影響塑料制品拉伸試驗結果的因素

崔 崇

（寧夏大元股份有限公司 大連分公司，遼寧 大連 116000）

0 前言

隨著科學技術的發(fā)展，各種新型材料層出不窮，尤其是高分子材料在近些年有了飛速的發(fā)展。塑料作為其分枝，已廣泛應用于國民生產(chǎn)、生活的各個領域［1］，在某些領域已經(jīng)取代木材、金屬材料。為了使塑料及其制品能夠安全可靠地使用，對其性能檢測是非常必要的，其中力學性能檢測是一個重要方面，包括拉伸、彎曲、沖擊性能等。影響塑料拉伸試驗結果的因素有許多，材料本身屬于內(nèi)在因素，如組分、相對分子質(zhì)量及其分布、分子結構、分子取向程度、內(nèi)部缺陷等；外在因素包括試驗設備、試樣的制備、試樣裝夾、試驗環(huán)境、拉伸速率、數(shù)值的修約、操作人員等。因此，試驗必須充分考慮并嚴格控制與試驗結果有關的因素，試驗結果才具有可比性和準確性。筆者針對影響塑料制品拉伸試驗結果的因素進行了探討。

1 影響塑料拉伸試驗結果的因素

1.1 試驗設備

塑料拉伸試驗采用萬能試驗機。它是測試塑料力學性能的儀器。拉伸試驗采用標準形狀的試樣，在標準狀態(tài)下測定塑料的拉伸性能。試驗可測試塑料的拉伸力、拉伸強度、拉伸屈服強度、斷裂伸長率、斷裂強度、拉伸彈性模量等參數(shù)。

影響拉伸試驗結果的因素主要有：測力傳感器精度、速率控制精度、夾具、同軸度和數(shù)據(jù)采集頻率等。測力傳感器是試驗機的核心部件。它的精度直接影響試驗數(shù)據(jù)和偏差，一般要求傳感器的精度在0.5%以內(nèi)。拉伸速率要求平穩(wěn)均勻，速率偏高或偏低都會影響拉伸試驗結果。夾具的設計主要有手動和氣動兩種，夾持片材試樣的夾具要求隨著拉力的增大，夾緊力亦增大，但不能造成試樣變形損壞。試驗機的同軸度不好，拉伸位移將偏大，拉伸強度測試結果偏小。試驗數(shù)據(jù)采集的頻率也要適中，否則，將影響試驗結果，峰值偏小。

1.2 試樣的制備

拉伸試驗要求試樣做成啞鈴形或矩形。制樣方式有兩種：一種是用原材料制樣；另一種是從制品上直接取樣。

用原材料制成試樣有幾種方法：模壓成型、注塑成型、壓延成型或吹膜成型等，每種制樣過程都要符合相關的標準。但不同方法制樣的試驗結果不具有可比性。同一種制樣方法，要求工藝參數(shù)，如模具結構、成型溫度、成型壓力、冷卻速率以及工藝過程也要相同，否則，塑料在成型過程中的微觀結構，如結晶度、分子取向等將有較大變化，直接影響試驗結果。塑料原材料壓片或成膜后，再用制樣機和標準切刀制成標準試樣。制樣切刀要規(guī)范鋒利，否則，試樣會有毛邊或劃損等缺陷。其次，試樣的尺寸規(guī)格要一致，試樣的厚度不同，試驗結果也不同。厚度大的試樣，試驗結果偏小。圖1為聚乙烯（PE）試樣在拉伸速率為100 mm／min 時，厚度與拉伸強度的關系［2］。由圖1 可見：試樣厚度越大，試驗測得的拉伸強度越低。由于試樣越厚，使得缺陷的概率越高。這也符合聚合物的微觀缺陷理論。

圖1 PE試樣的厚度與拉伸強度的關系

常用的制樣方法，大多數(shù)采用機械加工的方法從塑料制品上取樣，然后在啞鈴制樣機上制成Ι型試樣。這種方法的優(yōu)點是簡便易行。但這種方法最大的缺點是測試結果誤差太大。根據(jù)GB 12001.3－89和GB 1039 規(guī)定：用機加工或沖模制樣，試樣邊緣不得有缺口和毛刺等缺陷，加工時不應使試樣受到過分的沖擊、擠壓和受熱。加工面應光潔。啞鈴制樣機從原理上屬于沖模制樣的方法。其制樣過程必然受到擠壓和沖擊，并且加工面（沖切面）亦很難保證光潔。實踐結果表明：對于用沖模制樣與銑床機加工制樣，測試結果出入很大，嚴重時只相當于后者的一半。

1.3 試樣裝夾

在拉伸試驗時，不容許試樣受到偏心力的作用。因為它會使試樣產(chǎn)生附加彎曲應力，從而造成試驗結果的偏差。對于脆性材料，由于在拉伸過程中試樣的變形，使得拉伸的施力線與試樣的軸線不重合，偏差更為顯著。造成試驗時產(chǎn)生偏心力，除了試驗機的構造不良，還有可能試樣本身形狀不對稱、夾頭構造和安裝不正確等因素。因此，在夾具夾持試樣時，要使試樣縱軸與上下夾具中心線重合，且松緊適宜，以防止試樣滑脫或斷在夾具內(nèi)。

1.4 試驗環(huán)境

影響塑料拉伸試驗結果的環(huán)境因素主要是溫度和濕度。GB／T 1040.2—2006規(guī)定：標準實驗室環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對濕度為45%～55%。

熱塑性塑料的拉伸性能測試受溫度的影響較大。伴隨著溫度上升，塑料將由硬脆型向黏強型轉變，拉伸強度和拉伸彈性模量變小，而斷裂伸長率將變大。圖2反映了聚氯乙烯（PVC）的拉伸強度、斷裂伸長率與溫度的關系［2］。

圖2 PVC的拉伸強度、斷裂伸長率與溫度的關系

相對濕度一般對吸水率比較大的塑料影響較大。有些塑料吸水后，水分子在內(nèi)部起到了偶聯(lián)劑和增韌劑的作用，從而影響塑料的剛性和韌性。濕度對聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、乙酸纖維素等熱塑性塑料的影響較大［2］，試驗曲線見圖3。而對吸水率小的塑料，受濕度的影響較小。

圖3 相對濕度對熱塑性塑料拉伸強度的影響

1.5 拉伸速率

在拉伸試驗時，拉伸速率變化，其力學行為也將發(fā)生改變。一般情況下，拉伸速率快，拉伸強度增大，而斷裂伸長率將減小。這是因為塑料屬于黏彈性材料，它的應力松弛過程與變形速率緊密相關。應力松弛需要一個時間過程，當?shù)退倮鞎r，分子鏈來得及位移、重排，塑料呈現(xiàn)韌性行為，表現(xiàn)為拉伸強度減小，斷裂伸長率增大；當高速拉伸時，分子鏈段的運動跟不上外力作用的速率，塑料呈現(xiàn)脆性行為，表現(xiàn)為拉伸強度增大，斷裂伸長率減小。表1說明了拉伸速率與PVC拉伸性能的關系。圖4反映了拉伸速率對PVC 拉伸性能的影響［3］。只有拉伸速率相同時，試驗結果才具有可比性［4］。

表1 拉伸速率與PVC拉伸性能的關系

圖4 拉伸速率對PVC拉伸性能的影響

1.6 數(shù)值的修約

數(shù)值的修約是整個試驗過程中的一個重要環(huán)節(jié)，因此，與試驗結果的精確度有著密切的關系。目前塑料試驗機多數(shù)由計算機控制，數(shù)據(jù)處理已程序化，但是有些數(shù)據(jù)還是依靠人為測試和計算的，如試樣尺寸、位移變化、伸長率及脫機試驗等。對試驗測定和計算所得的各種數(shù)值常常要進行修約。關于數(shù)值的修約，應遵循國家標準［5］規(guī)定的規(guī)則：4舍6入5看右，右邊有數(shù)應進位，右邊無數(shù)再看左，奇進偶不進。在測試過程中出現(xiàn)的異常情況，如超大或超小的數(shù)據(jù)，相應地舍去，再補充相應試驗要求的試樣個數(shù)。

1.7 操作人員

試驗的整個過程都是在人的操作和控制下進行的，人為因素不可避免地會影響到試驗結果。即使有實踐經(jīng)驗的人員操作，每次試驗結果也都不會完全一致。人為因素涉及到取樣、制樣過程、試樣的處理、試驗過程、數(shù)據(jù)處理等。

2 結語

影響塑料拉伸試驗結果的因素很多，除許多內(nèi)在因素，如塑料成分、相對分子質(zhì)量及其分布、分子結構、內(nèi)部缺陷等直接影響拉伸性能外，還有許多外在因素，如試驗機、試樣的制備、試樣裝夾、試驗環(huán)境、拉伸速率、數(shù)值的修約、操作人員等，這些因素最終將影響試驗結果。因此，試驗人員必須具有高度的責任心，嚴格執(zhí)行試驗標準和操作規(guī)程，才能消除影響試驗結果準確性的因素或降低其影響程度，獲得準確的試驗結果。

［1］周祥興，郁文娟，張惠曦，等.實用塑料包裝制品手冊［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

［2］周維祥.塑料測試技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1999.

［3］邢玉清.簡明塑料大全［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002.

［4］魏然振，徐鳳玲.高聚物檢測試驗結果的影晌因素［J］.塑料科技，2006，34（4）：96－101.

［5］GB 3100～3102—1993量和單位.北京：中國標準出版社，1994：50.