第3章塑料材料实用性能(第一部分)

第3章塑料材料实用性能3.1性能的要义及影响因素•3.1.1性能的含义与表征•材料性能：取决于材料的化学结构和物理结构，它反映了材料所包含的各组分的基本属性。•产品性能：材料通过不同的加工方法，成为具有一定形状和尺寸的适用产品所具有的性能。是材料的内在性能，材料加工过程中决定了的性能，以及产品设计所赋予了的性能等一系列性能表现的总和。•材料的性能包括：力学性能，化学性能，热性能，电性能等。•材料的特征性能能够定量化的、以数值的形式来表征，对于特定应用条件下材料的预选及产品的设计具有重要的意义。•测试标准•国际标准ISO•美国ASTM•中国GB•由标准的测试方法所给出的数据有很大的局限性。3.1.2材料性能与结构•3.1.2.1分子量和分子量分布•聚合物的分子量对性能有很大的影响，聚合物的机械强度随分子量的增加而增加。•由于分子量的不均一性，提出分子量分布的概念。•分子量分布较宽的聚合物中，低分子量的存在是使用性能遭到破坏的薄弱点；•分子量分布较窄的聚合物中，有较好的耐冲击强度和耐动态疲劳性。•3.1.2.2主价力和次价力•主价力是键合原子间的内聚力，是化学力，也称化学键力，聚合物中最重要的化学键是共价键。•次价力是作用于分子间的内聚力，是物理力。•主价力大于次价力，它们之间的作用力的大小以键能来表示，见表3-1。•主价力和次价力的大小是衡量材料抵抗破坏与形变的重要尺度。•主价键的破坏可改变化学结构，不可逆的。如热降解•次价键的断裂是可逆的。如聚合物受热软化、变形，溶解。3.1.2.3极性与非极性•共价键中，电子对不是平均为两原子所共有，而是偏属于其中的某一个原子时，即成为极性键。•偶极矩表示分子的极性或键的极性的大小。可判断材料的刚度、耐热性和电性能，而且对判断材料的抗溶剂性和抗渗透性时也有指导意义。•非极性聚合物如PEPP•弱极性聚合物PS•0.5极性聚合物PVCPAPMMA•0.7强极性聚合物PET酚醛树脂05.0•3.1.2.4分子链的柔性和刚性•由于高分子链中的单键存在内旋转，使得大分子链具有卷曲起来并不断改变其形状的能力。即为高分子链的柔性：•但是，单键不受阻力，完全自由的内旋转是不可能的。会受到其它的原子或取代基团的干扰和排斥，因此又具有一定的刚性。•具有柔性链的聚合物具有柔软性、高弹性，受力是材料容易变形。•刚性链的聚合物可抵抗形变和破坏，耐热性好。•3.1.2.5结晶与取向•（1）结晶•具有化学规整性和几何规整性，且又柔顺易于运动的大分子链，在一定温度条件下都能趋于结晶排列，形成结晶聚合物。•聚合物结晶对制品性能的影响•结晶使分子链段排列紧密（结晶过程中分子链的敛聚作用使）•结晶度越大，体积↓，比容↓，密度↑；•力学性能↑，屈服强度，模量，硬度↑，抗张强度↑，耐热性↑，对化学溶剂的稳定性↑，脆性↑，冲击强度↓，耐应力龟裂能力↓•结晶聚合物成型过程中的收缩性比非晶聚合物大，收缩率亦随结晶度提高而增加。•非晶聚合物制品透明性好，韧性好。•（2）取向•聚合物的大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在流动方向或应力作用下形成的有序排列。•如果取向只朝一个方向的就称为单轴取向，如果取向单元同时朝两个方向的就称为双轴取向。•非晶聚合物取向后，沿应力方向取向的分子链大大提高了取向方向的力学性能，但垂直于取向方向上的力学性能则显著降低。取向度↑，拉伸强度↑，冲击强度↑。•双轴取向时（相当于两个方向的单向拉伸，使两方向的强度都有所提高），若两方向拉伸倍数相同时，平面内的各向异性很小；若一个方向拉伸倍数大于另一个方向，在一个方向强度增加，另一个方向强度减弱。•3.1.2.6多相结构与复合体系•（1）共聚物•两种或两种以上的单体进行共聚而成的聚合物。•如ABS•（2）共混物（高分子合金）•两种或两种以上聚合物进行物理混合，其组分通过次价键而粘附在一起。•如PS、PVC加入韧性材料，提高抗冲击性能。•（3）配混料•聚合物主体材料中含有多种添加剂组分的一种复合材料体系。•如大多数塑料3.1.3影响性能的其他因素•3.1.3.1加工因素•a:制造方法和加工过程•b:工艺参数的变化•c:成型后制品的后处理热处理消除内应力等•d:成型后制品的二次加工•3.1.3.2制件设计因素•（1）工艺性设计•制件设计必须满足加工要求。包括：•a:分型面设计•b:浇口设计•c:熔合线设计•d:脱模斜度•（2）功能性设计•a:几何形状的设计•b:结构性设计•壁厚，加强筋，孔，嵌件，螺纹等。•3.1.3.3环境因素•自然环境因素：气候炎热和寒热，氧化和辐射，雨水，海水的侵蚀，潮湿空气等•工作环境因素：因特定的应用对象而不同。工业传动齿轮受到循环载荷，接触应力，摩擦热，油等环境因素影响。循环载荷容易使制件产生疲劳破坏，摩擦生热使制件软化变形。3.2塑料的力学性能•3.2.1引言•力学性能是反映材料在力的作用下变形与破坏行为的性能。•塑料的力学性能的特点：•（1）变化范围非常广泛•（2）力学性能对温度和力的作用时间具有明显的依赖性塑料是粘弹性材料有关。•研究材料的力学性能，通常是从研究塑料材料的应力-应变曲线入手。•材料的应力--应变行为决定其强度或劲度。影响材料强度的因素包括塑件的几何形状、负荷、约束条件、成形过程导致的残留应力。根据施加在塑件的负荷或约束条件的不同，必须考虑不同种类的强度性质，包括拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、冲击强度和剪切强度等。拉伸试验图3-1(a)拉伸实验棒截面面积A，原始长度L0；(b)于固定负荷下拉长至长度L。应力(σ)与应变(ε)的定义为：）截面面积（）载荷（）应力（AF00LLL）应变（图3-2典型热塑性塑料的应力—应变曲线图可以获得杨氏模数、比例极限，弹性极限、屈服点、延展性、断裂强度和断裂伸长量等材料性质•杨氏模量是应力—应变曲线起始直线部份的斜率。定义为：）应变（）应力（）杨氏模量（E杨氏模量经常被用作材料强度指标，也是材料刚性(rigidity)的指标，它可以应用于工程上简化的线性运算，例如决定塑件的劲度(stiffness)。图3-3局部之应力—应变曲线P点是比例极限，曲线从这点开始偏离其线性行为。弹性极限是图3-3的I点，它是材料承受应变而仍能够回复原形的最大限度。假如应变量超过弹性极限，并且继续增加，则材料可能发生拉伸现象而无法回复原形，或者可能发生破坏。图3-4添加30%玻纤与无添加物之热塑性树脂的应力应变曲线图3-4显示相同基底树脂材料的两种热塑性复合物之应力—应变曲线，其中一个添加了30%玻纤，另一个无填充料。玻纤填充料使得塑料的破坏强度、屈服应力、比例极限应力及杨氏模量都明显地提升，并且承受较低的应变量就产生破坏。无填充料的热塑性塑料在屈服点以上产生拉伸现象，使应力减小。填充物对于塑料的应力应变行为的影响图3-5负荷速率与温度对于典型聚合物之应力—应变图的影响图3-5是半结晶塑料受负荷速度及温度影响时的拉伸实验应力—应变曲线。通常，在高负荷速率和低温条件时，塑料材料显得刚且脆；低负荷速和高温条件时，受到其黏滞性的影响，塑料材料较具有挠性和延展性。从图3-5可以观察到，高负荷速率使得材料的破坏应力和屈服应力大幅提高。然而，提高温度会使得破坏应力和屈服应力降低。负荷速率（或应变率）及温度对于塑料的应力应变行为的影响。3.2.2密度与相对密度•密度为单位体积质量(g/cm3)，•相对密度是材料的密度与水的密度的比值。•塑料是密度较低的材料，一般在0.9~1.4g/cm3。•密度是聚合物的重要性质之一，密度的变化直接影响到聚合物的各项性能参数。•密度高，说明分子聚集紧密，分子间作用力较大，强度、刚度、硬度、耐热性较高•依赖分子链运动有关的弹性、断裂伸长率、冲击强度等相对较低。•比强度或比模量：材料的强度或模量与密度之比。•塑料的密度值见表3-33.2.3拉伸性能•拉伸性能是材料受拉伸负荷时所表现出来的力学行为。•拉伸强度：对试样做拉伸实验直至断裂为止所受的最大拉伸应力，单位帕（Pa）•弹性模量：在比例极限内，材料所受应力（如拉和压、弯曲、剪切等）与产生相应应变之比，单位帕（Pa）。•泊松比：加载试样在弹性极限内的横向应变与纵向应变的比值。（大部分材料=0.2~0.5）•断裂强度：材料发生断裂时的强度。•断裂伸长率：材料发生断裂时的伸长率。•塑料的泊松比见表3-4•塑料的拉伸性能见表3-53.2.4压缩性能•压缩性能是材料受压缩负荷时所表现出来的力学行为。•压缩强度一般比拉伸强度高。因为压缩时压缩负荷趋向于闭合结构的裂纹和缺陷。而拉伸时负荷会在微裂纹和缺陷处成为应力集中点，导致拉伸脆性破坏。•压缩永久形变是在受载的压缩应力卸载之后停放一段时间，会回复，但不会恢复原状，其变形部分与原高度之比。它是热塑性弹性体的一项重要性能指标。•泡沫塑料常通过抗压性能来表示其特征。3.2.5弯曲性能•弯曲性能，也称扰曲性能，指材料承受垂直作用于其纵轴上的弯曲应力时，材料外表面上所产生的应力和应变。•弯曲强度：材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定挠度时（5%）能承受最大应力，单位帕（Pa）。一般高于拉伸强度。•弯曲模量是弯曲过程起始阶段刚度的量度。材料刚度大，产品在外力作用下保持形状的稳定性就好。•在塑料组分中增加刚性填料（纤维）可以大大提高材料的刚度。如刚度与厚度的三次方成正比，因此可以加厚来提高制品的刚度。塑料的弯曲模量和弯曲强度见表3-6.3.2.6剪切性能•剪切力是导致材料内部相邻层面之间发生相对滑动的力。•剪切强度：当材料受到超过剪切强度的剪切负荷作用时，材料就会发生剪切破坏。•剪切模量是反映材料抵抗由剪切力作用产生变形的能力。•材料的剪切强度一般比拉伸强度、弯曲强度要低。我们可以大致用材料拉伸屈服强度的一半来估算。也可以用下式来估算•泊松比12EG3.2.7冲击性能•冲击性能是材料承受高速冲击载荷而不被破坏的一种能力，它反映了材料所具备的韧性。•冲击强度：材料承受冲击负荷的最大能力，以材料在破坏时所消耗的功与试样的横截面积之比来度量，单位帕（Pa）。•塑料承受高速冲击载荷而不被破坏的两个条件：•（1）能迅速通过形变来分散和吸收冲击能量•（2）材料内部产生的内应力不超过材料的断裂强度。•材料在外力作用下的形变能力，与一定温度下在外力作用时间内，高分子材料链段的运动能力有关。对冲击性能影响最大的两个外部因素是外力的冲击速度和作用时的环境温度。•合理的产品设计可以缓冲、分散和吸收冲击能量，如增加冲击部位的壁厚，设置加强筋，设计弯曲的曲面等，要尽量避免或减少缺口、锐角和引发应力集中的其他几何因素和结构因素。•为了表征材料的冲击性能，采用悬臂梁（Izod）冲击试验方法和简支梁(Charpy)冲击试验方法。规定中有多种尺寸和有无缺口两种，缺口的尺寸、形状、位置也有规定。•见表3-8，3-9，3-10•这些常用试验方法得出的数据不能准确的表征材料的实际韧性，但对了解材料在冲击载荷下可能的破坏行为，对于选材还是有重要参考价值的。3.2.8疲劳性能•疲劳：制品受到周期性反复作用的应力，包括拉伸、弯曲、压缩或扭曲等不同类型的应力，而发生交替形变的现象。•疲劳破坏的两个主要原因：•（1）由于材料内部或表层一般都会有某些微观的缺陷，这些缺陷可引起局部的应力集中，在周期应力的持续作用下，缺陷处会首先产生微观裂纹，并逐渐扩展，最后发生断裂；•（2）由于塑料的粘弹性，在外力作用下，形变的速度可能跟不上应力变化的速度，以至于每次的循环总有一部分机械能转化为热量消耗掉了，这种现象叫滞后生热，由于塑料的导热性差，不能及时转移热量会不断积累，使得局部温度不断升高，力学性能降低，最终导致热破坏。•影响塑料疲劳行为的因素：材料本身特性，如强度、导热性、缺口敏感性；制品几何形状、尺寸大小、厚度及表面质量；应力类型、应力大小、作用频率及外界温度。•疲劳寿命曲线（S-N）是描述破坏应力N与破坏时的循环次数S关系曲线。•工程上把周时的应力值近似地作为材料的疲劳极限值。一些塑料的抗压疲劳极限值见表3-11.受疲劳载荷作用