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?yàn)槿狈ψ銐虻捻g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?？赡軙?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。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-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是綜合性能好的一類，MBS是透明制品重要的沖擊改性劑,在沖擊改性劑市場(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

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，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：

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。

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