塑料的冲击性能和塑料的韧性

失心控

在某些塑料中，冲击强度低是一个很大的弱点,例如PVC、PS、PP等。尤其是PVC性脆,在光照下降解，加工温度下发生热降解,几乎成为一种无用的材料。但是,在PVC中加入改性剂，就可变成为可以接受的材料。通过在PVC中加入大量的增塑剂就可以获得极广泛的用途。随着科学技术的发展，出现了软质塑料和硬质塑料，当时的塑料要么柔而软，要么硬而脆。软质塑料使用寿命短，由于增塑剂的挥发和材料在大气中老化降解而变脆成为硬质塑料。而硬质塑料因为缺乏足够的韧性给塑料工业带来毁灭性的威胁，塑料工业就要开始发展革新性的产品。开发高分子量和低挥发量、或低抽取性的增塑剂挽救了软质和硬质塑料制品，主要是苯乙烯类的产品开发。它们因开发在聚合物结构中引入橡胶组分的技术获新生。

       塑料添加剂的开发，可改善塑料生产工艺和提高产品性能。其中增塑剂、稳定剂、冲击改性剂是有利于塑料冲击性能的改善。以下就材料的韧性和刚性及反映材料韧性的冲击性能的测试作一些叙述。

1. 韧性和刚性

      韧性和刚性是对立的概念。在力学中有刚度和柔度两个物理量。“刚度”是指物体发生单位形变时所需要的力的大小;“柔度”则指物体在单位力下所发生的形变大小。可以看出, “刚度”越大的物体,越不容易发生变形(表现在伸长率很小); “柔度”越大的物体越容易发生变形(表现在伸长率较大)。一种理想状态，物体的刚度趋近于无穷大(或者物体受力作用其变形小到可以忽略的程度)，我们就称该物体为刚体。在力学分析时,可以不考虑其自身形变。因此,刚性是反映物体形变难易程度的一个属性。

韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。而刚性材料它的硬度、拉伸强度较大；断裂伸长率和冲击强度就可能低一些；拉伸弹性模量就较大。

      弯曲强度反应材料的刚性大小，弯曲强度大则材料的刚性大，反之则韧性大。在ASTM D790弯曲性能标准试验方法中说，这些测试方法适合于刚性材料也适合于半刚性材料。未说它适合于韧性材料，所以韧性很大的弹性体是不会去测试弯曲强度的。以上说的韧性和刚性与测试的力学性能关系是相对的。可能会出现意外。例如用玻纤增强塑料后，它的刚性变大，但也可能出现拉伸强度和冲击强度都增加的可能。

      在冲击,震动荷载作用下,材料可吸收较大的能量产生一定的变形而不破坏的性质称为韧性或冲击韧性。建筑钢材(软钢)、木材、塑料等是较典型的韧性材料。路面、桥梁、吊车梁及有抗震要求的结构都要考虑材料的韧性。刚性和脆性一般是连在一起的。脆性是指当外力达到一定限度时,材料发生无先兆的突然破坏,且破坏时无明显塑性变形的性质。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度,破坏时的极限应变值极小。砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比,它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当不利的。

      作为工程塑料，我们希望它同时具有良好的韧性和刚性。在改善材料的韧性时，还应设法提高刚性。一般加入弹性体可增加韧性，加入无机填料可增加刚性。最有效的方法是将弹性体的增韧和填料的增强结合起来。

2. 塑料冲击改性剂

    抗冲击性能差是工业上某些重要塑料的性能缺陷。如PVC、PS、PP等，尤其在低温时因抗冲击性能太低而使其应用受到限制。然而在热塑性塑料中，通过添加“冲击改性剂”就能大大提高它们的抗冲击性能。如下图：
塑料的冲击性能和塑料的韧性，塑料简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度区别，断裂伸长率和塑料韧性的联系

冲击强度：KJ/M2
从上图可见PA的抗冲击性能最好;其次是PC。PP、PVC-HI、PMMA、PS、PA添加冲击改性剂后,抗冲击性能大大提高。ABS、PA、PC即使不加抗充击改性剂的抗冲击性能也较大。其中PMMA和PC都是透明材料,PMMA的刚性好,脆;PC的韧性好,不脆。无改性剂的PS抗冲击性能较差,我们曾经为客户测试过加入改性剂的PS产品，抗冲击性能提高许多。

冲击改性剂的品种很多，常用的有ACR-丙烯酸酯类树脂、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-三元乙丙胶等。从制品的改性效果来看，ACR是综合性能最好的一类，MBS是透明制品重要的冲击改性剂,在全球冲击改性剂市场中占有重要地位。

3. 冲击改性剂对其他性能的影响

    冲击改性剂虽然可以提高冲击强度，但对其他机械强度有不利的影响。如MBS加入PVC中使拉伸强度和弯曲强度下降。ACR的加入，也会使HPVC-高分子量PVC的拉伸强度、硬度和维卡耐热性有所下降。CPE的加入，也使共混物的拉伸强度、弯曲强度、维卡软化点下降。所以使用冲击改性剂时，必须兼顾其他性能，予以综合考虑。以确定合适的用量。

     为使通用塑料工程化，在改善韧性的同时,设法提高刚性。我看到有文章介绍，采用PPB(嵌段聚丙烯)为基础树脂,用POE-聚乙烯辛烯共弹性体为增韧剂，HDPE协同增韧，用MMT-纳米级蒙脱土作为增强剂。这样就可以达到既增强又增韧的目的。

4. 拉伸应力-应变曲线

从应力应变曲线上也可看出脆性或韧性材料，见下图

塑料的冲击性能和塑料的韧性，塑料简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度区别，断裂伸长率和塑料韧性的联系


曲线B1是常见的曲线,屈服强度等于拉伸强度。我们给客户测试时常出现如此曲线。高韧性的材料其拉伸强度高于屈服应力，曲线B就是拉伸强度高于屈服应力，我们在给供应商测试加了冲击改性剂的PS材料时，就出现了曲线B的现象。该材料比PS的冲击强度提高许多，是高韧性材料了。

       在GB/T9341-2000塑料弯曲试验方法中：只有具有线性应力-应变特性的材料。其弯曲性能才能作为工程设计的依据，而非线性材料的弯曲性能仅是公称值。对于脆性材料，即难于作拉伸试验的材料，最好采用弯曲试验。

5. 塑料抗冲击性能测试

    塑料抗冲击性能试验是在冲击负荷作用下测定材料的冲击强度。冲击强度用于评价材料抵抗冲击的能力或判断材料的脆性或韧性程度。因此冲击强度也称冲击韧性。塑料的冲击韧性在工程应用上是一项重要的性能指标，它反映不同材料抵抗高冲击而致破坏的能力。ISO179是塑料-简支梁冲击性能的测定的国际标准。它在第1章范围内说：该方法用于在规定的冲击条件下研究指定类型样品的性能,同时为了在内部固有限制的试验条件下评估样品的脆性或韧性。

       对于高分子材料冲击强度常常受到温度、湿度、冲击速度、试样的几何形状以及应力方式等影响，因此抗冲击性能试验只是该材料在试验方法规定的条件下的冲击韧性，没有绝对的物理意义。在试样的几何形状和测试仪器确定下来以后，测试时的温度和湿度对冲击性能有较大的影响。一般温度高时材料韧性好，低温时材料发脆，冲击强度会下降。对于以吸湿的材料，测试时的湿度对冲击强度也有影响，例如尼龙吸湿性比较强，在湿度大的添加下，冲击强度会变大。

      冲击试验的方法很多，依据试验温度分：有常温冲击、低温冲击和高温冲击三种，我们技术中心只有常温冲击；依据试样首例状态，可分为弯曲冲击-简支梁和悬臂梁冲击、拉伸冲击、扭转冲击和剪切冲击，我们只有弯曲冲击-简支梁和悬臂梁冲击；依据采用的能量和冲击次数，可分为大能量的一次冲击(简称一次冲击试验或落锤冲击试验)和小能量的多次冲击试验(简称多次冲击试验)。不同材料或不同用途可选择不同的冲击试验方法。并得到不同的结果，这些结果是不能进行比较的。一次冲击性能试验得不到表征该材料的固定参数。在这儿仅介绍简支梁和悬臂梁冲击试验。

      在冲击负荷下测定材料的冲击强度.用于评价材料抵抗冲击的能力或判断材料的脆性或韧性程度.在工程应用上是一项重要指标,反映不同材料抵抗高速冲击而至破坏的能力。

简支梁用于硬质塑料;使用简支梁冲不断的材料,使用悬臂梁冲击就显得特别重要。对于完全不破坏的试样不报告数值,用NB表示。无缺口与有缺口计算公式不同,前采用试样宽度,后采用试样缺口底部的剩余宽度。

      测得完全破坏和铰链破坏值计算平均值,部分破坏值以P表示.纪录破坏类型.规定厚度小于3mm的试样不可做冲击试验。冲击测试的影响因素如下：
简支梁:
原理: 使用摆锤一次冲击支撑成水平梁的试样,使之破坏,冲击线位于支座正中间,冲击线对准缺口,以冲击前后摆锤的能量差确定破坏时吸收的能量.试样单位横截面积吸收的冲击能表示冲击强度(GB).吸收功/断裂面积。
飞出功:冲击过程产生的弹性变形,使试样飞出.飞出功与韧性无关,有时占消耗的能量40~50%,因此脆性小的材料必须进行修正,例如PMMA。
试样尺寸:厚度大,冲击强度值越高,试验跨度大,冲击强度值也越高。
冲击速度:对变形速度敏感的材料如PVC,ABS,PF,UF,摆锤的冲击速度高时冲击强度值反而降低,因此标准中规定冲击速度为2.9m/s或3.8m/s。对悬臂梁同样有影响。
温度.湿度.缺口半径.缺口加工方法等因素对冲击影响与悬臂梁有共同之处。

悬臂梁:
原理: 使用摆锤一次冲击垂直固定成悬臂梁的试样,测量试样破坏时吸收的能量.摆锤的冲击线与试样的夹具和缺口的中心线相隔一定距离.数据也与截面积有关。
温度:冲击强度随温度降低而降低,规定测试温度23±2℃。
缺口的加工方式:注塑缺口较机械加工缺口强度高,前者因收缩缺口尺寸变化,不符合标准要求,选用后者.
湿度:吸湿大材料如尼龙,吸湿越多,冲击强度越高,须控制测试环境湿度.
试样缺口底部的曲率半径:曲率半径越小冲击强度值越低.
试样夹持力:夹持力过大冲击强度一般偏低,夹持力过小冲击强度一般偏高,同一组试样应保持相同的夹持力.

冲击试验的测试标准有ISO179塑料-简支梁冲击性能的测定、ISO 180塑料-悬臂梁冲击性能测定、ASTM D256塑料-悬臂梁冲击性能测定。ISO标准的冲击强度单位是kJ/m2;ASTM标准的冲击强度单位是J/m。