老易讲塑料 第二课：物性概念及测试

1、塑料的性能与测试易福圣 电话二课老易的塑料培训资料比重(密度)u塑料的比重是在一定的温度下,秤量试样的重量与同体积水的重量之比值,单位为g/cm3,常用液体浮力法作测定方法.u价格相同的情况下，比重越小的材料可以制造的产品越多，单个产品的材料成本也就越低，而且可以减少产品的重量，节省运输等费用。所以，比重是非常重要的属性。特别是在塑料代替金属等材料的时候，是特别大的一个优势。硬度的测试u定义：材料抵抗其他较硬物体压入其表面的能力。u目的：测量材料的适用性，间接了解材料的磨擦性能、拉伸性能、固化程度等力学性能u常用的硬度测试方法：邵氏硬度、洛氏硬度邵氏硬度u根据ISO

2、7619和GB 2411标准，使用的类型有A型和D型两种，邵A硬度适合软质塑料和橡胶的硬度测试，邵D硬度适合于较硬的塑料和硫化橡胶。 ASTM D2240还规定了其他型号的硬度，但不常用。u邵氏硬度的测量范围在2090之间，若材料硬度超过邵A90度，应改为D型硬度计测量。同样，若其硬度低于邵D20度，则要改用A型硬度计来测量。u表3-1 A、D型硬度比较及相关标准规定：洛氏硬度u洛氏硬度是指用规定的压头对试样先施加初试验力,接着再施加主试验力,然后卸除主试验力,只保持初试验力,用前后两次初试验力作用下压头压入试样的深度差计算得出的值表示。现有仪器适用于较硬的塑料和较软的金属。u根据标准ASTM

3、 D785、ISO 2039-2和GB 9342规定，塑料洛氏硬度可用M、L、R、E四种标尺表示，但这四种标尺之间是不可比和换算的。u试验仪器：塑料洛氏硬计，Webster(HRE)硬度计（铝型材）u表5-2 不同标尺的试验力和压头直径 拉伸性能u在拉伸性能的测试中，通常的测试项目为拉伸应力、拉伸强度、拉伸屈服强度、断裂伸长率、拉伸弹性模量。u定义：n拉伸应力：试样在计量标距内，单位初始横载面积上承受的拉伸负荷。n拉伸强度：在拉伸试验中，试样直到断裂为止所承受的最大拉伸应力。n拉伸屈服强度：在拉伸应力-应变曲线上，屈服点处的拉伸应力。n断裂拉伸强度：在拉力作用下，试样断裂时，标线间距离的增加量

4、与初始标距之比，以百分率表示。a)拉伸弹性模量：在比例极限内，材料所受应力与产生的相应应变之比。拉伸强度拉伸强度拉伸模量拉伸模量u拉伸强度是指在规定的试验温度、湿度和拉伸速度下,沿试样的纵轴方向施加拉伸载荷,测定试样破坏时的最大载荷.一般用MPa表示，美标较多用psi或kg/cm2表示u拉伸强度越高，材料的强度越高，可以承受的力越大，例如：拉伸强度越高的材料，打螺丝时螺母柱越不容易拉断。u拉伸模量（EMS的资料翻译成拉伸E系数）和弯曲模量的意思类似，都是用来表示材料刚性的一个指标。可参照弯曲模量理解u应力-应变曲线。不同高分子材料，由于结构上的不同，表现为应力-应变曲线也不同，大致上可归为五类

5、： 图6-7 五种类型的应力-应变曲线 软而弱 拉伸强度低，弹性模量小，伸长率也不大。如凝胶。 硬而脆 拉伸强度和弹性模量都较大，断裂伸长率小。如PS。 硬而强 拉伸强度和弹性模量大，有一定伸长率。如硬聚氯乙。 软而韧 断裂伸长率大，拉伸强度也较高，但弹性模量低。如天然 橡胶，顺丁橡胶。 硬而韧 弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率都较大。如尼龙。应力应变u方法原理：拉伸试验是对试样沿纵轴方向施加静态拉伸负荷，使其破坏。通过测定试样的屈服力、破坏力和标距间的伸长来求得试样的屈服强度、拉伸强度和伸和长率等。u应用标准：ASTM D638，ASTM D882，ISO 527-15，GB 1040，GB

6、13022。u试验仪器：电子万能拉力试验机，附带适当拉伸夹具u试样形状：通用的试样有两种，一种是哑铃型，一般为模塑料、片材或较厚的制品。另外一种是长条型，一般是薄膜或编织料。 弯曲性能u弯曲性能主要用来检验材料在经受弯曲负荷作用的性能，生产中常用弯曲试验来评定材料的弯曲强度和塑性变形的大小。u定义：n挠度：弯曲试验过程中，试样跨度中心的顶机或底面偏离原始位置的距离。n弯曲强度：在达到规定挠度值时或之前，负荷达到最大值时的弯曲应力。弯曲强度是指试样在两个支点上,施加集中载荷,使试样变形或直至破裂时的强度.n弯曲屈服强度：在负荷-挠度曲线上，负荷不再增加，而挠度骤增点的应力。5.4 压缩性能u压缩

7、性能主要包括压缩强度、压缩弹性模量、规定应变值的压缩应力。u定义：n压缩应力：指在压缩过程中的任何时刻，单位试样的原始横载面上所承受的压缩负荷。n压缩变形：指试样在压缩负荷作用下高度的改变量。n压缩应变：指单位原始高度的试样变形量。n压缩强度：指压缩试验中试样所承受的最大压缩应力。n定应变压缩应力：指达到规定应变的压缩应力，即25%应变时的压缩应力。a)压缩模量：指在应力-应变曲线的线性范围内压缩应力与压缩应变的比值。撕裂性能u定义：n撕裂力Ft：撕裂试样所需的平均力或最大力。n撕裂强度：若已知试样的厚度为d mm,则撕裂强度为撕裂力和厚度的比值Ft /d。nGB和ISO多用F/d作撕裂强度，

8、但ASTM D1004(塑料片材)以F作撕裂强度，ASTM D624(橡胶)则以F/d作撕裂强度冲击性能u冲击性能试验是在冲击负荷作用下测定材料的冲击强度，用于评价材料抵抗冲击的能力或判断材料的脆性或韧性强度。u根据试验温度冲击性能可分为：n常温冲击n低温冲击n高温冲击u根据受力状态冲击性能可分为：n悬臂梁冲击（IZOD Impact）n简支梁冲击（CHARPY Impact）a)落锤冲击悬臂梁冲击u冲击强度：试样在冲击负荷作用下，试样破坏时吸收的冲击能量和试样原始横截面积之比，用KJ/m2表示。ASTM D256中规定也可以用KJ/m（冲击能量与厚度之比）表示。反映的是材料本身的抗冲击性能。

9、u分类：有缺口冲击强度和无缺口冲击强度两种。u试验仪器：摆锤式冲击仪u试验条件： 表5-13 悬臂梁冲击试验条件 落锤冲击，落球冲击，落镖冲击u落锤冲击是为塑料制品制定的抗冲击试验方法，适合于电线管材、片材、薄膜、机身、外壳等。其表征的能量是kg.m。u试验原理：让重锤或球从一定高度做自由落体，撞击到试样指定部位，检查试验后试样被破坏程度。重锤或球在半径和重量上都有要求。可根据相关的标准来选择。u此方法在实际应用上很有效，但没有相应有评判标准，验收标准及试验条件必须由供需双方协商确定一个方法。测试选择u指定某一高度，落锤锤头直径，锤重或落球直径，测试试样是否破坏。u只指定落锤锤头直径，锤重或落

10、球直径，通过梯度法测出刚好达到某一破坏率的高度。磨擦性能u磨擦性能主要是材料的磨擦系数，磨耗性能主要是材料在被磨擦过程中表面的不断损耗性能。u磨擦系数有静态磨擦系数和动态磨擦系数两种。u静态磨擦系数：当两个相互接触的物体之间具有相对滑动趋势时，其表面所产生的阻碍其相运动的最大磨擦力与接触表面上的法向力之比。 = Fmax / Nu 动态磨擦系数：正压力与两物体之间相对滑动趋势时的磨擦力之比。 D = FD / N应用标准：ASTM D1894，ISO 8295，GB 1006u试验速度: ASTM D1894 150mm/min, ISO 8295,GB 1006 100mm/minu磨耗有滚

11、动磨耗、滑动磨耗两种，通用的是。u应用标准：ASTM 1044，ISO 9352，GB 5478，GB 3960u试验仪器：滚动磨耗，国际上通常采用TABER磨耗试验机 滑动磨耗，在国内采用M-200型磨耗试验机 表5-21 美国标准通用砂轮：uTABER磨耗试片：100mm或边长为100mm的正方形u试验负荷：500g, 1000g, 2000g（两轮的负重）磨耗性能 磨耗测试结果表示u平均后的每一定转数的质量损耗u平均后的每一定转数的体积损耗u平均后的每一定转数在单位面积的质量损耗6 热学性能的测试1、热稳定性u尺寸稳定性u热变形温度u维卡软化温度u负荷变形u热稳定时间（PVC）2、流动性

12、u熔融流动速率（质量，体积）u熔点 热学性能是电气电子塑料的一个很重要的指标。通用测试项目有：3、其他u热传导率u脆化温度u玻璃化转变温度尺寸稳定性u尺寸稳定性指塑料制品在使用或存放过程中尺寸稳定的性能，一般用尺寸变化率或收缩率来表示。由于高分子材料在加工过程中，长链的分子被拉伸冻结，当分子的活化能提高后，使链段有某种程度的卷曲，从而使制品的尺寸发生变化。u薄膜和片材的热收缩率。u试验仪器：油浴，恒温烘箱，滑石粉。热变形温度（HDT）u热变形温度：衡量塑料耐热性能的主要指标之一，也是最常见的测试项目之一，但其不是塑料最高使用温度。u定义：有一定尺寸要求的试样，在规定的负荷作用下达到规定的变形量

13、时的温度。u试验仪器:热变形维卡仪u表6-1 不同标准的热变形温度测试条件：维卡软化温度VSTu定义:规定条件下刺头刺入1mm时的温度。u和热变形温度一样，维卡软化温度可做为判断材料耐热性能的一个指标，但不代表材料的使用温度。u应用标准：ASTM D1525，ISO 306，GB 1033u表6-2 维卡软化温度试验条件：负荷变形u负荷变形是热稳定性的一个延伸项目，指在一定温度下，施加一定的负荷，经过一定时间后，测定其在此条件下的变形量。u应用标准：ASTM D621，GB 14483熔融流动速率 n 定义：热塑性材料在一定的温度和压力下，熔体每10分钟通过标准口模的质量或体积，以g/10mi

14、n或ml/10min表示。n 用质量表示的称质量熔体流动速率（MFR），用体积表示的称体积熔体流动速率（MVR），通常情况下都是测量MFR，对于流动性较大的塑料，也可采用测量MVI的方法。n 试验仪器：熔体流动速率仪n 标准口模有2.0950.010mm和 1.1800.005mm两种。通常采用前者。n 熔指不是聚合物的基本性质，它只是表征热塑性聚 合物熔体的性能。通过对它的测定，可能了解聚合 物的分子量及其分布、交联程度及加工性能等。n 应用标准：ASTM D1238，ISO 1133，GB 3682测试注意事项：u试样的粒径须小于5mmu试样是否需要干燥，干燥温度及时间u试样测试温度和负载

15、u当结果大于50g/10min，误差较大熔点u熔点是指物质的熔化温度值。对于晶体来说，熔点应是一个值，非晶体的熔化温度是一段温度范围，没有熔点。但有些物质是晶体和非晶交联物，其熔化温度也是一个范围，但由于这个范围相对较窄，所以也可以测量出。u熔点的测试方法通常有种：n热分析法DSCn毛细管法a)显微镜法(偏光显微镜)热分析法测试熔点u用热分析法分析熔点有差热分析法（DTA）和示差扫描量热法（DSC）两种。u原理：以规定的速率对试样及一个参照材料同时进行加热，由于 试样熔化是一个吸热的过程，而参照物在试样的熔化范围内对热不敏感，试样的温度低于参照材料的温度（DTA法）或输入到试样的能量大于参照材

16、料的能量（DSC法），其温度差值或能量差值从曲线中可反映出来，曲线上出现了明显的峰。可得出开始熔化的温度和完全熔化的温度值。u试验仪器：DTA 或 DSC 毛细管法测试熔点u毛细管法测试熔点是测试结晶聚合物的常用方法之一，并能适用于部分结晶聚合物。u原理：在控制升温速的情况下对毛细管中的试样进行加热，观察其外观变化，将试样开始熔化的温度作为该物质的熔点。u试验仪器：毛细管熔点仪u毛细管：毛细管为耐用热玻璃制成的一端封闭的管子，最大外径为1.5mmu试样：粒度不大于100m的粉或1020 m的薄膜切片u装样高度：510mm热传导率u定义：物体热传导能力的热性能参数，单位为W/m.K (kcal/

17、m.h)。u试验仪器：热导率测定仪u适用于导热材料和绝热材料的测试u参考标准：ASTM C177玻璃化转变温度u定义：非结晶高聚物由玻璃态转变为高弹态的转变温度为玻璃化转变温度Tg。u非结晶高聚物三种物理形态： 图4-2 温度-形变曲线u原理：热机械分析法（TMA），依据热膨胀系数的急剧变化来进行测量。根据温度-形变曲线求出Tg的为膨胀型方法，要求施加探头的力为510 mN，对传感器的要求非常高，目前较为少用。常用方法是针入型法，试样在较小的压力下，随温度的升高，在玻璃态时发生膨胀，当试样从玻璃态转向高弹态时，试样变软，探头便逐渐针入试样，根据曲线便可求出Tg。 图6-3 热机械分析测量Tg（

18、膨胀法） 图6-4 热机械分析测量Tg（针入法）u其他方法：DTA方法和DSC方法 表6-4 玻璃化转变温度不同方法的结果对比, 7 燃烧性能的测试u按燃烧过程来分:n着火性试验n表面火焰传播试验n发热量试验n发烟量试验n耐火性试验a)燃烧分解气体的分析试验n 按测试方法可分为:n 垂直燃烧n 水平燃烧n 氧指数试验n 烟密度n 炽热棒法n 闪点和自燃点的测试7.1 垂直燃烧u应用标准：UL 94，ASTM D3801， ASTM D4804， ISO 1210，ISO 9773，IEC 60695，GB/T 2408，GB/T 8332 u应用范围：塑胶原料、电线电缆、制品（有自撑料和软泡沫

19、塑料之分）u燃烧方式：本生灯（9.5mm和0.9mm两种燃烧口内径）u火焰能量：低能量2025mm;中能量125mmu试样要求：125*13*0.83.2(mm),也可根据实际制品协商，但厚度不应超过13mm。n 试样环境调节：UL94和ASTM D3801规定一组样 要在232，50 5%RH环境下处理40小时， 另外一组样在70环境下处理168小时，两组样 同时可以达到的等级为试样的最终等级。其他标 准只要求在232，50 5%RH环境下处理16 小时以上，不对70条件下处理作要求。u例子：UL 94 V-0 V-1 V-2测试n试验装置 : 垂直/水平燃烧装置n试样尺寸：长125mm,

20、宽13mm, 厚 0.8mm, 1.6mm, 3.2mmn样品预处理: 第一组: 放置在232, RH505%的环境下处理40h以上 第二组: 702的烘箱中处理168h4) 燃烧过程： 火焰高度20mm 第一次施加火焰时间10s，记录余焰时间t1 第二次施加火焰时间10s，记录余焰时间t2和余灼时间t3 5）评判标准：表7-1脆化温度u塑料的刚性会随着环境温度的变化而变化，当温度降低到某一定温度范围时，就表现出呈刚性，继而变脆。u脆化温度的测定：在规定的受力及变形条件下，测出其显示脆性破坏时的温度。u定义：当试样达到某一预定的温度范围时，用规定的冲头以规定的速度打击试样，使试样正好绕规定的半

21、径弯曲90，而后观察试样破坏率，当试样破坏率为50%时的温度，用t50表示。u试验仪器：脆化温度试验仪u参考标准：ASTM D746， GB/T 5470水平燃烧u应用标准：UL 94，ASTM D635， ASTM D4986， ISO 1210，ISO 3852，IEC 60695，GB/T 2408，GB/T 8332 u应用范围：塑胶原料、电线电缆、制品（有自撑料、非自撑料和软泡沫塑料之分）u燃烧方式：本生灯（9.5mm和0.9mm两种燃烧口内径）u火焰能量：低能量2025mm;中能量125mmu试样要求：125*13*0.83.2(mm),也可根据实际制品协商，但厚度不应超过13mm

22、。u试样环境调节：在232，50 5%RH环境下处理一定时间，其中UL 94 HBF还要求另加一组样在70环境下处理168小时，两组样同时可以达到的等级为试样的最终等级。u对于软质材料，可用支撑架、网来支撑试样u例子：UL 94 HB1）试验装置 : 垂直/水平燃烧装置2）试样尺寸：长:125mm, 宽:13mm, 厚: 0.8mm, 1.6mm, 3.2mm3）样品预处理: 第一组: 放置在232, RH505%的环境下处理40h以上 第二组: 702的烘箱中处理168h（UL 94 HBF需要， UL 94 HB不需要）4）燃烧过程： 火焰高度20mm，一次施加火焰时间30s，从燃烧到第一

23、条标线(25mm)时开始计时，记录时间t。若在30s内已燃烧至25mm标线，应退火并开始计时。5）结果： 燃烧速度计算公式： V = 60L/t a. 燃烧在25mm标线前熄灭，不用计算燃烧速度。 b. 燃烧在25mm和100mm标线之间熄灭，燃烧长度为第一标线到 熄灭点的距离。 c. 燃烧在100mm标线后熄灭，燃烧长度和时间按25mm和100mm 标线之间的计算。 u水平/垂直燃烧影响因素：1）厚度对垂直燃烧的影响 表7-22）厚度对水平燃烧的影响 表7-33）燃烧气体对水平燃烧性能的影响 表7-44) 老化处理对垂直燃烧性能的影响：表7-5汽车材料水平燃烧n 应用标准：SAE J369，

24、ISO 3795，FMVSS 302，GM 9070P n 应用范围：汽车工程塑料、汽车内饰件n 燃烧方式：本生灯（9.5mm和0.9mm两种燃烧口内径）n 火焰能量：低能量2025mm;中能量125mmn 试样要求：356*102*3.2(mm),也可根据实际制品协商，但厚度不应超过13mm。有效燃烧宽度为50mm。氧指数的测试u定义：在规定的试验条件下，刚好能维持材料燃烧的通入的232的氧氮混合气体中以体积百分数表示的最低氧浓度。u氧指数是用来判断材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度。u试验仪器：氧指数测定仪 氧指仪示意图u应用标准ASTM D2863，BS 2782，ISO 4589，

25、GB 2406u氧浓度%=氧流量/(氧流量+氮流量)*100u试样尺寸，表7-6：8 电学性能的测试u表面电阻、表面电阻率 ASTM D257，IEC 60093，GB1410u表面电阻率：绝缘材料里直流电场强度与稳态电流密度之商，也是单位体积内的体积电阻。u体积电阻、体积电阻率 ASTM D257，IEC 60093，GB1410u体积电阻率：绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，也是单位面积内的表面电阻。u试样规格：100mm或者100*100(mm)，u厚度一般要求3mm左右u仪器范围：1XE91XE17欧姆u电压：10V，100V，500V，1000Vu击穿电压 ASTM D

26、149，IEC 60243，GB/T 1408.1u介电强度 ASTM D149，IEC 60243，GB/T 1408.1u试样要求： 100mm或者100*100(mm)，厚度一般要求3mm左右u仪器量程：050kVu介电损耗 ASTM D149，IEC 60243u介电常数 ASTM D150，IEC 60250u静电性能 ASTM F150，ESD-S7.1，EN100015，DIN91953u量程：1XE31XE12u电压：10V，100V光学性能的测试u颜色u色差(L*，a*，b*，E)u色差 (ISO，AATCC灰色标）u光泽率(20，60，85)u透光率和雾度颜色uCIE颜色系统uRAL颜色系统色差(仪器法）n CIE L*a*b*色空间 每种颜色均对应该三维坐标中的唯一一点n 计算：*=（ L*2+ a*2+b*2）1/2n 仪器：X-rite 968分光光度计n 常用的测量条件：D65/10ASTM D2244-02， BS 3900-D9-1986 ISO 7724-2:1984，GB/T 11186.3-1989n 灰色没有色彩和色调，反映颜色的反差；n 灰标等级（GS）共有九级，