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塑料性能解析

点击次数:  更新时间:2017-11-15 16:32:59  【打印此页】  【关闭

 橡塑包括 PE、PP、PVC、ABS、PC、PA、POM、PBT、PET、TPE、TPO、TPR、TPU等材料;这些材料,一般都需要进行常规或特定的测试:如老化测试,其中包括:人工气候老化试验(氙弧灯、碳弧灯、紫外灯)、自然气候暴晒试验、盐雾试验、湿热试验、高低温试验、臭氧试验、热氧老化试验等;

力学性能、电学性能方面的测试,包括:拉伸、撕裂、弯曲、压缩、冲击、热变形温度、维卡软化温度、熔融指数、氧指数、表面电阻、体积电阻、击穿电压、光泽、透光率、雾度、燃烧性能等。
但真正系统完整的资料,能找到的估计并不多,所以就有了这篇文章的目的。这篇文章对于销售而言,可以快速了解塑料的基本性质;对于做品质的朋友,能加深对于自己工作的一认识;对于研发的朋友,也有一些参考性的建议。

一机械力学性能 

1.密度与比重

塑料的比重是在一定的温度下,秤量试样的重量与同体积水的重量之比值,单位为g/cm3,常用液体浮力法作测定方法.
 

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                                                                              图 塑料密度测试仪

在质量相同的条件下,密度越轻,根据ρ=m/V,比重越小,在等体积,价格相同的情况下,比重越小的材料可以制造的产品越多,单个产品的材料成本也就越低,而且可以减少产品的重量,节省运输等费用。所以,比重是非常重要的属性。特别是在塑料代替金属等材料的时候,是特别大的一个优势。

2. 拉伸/弯曲

在拉伸性能的测试中,通常的测试项目为拉伸应力、拉伸强度、拉伸屈服强度、断裂伸长率、拉伸弹性模量,弯曲模量/弯曲强度等。

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拉伸测试:测定高聚物材料的基本物性,对材料施加应力后,测出变形量,求出应力,应力应变曲线是最普通的方法。将样条的两端用器具固定好,施加轴方向的拉伸荷重,直到遭破坏时的应力与扭曲。
弹性模量:E=( F/S)/(dL/L)(材料在弹性变形阶段,其应力和应变成正比例关系)弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量,是一个总称,包括“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。


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                                                            图 塑料拉伸样条

弹性模量的意义:弹性模量是工程材料重要的性能参数,从宏观角度来说,弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度,从微观角度来说,则是原子、离子或分子之间键合强度的反应。
 

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                                                                       图 不同塑料拉伸图形变化

强度:材料在载荷作用下抵抗塑性变形或被破坏的最大能力。
屈服强度:材料发生明显塑性变形的抗力
拉伸强度:在拉伸试验中,试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力。
拉伸应力:试样在计量标距范围内,单位初始横截面上承受的拉伸负荷。
拉伸断裂应力:σt-εt曲线上断裂时的应力。
拉伸屈服应力:σt-εt曲线上屈服点处的应力。
断裂伸长率:试样断裂时,标线间距离的增加量与初始标距之比。
屈服点:σt-εt曲线上σt不随εt增加的初始点。

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                                                                                图 应力—应变过程
   注:
E越大,说明材料越硬,相反则越软;
σb或σy越大,说材料越强,相反则越弱;
εb或S越大,说明材料越韧,相反则越脆
3.冲击
定义:摆锤打击简支梁试样的中部,使试样受到冲击而断裂,试样断裂时单位面积或单位宽度所消耗的冲击功即为冲击强度。

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                                                                              图 冲击测试仪器

意义:冲击韧性是描述高分子材料在高速碰击下所呈现的坚韧程度,或抗断裂能力。一般来说,冲击韧性包括两个方面:受冲击后的变形能力以及扛断裂能力,前者一般用断裂伸长率表示,而后者一般用冲击强度来表示。
冲击强度计算公式: E=A/bd
A:表示冲动时所消耗的功 ;b/d分别表示受冲击部位的宽和厚;E即为冲击强度
冲断试样所消耗的功一般分为以下几个方面:
使试样产生破裂的裂纹
§ 
§ 
使其中某些裂纹发展贯穿整个试样而断开
使裂纹附近的聚合物发生形变
使断开的试样片段飞出去
少量的克服空气阻力以及机械零件之间的摩擦力
注:一般来说,在被破坏前所吸收的冲击能越大,断裂伸长也越大,材料的冲击韧性越好。

4. 洛氏/邵氏硬度

定义:材料抵抗其他较硬物体压入其表面的能力。
目的:测量材料的适用性,间接了解材料的磨擦性能、拉伸性能、固化程度等力学性能
常用的硬度测试方法:邵氏硬度、洛氏硬度,硬度体现的是产品的坚硬程度。在施加荷重的状态下,测定坚硬的圆珠凹陷时的抗衡性的实验。如果塑料中胶含量较多的话,冲击强度将会增加,但硬度会下降。

5.撕裂强度

撕裂力Ft:撕裂试样所需的平均力或最大力。
撕裂强度:若已知试样的厚度为d mm,则撕裂强度为撕裂力和厚度的比值Ft /d。GB和ISO多用F/d作撕裂强度,但ASTMD1004(塑料片材)以F作撕裂强度,ASTM D624(橡胶)则以F/d作撕裂强度。

6.塑料粘度

是指塑料熔融流动时大分子之间相互摩擦系数的大小。它是塑料熔融流动性高低的反映,即粘度越大,熔体粘性越强,流动性越差,加工越困难,同时也是聚合物分子量大小的一个测评方法。塑料粘度的大小与塑料熔融指数大小成反比。塑料粘度随塑料本身特性,外界温度,压力等条件变化而变化。

 二热学性能

 1.熔融指数
熔融指数是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。它是美国量测标准协会(ASTM)根据美国杜邦公司惯用的鉴定塑料特性的方法制定而成,其测试方法是先让塑料粒在一定时间(10分钟)内、一定温度及压力(各种材料标准不同)下,融化成塑料流体,然后通过一直径为2.095mm圆管所流出的克(g)数。表示方法有MFI:流体质量;MVR:流体体积。

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在微观上,融指越大表示体现粘度愈小及分子重量愈小,反之则代表该塑料粘度愈大及分子重量愈大。在宏观上,其值越大,表示该塑胶材料的加工流动性越佳,反之则越差。

2.灰分

一般在马沸炉中高温灼烧,聚合物发生一系列物理和化学变化,最后有机成分挥发逸散,而无机成分(主要是无机盐和氧化物)则残留下来,这些残留物称为灰分。一般改性的产品里面,灰分就是硅石、碳酸钙、滑石粉、玻纤、钛白粉等一些无机矿物质。

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                                                                                图 灰分炉

目的:测定塑料中无机物质的含量,作为判断材料真假的一个依据以及评判材料性能的一个依据,如:在加玻纤的塑料中,高了塑料材料刚性增加,耐热性增加,但韧性降低,反之,韧性增加,刚性耐热性下降。
3.水分
指含在物体内部的水。水分含量是影响诸如聚酰胺(PA)和聚碳酸酯(PC)等树脂的加工工艺、产品外观和产品特性的一个重要因素。在注塑过程中,如果使用水分含量过多的塑料粒子进行生产,则会产生一些加工问题,并最终影响成品质量,如:表面开裂、反光,以及抗冲击性能和拉伸强度等机械性能降低等。

4.热失重

热失重就是通过对物质加热,使物质逐渐挥发、分解,测量他随温度升高的重量的变化。这样可以用来测定物质的某些物理性质,如:分解温度,熔点等之类的。        

5.玻璃化温度
高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度,指无定型聚合物(包括结晶型聚合物中的非结晶部分)由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的转变温度,是无定型聚合物大分子链段自由运动的最低温度,通常用Tg表示,随测定的方法和条件有一定的不同。高聚物的一种重要的工艺指标。在此温度以上,高聚物表现出弹性;在此温度以下,高聚物表现出脆性。

6.热变形温度

热变形温度(Heat deflection temperature):对高分子材料或聚合物施加一定的负荷,以一定的速度升温,当达到规定形变时所对应的温度。
测试目的:处于玻璃态或结晶态的高聚物,随着温度的提高,原子和分子运动能量提高,在外力作用下因其定向运动而导致变形的能力增加,即材料抵抗外力的能力——模量随温度升高而下降,随着温度的提高,固定负荷下塑料产生的变形增加。

7.维卡软化温度

维卡软化温度是评价材料耐热性能,反映制品在受热条件下物理力学性能的指标之一。材料的维卡软化温度虽不能直接用于评价材料的实际使用温度,但可以用来指导材料的质量控制。维卡软化温度越高,表明材料受热时的尺寸稳定性越好,热变形越小,即耐热变形能力越好,刚性越大,模量越高。

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                                                                      图 维卡软化/热变形温度测试仪

8. 热传导系数
定义:物体热传导能力的热性能参数,单位为W/m.K (kcal/m.℃.h)。
试验仪器:热导率测定仪,适用于导热材料和绝热材料的测试

9.低温脆化

塑料的刚性会随着环境温度的变化而变化,当温度降低到某一定温度范围时,就表现出呈刚性,继而变脆。
脆化温度的测定:在规定的受力及变形条件下,测出其显示脆性破坏时的温度

10. 热膨胀系数

物体在体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理性质之一,它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。当两种不同的材料彼此焊接或熔接时,都要求这两种材料具备相近的膨胀系数。
原因:如果选择材料的膨胀系数相差比较大,焊接或熔接时由于膨胀速度不同,在焊接处产生应力,降低了材料的机械强度和气密性,严重时还会导致焊接处脱落、炸裂、漏气或漏油。

11. 燃烧测试

是指材料燃烧遇火时所发生的一切物理和化学变化,这项性能有材料表面的着火性和火焰传播性、发热、发烟、碳化、失重,以及毒性生成物的产生等来衡量。

测试方法:主要有氧指数燃烧性能测试、水平燃烧性能测试、垂直燃烧性能测试、灼热丝可燃指数测试等,其中材料的阻燃性能直接影响材料的使用。
1)极限氧指数法
是在规定的实验条件下,测量维持样品燃烧所需要的最低氧浓度的一种方法,燃烧的实验环境气体为氮气/氧气混合物,测试样品垂直放置(顶端接触点火器)。因为空气中氧气的体积浓度为21%,所以如果LOI值高于21%(体积比)说明材料具有阻燃性能。LOI值越大,说明材料的阻燃性能越好。
2)灼热丝测试
  .模仿了这种由热或点燃所产生的作用(例如过载电阻器的生热),来评价火灾的危害。灼热丝测试的温度为550,650,750,850,960 ℃甚至更高,具体的温度由相关规范来决定: 
  .如果满足了下列条件之一就认为材料样品能够经受灼热丝测试:材料无火焰和材料无火星。 
  .样品的火焰或者火星在移开灼热丝30秒后熄灭,而且铺在下面的棉花或者纸张没有被点燃或者烧焦。
 
3)水平/垂直燃烧
将长方形条形样条的一端固定在水平或垂直夹具上,其另一端暴露于规定的试验火焰中,通过测量线性燃烧速率,评价试样的水平燃烧行为;通过测量其余焰火和余焰时间,燃烧范围以及颗粒低落的情况评价塑料的燃烧性能。
 
三绝缘电性能

1.表面电阻率

材料表面的抗衡程度。在试片表面两个位置之间施加电极,测定试片表面的电阻特性

2.体积电阻率

材料内部的阻力程度。在材料的反面施加电压,测定试片的阻力。阻力数值越大,导电性越差,绝缘性越好。

3. 击穿电压

高分子材料在一定电压范围内是绝缘体,但随着施加电压的升高,性能会逐渐下降。当电压升到一定值时变成局部导电,此时称材料被击穿。

4.漏电起痕

固体绝缘材料表面在电场和电解液的联合作用下逐渐形成导电通路的过程,称为漏电起痕。而绝缘材料表面抗漏电起痕的能力,称为耐漏电起痕。
耐漏电起痕试验主要是模拟家用电器产品在实际使用中不同极性带电部件在绝缘材料表面沉积的导电物质是否引起绝缘材料表面爬电、击穿短路和起火危险而进行的检验。
试验主要是一种模拟极恶劣条件的加速试验以检验绝缘材料是否会形成漏电痕迹,从而能在短时间内区别固体绝缘材料抗漏电起痕的能力。

5.耐电弧

显示为塑料在高电压电弧下的承受能力,测定形成导电路(Conducting Path)且电弧消失时所需时间。耐电弧性是未经污染的干燥状态下的特性,CTI是因电解质而受到污染的环境下的特性。

6.介电损耗

电介质在外电场的作用下,将一部分电能转变成热能的物理过程,称为电介质的损耗。
意义:介电损耗越大,材料的性能就越差,其为判断材料性能好坏,选择材料和制作器件的重要依据。

7.介电常数

介电常数ε是表征绝缘材料在交流电场下介质极化程度的参数,它是充满此绝缘材料的电容器的电容量,与以真空为电介质时同样电极尺寸电容器的电容量的比值。

8. 介电强度

材料对高电压的承受能力,为电性的最大强度,测定材
材料对高电压的承受能力,为电性的最大强度,测定材料产生破损时的电压。通常介电强度越高,材料的绝缘质量越好。
 

四老化测试

老化试验包括:人工气候老化试验(氙弧灯、碳弧灯、紫外灯)、自然气候暴晒试验、材料贮存寿命推算、盐雾试验、湿热试验、高低温试验、臭氧试验、二氧化硫-臭氧试验、热氧老化试验、液体介质老化试验、用户特定条件老化试验等等。一般测试项目会根据需要来做。

1.人工加速老化

在实验室利用老化箱模拟自然环境条件的某些老化因素进行的老化试验。
热老化测试:是评定材料对高温的适应性的一种简单的人工模拟实验方法,是将材料放于高于相对使用温度的较高温度中使其受热作用,通过测试暴露前后性能的变化来评定材料的耐热性能。更多相关文章可以订阅我们公众号,在后台回复”测试“,即可查看更多相关文章。

2.氙灯光老化
氙弧辐射源经过两种不同的光过滤系统之一来改变其产生的辐射光谱分布,分别模拟太阳辐射的紫外和可见光的光谱分布,模拟3mm厚的窗玻璃滤过的光辐射的紫外和可见光的光谱分布。
 氙灯老化测试就是评定户外无遮蔽使用和储存的设备经受太阳辐射热和光学效应的能力。影响的范围包括待测物的电性功能是否正常,材料结构是否变形或损坏,为了验证待测测物表面材料经过日光长期曝晒后出现颜色退化,通常在试验前与试验后均以色差仪进行颜色变异程度量测试。
这是一项对暴露在阳光下的产品及其制造材料进行的试验。太阳辐射可引起光化学效应和热效应。在大多数情况下,这项试验可以代替高温试验。通过日照试验可检验太阳辐射对产品或有关材料的使用或露天存储的影响。
3. 紫外灯老化
紫外光老化检测是采用荧光紫外灯为光源通过模拟自然阳光中的紫外光辐射和冷凝对材料进行加速耐候性试验,以获得材料耐气候性的结果。紫外老化检测广泛适用于非金属材料、有机材料(如:涂料、油漆、橡胶、塑胶及其制品)经在阳光、湿度、温度、凝露等气候条件的变化下检验有关产品及材料老化现象程度及情况。
目的:产品在大气中放置一段时间,就会出现不同的问题,比如外观的变化,包括龟裂、出现斑点、粉化或者颜色变化,甚至还会出现使用性能的下降,可能原因是树脂中分子的丧失导致分子结构中的化学键发生了变化,主要原因是受阳光、工业排除的废气、细菌等等引起的。产品的老化性能直接影响了产品的使用时间,因此老化试验的测试具有重大意义。
4.碳弧灯老化
碳弧灯分为两种,一种是封闭式碳弧灯,一种是阳光型碳弧灯。这两种碳弧灯都是应用于早期的设备,前者最初用于纺织品耐光测试,后者最初用于涂层的耐光性测试。封闭式碳弧灯的发光体是一组碳棒,电流通过碳棒发出弧光。
但碳棒发出的弧光的光谱能量分布与自然光的光谱能量分布相差较大,既没有自然光的短波紫外辐射,在400-800nm之间也没有日光的高强度能量。阳光型碳弧灯与日光的光谱能量分布的匹配性有所改善,但二者在50-350nm之间的光谱能量分布还是有很大差异。
5.温湿度循环
温度循环就是将试验样品曝露于予设的高低温交替的试验环境中。盐雾腐蚀试验箱为避开温度冲击影响,试验时的温度变化率必须小于20℃/分钟。同时,为达到蠕变及疲劳损伤的效果,推荐试验温度循环为25℃~100℃,或者也可根据产品的用途使用0℃~100℃的循环试验,曝露时间为各15分钟。

6.温湿度冲击

升温/降温速率不低于30℃/分钟。温度变化范围很大,同时试验严酷度还随着温度变化率的增加而增加,用来测试材料结构或复合材料,在瞬间下经极高温及极低温的连续环境下所能忍受的程度,藉以在最短时间内试验其热胀冷缩所引起的化学变化或物理伤害。温度冲击试验与温度循环试验的差异主要是应力负荷机理不同。
温度冲击试验主要考察由于蠕变及疲劳损伤引起的失效,而温度循环主要考察由于剪切疲劳引起的失效。温度冲击试验容许使用二槽式试验装置;温度循环试验使用单槽式试验装置。在二槽式箱体内,温度变化率要大于50℃/分钟。

7.臭氧老化

臭氧老化就是将试样暴露于密闭无光照的含有恒定臭氧浓度的空气和恒温的试验箱中,按预定时间对试样进行检测,从试样表面发生的龟裂或其它性能的变化程度,以评定试样的耐臭氧老化性能。臭氧老化分为静态拉伸测试和动态拉伸测试,在这个测试中臭氧浓度、温度、试样定伸比是非常重要的三个参数。
 
五其他测试
 
1.耐化学药品测试
耐化学药品性是指塑料抵抗酸、碱、有机溶剂、油料、气体、盐水等化学药品侵蚀的能力。在化学药品长期作用下,塑料的外观和物性会发生失光、变色、雾化、开裂、龟裂、翘曲、分解、溶胀、溶解、发黏等变化。
塑料在化学药品中是否受到腐蚀,评定的依据通常是塑料在化学药品中一定时间后的重量、体积、强度、色泽等变化的情况。塑料受化学药品腐蚀的程度和快慢除了与介质种类有关外,还与介质的温度、压力、制品内残存的内应力、孔隙多少等因素有关。

2.吸水性

塑料的吸水性对塑料制品的力学性能、电性能、热性能、化学稳定性和加工性能等有很大影响。表示塑料吸水性的指标有吸水量、单位面积吸水量和吸水率。将规定尺寸的试样浸入到具有一定温度(25℃ ±2℃)的蒸馏水中,经过一定时间后(24h)所吸收的水量,称为吸水量。吸水量与试样质量之比称为吸水率,用百分数表示。

3. 色牢度

指材料抵抗暴露在加工、测试、储存或使用过程中可能遇到的任何条件下产生的颜色特性的改变,或其染色剂传递到相邻材料,或以上两者的能力。耐光色牢度,指材料抵抗因暴露在阳光或人造光下产生的颜色特性的改变的能力。

4. 雾度
雾度(haze)是偏离入射光 2.5°角以上的透射光强占总透射光强的百分数,雾度越大意味着薄膜光泽以及透明度尤其成像度下降。
透明或半透明材料的内部或表面由于光漫射造成的云雾状或混浊的外观。以漫射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示。haze用标准“c”光源的一束平行光垂直照射到透明或半透明薄膜、片材、板材上,由于材料内部和表面造成散射,使部分平行光偏离入射方向大于2.5°的散射光通量Td与透过材料的光通量T2之比的百分率,是透明或半透明材料光学透明性的重要参数。
注:
   . PE 等结晶性聚合物所得薄膜,都具有一定的雾度特性;
   .无定形聚合物所得薄膜,如PC(聚碳酸酯) 、PS 和 PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯) 等,其雾度为 0,不具有雾度特性;
   . 无定形聚合物混合体系薄膜,在组分间相容性好且折射率一致时会透明;但在组分间相容性不好或者折射率不一致时,将呈现雾度特性;
   . 结晶性聚合物混合体系薄膜,如果配比恰当且树脂品种匹配时将具有大的雾度,远大于单组分体系薄膜的雾度,并且其雾度在很低的薄膜厚度时仍能有良好保持。

5.透光率

是表征树脂透明程度的一个最重要性能指标。一种树脂的透光率越高,其透明性就越好。塑料制品透明的条件有两个:一为制品是非结晶体;二为虽部分结晶但颗粒细小,小于可见光波长范围,不妨碍太阳光光谱中可见光和近红外光的透过。任何一种透明材料的透光率都达不到100%,即使是透明性最好的光学玻璃的透光率一般也难以超过95%。

6.红外光谱
当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。
所以,红外红外光谱光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。