第3章 塑料材料實用性能(第一部分)

1、第3章 塑料材料實用性能3.1 性能的要義及影響因素3.1.1 性能的含義與表征材料性能：取決于材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，它反映了材料所包含的各組分的基本屬性。產(chǎn)品性能：材料通過不同的加工方法，成為具有一定形狀和尺寸的適用產(chǎn)品所具有的性能。是材料的內(nèi)在性能，材料加工過程中決定了的性能，以及產(chǎn)品設(shè)計所賦予了的性能等一系列性能表現(xiàn)的總和。材料的性能包括：力學(xué)性能，化學(xué)性能，熱性能，電性能等。材料的特征性能能夠定量化的、以數(shù)值的形式來表征，對于特定應(yīng)用條件下材料的預(yù)選及產(chǎn)品的設(shè)計具有重要的意義。測試標準國際標準ISO美國ASTM中國 GB由標準的測試方法所給出的數(shù)據(jù)有很大的局限性。3.1.2 材料性

2、能與結(jié)構(gòu)3.1.2.1分子量和分子量分布聚合物的分子量對性能有很大的影響，聚合物的機械強度隨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。分子量分布較寬的聚合物中，低分子量的存在是使用性能遭到破壞的薄弱點；分子量分布較窄的聚合物中，有較好的耐沖擊強度和耐動態(tài)疲勞性。 3.1.2.2 主價力和次價力主價力是鍵合原子間的內(nèi)聚力，是化學(xué)力，也稱化學(xué)鍵力，聚合物中最重要的化學(xué)鍵是共價鍵。次價力是作用于分子間的內(nèi)聚力，是物理力。主價力大于次價力，它們之間的作用力的大小以鍵能來表示，見表3-1。主價力和次價力的大小是衡量材料抵抗破壞與形變的重要尺度。主價鍵的破壞可改變化學(xué)結(jié)構(gòu)，不可逆的。

3、如熱降解次價鍵的斷裂是可逆的。如聚合物受熱軟化、變形，溶解。3.1.2.3極性與非極性共價鍵中，電子對不是平均為兩原子所共有，而是偏屬于其中的某一個原子時，即成為極性鍵。偶極矩表示分子的極性或鍵的極性的大小?？膳袛嗖牧系膭偠?、耐熱性和電性能，而且對判斷材料的抗溶劑性和抗?jié)B透性時也有指導(dǎo)意義。 非極性聚合物 如PE PP 弱極性聚合物 PS 0.5極性聚合物 PVC PA PMMA 0.7強極性聚合物 PET 酚醛樹脂3.1.2.4 分子鏈的柔性和剛性由于高分子鏈中的單鍵存在內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得大分子鏈具有卷曲起來并不斷改變其形狀的能力。即為高分子鏈的柔性：但是，單鍵不受阻力，完全自由的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是不可能的

4、。會受到其它的原子或取代基團的干擾和排斥，因此又具有一定的剛性。具有柔性鏈的聚合物具有柔軟性、高彈性，受力是材料容易變形。剛性鏈的聚合物 可抵抗形變和破壞，耐熱性好 。3.1.2.5 結(jié)晶與取向（1）結(jié)晶具有化學(xué)規(guī)整性和幾何規(guī)整性，且又柔順易于運動的大分子鏈，在一定溫度條件下都能趨于結(jié)晶排列，形成結(jié)晶聚合物。聚合物結(jié)晶對制品性能的影響結(jié)晶使分子鏈段排列緊密（結(jié)晶過程中分子鏈的斂聚作用使）結(jié)晶度越大，體積，比容，密度； 力學(xué)性能，屈服強度，模量，硬度，抗張強度，耐熱性，對化學(xué)溶劑的穩(wěn)定性，脆性，沖擊強度，耐應(yīng)力龜裂能力結(jié)晶聚合物成型過程中的收縮性比非晶聚合物大，收縮率亦隨結(jié)晶度提高而增加。非晶聚

5、合物制品透明性好，韌性好。（2）取向聚合物的大分子及其鏈段或結(jié)晶聚合物的微晶粒子在流動方向或應(yīng)力作用下形成的有序排列。 如果取向只朝一個方向的就稱為單軸取向，如果取向單元同時朝兩個方向的就稱為雙軸取向。非晶聚合物取向后，沿應(yīng)力方向取向的分子鏈大大提高了取向方向的力學(xué)性能，但垂直于取向方向上的力學(xué)性能則顯著降低。取向度，拉伸強度，沖擊強度。雙軸取向時（相當于兩個方向的單向拉伸，使兩方向的強度都有所提高），若兩方向拉伸倍數(shù)相同時，平面內(nèi)的各向異性很??；若一個方向拉伸倍數(shù)大于另一個方向，在一個方向強度增加，另一個方向強度減弱。3.1.2.6 多相結(jié)構(gòu)與復(fù)合體系（1）共聚物 兩種或兩種以上的單體進行共

6、聚而成的聚合物。如ABS（2）共混物（高分子合金）兩種或兩種以上聚合物進行物理混合，其組分通過次價鍵而粘附在一起。如PS、PVC加入韌性材料，提高抗沖擊性能。（3）配混料聚合物主體材料中含有多種添加劑組分的一種復(fù)合材料體系。如大多數(shù)塑料3.1.3 影響性能的其他因素3.1.3.1 加工因素a: 制造方法和加工過程b: 工藝參數(shù)的變化c: 成型后制品的后處理 熱處理消除內(nèi)應(yīng)力等d: 成型后制品的二次加工3.1.3.2 制件設(shè)計因素（1）工藝性設(shè)計制件設(shè)計必須滿足加工要求。包括：a: 分型面設(shè)計b:澆口設(shè)計c:熔合線設(shè)計d:脫模斜度（2）功能性設(shè)計a:幾何形狀的設(shè)計b:結(jié)構(gòu)性設(shè)計壁厚，加強筋，孔，

7、嵌件，螺紋等。3.1.3.3環(huán)境因素自然環(huán)境因素：氣候炎熱和寒熱，氧化和輻射，雨水，海水的侵蝕，潮濕空氣等工作環(huán)境因素：因特定的應(yīng)用對象而不同。 工業(yè)傳動齒輪受到循環(huán)載荷，接觸應(yīng)力，摩擦熱，油等環(huán)境因素影響。循環(huán)載荷容易使制件產(chǎn)生疲勞破壞，摩擦生熱使制件軟化變形。 3.2塑料的力學(xué)性能3.2.1 引言力學(xué)性能是反映材料在力的作用下變形與破壞行為的性能。塑料的力學(xué)性能的特點：（1）變化范圍非常廣泛（2）力學(xué)性能對溫度和力的作用時間具有明顯的依賴性 塑料是粘彈性材料有關(guān)。研究材料的力學(xué)性能，通常是從研究塑料材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線入手。材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為決定其強度或勁度。影響材料強度的因素包括塑件的

8、幾何形狀、負荷、約束條件、成形過程導(dǎo)致的殘留應(yīng)力。根據(jù)施加在塑件的負荷或約束條件的不同，必須考慮不同種類的強度性質(zhì)，包括拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度、沖擊強度和剪切強度等。拉伸試驗 圖3-1 (a) 拉伸實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b) 于固定負荷下拉長至長度L。應(yīng)力()與應(yīng)變()的定義為： 圖3-2 典型熱塑性塑料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 可以獲得楊氏模數(shù)、比例極限，彈性極限、屈服點、延展性、斷裂強度和斷裂伸長量等材料性質(zhì) 楊氏模量是應(yīng)力應(yīng)變曲線起始直線部份的斜率。定義為： 楊氏模量經(jīng)常被用作材料強度指標，也是材料剛性(rigidity)的指標，它可以應(yīng)用于工程上簡化的線性運算，例如決定塑件的

9、勁度(stiffness)。圖3-3 局部之應(yīng)力應(yīng)變曲線 P 點是比例極限，曲線從這點開始偏離其線性行為。彈性極限是圖 3-3的 I 點，它是材料承受應(yīng)變而仍能夠回復(fù)原形的最大限度。假如應(yīng)變量超過彈性極限，并且繼續(xù)增加，則材料可能發(fā)生拉伸現(xiàn)象而無法回復(fù)原形，或者可能發(fā)生破壞 。圖3-4 添加30%玻纖與無添加物之熱塑性樹脂的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圖 3-4顯示相同基底樹脂材料的兩種熱塑性復(fù)合物之應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中一個添加了30%玻纖，另一個無填充料。玻纖填充料使得塑料的破壞強度、屈服應(yīng)力、比例極限應(yīng)力及楊氏模量都明顯地提升，并且承受較低的應(yīng)變量就產(chǎn)生破壞。無填充料的熱塑性塑料在屈服點以上產(chǎn)生拉伸現(xiàn)象，

10、使應(yīng)力減小。填充物對于塑料的應(yīng)力應(yīng)變行為的影響圖3-5 負荷速率與溫度對于典型聚合物之應(yīng)力應(yīng)變圖的影響圖 3-5是半結(jié)晶塑料受負荷速度及溫度影響時的拉伸實驗應(yīng)力應(yīng)變曲線。通常，在高負荷速率和低溫條件時，塑料材料顯得剛且脆；低負荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑料材料較具有撓性和延展性。從圖 3-5可以觀察到，高負荷速率使得材料的破壞應(yīng)力和屈服應(yīng)力大幅提高。然而，提高溫度會使得破壞應(yīng)力和屈服應(yīng)力降低。 負荷速率（或應(yīng)變率）及溫度對于塑料的應(yīng)力應(yīng)變行為的影響。3.2.2 密度與相對密度 密度為單位體積質(zhì)量(g/cm3)，相對密度是材料的密度與水的密度的比值。塑料是密度較低的材料，一般在0.9

11、1.4 g/cm3。密度是聚合物的重要性質(zhì)之一，密度的變化直接影響到聚合物的各項性能參數(shù)。密度高，說明分子聚集緊密，分子間作用力較大，強度、剛度、硬度、耐熱性較高依賴分子鏈運動有關(guān)的彈性、斷裂伸長率、沖擊強度等相對較低。比強度或比模量：材料的強度或模量與密度之比。塑料的密度值見表3-33.2.3 拉伸性能拉伸性能是材料受拉伸負荷時所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為。拉伸強度：對試樣做拉伸實驗直至斷裂為止所受的最大拉伸應(yīng)力，單位帕（Pa）彈性模量：在比例極限內(nèi)，材料所受應(yīng)力（如拉和壓、彎曲、剪切等）與產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變之比，單位帕（Pa）。泊松比：加載試樣在彈性極限內(nèi)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。（大部分材料=0.2

12、0.5）斷裂強度：材料發(fā)生斷裂時的強度。斷裂伸長率：材料發(fā)生斷裂時的伸長率。塑料的泊松比見表3-4塑料的拉伸性能見表3-53.2.4 壓縮性能壓縮性能是材料受壓縮負荷時所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為。壓縮強度一般比拉伸強度高。因為壓縮時壓縮負荷趨向于閉合結(jié)構(gòu)的裂紋和缺陷。而拉伸時負荷會在微裂紋和缺陷處成為應(yīng)力集中點，導(dǎo)致拉伸脆性破壞。壓縮永久形變是在受載的壓縮應(yīng)力卸載之后停放一段時間，會回復(fù)，但不會恢復(fù)原狀，其變形部分與原高度之比。它是熱塑性彈性體的一項重要性能指標。泡沫塑料常通過抗壓性能來表示其特征。3.2.5 彎曲性能彎曲性能，也稱擾曲性能，指材料承受垂直作用于其縱軸上的彎曲應(yīng)力時，材料外表面上所產(chǎn)

13、生的應(yīng)力和應(yīng)變。彎曲強度：材料在彎曲負荷作用下破裂或達到規(guī)定撓度時（5%）能承受最大應(yīng)力，單位帕（Pa）。一般高于拉伸強度。彎曲模量是彎曲過程起始階段剛度的量度。材料剛度大，產(chǎn)品在外力作用下保持形狀的穩(wěn)定性就好。在塑料組分中增加剛性填料（纖維）可以大大提高材料的剛度。如剛度與厚度的三次方成正比，因此可以加厚來提高制品的剛度。塑料的彎曲模量和彎曲強度見表3-6.3.2.6 剪切性能剪切力是導(dǎo)致材料內(nèi)部相鄰層面之間發(fā)生相對滑動的力。剪切強度：當材料受到超過剪切強度的剪切負荷作用時，材料就會發(fā)生剪切破壞。剪切模量是反映材料抵抗由剪切力作用產(chǎn)生變形的能力。材料的剪切強度一般比拉伸強度、彎曲強度要低。我

14、們可以大致用材料拉伸屈服強度的一半來估算。也可以用下式來估算 泊松比3.2.7 沖擊性能沖擊性能是材料承受高速沖擊載荷而不被破壞的一種能力，它反映了材料所具備的韌性。沖擊強度：材料承受沖擊負荷的最大能力，以材料在破壞時所消耗的功與試樣的橫截面積之比來度量，單位帕（Pa）。塑料承受高速沖擊載荷而不被破壞的兩個條件：（1）能迅速通過形變來分散和吸收沖擊能量（2）材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不超過材料的斷裂強度。材料在外力作用下的形變能力，與一定溫度下在外力作用時間內(nèi)，高分子材料鏈段的運動能力有關(guān)。對沖擊性能影響最大的兩個外部因素是外力的沖擊速度和作用時的環(huán)境溫度。合理的產(chǎn)品設(shè)計可以緩沖、分散和吸收沖擊能量

15、，如增加沖擊部位的壁厚，設(shè)置加強筋，設(shè)計彎曲的曲面等，要盡量避免或減少缺口、銳角和引發(fā)應(yīng)力集中的其他幾何因素和結(jié)構(gòu)因素。為了表征材料的沖擊性能，采用懸臂梁（Izod）沖擊試驗方法和簡支梁(Charpy)沖擊試驗方法。規(guī)定中有多種尺寸和有無缺口兩種，缺口的尺寸、形狀、位置也有規(guī)定。見表3-8，3-9，3-10這些常用試驗方法得出的數(shù)據(jù)不能準確的表征材料的實際韌性，但對了解材料在沖擊載荷下可能的破壞行為，對于選材還是有重要參考價值的。3.2.8 疲勞性能疲勞：制品受到周期性反復(fù)作用的應(yīng)力，包括拉伸、彎曲、壓縮或扭曲等不同類型的應(yīng)力，而發(fā)生交替形變的現(xiàn)象。疲勞破壞的兩個主要原因：（1）由于材料內(nèi)部或

16、表層一般都會有某些微觀的缺陷，這些缺陷可引起局部的應(yīng)力集中，在周期應(yīng)力的持續(xù)作用下，缺陷處會首先產(chǎn)生微觀裂紋，并逐漸擴展，最后發(fā)生斷裂；（2）由于塑料的粘彈性，在外力作用下，形變的速度可能跟不上應(yīng)力變化的速度，以至于每次的循環(huán)總有一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉了，這種現(xiàn)象叫滯后生熱，由于塑料的導(dǎo)熱性差，不能及時轉(zhuǎn)移熱量會不斷積累，使得局部溫度不斷升高，力學(xué)性能降低，最終導(dǎo)致熱破壞。影響塑料疲勞行為的因素：材料本身特性，如強度、導(dǎo)熱性、缺口敏感性；制品幾何形狀、尺寸大小、厚度及表面質(zhì)量；應(yīng)力類型、應(yīng)力大小、作用頻率及外界溫度。疲勞壽命曲線（S-N）是描述破壞應(yīng)力N與破壞時的循環(huán)次數(shù)S關(guān)系曲線。 工

17、程上把 周時的應(yīng)力值近似地作為材料的疲勞極限值。一些塑料的抗壓疲勞極限值見表3-11. 受疲勞載荷作用的塑料結(jié)構(gòu)件，其極限強度受疲勞極限所控制，產(chǎn)品設(shè)計時，許用應(yīng)力還應(yīng)該用疲勞極限除以1.32的安全系數(shù)。3.2.9 抗撕裂性抗撕裂性是薄膜、片材、帶材一類薄型材料的重要力學(xué)性能。用撕裂強度來表征。材料的抗撕裂能力是該材料拉伸強度、剪切強度和彈性的綜合反映。3.2.10 蠕變?nèi)渥兪侵杆芰显诘陀诒旧韽椥詷O限的恒定的外力（包括拉伸，壓縮，彎曲等）作用下，變形隨時間慢慢增加的現(xiàn)象。是不可恢復(fù)的塑性變形。3.2.10 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛是塑料制品維持恒定應(yīng)變所需要的應(yīng)力隨時間延長而慢慢松弛的現(xiàn)象。螺栓對塑料

18、件連接或緊固時，及在墊片、旋蓋、密封件之類的應(yīng)用設(shè)計時要足夠重視。應(yīng)力松弛是分子內(nèi)部的重新排列，因此對溫度是比較敏感的。在塑料中添加剛性填料或纖維增強，也有利于改進剛性，降低應(yīng)力松弛的速度。3.3 熱性能熱性能決定了材料能否適應(yīng)工作環(huán)境的溫度變化。塑料的熱性能的特殊性：（1）塑料材料對熱比較敏感（2）塑料的耐熱性非常有限，一般不超過200（3）塑料的導(dǎo)熱性比較低（4）塑料有較高的熱膨脹性（5）大部分塑料容易燃燒熱機械曲線：溫度與材料力學(xué)性能的對應(yīng)變化來研究塑料的熱行為。無定形聚合物隨溫度存在三種聚集態(tài)：玻璃態(tài)，高彈態(tài)和粘流態(tài)。玻璃態(tài)：塑料是在玻璃態(tài)下使用的，是剛性狀態(tài)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg：由玻

19、璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度，不是一個確定的值，是一個范圍，這個范圍稱為轉(zhuǎn)變區(qū)。結(jié)晶熔點Tm：是結(jié)晶聚合物晶體融化的溫度。是聚合物使用的上限溫度。分解溫度Td：分解溫度是熱固性塑料使用上限溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和結(jié)晶熔點Tm是表征熱性能的基本參數(shù)。因為塑料的很多性能在這溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度變化發(fā)生急劇變化，特別是力學(xué)性能。Tg 越高或Tm越高，耐熱性就越好。3.3.2 耐熱性耐熱性：材料對熱的承受能力。是以制件在維持正常工作狀態(tài)的情況下所能承受的最高使用溫度來衡量的。塑料的耐熱性主要取決于它的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、鍵能大小。通用塑料 耐熱溫度低于100；工程塑料 耐熱溫度低于100150特種塑料耐熱溫度200以上

20、。工程上標準試驗方法測定材料的相對耐高溫性能熱變形溫度（HDT）：也稱負荷彎曲溫度，標準試樣在在1.82MPa或0.46MPa的負荷下，彎曲到規(guī)定程度的溫度。維卡軟化溫度（VST）規(guī)定條件下加載了1kg或5kg負荷的面積為1mm2的平頭針，刺入試樣1mm深時的溫度，適用于大多數(shù)耐熱性較低的熱塑性塑料。馬丁耐熱溫度：加5MPa彎曲應(yīng)力的試樣，在達到一定彎曲變形時的溫度。適用于熱固性塑料。球壓溫度：給直徑5mm的鋼球施加2kg的靜負荷，試樣表面屈服凹穴達到2mm時的溫度。在電器產(chǎn)品上試驗?zāi)芊癯惺芩?guī)定的使用溫度極限的方法。UL溫度指數(shù)：采用烘箱熱老化方法來評價塑料材料的長期熱穩(wěn)定性。3.3.3 耐

21、低溫性在足夠低的溫度下，塑料的力學(xué)性能會發(fā)生明顯的變化：強度、模量、硬度升高；沖擊韌性、伸長率趨于下降。達到某一臨界低溫時，即使在最小的負荷作用下，也可能引起產(chǎn)品開裂，甚至發(fā)生粉碎性的破壞。材料的耐低溫性與其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)，鏈的活動能力有關(guān)。材料Tg溫度可反映材料的耐低溫性能。Tg越低，材料的耐低溫性越好。常溫下顯示韌性的材料，耐低溫性就比較好。如聚乙烯、尼龍、聚甲醛、聚碳酸酯、熱塑性彈性體。脆性溫度：塑料試樣在低溫下進行沖擊試樣，試樣破壞概率在50%的溫度。非剛性塑性，可用脆性溫度來表示材料的耐低溫性能。表3-19 一些塑料的耐低溫性3.3.4 導(dǎo)熱性熱傳導(dǎo)：材料的內(nèi)部存在溫度梯度時，熱能將從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。熱導(dǎo)率：垂直于材料單位面積方向的每單位溫度梯度，通過材料單位面積上的熱傳導(dǎo)速率。用來表征材料導(dǎo)熱能力的特征參數(shù)。W/（m. K）塑料是熱導(dǎo)率較低的一種材料，通常在0.130.36 W/（m. K），大約是金屬地1/6001/200。塑料的低導(dǎo)熱性使其在很多方面得到廣泛應(yīng)用。如：飲具手柄，