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表征增韌PC斷裂韌性的新方法

作者:admin    添加時間:2015-01-26 02:32:16    瀏覽量:6052

在塑料行業中,表征熱塑性材料斷裂韌性的常見方法包括擺錘沖擊、落球沖擊、多軸沖擊、應力-應變曲線等等,其中帶有標準缺口的Izod或Charpy沖擊測試因其簡單直觀的特點成為表征材料斷裂韌性最普遍的一種方法。然而當小編研究核-殼結構沖擊改性劑對PC的增韌效果時,發現該方法并不是充分有效的,這是因為本身就具有優異韌性的PC及其合金在擺錘沖擊下只表現為部分斷裂,此外Izod沖擊測試僅能給出總的斷裂能量。

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在此,小編向大家介紹一種表征增韌PC斷裂韌性的新方法。即單缺口、三點彎曲沖擊(SN3PB impact)及Vu-Khanh分析方法。該沖擊儀的結構如圖1所示,測試時以落錘的形式對帶有尖銳缺口的試樣進行沖擊,試樣的尺寸要求如圖2所示。沖擊過程中儀器會以恒定的時間間隔測量材料形變所產生的力,同時記錄落錘接觸試樣時的速度,這樣由力-時間關系就可以得到力-形變量的關系曲線,進而得到沖擊斷裂能。相比于Izod缺口沖擊,這種三點彎曲式的落錘沖擊更容易產生完整的斷裂形式。


圖1 SN3PB沖擊測試儀的結果示意圖


圖2 SN3PB沖擊測試所用樣條尺寸


下面我們以增韌PC為例分享該方法在表征增韌劑含量、增韌劑分散程度對材料韌性影響上的表現。試驗所用PC為三菱生產,Mw=23700,沖擊改性劑用量從0-18%變化,增韌劑在PC基體內的分散程度由單螺桿或雙螺桿加工來控制,最終通過SN3PB沖擊得到不同溫度下增韌PC的斷裂韌性,如圖3所示。由圖3(b)可見,當增韌劑含量≥6%時,增韌PC才會呈現韌性斷裂,且隨著增韌劑添加量的進一步增加,PC的韌-脆轉變溫度向低溫移動。此外增韌劑的分散程度也巨大地影響著PC的韌性,單螺桿加工相比于雙螺桿會導致增韌劑分散不均,無論增韌劑添加量如何,增韌PC在室溫下均表現為脆性。



圖3 不同沖擊改性劑含量增韌PC的SN3PB沖擊強度(a)單螺桿加工(b)雙螺桿加工

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SN3PB沖擊測試可結合Vu-Khanh斷裂理論分析。Vu-Khanh認為單位缺口剩余面積上的斷裂能量U/A,與缺口剩余面積A呈線性關系,式(1)。其中Gi的物理意義為裂紋引發能,Ta則定義為撕裂模量。


(1)

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改變試樣的缺口剩余面積并測得SN3PB沖擊能量,由此線性關系的截距得斷裂引發能Gi,由斜率得撕裂模量Ta。反過來便可得到增韌PC的Gi值和Ta值隨增韌劑含量及分散程度的變化關系,如圖4所示。增韌劑在基體中的均勻分散使得增韌PC的斷裂引發能隨增韌劑添加量的增加而顯著增大,單螺桿下的分散不均則使該趨勢變緩且斷裂引發能處于較低水平。同樣在雙螺桿加工條件下,增韌PC的撕裂模量在增韌劑達到6%時迅速增大到最大值,相反增韌劑分散不均的單螺桿加工使得增韌PC的撕裂模量始終為零。



圖4 斷裂引發能(a)和撕裂模量(b)與增韌劑含量及分散程度的關系

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由以上分析可見,相比于普通的Izod或Charpy沖擊,SN3PB沖擊及其分析方法能夠為增韌體系的斷裂行為提供更詳細、更具有分辨性的參數。在設計特定應用的工程塑料時,SN3PB沖擊及分析方法提供的參數Gi和Ta是非常有用的,比如有些應用需要更高的斷裂引發能,有些應用則要求更高的撕裂模量。

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