吸水率对工程塑料PA_PBT_PPE_PC力学性能影响研究.docx

pa，pbt，ppe，pc吸水率对工程塑料力学性能影响研究郭玲玲，郭乔，李贵阳，程春锋，吴博( 金发科技股份有限公司分析测试中心，塑料改性与加工国家工程实验室，广东广州510663)摘 要:通过多种处理方法，得到不同吸水率的试样。研究不同吸水率对 pa、pbt，ppe，pc 四种工程塑料的力学性能的影响。结果表明: pa 拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量随吸水量的增加而下降，冲击强度随吸水率的增加而增加的现象非常明显;pbt 与 ppe 吸水率较小，且吸水率对其力学性能影响不大; pc 材料对处理温度敏感，与常温吸水处理试样相比，高温处理后的样 条拉伸强度，弯曲强度，弯曲模量明显增加，缺口冲击强度明显下降。关键词: 吸水率; 工程塑料; 力学性能; 结晶度中图分类号:文献标识码:文章编号:1001 9677( 2013) 16 0093 04tq322. 3astudy on the influence on mechanical properties of engineeringplastics of pa，pbt，ppe and pc by water absorptionguo ling ling，guo qiao，li gui yang，chen chun feng，wu bo( analytical instrumentation center，national engineering laboratory for plastic modification and processing，kingfa science and technology co. ，ltd. ，guangdong guangzhou 510663，china)abstract: samples with different water absorption were obtained by processing with multi methods. the effects onmechanical properties of four kinds of plastics，which were pa，pbt，ppe and pc with different water absorption，were studied. the results showed that the properties of tensile strength，flexural strength and flexural modulus of pa decreased with increasing amount of water absorption. on the contrary，the property of impact strength increased obviously with the absorption of plastic increased. pbt and ppe absorbed less water and the water absorption had little effect on its mechanical properties. the specimens of pc were temperature sensitive. compared with treating with normal temperature water，treating samples with heat water caused the tensile strength，flexural strength and flexural modulus increased and the impact strength decreased obviously.key words: water absorption; engineering plastics; mechanic property; crystallinity工程塑料作为一种重要的结构材料，一直以来，其改性和性能影响因素都是研究的重点。而 在 塑 料 产 品的力学性能中， 力学性能测试结果受环境温度和湿度影响较大，这些因素能引起塑料分子量、分子构型、物理态 ( 分子 链 运 动) 等 的 变 化1。本文重点关注了吸水率对 pa 等四种工程塑料力学性能方面的 影响，探究了吸水率对结晶材料 pa，pbt 与 非 结 晶 材 料 ppe， pc 力学性能的影 响 的 差 异，并通过比较相同吸水率时力学性 能的平均改 变 量，对两类材料间吸水率的影响程 度 进 行 了 比 较。伸计，德国 zwick / roell 公 司; 弯 曲 仪 ( bt1 fb005tn. d14 ) ，德国 zwick / roell 公 司; 冲 击 仪 ( hit5. 5p ) ， 德 国 zwick / roell 公司; 电子天平( xs104) ，瑞 典 mettler toledo 公 司; 恒 温 恒 湿 箱( ktha 010tbs ) ， 台 湾 kson 公 司; 超 级 恒 温 槽 ( sc 30) ，广州乙胜实验仪器有限公司。1. 3 样条制备将塑料粒子在 120 烘箱中加热预烘 8 h 后取出，立 即 采 用注塑机及国标标准试样模具，设置合适的成型工艺条件，得 到 gb 力学性能标准试样， 并 在 温 度 为 ( 23 2 ) 、湿 度 为 ( 50 5) % 的条件下调节 24 h。1实验部分弯曲试验样条尺寸:拉伸试验样条尺寸: 试样，总长 170 mm。缺口冲击样条尺寸:缺口。1. 4 性能测试80 mm 10 mm 4 mm;170 mm 10 mm 4 mm;a 哑铃型1. 1实验材料pa6 g30; pbt rg301;ppe gf20; jh960 6300 ( 下80 mm 8 mm 4 mm;缺口类型为 a文分别用 pa、pbt、ppe、pc 代替) ，实验材料均由金发科技 股份有限公司生产。1. 2主要仪器与设备注塑机( cj830 型) ，中国震德塑料机械有限公司;拉伸性能按 gb / t 1040. 1 2006 测试，标距为 50 mm;弯曲性能按 gb / t 9341 2008 测试; 悬臂梁缺口冲击强度按 gb / t 1843 2008 测试。电 子 万能试验机( bt2 fr020tew. a50) ，德 国 zwick / roell 公 司; 引94广 州 化 工2013 年 8 月湿热老化方式得到 8 种状态下样品不同的吸水率。实验处理条件及编号如表 1 所示。1. 5 吸水处理以调节后无处理的原始试样为基准，采 用 水 浸 泡，水 煮，表 1 四种工程塑料的吸水率实验处理条件the conditions of water absorption test of four engineering plasticstable 1处理条件pa6pbtppepc12345678无处理水浸泡 24 h80 ，75% 湿度 4 h80 ，95% 湿度 4 h水浸泡 96 h80 水煮 4 h水浸泡 168 h80 水煮 8 h无处理水浸泡 24 h80 ，75% 湿度 4 h80 ，95% 湿度 4 h水浸泡 96 h80 水煮 4 h水浸泡 168 h80 水煮 8 h无处理水浸泡 24 h80 ，75% 湿度 4 h80 ，95% 湿度 4 h水浸泡 96 h80 水煮 4 h水浸泡 168 h80 水煮 8 h无处理水浸泡 24 h80 ，75% 湿度 4 h80 ，95% 湿度 4 h水浸泡 96 h80 水煮 4 h水浸泡 168 h80 水煮 8 h根据处理前后试样的质量差计算出样条的相对吸水率2:吸水率对材料力学性能的影响对样条进行力学性能测试。表 2 表 4 分别列出了四种材 料拉伸强度、拉伸模量; 弯曲强度、弯曲模量; 冲击强度随吸 水率变化的实验数据。2. 1相对吸水率 = 处理后样条的质量 原始样条质量 100%原始样条质量2结果与讨论表 2 材料拉伸强度和拉伸模量随吸水率的变化table 2 tensile strength and tensile modulus of the material changes with water absorption材料处理条件12345678吸水率 / %拉伸强度 / mpa 拉伸模量 / mpa 吸水率 / % 拉伸强度 / mpa 拉伸模量 / mpa 吸水率 / % 拉伸强度 / mpa 拉伸模量 / mpa 吸水率 / % 拉伸强度 / mpa 拉伸模量 / mpa0157. 289040140. 612000063. 929100125. 975660. 66142. 982510. 05138. 3119000. 1163. 726460. 06121. 969660. 67129. 470910. 03140. 9117000. 0769. 129830123. 969341. 46114. 364460. 05137. 4117860. 1167. 527560. 05121. 468831. 61123. 172250. 07136. 6117380. 1662. 927710. 08122. 969801. 69121. 966680. 11138. 5112940. 1967. 228060. 10123. 469841. 86112. 968530. 09135. 6120130. 1864. 427260. 08122. 769701. 91103. 960600. 13134. 7115430. 2267. 227240. 11121. 46856papbtpcppe表 3 材料弯曲强度和弯曲模量随吸水率的变化table 3 flexural strength and flexural modulus of the material changes with water absorption材料处理条件12345678吸水率 / %弯曲强度 / mpa 弯曲模量 / mpa 吸水率 / % 弯曲强度 / mpa 弯曲模量 / mpa 吸水率 / % 弯曲强度 / mpa 弯曲模量 / mpa 吸水率 / % 弯曲强度 / mpa 弯曲模量 / mpa0219. 962930203. 39634098. 227060162. 356300. 64186. 748850. 05199. 195600. 1397. 426640. 07158. 756150. 7116544580. 04198. 994930. 05105. 428100157. 856161. 55138. 537690. 0519895840. 12106. 127460. 06157. 856411. 5155. 840060. 07195. 795070. 1896. 825740. 09157. 356531. 88138. 635090. 12195. 194510. 19104. 927780. 11157. 656212. 01139. 937440. 1195. 794980. 1897. 225990. 08158. 456262126. 935830. 15194. 295160. 23104. 627560. 11157. 45618papbtpcppe郭玲玲等: 吸水率对工程塑料 pa，pbt，ppe，pc 力学性能影响研究第 41 卷第 16 期95表 4 材料冲击强度随吸水率的变化impact strength of the material changes with water absorptiontable 4材料处理条件12345678吸水率 / %冲击强度 / ( kj / m2 ) 吸水率 / % 冲击强度 / ( kj / m2 ) 吸水率 / % 冲击强度 / ( kj / m2 ) 吸水率 / % 冲击强度 / ( kj / m2 )019. 7010. 2012. 5012. 50. 6823. 60. 0610. 10. 12110. 0712. 80. 7125. 70. 049. 60. 065. 3012. 51. 5633. 20. 059. 60. 125. 60. 0512. 61. 6231. 40. 0710. 70. 1811. 90. 1012. 11. 8633. 50. 129. 70. 205. 70. 1012. 2235. 00. 1010. 40. 1810. 40. 0812. 92. 0335. 10. 149. 70. 235. 20. 1012. 1papbtpcppe对表 2 表 4 实验数据进行分析比较后发现，在 相 同 的 处理条件下，同种材料弯曲样条和缺口冲击样条的吸水率比拉伸 样条的吸水率大，这是由于拉伸样条的比表面积较小、结构较 复杂造成的。pbt 力学性能随吸水率的变化很小，拉 伸 强 度， 拉伸模量，弯曲强度和弯曲模量随吸水率的 增加仅稍微下降， 且规律性较弱。主要是由于其分 子 结 构 对 称，无 强 极 性 基 团， 是一种高耐热和低吸水率的结晶 型 塑 料。而 同 条 件 下 pa 的 吸 水率远远大于其 它 三 种 材 料。在 处 理 条 件 2 时，pa 吸 水 率 是 pbt 和 ppe 的 10 倍，pc 的 6 倍。在处理条件 8 时，pa 吸水率 是 pbt 和 ppe 的近 20 倍，pc 的近 10 倍。羰基与氨基中的氢脱离，与水分子形成氢键，使材料的分子量和结晶度下降，导致材料的弯曲强度和拉伸强度下降。结晶度 越低，材料的无定形部分含量高，材料的韧性就越高，所以缺 口冲击强度随着材料吸水量的增加而增大。图 1 吸水率对 pa 力学性能的影响fig. 1 effect of water absorption on mechanical properties of pa图 2 吸水率对 pa、pc 冲击强度的影响fig. 2 effect of water absorption on impact strength of pa、pc如图 1，随着材料吸水率的 增 加， pa 拉 伸 强 度、拉 伸 模量、弯曲强度和弯曲模量下降趋势明显，而缺口冲击强度随着 吸水率的增加而增大 ( 如图 2) 。这与 pa 大分子结构中含有亲水性的酰胺基有关。当材料含有水分后，分子链段中的一部分图 3 吸水率对 pc 力学性能的影响fig. 3 effect of water absorption on mechanical properties of pc96广 州化 工2013 年 8 月较接近，为 0. 003 kj / m2 ，pa 为 0. 077 kj / m2 。介于 pbt 和 ppe的平衡吸 水 率 仅 为 0. 2% 左 右， 而 pa 材料平衡吸水率高达 3. 5% ，所以，在实际生产和测试中，我们应多关注吸水 率 对pa 材料性能带来的影响。从图 3 中可明显看出，pc 拉伸强度，弯曲强度、弯曲模量和冲击强度随吸水率的增加呈两条无规律趋势，其中，拉伸强 度、弯曲强度和弯曲模量处于上方的四个点是经过高温吸水处 理后样条的测试数据，明显高于下方的四个点，即常温下处理 的样条的测试数据，而冲击强 度 则 相 反，如 图 2，常 温 处 理 的 样条明显大于高温处理样条。我们知道，塑料在注塑成型过程 中，由于在模腔内冷却速率不一致，容易产生不均匀的结晶、 取向和收缩，使制品存在内应力。对材料进行水煮和湿热老化 处理后，由于 pc 材料对温度比较敏感，其大分子链得到松弛， 取向的大分子进行构象重排，微观缺陷得到改善，提高了相对 结晶度。此时构象重排的影响大于水分子的增塑作用，导致冲 击强度快速下降，拉伸强度、弯曲强度均有所增加3 4。ppe 是一种优良的耐水耐高温材料，但从实验结果来看， 未经过任何处理的样条拉伸强度，拉伸模量和弯曲强度要高于 经过吸水处理的样条，这与注塑后大分子链冻结，而少量体积 小、活动性强的水分子的渗入为分子链段运动提 供 了 自 由 体 积，致使材料的刚度减弱有关。而经过不同处理得到的吸水率 不同的样条，其力学性能几乎没有变化。2. 2 不同材料的力学性能受吸水率影响的比较对实验数据进行线性拟合，根据拟合曲线计算出吸水率为0. 1% 和 1% 时，材料力学性能的保持率，具体数据见表 5。相 同吸水率时，pa 材 料 与 ppe 材料的拉伸强度、弯 曲 强 度 和 弯 曲模量保持率相 当，0. 1% 吸 水 率 时 均 在 98. 0% 98. 6% 范 围 内，1% 吸水率时大约在 80% 85% 之间。0. 1% 吸水率的 pbt 拉伸和拉伸性能保 持 率 均 达 到 97% 98% ，1% 吸 水 率 其 保 持 率仅 70% 左右。ppe 吸水后拉伸模量降低的幅度较大，这与少 量水分的渗入作为增塑剂使其韧性增加有关。1% 吸水率时 pa 缺口冲 击 强 度 提 高 约 40% ， pbt 和 ppe 增 加 量 很 小， 仅 为0. 3% 。表 6table 6吸水率为 0. 01% 时材料力学性能的变化mechanical properties of the material changeswhen water absorption is 0. 01%材料牌号papbtppe吸水率改变 0. 01% 时拉伸强度的平均改变量 / mpa吸水率改变 0. 01% 时 拉伸模量的平均改变量 / mpa0. 2310. 3410. 20511. 8035. 7331. 56吸水率改变 0. 01% 时弯曲强度的平均改变量 / mpa0. 3960. 5690. 237吸水率改变 0. 01% 时弯曲模量的平均改变量 / mpa吸水率改变 0. 01% 时缺口11. 8321. 2011. 610. 0770. 0030. 003冲击强度的平均改变量 / ( kj / m )23结 论( 1) 在同样的处理条件下，pa 吸水率远远大于 pc 材 料，且 pc 吸水率大于 ppe 和 pbt 材料。( 2) 随着材 料 吸 水 率 的 增 加， pa 拉 伸 强 度、拉 伸 模 量、 弯曲强度和弯曲模量下降趋势明显，而缺口冲击强度随着吸水 率的增加而增大，且其变化呈现较好的规律性。pbt 随吸水率 的增加其力学性 能 呈现小幅度波动且规律性较差。pc 对 处 理 温度敏感，高温处理过的样条其冲击强度快速下降，拉伸强度 和弯曲强度均有所增加。ppe 耐水性和耐热性能优异，但含有 少量水分 时，样条的拉伸强度，拉伸模量和弯曲强度稍有减 弱，而随着水分的增加，力学性能几乎不再