1、 无规共聚聚丙烯在不同试验参数下对其机械性能的影响 摘要 ：研究一定温度范围内温度对无规共聚聚丙烯（ PP-R）的抗冲击性能和硬度的影响；研究了材料的拉伸性能与应变率的关系，在很宽的应变率范围内其多项力学性能受应变率的影响较大；最后研究了 PP-R 成型后的储存时间与其机械性能的关系。 关键词 ：无规共聚聚丙烯，力学性能，存储时间，应变率 1.引言 有大量关于聚丙烯（ PP）处理，形态，测试和紫外线（ UV）的降解的文献 1-3。然而，其中缺少关于存储时间对 PP 的影响、户外老化时间和填加不同比率填料对 PP力学性能的 影响的结论。这可能需要联系实际，它的研究是非常严密和耗费时间。基于这些原
2、因，本文的目的是，研究成型无规共聚聚丙烯在不同贮存时间的力学性能和热性能 2实验 2.1材料 在这项研究中所使用的聚合物是由 Borealis s. a 公司生产的一种天然无规共聚聚丙烯（ PP-R），其商标名称为 RA 130E，它呈颗粒的形式。其性能如表 1。 2.2样品制备 测试样品采用特别设计的注塑模具生产。测试样本性能如图 1 所示。所有的测试样本都使用 ERATFE 130/95 注塑机成型。表 2 为此款注塑机的结构图。首先设置仪器参数 和成型条件，所有样本在测试前均需在室温条件下保存 30 天。除非特殊要求 表 1 本研究所使用聚合物的典型特性 2.3拉伸试验 拉伸试验的测试样
3、本尺寸均为 156*10*4mm，遵从 ISO 527-1（ 1993）标准。设定不同速度对样本进行拉伸试验。拉伸仪器的名称为 A Z wick Z10，利用通用螺杆驱动的拉伸 /压缩试验机的数据采集系统设备来进行拉伸试验。我们使用 50 毫米 /分钟的测试速度，除非另有提及。研究应变率效应，所使用的速度范围是从 1 到 1000mm/min,伸长计被利用来测定其弹性模量 。试验在温度为 23之下进行。每组样本至少进行三次试验，然后采用计算机测试程序推导出屈服应力、抗张强度、弹性模量、应变屈服的平均数。 2.4悬臂梁式冲击试验 冲击断裂能是表征材料韧性的重要参数。冲击值可用来表现材料吸收冲击能
4、量的能力，他是由两部分组成： (a) 断裂所需的能量，（ b）一定量的材料在一定形变之下所需消耗的能源。 传统的冲击试验设备（没有仪表），实际上是无法将这两个部分分开的。冲击试验仪器提供了断裂过程中所涉及的能源的信息，对于材料的裂纹开裂和裂纹延伸所需的能力可以提供很好的 评价，而传统的冲击试验设备是不可能实现这点的。许多材料，裂纹缺口是发生在前夕或在最大负荷时形成。因此，这合理和近似的确定了当裂纹开裂时所需的能量是最大的 4。同样，峰后的能源，被定义为当材料为了抵抗裂纹扩展所需的能量。在许多工业应用中，研究温度对冲击强度的影响是很有意义的，而且它引起了工业与学术界高度重视 5。 悬臂梁式冲击试
5、验测试样品的尺寸为 80*10*4mm 的矩形，符合 ISO 179/1eA（ 2000）标准。用铣床高速切割刀切一个单独的 V 形切口（尖端半径 0.25mm，深 2mm），按照 ISO 179/1eA（ 2000 年）标准。在一个很宽的温度范围内进行了一系列悬臂梁式冲击试验。设置测试温度，使用不同比例的液态氮和丙酮的混合物，在实验前测试样本至少保存在冷却介质里 30 分钟。 对处理过的缺口样本进行了一个的冲击速度为 2.93m/s，温度从 75至 85.8的悬臂梁式冲击试验，首先将悬臂梁式冲击试验机（ Code 6545/000）的脉冲速率设定为 2.93m/ s，冲击能量评价是基于线弹性
6、断裂力学（ LEFM）分析的，普拉蒂和威廉姆斯提出怎样确定材料的冲击强度 6。悬臂梁式冲击能量 Cv值由下式给出 其 中 U 是指样本被吸收能量， B 和 D 分别为样本的宽度和厚度， F 是样本几何依赖校准因子。冲击试验仪器是很好的仪器设备，无论是消耗最大能源的裂纹萌生，还是传统的悬臂梁式冲击能量的总冲击能量，它整个过程都可以计算出。 2.5硬度测试 硬度是指材料的抗变形能力，特别是指永久变形缺口或刮痕。一般来说，测量硬度最普遍的方法为 Rockwell and Shore。 Rockwell 方法通常用于比较硬的材料， Shore 的（或硬度计）方法，符合 ISO 868（ 2003 年）
7、的标准，它已运用于软橡胶和塑料的测试。 Shore 硬度是使 用 Shore 硬度计在不同温度下进行测试。其结果是三个测量值的平均值。 表 2 本研究成型注塑机的规范和设置参数 3结果和讨论 3.1.拉伸试验 半结晶聚合物的拉伸能量和力学性能是非常重要的特性。这些宏观特性非常依赖于应变率，因此研究他们的应变率影响因素对于工程和结构的应用是非常重要的 7。材料变形过程中有着复杂及引人注目的应变率，因为变形过程中的能源消耗主要是因为热量消散。在等温图中，在更高的温度的图与非关联负荷率较低时，可观察到更多的负载 8。一般来说，半结晶聚合物的拉伸试验分为三个 阶段 9,10：（ 1）测试样品的微球粒状
8、结构化，（ 2）微球粒状结构变换为纤维状结构，（ 3）最后，后颈部的纤维结构的变形。一般来说，高分子材料在短期内彻底软化与塑性模量的减少有关。然而，当它继续变长和超过一个限制区时，塑性模量增强的纤维结构形态变化，称为应变硬化。 无规共聚聚丙烯（ PP-R）样品在不同切速度下的应力应变曲线如图 2。在切速度为 25mm/min 时测试样本没有超过 600%的伸长率，但当切速度更高时，测试样本伸长率变低，并且已破裂，当切速度为 1000mm/min 时，伸长率约 38。 在较低的切速度下， PP-R 样本可形成非常明显和稳定的宽的应力致白区域；在测试的过程中，缩小的区域在整个测试测量的破裂点延长到
9、非常大的变形值。在这个阶段，应给应变硬化一个逐步增加的压力直到样本破裂。由于切速度的增加应力致白区域变小，在高速时，标准长度的其余部分没有塑性变形。 切速度的变化对屈服应力，屈服应变和弹性模量的影响分别如表 3-5。这些性能的关系都是线性的，像其他半结晶聚合物，应变率对 PP-R 力学性能的影响是非常大的。可以指出，这些图表的斜率会因材料的不同而不同，另外它很好的确定了应变率对材 料的影响力 11。 3.2 冲击试验 悬臂梁式冲击试验仪器得到的不同温度下时间与力的关系如图 6 所示。当温度变化时，力 -时间关系信号也显示出显着的变化，如图 6 显示，温度增加至 25时，几乎所有的能源都消耗在裂
10、纹萌生阶段，当温度超过 50时，能源消耗在裂纹扩展阶段变得明显。在温度高于 75时，测试样本部分断裂，而低于此温度，测试样本则完全断裂 悬臂梁式冲击能量与温度的关系如图 7 所示，温度从 -75和 0冲击强度相对不变，当温度继续升高时其冲击强度快速增加。当温度到达 90以后，其冲击强度不会在增加而测试样本被拉断。 0以后材料变成脆韧的特点，它表明一个事实，当温度非常接近于 0 时，冲击强度急剧恶化。 这些结果从两个方面来看是很有重要的现实意义的，首先，在实际应用中 PP-R 管可以运用于低于 0的环境中，其次，运输和在较低温度下的管道安装是可能的。因此，当管道在较低温度下容易断裂时，这两点需要
11、特别被重视。 悬臂梁式和裂纹扩展的断裂性如图 8。这个图表表 明，当温度接近较低温度 0时，有大约 90的冲击能量消耗在裂纹萌生阶段，但由于测试温度有升高的趋势，使得当温度大于 50时裂纹扩展所需能量高于裂纹萌生所需能量。在较高温度下裂纹萌生仅消耗约 35的能量。 4 结论 本文概述了 PP-R 缺口在很宽的温度范围内，在不同的切速度下的悬臂梁式冲击试验和拉伸试验的实验结果。特别值得注意的是成型后的 PP-R 放置时间长之后，其拉伸性能发生变化。关于不同试验条件对 PP-R 的机械性能的影响，得出以下结 论： （ 1）材料的拉伸性能受应变率的影响。如屈服应力，弹性模量和屈服应变都随材料的应变速
12、率增加而递增的特性。这些性能的变化呈线性关系，设想在这些图表的斜率很可能从一个半结晶材料到另一个，它可能是一个良好的指标来定义半结晶聚合物材料的应变率。 （ 2） PP-R 的悬臂梁式冲击裂纹萌生和裂纹扩展对温度是相当敏感，对于趋近于较低温度 0 度时其比较脆弱，当温度大于 0 时，随着温度的上升其变化程度是显著的， 当温度大于 85 时，测试样本变得太长以至于被拉断。 （ 3）随着温度的降低天然 PP-R 材料的 Shore 硬度在逐渐变小 。当温度低于 0 时其硬度下降得更加显着。 5 参考文献 1 E.P. Moore (Ed.), Polypropylene Handbook: Pol
13、ymerisation, Characterisation, Properties, Applications, Hanser/Gardner, New York, 1996, p. 113. 2 J. Karger-Kocsis (Ed.), PolypropyleneAn AZ Reference, Kluwer, Dordrecht, 1999. 3 J. Karger-Kocsis, Polypropylene: Structure and Morphology, Chapman & Hall, London, 1995. 4 M.P. Manahan Sr., C.A. Cruz J
14、r., H.E. Yohn, Instrumented impact testing of plastics in limitation of test methods for plastics, in: J.S. Peraro (Ed.), ASTM STP 1390, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 2000. 5 P.S. Leevers, P. Yayla, M.A. Wheel, Charpy and dynamic fracture testing for rapid crack
15、propagation in polyethylene pipe, Plast. Rubber Compos. Process. Appl. 17 (1992) 247253. 6 E. Plati, J.G. Williams, Determination of the fracture parameters of polymers in impacts, Polym. Eng. Sci. 15 (1975) 470477. 7 R. Gensler, C.J.G. Plummer, C. Grein, H.-H. Kausch, Influence of the loading rate
16、on the fracture resistance of isotactic polypropylene and impact modified isotactic polypropylene, Polymer 41 (10) (2000) 38093819. 8 A. Dasari, R.D.K. Misra, On the strain rate sensitivity of high density polyethylene and polypropylene, Mater. Sci. Eng. A 358 (2003) 357371. 9 A.J. Peterlin, Molecul
17、ar model of drawing polyethylene and polypropylene, J. Mater. Sci. 6 (6) (1971) 490. 10 A. Dasari, S.J. Duncan, R.D.K. Misra, Atomic force microscopy of scratch damage in polypropylene, Mater. Sci. Technol. 18 (10) (2002) 12271234. 11 J. Fiebig, M. Gahleitner, C. Paulik, J. Wolfschwenger, Ageing of polypropylene: processes and consequences, Polym. Test. 18 (1999) 257266.
