拉伸强度单位(拉伸强度测试方法)

拉伸强度单位(拉伸强度测试方法)第一节结晶效应 1结晶概念 聚合物的超分子结构对注射成型条件和制品性能有明显的影响。根据其超分子结构,聚合物可分为结晶和无定形,结晶聚合物的分子链呈规则排列,而无定形聚合物的分子链呈不规则和无定形排…

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第一节结晶效应

1结晶概念

聚合物的超分子结构对注射成型条件和制品性能有明显的影响。根据其超分子结构,聚合物可分为结晶和无定形,结晶聚合物的分子链呈规则排列,而无定形聚合物的分子链呈不规则和无定形排列。不同的形态表现出不同的工艺性质和错误的物理力学性质。通常,结晶聚合物具有耐热性和高机械强度,而非结晶聚合物则相反。分子结构简单、对称性高的聚合物可以生成晶体,如PE等。虽然分子链节很大,但强的分子间作用力也能生成晶体,如POM、PA等。链刚性高的聚合物不易结晶,如PC、PSU、PPO等。

评价聚合物结晶形态的标准是晶体形状、尺寸和结晶度。

聚合物结晶度对产品性能的影响

(1)密度。结晶度高说明大部分分子链已经排列成有序紧密的结构,分子间相互作用强,所以密度随着结晶度的增加而增加。例如,结晶度为70%的PP的密度为0.896,当结晶度增加到95%时,密度增加到0.903

(2)拉伸强度结晶度高,拉伸强度高。例如,结晶度为70%的聚丙烯的拉伸强度为27.5mpa,当结晶度增加到95%时,拉伸强度可以增加到42mpa。

(3)冲击强度冲击强度随着结晶度的增加而降低。例如,结晶度为70%的聚丙烯的缺口冲击强度为15.2kgf-cm/cm2,当结晶度为95%时,冲击强度下降至4.86kgf-cm/cm2。

(4)热性能结晶度的增加有助于提高软化温度和热变形温度。例如,当聚丙烯结晶度为70%时,载荷下的热变形温度为125℃,而当结晶度为95%时,为151℃。劲度是注塑制品的脱模条件之一,较高的结晶度会缩短制品在模具中的冷却周期。结晶度会带来对低温的脆弱性。例如,结晶度为55%、85%和95%的等规聚丙烯的脆性温度分别为0、10和20度。

(5)翘曲结晶度的增加会使体积减小,收缩率增加。结晶材料比无定形材料更容易翘曲。这是因为当产品在模具中冷却时,温度的差异导致的结晶度的差异导致密度不均匀和收缩不均匀,从而导致较高的内应力和翘曲,降低了抗应力开裂性。

(6)光泽结晶度的增加会增加产品的致密性。产品表面光泽度提高,但球晶的存在会引起光波的散射,降低透明度。

3影响结晶度的因素

(1)温度和冷却速率的结晶有一个热过程,这个热过程必然与温度有关。当聚合物熔体的温度高于熔融温度时,大分子链的热运动显著增加。当高于分子的内聚力时,分子难以形成有序排列而结晶。温度过低时,分子链段的动能很低,甚至处于冻结状态,也不容易结晶。因此,结晶的温度范围在玻璃化转变温度和熔化温度之间。在高温区(熔融温度附近),晶核不稳定,单位时间内成核次数少,而在低温区(玻璃化转变温度附近),自由能低,结晶时间长,结晶速度慢,不能为成核创造条件。这样,在熔化温度和玻璃化转变温度之间存在最高的结晶速率和相应的结晶温度。

温度是聚合物结晶过程中最敏感的因素。如果温差1度,结晶速度可能相差很多倍。聚合物的温度从熔点以上下降到玻璃化转变温度以下。这个过程的速度称为冷却速度,是决定晶核存在或生长的条件。在注射成型过程中,冷却速度由熔体温度和模具温度之间的差异决定,这种差异称为过冷。根据过冷程度,可分为以下三个区域。

一个等温冷却区,当模具温度接近最大结晶速率温度时,则过冷度小,冷却速率慢,结晶几乎是在静态等温条件下进行的。此时分子链自由能大,晶核不易形成,结晶慢,冷却期延长,形成更大的球晶。

b急冷区,当模具温度低于结晶温度时,过冷度增大,冷却速度很快。结晶是在非等温条件下进行的,大分子链段没有时间折叠形成圆片。此时大分子的弛豫过程滞后于温度变化速度,因此分子链在骤冷下形成体积松散、来不及结晶的非晶区。例如,当模具型腔表面温度过低时,这种情况会发生在产品的表层,而在产品的中心,由于温度梯度,过冷度小,冷却速度慢,因此形成了具有微晶结构的结晶区。

在C的中速冷却区,如果冷却模具温度控制在最大结晶速率温度和熔体的玻璃化转变温度之间,那么靠近表层的区域最早生成晶体。由于模具温度较高,有利于产品中的晶核生成和球晶生长。晶体也比较完整。在这个温度区间选择模具温度对成型制品有利,因为结晶速率常数大,模具温度低,制品容易脱模,注射周期短。例如:PETP。建议模具温度控制在(140~190℃),PA6,PA66,(70~120℃),PP (30~80℃),有助于提高结晶能力。注射成型中模具温度的选择应使结晶度尽可能接近平衡位置。温度过高,产品结构不稳定,后期温度升高结晶过程发生变化,引起产品结构变化。

(2)熔体应力、熔体压力的增加和剪切的加强会加速结晶过程。这是因为应力会使链段沿应力方向取向,形成有序区域,容易诱导出许多晶胚,增加可供使用的晶核数量,缩短结晶时间,加速结晶。

增加压力也会影响球晶的大小和形状。低压下容易形成大而完整的球晶,高压下容易形成小而不规则的球晶。晶体的大小和形状不仅与大小有关,还与力的形式有关。在均匀剪切的作用下,容易形成均匀的微晶结构,在直接压力下,容易形成直径小且不均匀的球晶。螺杆注塑机加工时,由于熔体受到很大的剪切力,大球晶被压碎成细小的晶核,形成均匀的微晶。而塞式注塑机则相反。晶体的形成和发展与注射成型工艺和设备条件有关。结晶能力可以通过温度和剪切速率来控制。

在高剪切速率下获得的PP产品在冷却后具有高结晶度结构,并且与PP在无剪切的静态熔体中产生球晶的时间相比,PP在剪切下产生球晶的时间减少了一半。

对于结晶聚合物来说,结晶和取向是密切相关的,所以结晶和剪切应力也是相关的。剪切会通过取向和结晶影响熔体的粘度。因此,熔体在喷嘴、流道、浇口和型腔中的流动受到影响。根据聚合物取向可以提前结晶的假道学原理,注射成型中提高注射压力和注射速率、降低熔体粘度的方法为结晶创造了条件。当然应该以熔体不开裂为限。

注塑模具中结晶过程的重要特征是其非等温性。当熔体进入模具时,在表层附近形成小球晶,而在内层形成大球晶。浇口附近温度高,长时间加热结晶度高。而远离浇口的温度快,结晶度低,产品性能参差不齐。

第二节定向效应

1定向机制

在聚合物加工过程中,在力的作用下,流动的大分子链段会发生取向,根据取向条件的不同,取向的性质和程度有很大的不同。根据熔体中大分子受力的形式,误操作的性质可分为剪切应力下的“流动取向”和拉伸应力下的“拉伸取向”。

根据取向结构单元的取向方向,可分为单轴取向和双轴取向或平面取向。根据熔体温度场的稳定性,可分为等温流动取向和非等温流动取向。也可以分为晶向和非晶向。

聚合物在模腔中的流动是注塑成型的主要流动过程,熔体在模腔中的取向过程将直接影响产品质量。

要了解注塑制品在型腔中的成型机理,就必须了解非晶态聚合物的取向机理。当模具充满时,无定形聚合物熔体沿模壁流动,熔体流入模腔,首先与模壁接触,形成来不及取向的冻层壳。新材料沿着固化层的内壁向前流动。将波前峰值向前推。

靠近固化层的分子链一端固定在固化层上,另一端由相邻层的分子链沿流动方向取向。由于凝固层附近辅助最大,速度最低;而中心以外的流动阻力最小,速度最大,从而在垂直于流动方向的方向上形成速度梯度;凝固层的速度梯度最大,中心的速度梯度最小。因此,凝固层附近的熔体流动剪切作用最强,取向度最大,而中心层附近的剪切作用最小,取向度最小,形成一个小的取向层区域。

2定位对产品性能的影响

由于无定形聚合物的取向是大分子链在应力方向的取向,取向方向的力学性能明显提高,而垂直于取向方向的力学性能明显下降。取向方向的拉伸强度和断裂伸长率随着取向度的增加而增加。

双轴取向产品的机械性能是各向异性的,并与两个方向的拉伸比有关。双轴取向改变了单轴取向的机械性能。通常在注塑条件下,注塑制品在流动方向的拉伸强度约为垂直方向的1~2.9倍,而冲击强度为1~10倍,说明垂直于流动方向的冲击强度下降很多。

注塑制品的玻璃化转变温度随着取向度的增加而增加。随着取向度和结晶度的增加,某些聚合物的玻璃化转变温度可以提高到25度。

由于产品中的高弹性,定向分子链在一定温度下会松弛:无定形聚合物的分子链会再次卷曲,结晶速率与定向程度成正比。所以收缩的程度是取向程度的反映。线膨胀系数也会随着取向度而变化;垂直于流动方向的线性膨胀系数大约是取向方向的3倍。取向的大分子被拉长,分子间的作用力增大,出现“应力硬化”现象,说明注塑制品的模量增大。“凝固取向”越大,越容易应力松弛,产品收缩越大。因此,产品的收缩率反映了取向的程度。

3影响产品定位的因素

在注射成型中,聚合物熔体的取向过程可以分为两个阶段。第一阶段是模具填充阶段。此时流动的特点是:熔体压力低,剪切速率高,模壁处的材料快速冷却。这一阶段聚合物熔体的粘度主要是温度和剪切速率的函数。第二阶段是压力保持阶段。其特点是剪切速率低,压力高,温度逐渐降低。

聚合物的粘度主要取决于温度和注射压力,但熔体加工温度是影响取向的主要因素。对结晶的主要影响是模具温度。

取向与剪切或拉伸有关,也与大分子链的自由能有关。根据该机理,控制取向的条件如下。

(1)材料温度和模具温度越高,自学定向效果越低。因为当熔体上升时粘度降低。

如果熔体加工温度高,熔体加工温度和凝固温度之间的温度范围会变宽,松弛时间会延长,容易去取向。无定形聚合物的弛豫时间是从加工温度到玻璃化转变温度的时间,而结晶聚合物的弛豫时间是从加工温度到熔融温度的时间。因为熔融温度高于玻璃化转变温度,所以无定形聚合物的弛豫时间明显长于结晶聚合物。因此,结晶聚合物的冷却速率高,松弛过程短。容易发生冻结定向。而无定形聚合物冷却速度慢,弛豫过程长,容易去取向,取向效应会降低。

(2)注射压力的增加可以提高熔体的剪切自学习能力和剪切速率,有助于加速聚合物的取向效应。因此,注射压力和保压压力的增加会强化结晶和取向,产品的密度会随着保压压力的增加而迅速增加。

(3)浇口关闭时间会影响定向效果。如果熔体流动停止后,大分子的热运动仍然强烈,取向单元将再次松弛,产生去取向效应。由于大浇口冷却慢,关闭时间延长,熔体流动时间延长,定向效应增加,特别是在浇口处,所以直浇口比点浇口更容易保持定向效应。

(4)当模具温度较低时,凝固取向效应增强。但是去取向效应减小。

(5)充模速度对产品取向的影响。快速充模会造成表面部分的高取向,但内部取向较小,因为在一定的温度条件下,快速充模会使制品的芯部保持在较高的温度下冷却,会使冷却时间变长,聚合物的弛豫时间会加强去取向能力,所以芯部的取向度小于表面。在相同的注射温度下,缓慢的充模会延长流动时间,降低实际熔体温度,增加剪切力。此时熔体的实际温度与玻璃化转变温度或熔点之间的区间小于快速充模的区间,因此应力松弛时间也较短,因此去取向效应较小;另一方面,慢速充模时的熔体温度低于快速充模时的熔体温度,去取向效应减小,但取向效应增大。就产品的型芯结构而言,快速充模会造成较小的取向,慢速充模会造成较大的取向。

综上所述,影响聚合物结晶和取向的因素如下:

1:熔化温度。b .熔融加工过程中的温度。模具温度。聚合物的熔点。聚合物的玻璃化转变温度。f熔体的最大结晶速率温度。

2:聚合物加热时间。b充模时间。保持时间。d门关闭时间。e冷却时间。

3:一次充模压力。保持压力。

4速度:一个充模速度。b塑化速度。

第三节内应力

1内应力的产生

在注塑制品中,各处的局部应力状态不同,制品变形的程度将由应力分布决定。如果产品正在冷却。如果有温度梯度,就会产生这种应力,所以这种应力也叫“成形应力”。

注塑制品的内应力包有两种:一种是注塑制品的成型应力,一种是温度应力。当熔体进入低温模具时,靠近型腔壁的熔体迅速冷却凝固,因此分子链段被“冻结”。由于聚合物层固化,导热性差,导致产品厚度方向的温度梯度较大。产品中心的凝固太慢,以至于在浇口关闭时,产品中心的熔体单元还没有凝固,然后注塑机就补充不了冷却收缩。这样产品内部收缩与硬皮层相反;核心处于静态拉伸状态,而表层处于静态压缩状态。

在熔体充模和流动过程中,除了体积收缩效应引起的应力外。还有流道和浇口出口的膨胀效应引起的应力;前者效应引起的应力与熔体的流动方向有关,后者由于出口膨胀效应会引起垂直于流动方向的应力。

2影响应力的工艺因素

(1)取向应力的作用在快速冷却的条件下,取向会导致聚合物内应力的形成。由于聚合物熔体粘度高,内应力不能迅速松弛,影响制品的物理性能和尺寸稳定性。

参数对取向应力的影响

熔融温度、高熔融温度、低粘度、降低的剪切应力和降低的取向;另一方面,由于熔融温度高,应力松弛会加快,去取向能力会加强。

但在不改变注塑机压力的情况下,型腔压力会增加,强剪切会导致取向应力增加。

b .水口关闭前,延长保温时间会导致取向应力增加。

增加注射压力或保压压力会增加取向应力,

d模具温度高可以保证产品的缓慢冷却,起到去取向的作用。

e增加制品厚度降低取向应力,因为厚壁制品冷却慢,粘度增加慢,应力松弛过程时间长,所以取向应力小。

(2)温度应力的影响

如上所述,由于在模具填充期间熔体和模具壁之间的大的温度梯度,首先固化的外部熔体有助于阻止后来固化的内部熔体的收缩,导致外层中的压应力(收缩应力)和内层中的拉应力(取向应力)。

如果在保压状态下长时间充模,聚合物熔体会填充到模腔中,使模腔压力增大,从而改变温度不均匀引起的内应力。但当保温时间较短,型腔压力较低时,制品冷却时仍会保持内应力状态。

如果产品在冷却初期型腔压力不足,产品外层会因凝固收缩而形成凹陷;如果在产品已经形成冷硬层的后期,模具型腔压力不足,产品内层会收缩分离或形成空型腔;如果在浇口关闭前保持型腔压力,产品密度会提高,冷却温度应力会消除,但浇口附近会产生较大的应力集中。

从这个角度来看,热塑性聚合物成型时,模具内压力越高,保压时间越长,有助于降低温度引起的收缩应力,反之,会增加压应力。

3内应力与产品质量的关系

产品内应力的存在会严重影响产品的机械性能和使用性能;由于产品内应力的存在和分布不均匀,产品在使用过程中会产生裂纹。在玻璃化转变温度以下使用时,经常会发生不规则变形或翘曲,这也会导致产品的“泛白”、浑浊和光学性能变差。

尽量降低浇口处的温度,增加缓冷时间,有助于改善产品受力不均匀,使产品力学性能均匀。

结晶和无定形聚合物的拉伸强度都是各向异性的。无定形聚合物的拉伸强度将随着浇口位置而变化;当浇口与填充方向一致时,拉伸强度随着熔体温度的升高而降低。当浇口垂直于充模方向时,拉伸强度随着熔体温度的升高而增加。

随着熔体温度的升高,去取向效应增强,而取向效应减弱导致拉伸强度下降。浇口的取向会通过影响材料流动的方向来影响取向,并且由于非晶聚合物的各向异性比结晶聚合物强,所以前者垂直于流动方向的拉伸强度大于后者。低温注射比高温注射具有更大的机械各向异性。例如,当注射温度高时,垂直方向与流动方向的强度比为1.7,当注射温度低时,为2。

从这个角度来看,对于结晶和非结晶聚合物,熔体温度的升高都会导致拉伸强度的降低,但机理不同。前者是由于取向降低的影响。

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