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上海长方光学仪器有限公司

塑料常规力学性能的测试

2018-05-08 14:05:56  来源:内容来源于网络 浏览量:9218次
【导读】塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分,再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。

 塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分,再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料;按用途又分为通用塑料和工程塑料。


★相关知识


定义:

塑料是以天然或合成树脂为主要成分,加入各种添加剂,在一定温度和压力等条件下可以塑制成一定形状,在常温下保持形状不变的材料。塑料制品是采用塑料为主要原料加工而成的生活用品、工业用品的统称。包括以塑料为原料的注塑、吸塑等所有工艺的制品。

分类:

工业生产的塑料已有几百种,其中常用的也有60多种,常见的分类方法如下:


按受热后的性能表现分

1.热固性塑料:该类塑料的特点是在一定的温度下,经过一定时间的加热或加入固化剂后即固化成型。

2.热塑性塑料:该类塑料的特点是受热软化,冷却变硬,加工过程中一般只有物理变化而保持其化学本性。


按应用范围分

1.通用塑料:该类塑料主要是指产量大、用途广、价格低的一类塑料。它们占塑料总产量的80%左右。

2.工程塑料:一般是指能在工程技术中作为结构材料的塑料。该类塑料显著的特征是机械强度高,耐化学腐蚀和耐高温性能强,可代替金属或做其它特殊的用途。


按可燃程度划分

1.易燃性塑料:该类塑料遇明火后剧烈燃烧,不易熄灭。

2.可燃性塑料:此类塑料遇明火燃烧,无自熄性,但燃烧速度较快。

3.难燃性塑料:这类塑料在较强的明火中可燃烧,离火后很快熄灭。


特点:

1重量轻;

2优良的化学稳定性;

3优异的电绝缘性能;

4热的不良导体,具有消声、减震作用;5机械强度分布广和较高的比强度。


★塑料力学性能测试

塑料应用领域非常广泛,不同的应用领域所需要的性能也不完全一样,下面一一介绍塑料的力学性能测试

1、拉伸性能

定义:

在规定的试验温度、湿度及拉伸速度下,通过对塑料试样的纵轴方向施加拉伸载荷,使试样产生形变直至材料破坏。记录下试样破坏时的最大负荷和对应的标线间距离的变化等情况,可绘制出应力-应变曲线。

影响因素:

(1)试样的制备与处理

拉伸试验要求做成哑铃形试样;

制样方式有两种:一是用原材料制样;二是从制品上直接取样。

用原材料制成试样有几种方法,包括模压成型、注塑成型、压延成型或吹膜成型等;

不同方法制样的试验结果不具备可比性;

同一种制样方法,要求工艺参数和工艺过程也要相同;

试样制备好后,要按GB/T 2918-1998标准,在恒温恒湿条件下放置处理。

(2)材料试验机

影响因素主要有:测力传感器精度、速度控制精度、夹具、同轴度和数据采集频率等。

测力传感器一般要求传感器的精度在0.5%以内。

拉伸速度要求平稳均匀,速度偏高或偏低都会影响拉伸结果。

试验机的同轴度不好,拉伸位移将偏大,拉伸强度有时将受到影响,结果偏小。

(3)试验环境

影响塑料拉伸试验结果的因素主要是温度和湿度。GB/T 2918-1998,标准实验室环境温度为(23±2)℃,相对湿度为45%~55%。

(4)操作过程

一般情况下,拉伸速度快,屈服应力和拉伸强度增大,而断裂伸长率将减小。

高速拉伸时,分子链段的运动跟不上外力作用的速度,塑料呈现脆性行为,表现为拉伸强度增大,断裂伸长率减小。

(5)数据处理

现在的材料试验机多数由计算机控制,数据处理已程序化,但是有些数据还是依靠人为测试和计算的,如试样尺寸、位移变化、伸长率计算及脱机试验等。

2、弯曲性能

测定塑料弯曲性能采用的第一种方法是三点负载体系,第二种方法是四点负载体系。

影响因素:

(1)跨厚比

选择跨厚比时必须综合考虑剪力、支座水平推力以及压头压痕等综合影响因素。

(2)应变速率

在相同的试验厚度下,跨度越大则应变速率越小;试验速度越大则应变速率越大。

(3)加载压头圆弧和支座圆弧半径

加载压头圆弧半径过小,造成压头与试样质检不是线接触,而是面接触;若压头半径过大,对于大跨度就会增加剪力的影响,容易产生剪切断裂。

(4)温度

弯曲强度都随着温度升高而下降,但下降程度各有不同。

(5)操作影响

试样尺寸的测量、试样跨度的调整、压头与试样的线接触和垂直状况以及挠度值零点的调整。

3、压缩性能

压缩性能是描述材料在较低的压缩负载和均匀加载速率下的行为。

压缩性能包括弹性模量、屈服应力、屈服点以外的形变、压缩强度、压缩应变和细长比。

在实际应用中,压缩负载并不总是瞬间加上的,因此,不考虑塑料的刚度和强度对时间依赖性的标准试验结果,就不能作为设计零件的基础。

试验是把试样置于试验机的两压板之间,并在沿试样两个端部表面的主轴方向,以恒定速率施加一个可以测量的大小相等而方向相反的力,使试样沿轴方向缩短,而径向方向增大,产生压缩形变,直至试样破裂,屈服或试样变形达到一预先规定的数为止。

影响因素:

(1)试样材料:

例如材料内应力分布、材料结构、试样的成型加工方式等;

(2)试验条件:

例如试样形状、试样尺寸、试验机的上下压板的表面粗糙度或摩擦力以及试验速度等。

4、冲击性能

冲击试验是用来评价材料在高速载荷状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的试验。

塑料材料的冲击强度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速冲击而致破坏的能力。

冲击试验可分为摆锤式(包括简支梁和悬臂梁式)、落球(落锤)式和高速拉伸冲击试验等。

不同材料、不同用途制品可选择不同的试验方法。

摆锤式冲击试验包括简支梁型和悬臂梁型。

这两种方法都是将试样放在冲击机上规定位置,然后使摆锤自由落下,使试样受到冲击弯曲力而断裂,试样断裂时单位面积或单位宽度所消耗的冲击功即冲击强度。

简支梁冲击试验是摆锤打击简支梁试验的中央;悬臂梁则是用摆锤打击有缺口的悬臂梁的自由端。

影响因素:

(1)试样制备

每种制样过程都要符合相关标准,不同制样方法不具有可比性。

(2)样尺寸

规格要一致。不同加工方式加工的试样,其测值不具可比性。

(3)试验环境

冲击强度值均随温度的降低而降低。湿度对某些塑料冲击强度有影响。

(4)操作过程

如冲击速度,冲击摆锤刀口与试样打击面吻合。简支梁冲击试验中,如果试样与支架没有贴紧,则容易产生多次冲击使测试结果不准确。

(5)数据处理

数据处理与试验结果的精确度有着密切关系。

5、硬度试验

测定硬度的方法主要有三种类型:

(1)测定材料耐顶针压入能力的试验,如邵氏硬度(肖式硬度)、球压痕硬度试验等;

(2)测定材料对尖头或其它材料的耐划痕硬度试验,如莫氏硬度(Mobs)等;

(3)测定材料回弹性的硬度试验,如洛氏硬度,邵氏反弹硬度试验等。

邵氏A型适用于软质塑料及橡胶;邵氏C型和邵氏D型适用于较硬或硬质塑料和硫化橡胶。

球压痕硬度实验适用于柔软的弹性体到较硬的塑料。

洛氏硬度实验主要用于刚硬的工程塑料的硬度评价。

邵氏硬度:

将规定形状的压针,在标准的弹簧压力下和规定的时间内,把压针压入试样的深度转换为硬度值,表示该试样材料的邵氏硬度等级。

影响因素:

(1)试样厚度:试样过薄,将使测定的硬度值偏大。

(2)压针:压针端部形状越平坦,测得的硬度值越大。

(3)温度:测试温度高,测得的硬度值低。

(4)读数时间:随读数时间的增加而下降。

(5)测点间距离

洛氏硬度:

属于静载压痕法硬度试验,可用于软的弹性体材料到较刚硬塑料的硬度值评价。

影响因素:

(1)试验仪器的影响

(2)测试温度的影响

(3)试样厚度的影响

(4)主试验力保持时间的影响

(5)读数时间的影响

6、其他力学性能测试

(1)剪切试验

剪切强度定义为在剪切应力作用下,使试样移动部分与静止部分呈完全脱离状态所需之最大负荷。

影响因素:a:剪切速度:同一种材料随着剪切试验速度的增加,其剪切强度也增大。b:试样厚度:材料在制造过程中,不可避免地会产生一些气孔杂质或低 分子物质等缺陷,试样越厚,存在缺陷的概率也越高,因此一般试样越厚其剪切强度值也越低。c:环境温度:随着温度的升高,剪切强度明显下降,且热塑性材料 较热固性材料的影响更为明显。

(2)蠕变及应力松弛试验

蠕变试验:试验样品使用相关材料标准或GB/T 1040.2-2006中规定的测定拉伸性能的试样。

应力松弛试验:在恒定形变下,物体的应力随时间而逐渐衰减的现象称为应力松弛;应力松弛是一种理论上类似于蠕变特点的松弛行为,塑料应力松弛程度依赖于应变、时间和温度条件。

影响因素:

a温度的影响:温度越高,蠕变值和应力松弛值也越大。

b压力的影响:增大压力,降低分子链段的活动性,即降低了柔量。

c聚合物分子量的影响:分子量较小,熔融粘度与分子量成正比。

d交联状态的影响:交联度提高,蠕变速率明显下降。

e共聚和增塑作用的影响:共聚和增塑使蠕变和应力松弛曲线在温度轴方向产生平移。

f结晶化的影响:结晶能大大减少蠕变或应力松弛。

g聚合物分子结构的影响:分子链愈柔曲,蠕变和应力松弛就愈明显;相反,刚性分子链及链间作用力大的材料,蠕变及应力松弛就小。

(3)疲劳试验

疲劳是在较静态极限载荷小的载荷作用下,经过一定的时间周期后,首先在材料中产生很小的疲劳裂纹,然后在裂纹或材料的缺陷处(如杂质、填料、气泡、裂 隙、表面擦伤、刻痕等)处产生应力集中,使此处的应力比其他地方高数倍,数十倍或数百倍,就使裂纹迅速扩展,而导致材料的力学性能减弱或破坏。

疲劳是材料在周期性的交变载荷作用下发生的破坏。

银纹化和剪切流变是聚合物疲劳过程中最普遍的分子链变形方式。

(4)摩擦及磨耗性能

摩擦性能:指在摩擦过程中,材料的表面不断损失的性能。

影响因素:

a温度对摩擦系数有一定的影响,但都不太大。

b塑料摩擦系数随负荷增大而缓慢下降。

c在中、低速度范围内,塑料的摩擦系数随速度的增加而增大,但在高速下,随速度的增加而降低。

d配对材料 同一种塑料,因对磨材料的不同,其摩擦系数有很大差别。

e表面的粗糙度 接触表面愈粗糙,摩擦系数愈大。但聚四氟乙烯-钢的摩擦系数,当钢的光洁度很高时,却反而增大,只有当钢的光洁度在适当范围内才降到最小,这可能和聚四氟乙烯在钢表面的粘附有关。

f其他因素:如塑料的加工方法,试样的厚度等。

磨耗性能:在摩擦力作用下的整个过程中,发生一系列的机械、物理、化学的相互作用,以致材料表面发生尺寸变化和物质损耗。

影响因素:

a砂轮 砂轮是试验时的磨料,其切割力的大小,直接影响试验结果,在使用过程中,随着时间的延长,在其表面会附着一层发粘的胶沫,甚至染上油污,这些对试验结果都有影响。

b角度 角度增大,其滑动率也随之增大,磨耗量呈直线激烈增加。

c负荷 磨耗量随负荷的增加而逐渐增大。

d试样 试样长度越短磨耗量越大,试样越长磨耗量越小;试样厚度增加,磨耗量逐渐增大;试样夹板的大小,试样打滑的情况对磨耗量都有影响;转速的影响不太明显。


★应用领域

农业、渔业:塑料在农业方面常用的材料有薄膜、管道、片板、绳索和编织袋等。塑料温室,农作物、肥料和药物等的包装,农田水利工程多选用塑料管,农舍建筑、畜牧保护、农业机械及器具、鱼网、养殖浮漂等。

包装:塑料作为一种新型包装材料,在包装领域中已获得广泛应用.例如各种中空容器、注塑容器(周转箱、集装箱、桶等).包装膜、编织袋、泡沫塑料、捆扎绳和打包带等。

交通运输:汽车、火车、轮船等交通工具及相应的附属设施所用的塑料,按每辆或每艘计,逐年增加。品种有:燃油箱、保险杠、遮阳板、车座、门把手、方向盘、仪表板等。

电气工业:电线、电缆、绝缘体、家用电器、计算机及各种通讯设备等。

化学工业:塑料耐腐蚀性使塑料化工设备方面得以广泛应用,如制作塔器、贮槽、贮罐、反应器、电镀电解槽、热交换器、烟囱、管道、阀门、泵、衬里等。

仪器仪表:制造各种部件。

建筑工业:给水管系统,排水管系统,雨水管、槽系统,电气护套管系统,热收缩管系统,塑料门窗系统,板材,壁纸,地板卷材,地板毡,披叠板系统,平托 盘,发泡与实芯硬PVC多种异型材,防水材料,堵水材料,装饰装修材料,建筑涂料,外加剂,粘接剂,卫生洁具,家具等等。

航空工业:飞机用各种增强塑料作结构和覆面材料,常规武器中各种零部件。

国防和尖端工业:各种烧蚀材料、耐腐材料、增强材料等。

家具:家用、机关、工厂、学校和公共场所用家具。

体育用具:各种健身用品。

日用品:在人们的日常生活中,塑料的应用更广泛,如市场上销售的塑料凉鞋、拖鞋、雨衣、手提包、儿童玩具、牙刷、肥皂盒、热水瓶壳等等。目前在各种家 用电器,如电视机、收录机、电风扇、洗衣机、电冰箱等方面也获得了广泛的应用。塑料作为一种新型包装材料,在包装领域中已获得广泛应用,例如各种中空容 器、注塑容器(周转箱、集装箱、桶等),包装薄膜,编织袋、瓦楞箱、泡沫塑料、捆扎绳和打包带等。

医疗:医用高分子分人工脏器、修复人体缺陷和制作医疗器械三大类。如人工血管、心脏瓣膜、食道、气管等;人工耳朵、人工皮肤、人工关节等;输液器、输血袋、注射器、插管、检验用品、病人用具、手术室用品等。


★相关检测标准

GB/T 1040-2006 塑料拉伸性能的测定

本标准共分五个部分,第1部分:总则;第2部分:模塑和挤塑塑料的试验条件;第3部分:薄膜和薄片的试验条件;第4部分:各向同性和正交各向同性纤维增强复合材料的试验条件;第5部分:单向纤维增强复合材料的试验条件。

GB/T 2918-1998 塑料试样状态调节和试验的标准环境

本标准代替GB/T 2918-1982,提出了各种塑料及各类试样在相当于实验室平均环境条件的恒定环境条件下进行状态调节和试验的规范。

GB/T 17200-2008 橡胶塑料拉力、压力和弯曲试验机(恒速驱动)技术规范

本标准规定了在恒定的驱动速度下工作的适用于橡胶、塑料和粘接材料试验用的拉伸试验系统的技术要求。也适用于弯曲、剪切和压缩试验系统。

GB/T 1043.1-2008 塑料简支梁冲击性能的测定 第1部分:非仪器化冲击

本部分规定了塑料在规定条件下测定简支梁冲击强度的方法。规定了几种不同类型的试样和试验。根据材料类型、试样类型和缺口类型规定了不同的试验参数。

GB/T 1843-2008 塑料悬臂梁冲击强度的测定

本标准规定了在标准条件下测定塑料悬臂梁冲击强度的方法,以及多种不同类型的试样和试验的类型。根据材料、试样和缺口规定了不同的试验参数。

GB/T 9871-2008 硫化橡胶或热塑性橡胶老化性能的测定拉伸应力松弛试验

本标准规定了三种测量试样在给定伸长状态下应力变化的方法,目的是测定橡胶硫化胶的老化性能。

GB/T 18941-2003 高聚物多孔弹性材料定负荷冲击疲劳的测定

本标准规定了室内装饰中使用的多孔弹性材料的厚度减少值和硬度降低值的测定方法。提供了评价用于承载装饰的胶乳型和聚氨酸性多孔弹性材料的使用性能的手段。适用于从成品材料上截取的标准尺寸的试样,也适用于成型件。

GB/T 25262-2010 硫化橡胶或热塑性橡胶磨耗试验指南

本标准给出了硫化橡胶或热塑性橡胶磨耗试验指南,包括致密的和松散的两种摩擦材料。目的在于帮助使用者选择适当的测试方法和测试条件,以用于评价材料和评估其产品在磨耗方面的适宜性。

GB 3960-1983 塑料滑动摩擦磨损试验方法

本标准适用于测定塑料及塑料基复合材料的滑动摩擦磨损性能。

GB/T 5478-2008 塑料滚动磨损试验方法

本标准规定了塑料滚动磨损试验的方法。适用于测定塑料板、片材试样滚动磨损性能。不适用于泡沫材料或涂料。




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