(guò)大沖擊強度一般偏低,夾持力過(guò)小 沖擊強度一般偏高,同一組試樣應保持相同的夾持力.

沖擊試驗的測試標準有 ISO179 塑料-簡(jiǎn)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。