〔Knowledge〕常见的塑胶测试方法(繁体中文版).doc

常用的塑料测试方法简介拉伸強度和拉伸模量 ASTM D 638, ISO R527, DIN 53455, DIN53457瞭解材料對負載的回應程度是瞭解材料性能的基礎。通過測試在一定應力下材料的變形程度（應變），設計者可以預測材料在其工作環境下的應用（如圖1）。圖1 拉伸應力應變曲線A：彈性形變的極限值B：屈服點C：最大強度O-A:屈服區域，發生彈性形變超過A點：塑性變形圖2：ASTM D 6， 拉伸試樣的尺寸模量： 應力/應變 Mpa屈服應力： 開始發生塑性變形的應力 Mpa斷裂應力 發生斷裂時的應力 Mpa斷裂伸長率 材料發生斷裂時的應變 彈性極限 開始發生彈性形變的終點彈性模量 發生在塑性變形時的模量 Mpa 測試速度：A速度：1mm/mm 拉伸模量B速度：5mm/mm 填充材料 的拉伸應力/應變 C速度：50mm/mm 為填充材料的拉伸應力/應變彎曲強度和彎曲模量ASTM D 790, ISO 178, DIN 53452彎曲強度是用來測量材料抵制撓曲變形的能力或者是測試材料的剛性。與拉伸負載不同的是，在測試彎曲時，所有的應力載入在一個方向上。用壓頭壓在試樣的中部使其形成一個3點的負載，在標準測試儀上，恒定的壓縮速度為2mm/mm.通過電腦收集的資料，測繪出試樣的壓縮負荷變形曲線，來計算壓縮模量。在曲線的線性區域至少取5個點的負載和變形。彎曲模量（應力與應變的比值）是表徵材料彎曲性能的重要指標。壓縮模量是指在應力應變的曲線的線性範圍內，壓縮應力與壓縮應變之比。壓縮應力與壓縮應變的單位都是Mpa。圖3：彎曲測試示意圖耐磨性能測試GE測試方法與ASTM D 1044, ISO 3537, DIN 52347測試方法相似用Taber 磨損機磨損測試試樣，通過計算試樣的磨損量來表徵材料的耐磨性能。測試試樣放置在一個以恒定轉速60rpm的旋轉轉盤上（如圖4所示），把一定重量的砂輪壓在測試試樣上（轉盤是通過人工磨出來的，可以獲得不同重量的轉盤）。當轉盤達到規定的圈數，測試結束。然後稱量磨損掉下來的試樣碎片的品質來表徵材料的耐磨性能指標，耐磨性的指標是mg/1000圈。ASTM與ISO區別ASTM測試試樣的厚度是3mm，而ISO測試試樣為4mm。試樣厚度的不同，將會導致測試結果的不同。測試結果的不同是因為測試方法的不同，而不是因為材料性能的不同。ISO測試方法不僅是測試條件，以及試樣的尺寸與ASTM不同，而且ISO的測試試樣需要根據ISO294的標準，以規定的加工條件來加工測試試樣。衝擊性能在標準的測試中，比如拉伸，彎曲測試，材料吸收能量是比較緩慢的，但是在現實的應用中，材料經常會吸收突如其來的能量，例如掉落的物體，大風，坍塌，高空墜落等。衝擊測試的目的就是類比這些情況，缺口與非缺口衝擊測試就是表徵材料在指定衝擊應力下的行為，以此在表徵材料的脆性與韌性。衝擊測試的資料不能作為材料設計的依據。材料特定的行為可以通過測試不同條件下的測試實驗來獲得，比如改變缺口的大小和測試溫度。衝擊測試是在擺錘式懸臂梁衝擊儀上實現的，試樣被固定在夾具上，一個擺錘（具有固定半徑的衝擊刃）從固定的高度釋放，使得試樣能夠吸收暫態能量。擺錘釋放的高度與最後擺回去的高度差值代表了測試樣條的斷裂吸收的能量。測試需要在室溫下進行，或者是低溫下進行（表徵材料的低溫衝擊韌性）。測試樣條有不同的類型以及不同的缺口的尺寸。衝擊測試的結果不是絕對的 ，除非測試樣條的幾何形狀和實際最終使用的環境一致。如果兩種材料的失效速率和失效的模式一樣的話，那麼材料在兩種測試方法下的衝擊性能是等同的。衝擊性能的比較ASTM與ISO衝擊性能對測試試樣的厚度和分子取向很敏感。ASTM與ISO方法中使用的試樣的厚度差別可能對衝擊的影響很大。厚度從3mm變為4mm甚至通過分子品質和試樣厚度對IZOD缺口衝擊性能使失效方式發生改變，從塑性轉成脆性（如圖9所示）。但是在3mm顯示脆性的材料如礦物和玻璃填充等級的材料不受影響。添加了衝擊改性劑的材料也不受此因素的影響。圖9：測試試樣的厚度和分子取向對衝擊性能的影響缺口衝擊強度ASTM D256， ISO 180缺口衝擊強度已經成為比較材料衝擊韌性的標準測試（如圖10和11）。但是缺口衝擊測試與製品在實際使用的環境的關係比較小。因為改變缺口敏感的材料，測試結果會有很大的改變。衝擊測試主要是用來表徵材料對缺口的敏感性而非抗沖能力。缺口衝擊強度測試主要用來比較材料的韌性。缺口衝擊測試對於一些帶有尖角，尖的拐角，加強肋的製品的衝擊韌性有很大的實際意義。圖10 缺口衝擊強度無缺口衝擊測試的試樣幾何形狀，測試負載與缺口試樣一樣，只是測試試樣上沒有缺口。這種測試比缺口衝擊準確，是因為它減少了因銑缺口而造成的應力集中。衝擊強度是用試樣吸收的能量除以試樣在缺口處的厚度和寬度的乘積得到的，單位是KJ/m2.ISO測試標準的不同反映了試樣的類型和缺口的類型ISO 180/1A 是指1類試樣和A缺口。如圖10所示。試樣的尺寸為長80mm，高10mm，厚4mm。ISO 180/1U 是指試樣為1類型，但是夾具是反向的。ASTM測試方法中試樣的長為63.5mm, 更重要的是試樣的厚度是3.2mm，而擺錘的半徑和高度與ISO一致。圖11 缺口衝擊強度在ASTM標準中，衝擊強度是用缺口處吸收的能量除以缺口試樣的厚度來表徵的。其單位是J/m。試樣厚度的不同，對測試結果影響很大。Charpy 衝擊強度ASTM D 256， ISO 179Charpy和Izod 測試最大的區別就是測試試樣的放置不同。在Charp測試中，試樣是水準放置在試樣機上（如圖12）。ISO標準的不同反映了試樣和缺口的類型：ISO 179/2C 是指試樣為2類型，缺口為C類型。IISO 179/2D 是指試樣是2類型，但是無缺口。在DIN 53453標準中，試樣的尺寸與ISO標準相似。ISO與DIN中，衝擊強度都是用是用試樣吸收的能量除以試樣在缺口處的面積。單位為KJ/m2.圖12 Charpy 衝擊強度維卡軟化溫度ASTM D 1525， ISO 306， DIN53460維卡軟化溫度測試的目的主要是測試材料在那個溫度下快速軟化。塑膠在液體傳熱介質中，在一定的負荷，一定的等速升溫速率下，試樣被1mm2壓錚頭壓入1mm時的溫度，即維卡軟化溫度。ISO 306 有兩種標準：A： 負載為10N。B：負載為50N， 升溫速率為50 C/h或者是120 C/h。 在ISO中，經常用A50，A120，B50，B120來描述。測試樣條浸潤在被加熱的油浴中，從23C作為起始的升溫溫度。5min以後，10N或者50N的負載載入在測試試樣上，當試樣被壓錚頭壓入1 0.01 mm 時油浴的溫度即為VST。熱變形溫度ASTM D 648, ISO 75, DIN 53461熱變形溫度錶征了材料在一定能夠負載下的短期耐熱性能。本方法是測定材料試浸在一種等速升溫的合適液體介質中，在簡支梁的靜彎曲負載作用下，試樣彎曲變形達到規定能夠值時候的溫度，即熱變形溫度。.圖13 熱性能測試在ASTM和ISO標準中，載入了負載的測試樣條浸潤在帶有加熱棒的矽油中（入圖14）。載入在試樣上的壓力為：低壓力-0.45 Mpa（ ASTM和ISO標準）高壓力1.82 Mpa（ASTM標準），1.80 Mpa（ISO標準）。試樣載入負載5min後調節變形測量裝置，使得變形量為0，如果材料不發生明顯的蠕變，就不需要等待這段時間，然後從室溫23 C以2C/min恒定的升溫速度升溫。當試樣中點彎曲變形達到0.32mm(ISO）或者0.25mm(ASTM）時的溫度為測試試樣的熱變形溫度。圖14 熱性能測試根據載入在表面壓力的大小，HDT有兩種，分別用字母A，B表示：HDT/A 負載為1.80MpaHDT/B 負載為0.45 Mpa無定形與結晶材料的HDT對比對於無定形材料，HDT接近材料的玻璃化轉變溫度（Tg）。因為無定形材料沒有固定的熔融溫度，加工溫度在高於Tg的橡膠態下進行。結晶材料的HDT較低，因為在較高的溫度下仍然有部分晶區。對於無定形材料，HDT的重複性比結晶材料的要好，對於一些特定的材料，需要先退火處理，測試結果才有效。通常加入纖維補強後，塑膠的HDT會上升，因為纖維補強可以大幅提升塑膠的機械強度，以致在升溫的耐撓曲測試時，會呈現HDT急劇升高的現象。纖維增強對結晶材料的HDT影響比無定形材料要明顯。HDT不能代表材料的最高使用溫度，因為在實際的使用過程中，材料的使用時間，負載，表面壓力和標準測試的條件不一致。UL94 概述最常用的表徵塑膠阻燃等級的測試為UL94.根據燃燒速率，火焰熄滅時間，有沒有滴落，阻燃等級可以分為幾種。根據測試試樣的厚度和顏色的不同，一種材料可以獲得不同的阻燃等級。當指定材料的某種用途時，根據塑膠製品的壁厚阻燃等級會有不同。所以在判定材料能達到什麼樣的阻燃等級的時候，一定要說明材料的厚度是多大。UL94阻燃等級：HB 緩慢水準燃燒，對於厚度大於3mm時，燃燒速率小於76mm/min.厚度大於3mm時，燃燒速率小於38mm/min.V-0垂直燃燒測試試樣，10秒鐘內熄滅並且沒有滴落。V1垂直燃燒測試試樣，30秒鐘內熄滅並且沒有滴落。V2垂直燃燒測試試樣，30秒鐘內熄滅，允許有滴落。5V5VB測試試樣被燒穿5VA測試試樣沒有被燒穿（最好的UL等級）需要指出的是，這項測試並不反映實際火情下材料的著火危險。UL94水準燃燒測試程式 在阻燃性能要求高的環境下，HB級的材料是不允許使用的。總的來說，HB級別的材料不是用在電氣產品中的，而是在醫療以及裝飾使用。在通常人們的印象中，沒有添加阻燃劑的材料達不到HB的要求，其實所有的結果都需要通過測試來實現（如圖16）。UL94 V0,V1,V2測試程式垂直燃燒測試（如圖17）使用的測試樣條與HB測試樣條一致，在測試中，需要測試燃燒時間，什麼時候滴落，滴落是否能使得棉花點燃等資訊。V1和V2最大的區別就是看在燃燒過程中有沒有滴落。UL94-5V測試程式：步驟一： 垂直安裝一個標準可燃性試棒，使其經受五次127mm火焰，每次持續5秒。如果此後試棒燃燒時間短於60秒且液滴不引燃下面的棉花，則通過測試。整個過程要對5個試棒進行重複測試。 步驟二： 同樣厚度的試樣板在水準位置經受同等火焰的測試，整個過程要對3個試樣板重複進行測試。這個水準測試形成2個等級：5VB和5VA。5VB允許產生洞（燒穿）。5VA不允許產生洞。 UL945VA是所有UL測試中最嚴格的，特別用於大型辦公機械的防火罩。對於那些預期壁厚小於1.5mm的產品，應使用玻璃填充材料等級。CSA可燃性CSA C22.2 第0.6號 這個加拿大標準協會的可燃性測試的方法與UL 94 5V測試的方法相似。然而，這個測試更加嚴格：每次測試火焰要持續15秒。而且在前4次火焰測試中，試樣必須在30秒內熄滅；在第五次測試後，火焰在60秒內熄滅（而UL945V的5次火焰測試各持續5秒）。 滿足CSA測試的結果也被認為滿足UL 945V。有限氧氣指數ASTM D 2863（ISO 4589） 有限氧氣指數用來測量材料在受控環境中的相對可燃性。有限氧氣指數是維持熱塑性塑膠材料火焰時，空氣中所需的最低氧氣含量。 測試所用氣體是外部控制的氮氣和氧氣的混合物。一個支撐的試樣由引火火焰點燃，然後拿走引火火焰。在下面過程中，氧氣濃度逐漸降低，直至試樣不能維持燃燒。有限氧氣指數或LOI定義為材料可以燃燒3分鐘或50mm所需的最低氧氣濃度。LOI值越高就越不容易燃燒。 這項測試並不反映實際火情下材料的著火危險。介電強度本方法是用連續均勻升壓或者逐級升壓（48Hz62Hz）的方法，對測試試樣施加交流電壓，直至擊穿，測試擊穿電壓，或者用迅速升壓的方法，將電壓聲道規定值，保持一定的時間不擊穿，測試試樣的耐電壓值。用擊穿前的電壓除以試樣的厚度表徵材料的介電強度kV/mm。 周圍的介質可以值空氣或者是油。試樣的厚度對測試結果影響很大。影響材料介電強度的因素試樣的厚度，濕份以及材料的均一性電極的尺寸和導熱性測試電壓的頻率測試環境的溫度，壓力和濕度介質的電和熱性能表面電阻率和體積電阻率表面電阻率是絕緣材料抵抗表面漏泄電流的能力. 體積電阻率是絕緣材料抵抗體內漏泄電流的能力. 表面電阻率、體積電阻率越高