浅谈高分子聚合物的拉伸性能.docx

浅谈高分子聚合物的拉伸性能王颖（大连大诺印刷包装有限公司， 辽宁大连， 116037）摘 要：分析了高聚物的拉伸过程，讨论了外力作用速度对高聚物拉伸性能的影响。关键词：高聚物；拉伸；拉伸屈服强度；弹性模量Effect factors of outside force velocity on the tensile propertyofpolymerWANG ying(Dalian Danor Printing Packaging Limited Company, Liaoning Dalian 116037)Abstract: The article analyses tensile process of polymer and discovers effect factors of outside force velocity on polymer.Keywords: Polymer; Tensile property; Tensile yield strength; Modulus of elasticity1 前言拉伸性能是高分子聚合物材料的一种基本力学性能指标，是指在规定的试 验温度和试验速度下，在标准试样上沿 轴向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为 止，断裂前试样承受的最大载荷与试样 的宽度和厚度的乘积的比值是该试样的 拉伸强度t。t=P/bdP：最大载荷KN t：拉伸屈服强度MPa b：试样宽度mm d：试样厚度mm必须注意的是，试样宽度和厚度在 拉伸过程中是随着试样的伸长而逐渐减 小的，由于达到最大载荷时的b、d值的 测量很不方便，工程上一般采用起始尺 寸来计算拉伸强度。典型单轴拉伸时的应力-应变曲线 如图1所示。图中的Y点称之为屈服点，对应的强 度为拉伸屈服强度。试片在出现屈服之 前发生的断裂称为脆性断裂，这种情况分子聚合物自本世纪初得到了高快速的发展，其作为材料使用被广泛地应用到工业上，随着高分子聚合物材料的大量应用，人们迫切需要了解它的性能，而对于大部分使 用者而言其力学性能显得更为重要，掌 握高分子聚合物力学性质的一般规律和 特点，才能恰当地选择和使用高分子聚 合物材料。机械强度是材料力学性能的 重要指标，机械强度就是材料抵抗外力 破坏的能力，当所受外力超过材料承受 的能力，材料就要发生破坏。对于各种 不同的破坏力，则有不同的强度指标， 常用有拉伸强度、弯曲强度、冲击强度 和硬度，这里着重介绍拉伸强度。下，试片断裂前只发生很小的变形（图中的OA段），试样并没有明显的变化， 断裂面一般与拉伸方向相垂直，断裂面 也很光滑。在图中我们还可以看到，在 拉伸的整个过程中，应力和应变的关系 并不是线性的，只有当变形很小时，材 料才可视为虎克弹性体，因此拉伸模量E 通常由拉伸初始阶段的应力与应变比例 计算：2 拉伸过程原理分析及影响因素-拉伸过程中的强度F-拉伸应力2.1 拉伸过程原理分析E=F/A=F/bdL/L0L/L0Research and Test 研究与检测表1表2d-试样厚度-伸长率A-试样面积b-试样宽度L0-试样原始标距L-拉伸过程中原始标距变化量拉伸模量是材料发生单位应变时 的应力，它表征材料抵抗变形能力的大 小，模量愈大，愈不容易变形，表示材 料刚度愈大。这段线性区对应的应变一 般只有百分之几，从微观的角度看，这 种高模量、小变形的弹性行为是高分子 的键长、键角变化引起的，这种形变称 为普弹形变。试片在出现屈服之后的断裂称之 为韧性断裂，试片在屈服后出现了较大 的应变，如果在试样断裂前停止拉伸， 除去外力，试片的大形变已无法完全回 复，但是如果让试片的温度升到玻璃化 温度Tg附近，则可发现，形变又回复 了。从本质上讲，这是一种高弹形变， 从微观上看，屈服点以后材料的大形变 主要是分子链段运动，即在大外力的帮 助下，本来被冻结的链段开始运动，高 分子链的伸展提供了材料的大形变。这 时由于材料处在玻璃态，即使外力除去 后，也不能自发回复，而当温度升高到 Tg以上时，链段运动解冻，分子链蜷曲起来，因而形变回复，在宏观上表现为弹性回缩。 高弹变形的过程是外力作用促使材料主链发生内旋转的过程，此过程需要 的外力比在玻璃态下改变化学键的键长 和键角所需要的外力要小的多，而变形 量却大的多，所以在曲线上表现为屈服 后应力下降也就是图上的YB段。高分子 链段在伸展过程中所需力的大小变化不 明显，故在曲线中部出现比较平稳的线 段，链段在沿单轴拉伸方向伸展过程中 出现了细颈。如果在分子链伸展后继续拉伸，则 由于分子链取向排列，使材料强度进一 步提高，因而需要更大的力，所以应力 又出现逐渐的上升，直到发生断裂（见 图中的BX段）。以断裂点为起始点向横坐标作垂直 线，此时的封闭曲线则为整个拉伸过程 中吸收的能量(见图中的斜面部分)。在拉伸变形时试样会出现应力发 白现象，发白的区域是无数裂纹体的总 和，由于裂纹体的密度与树脂的密度不 同，折光率不同，所以显得发白。如果试片存在缺陷，受力时材料 内部的应力平均分布状态将发生变化， 使缺陷附近局部范围内的应力急剧地 增加，远远超过应力平均值，出现应力 集中现象。缺陷就是应力集中物，应力 集中物的存在成为了材料破坏的薄弱环 节，严重地降低了材料的强度，这也是 造成高分子聚合物材料在实际使用中的 强度与理论强度之间存在差别的主要原 因之一。各种缺陷在高分子聚合物材料 的加工成型过程中是相当普遍存在的， 例如在加工时，由于混料不均匀、塑化 不足造成的微小气泡和接痕，生产过程 中也常会混进一些杂质，更难以避免的 是在成型过程中，由于制件表里冷却速 度不同，表面物料接触温度较低的模 壁，迅速冷却固化成一层硬壳，而制件 内部的物料，却还处在熔融状态，随着 它的冷却收缩，便使制件内部产生内应 力，进而形成细小的银纹，甚至于裂 缝，在制件的表皮上将出现龟裂。3.2 拉伸速度的影响：拉伸速度也就是外力作用速度，当采用不同的外力作用速度来测量高分子 聚合物材料的拉伸屈服强度值时，会测 得不同的数值。以下就是通过对高分子 聚合物材料试样施加不同的外力作用速3 影响因素3.1 应力集中物的影响：2010年 8 月刊 PLASTICS MANUFACTURE 塑料制造59拉伸速度（mm/min）1020304050拉伸屈服强度(MPa)36.437.939.140.242断裂伸长率（%）135130126119105符号名称尺寸(mm)符号名称尺寸（mm）L总长150W端部宽度20H夹具间距离115d厚度2.0C中间平行部分长度60b中间平行部分宽度10G0标距50R半径60研究与检测 Research and Test度测量其屈服强度值和断裂伸长率值的实验部分。通过表中的数据可 以看出，在拉伸试验中， 随着外力作用速度的提高 拉伸屈服强度值也随之提 高，而断裂伸长率值却随 之而下降。由曲线图4就可 以看到这种明显的趋势。 分析其原因这是由于高分 子聚合物材料是粘弹性材 料，它的破坏过程是一种 松驰过程，因此外力作用 速度对材料的强度有显著 影响。如果材料在拉伸试 验中链段运动的松驰时间与拉伸速度相 适应，则材料在断裂前可以发生屈服， 出现强迫高弹性；当拉伸速度提高时， 链段运动跟不上外力作用，为使材料屈 服需要更大的外力，即材料的屈服强度 提高了，进一步提高拉伸速度，材料终 将在更高的应力下发生脆性断裂。对于 相同的外力来说，拉伸速度过快，强迫 高弹形变来不及发生，或者强迫高弹形 变得不到充分的发展，试样要发生脆性 断裂。而拉伸速度过慢，则材料要发生 一部分粘性流动，所以只有在适当的拉 伸速度下，高分子聚合物材料的强迫高 弹性才能充分地表现出来。4 实验部分4.1 实验仪器微机控制电子万能试验机（WDW- 50J）上海华龙测试仪器厂制造；双 螺 杆 挤 出 机 （ 2 5 D ） 德 国 Brabebnder公司；冲片机（CD-25）承德试验机责任 有限公司。4.2 实验方法在室温下，用双螺杆挤出机挤出 A、B、C、D、E五组配比相同的片材， 将五组片材用冲片机冲成哑铃形（形状 见图2，尺寸见表1），每组试样5个， 在(232)的环境下进行状态调节,时 间不少于24小时。状态调节结束后在 (232)的环境下进行拉伸实验。五组 样片分别采用10mm/min、20mm/min、30mm/min、 40mm/min 、50mm/min五种 不同的拉伸速度，测其拉伸屈服强度值 和断裂伸长率，在外力作用下试样形状 的相应变化示意图见图3。比性。5.2 随着外力作用速度的提高拉伸 屈服强度值也随之提高，而断裂伸长率 值却随之而下降。参考文献：1 何曼君，陈维孝，董西侠.高分子物理，复旦大学出版社2 刘晓明，硬聚氯乙烯改性与加工，中国轻