共聚酯 (PETG/PCTG)
高分子材料在不同温度与负荷时间下的弹性与刚性
来源: | 作者:化工新材料 | 发布时间: 2023-11-24 | 85 次浏览 | 分享到:

材料的性能从根本上来讲是由温度和负荷时间的等价性决定的,但这一原则往往会被塑料加工商和设计者所忽视。这里有一些相关的指导。

粘弹性是材料的一个基本性能,在衡量其表现时,负荷时间和温度具有等价性,由于所有聚合物本质上都是粘弹性的,这一原理适用于所有塑料的力学性能,不幸的是,这些原则通常只在提供了一个非常严格的数学处理的主题的教科书中得到讨论,实际意义往往迷失在数学中;因此,设计塑料零件和指定原材料的工程师仍然不知道这一非常重要的原理。

简单地说,在负载条件下,温度升高的影响也可以通过延长时间的影响而不增加温度的影响来观察到,例如,聚丙烯的模量可以从在室温下的1600 MPa(232 kpsi)降低到在60C(140F)下的800 MPa(116 kpsi)。模量是刚度的度量,定义为应力除以应变,如果我们在室温下对该PP的一束梁施加4 MPa(580 psi)的应力,我们将立即观察到0.25%的应变,如果我们在60℃下对材料进行同样的操作,我们将观察到一个更高的应变,为0.50%,这反映在由温度升高引起的模量降低中,但是,如果我们在室温下施加相同的4MPa应力,然后保持该应力10小时,我们将观察到相同的总应变为0.50%。

第一个0.25%会发生在我们施加应力的瞬间,剩下的0.25%会发生在随后的10小时内,这是一种我们称之为蠕变的现象,在这个例子中,时间-温度的等价性是,增加40°C(104°F)等于10小时。这种等效性的具体情况因材料而异,甚至同一材料在不同的温度区间表现的差异也是不一样的。

应变率是时间的倒数,应力相同时,同时样的应变如果所需的时间越长,应变率越低;反之,时间越短,应变率越高。同样,在同样的应力和应变下,如果所需的温度越高,那么应变率就越低;反之,温度越低,应变率越高。图1显示了这个原理的一个示例,在相同的温度下,使用三种不同的应变率对PP材料进行了拉伸试验---应变速度是由拉伸测试仪的十字头移动的速度表示。在最慢的十字头速度下,材料的屈服强度和模量均处于最低值。

随着速度的增加,屈服强度和模量也会增加。由于应变率的增加,材料似乎更强、更硬,这种效果也可以通过保持应变率恒定而逐步降低测试温度来实现。

塑料材料和许多其他类型材料一样,一个重要的性能是,随着强度和刚度的增加,延展性降低。在拉伸试验中,断裂伸长率或极限伸长率的特性被认为是延展性的一种相对测量方法。图1未显示拉伸试验的所有拉伸形变情况,但在最慢的5mm/min时,极限延伸率超过300%,而50mm/min时,断裂延伸率为125%,500 mm/min时进一步降低至30%。

冲击测试是使用更高的应变率谱来评估延性的另一种方法。图2和图3显示了在室温下对聚氯乙烯(PVC)材料进行的仪器冲击测试的结果,分别使用两种不同的速度:15英尺/秒和5英尺/秒。紫色的线表示样品上的载荷,蓝色的线表示在制造故障过程中收集的能量。

图2中的高速试验显示,负荷在大约3毫秒的时间内迅速增加。一旦测试达到最大值,负载就会迅速下降,这表明出现了脆性故障的发生,几乎所有产生故障所需的能量,总共21焦耳,都花费在启动故障的过程中,而产生最终故障则很少需要额外的工作。

图3所示的低速试验,看起来似乎是在不同的更坚硬的材料上进行的。载荷逐渐增加,部分原因是最初冲击的速度较低,但当达到峰值负荷时,可以观察到最重要的差异。这些材料不是立即释放能量,而是继续管理事件的能量,将测试的时间框架延长到20毫秒以上,这在冲击测试中是不变的。造成这种冲击所需的总能量增加了大约50%到32焦耳。但最重要的是,由于冲击速度的变化,破坏模式从脆性变为延展性。

这里说明的PP拉伸试验和聚氯乙烯(PVC)冲击试验的两种变化,也可以通过保持应变率相同和改变进行试验时的温度来产生。降低温度与增加应变速率的效果相同,而提高温度与降低应变速率的效果相同。如果没有告诉您测试是如何执行的,那么您将无法知道选择了哪些更改,这就是重点——塑料也不能。


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