ABS樹(shù)脂沖擊強(qiáng)度測(cè)試的影響因素

宋振彪，王 毅，許忠林，胡慧林，陸書(shū)來(lái)，2

(1.中國(guó)石油吉林石化公司 合成樹(shù)脂廠，吉林 吉林 132021；2.中國(guó)石油ABS技術(shù)中心，吉林 吉林 132021；3.中國(guó)石油吉林石化公司 煉油廠，吉林 吉林 132021)

懸臂梁沖擊強(qiáng)度是判斷ABS樹(shù)脂性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)，ABS樹(shù)脂行業(yè)采用的塑料懸臂梁沖擊性能檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法——ASTM D256，雖然規(guī)定了測(cè)試時(shí)所用的標(biāo)準(zhǔn)樣件的尺寸、缺口加工的方法等，但由于沖擊測(cè)試樣件的制備工藝不同、測(cè)試儀器不同、測(cè)試操作不同等因素造成不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)的差異[5-8]。

注塑成型是快速獲得沖擊測(cè)試樣件最普遍的方法，但注塑工藝、注塑模具及注塑設(shè)備對(duì)注塑后制件的內(nèi)應(yīng)力影響很大，造成注塑制件品質(zhì)的差異，不能真實(shí)反映材料的沖擊韌性[9-10]。本文通過(guò)調(diào)整不同的注塑參數(shù)，來(lái)說(shuō)明注塑工藝對(duì)ABS樹(shù)脂懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

ABS樹(shù)脂：0215H，中國(guó)石油吉林石化公司合成樹(shù)脂廠；PA-709及PA-757K，鎮(zhèn)江奇美化工有限公司；HI-121H，寧波LG甬興化工有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

注塑機(jī)：SE130EV-C450，日本住友重機(jī)械株式會(huì)社；注塑機(jī)：MA600Ⅱ/130，海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；熱空氣干燥烘箱：FED 720，德國(guó)BINDE公司；擺錘沖擊強(qiáng)度測(cè)試儀：CEAST 9050，美國(guó)INSTRON公司；銑口機(jī)：BH023.ZNO.003，德國(guó)Zwick/Roell公司。

1.3 樣件制備

ABS樹(shù)脂在80 ℃條件下干燥2 h，在住友注塑機(jī)上加工厚度為6.35 mm的ASTM沖擊樣件，在海天注塑機(jī)上加工厚度為4 mm的國(guó)標(biāo)沖擊樣件。采用注塑速度為5 mm/s和50 mm/s兩個(gè)條件制備樣件，將標(biāo)準(zhǔn)樣件在銑口機(jī)上加工出A型缺口。

1.4 性能測(cè)試

按照ASTM D256—2010和GB/T 1843.1—2008測(cè)試ABS樹(shù)脂的有缺口懸臂梁沖擊強(qiáng)度。

埋地管道是輸送原油、成品油和天然氣等石油資源的重要載體,是連接上游資源和下游用戶(hù)的紐帶.目前，我國(guó)長(zhǎng)輸管道逐漸向大口徑、高壓力、高強(qiáng)度、長(zhǎng)距離等方向發(fā)展.由于輸送距離較長(zhǎng),埋地管道受途經(jīng)地形地貌特征影響較大.長(zhǎng)期埋于地下,經(jīng)常由于出現(xiàn)地質(zhì)滑坡、坍塌、水毀、濕陷性黃土等自然災(zāi)害而造成管道局部懸跨,給管道輸送帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患.為保障管道輸送的安全運(yùn)行,有必要對(duì)局部懸空管道進(jìn)行安全性研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件下沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

將各牌號(hào)ABS樹(shù)脂的沖擊樣件按照ASTM D256和GB/T 1843.1標(biāo)準(zhǔn)要求加工好缺口，放置24 h后測(cè)試沖擊強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)及注塑速度條件下的沖擊強(qiáng)度

分析表2中的數(shù)據(jù)，對(duì)比不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下各牌號(hào)測(cè)試結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)0215H、HI-121H美標(biāo)測(cè)試結(jié)果略大于國(guó)標(biāo)測(cè)試結(jié)果，而奇美公司兩個(gè)牌號(hào)美標(biāo)測(cè)試結(jié)果小于國(guó)標(biāo)測(cè)試結(jié)果，且不同標(biāo)準(zhǔn)下PA-709沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果變化較大，是其他牌號(hào)的5倍左右。這充分說(shuō)明沖擊強(qiáng)度測(cè)試是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)具有一定局限性，測(cè)試結(jié)果未必能夠真實(shí)反映材料性能。測(cè)試結(jié)果與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、樣件成型條件關(guān)系密切，為此筆者分析了樣條形狀、注塑速度以及橡膠含量等因素對(duì)沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響。

表2 沖擊強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)處理

2.2 樣條形狀對(duì)沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響

材料受到?jīng)_擊擺錘施加的應(yīng)力會(huì)在材料內(nèi)部傳遞，在缺口平面上形成平面應(yīng)力和平面應(yīng)變。根據(jù)平面應(yīng)變規(guī)律[11]，樣件表面位置平面形變最大，出現(xiàn)表面凹陷的趨勢(shì)，增加材料吸收能量的能力。由于發(fā)生凹陷部分占整個(gè)橫截面比例不同(見(jiàn)圖1)，其對(duì)沖擊強(qiáng)度影響也不同，即橫截面上寬度與厚度的比值不同，樣件平面應(yīng)變作用的比例不同，一定范圍內(nèi)樣件寬度與厚度比值越大沖擊強(qiáng)度越大。該規(guī)律與測(cè)試樣條的形狀有關(guān)，與測(cè)試樣條的材質(zhì)無(wú)關(guān)。

(a)厚樣條比例小

美標(biāo)沖擊測(cè)試樣件與國(guó)標(biāo)的關(guān)鍵差異是橫截面尺寸不同，美標(biāo)樣件厚度×銑缺口后寬度為6.35 mm×10.16 mm，而國(guó)標(biāo)樣件為4.00 mm×8.00 mm。美標(biāo)樣件寬度與厚度比值為1.6，而國(guó)標(biāo)為2.0，因此相同牌號(hào)ABS美標(biāo)沖擊強(qiáng)度小于國(guó)標(biāo)。

從表2可以看出，0215H、121H美標(biāo)沖擊強(qiáng)度高于國(guó)標(biāo)，而奇美產(chǎn)品有美標(biāo)沖擊強(qiáng)度高于國(guó)標(biāo)的，也有偏低的。這是由于ABS樹(shù)脂的增韌機(jī)理是橡膠引發(fā)銀紋和多重銀紋，材料的沖擊強(qiáng)度還與橡膠的含量、形狀、尺寸、分散程度以及界面結(jié)合力等參數(shù)有關(guān)。從樣件形狀角度分析，存在美標(biāo)樣條沖擊測(cè)試結(jié)果偏低的規(guī)律，但ABS內(nèi)應(yīng)力、橡膠增韌效果等因素導(dǎo)致樣件實(shí)際的應(yīng)力傳遞過(guò)程發(fā)生變化，樣件應(yīng)變區(qū)域及應(yīng)變過(guò)程相應(yīng)變化，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果變化，因此沖擊強(qiáng)度測(cè)試的影響因素比較復(fù)雜。

2.3 ABS樹(shù)脂產(chǎn)品組成對(duì)沖擊強(qiáng)度測(cè)試的影響

利用丙酮溶解分離的方法將各牌號(hào)橡膠相與SAN樹(shù)脂相分離，測(cè)試橡膠接枝物的比例。取1 g左右ABS樹(shù)脂樣品，放入50 mL離心瓶中，加入40 mL丙酮，震蕩溶解2 h后在18 000 r/min條件下離心分離30 min，分離后將離心瓶上層溶液倒出，再次加入約40 mL丙酮，震蕩10 min后在相同條件下離心分離，倒出上層溶液，將離心管徹底干燥，計(jì)算不溶物含量，結(jié)果如表3所示。

ABS樹(shù)脂由橡膠相和SAN樹(shù)脂相組成，其中SAN樹(shù)脂相為連續(xù)相，是ABS樹(shù)脂的主要成分。橡膠相以球形狀態(tài)分散在SAN樹(shù)脂相中，起到增韌的作用。丙酮可以溶解SAN樹(shù)脂，但不能溶解橡膠相，因此可以將二者分離。

表3 各牌號(hào)橡膠相組成比例

奇美公司PA-709橡膠相含量明顯高于其他牌號(hào)，其他三個(gè)牌號(hào)橡膠相含量比較接近，其中0215H偏高，PA-757K最低。PA-709橡膠相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.8%，其美標(biāo)和國(guó)標(biāo)沖擊強(qiáng)度有差異，但注塑速度變化對(duì)沖擊測(cè)試基本沒(méi)有影響，說(shuō)明高橡膠含量對(duì)樣件厚度比較敏感。橡膠相能夠增加平面應(yīng)變的作用效果，將表面應(yīng)力傳遞到非平面材料上，通過(guò)橡膠粒子傳遞銀紋，引發(fā)更多的材料參與抵御沖擊的過(guò)程，因此提高沖擊強(qiáng)度。

PA-757K與0215H、HI-121H橡膠相含量接近，樣件厚度對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響規(guī)律不同，但樣件成型速度對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響規(guī)律相同，只是PA-757K的影響程度是0215H、HI-121H的50%以?xún)?nèi)。這說(shuō)明沖擊強(qiáng)度不僅與橡膠含量有關(guān)，還與橡膠形態(tài)或SAN樹(shù)脂相結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

2.4 注塑速度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

相同標(biāo)準(zhǔn)條件下，注塑速度為5 mm/s制備的樣件沖擊測(cè)試結(jié)果較大，但注塑速度變化對(duì)奇美公司PA-709的沖擊強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果影響較小。

從表2可以看出，國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)比美標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)樣件的注塑速度更敏感，5 mm/s和50 mm/s兩個(gè)條件下美標(biāo)數(shù)據(jù)平均偏差1.99個(gè)值，而國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)平均偏差3.38個(gè)值，說(shuō)明沖擊樣件成型條件對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，原因是美標(biāo)樣件厚度大于國(guó)標(biāo)，有利于注塑過(guò)程的填充。

低速注塑條件下制件表面剪切應(yīng)力小，有利于降低表面殘余應(yīng)力，進(jìn)而提高沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

2.5 注塑成型沖擊樣件質(zhì)量分析

2.5.1 注塑成型過(guò)程模擬

為研究注塑速度對(duì)沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響，利用moldflow軟件模擬不同注塑速度下各牌號(hào)樣件成型過(guò)程和制件內(nèi)部應(yīng)力等參數(shù)。模擬的工藝條件與實(shí)際加工條件基本一致，如表4所示。

表4 模擬成型工藝對(duì)比

利用UG軟件根據(jù)美標(biāo)和國(guó)標(biāo)沖擊強(qiáng)度樣件的形狀尺寸制作模型，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，只做一個(gè)樣件的模型，實(shí)際模具包含兩個(gè)形狀相同的沖擊樣件。

Moldflow模擬采用雙層面網(wǎng)格模型，美標(biāo)樣件劃分為5 262個(gè)單元，國(guó)標(biāo)樣件劃分為5 122個(gè)單元。

2.5.2 注塑成型模擬數(shù)據(jù)分析

按2.5.1中條件設(shè)置好工藝條件，進(jìn)行moldflow填充模塊分析。在樣件沖擊缺口平面外表面選取一點(diǎn)。由于PA-709的橡膠含量與其他牌號(hào)相差太多，橡膠相對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響程度遠(yuǎn)大于其他牌號(hào)，且其變化規(guī)律與其他三個(gè)牌號(hào)不同，因此只對(duì)比分析其余三個(gè)牌號(hào)的注塑成型過(guò)程。

如圖2所示，選擇樣條缺口橫截面與寬度方向平面交線的中點(diǎn)作為主要分析對(duì)象，對(duì)應(yīng)ASTM標(biāo)準(zhǔn)樣件該點(diǎn)為T(mén)5829，國(guó)標(biāo)樣件該點(diǎn)為T(mén)4926。

時(shí)間/s(a) T5829平面位置時(shí)間/s(b) T5829立面位置

對(duì)比表5和表6數(shù)據(jù)，充填時(shí)間與注塑速度關(guān)系密切，同時(shí)與制件尺寸有關(guān)，美標(biāo)樣件體積更大，所以填充時(shí)間比國(guó)標(biāo)樣件長(zhǎng)。

表5 ASTM樣件成型模擬結(jié)果

表6 國(guó)標(biāo)樣件成型模擬結(jié)果

注塑速度由5 mm/s增加到50 mm/s后，樣件中點(diǎn)位置的填充速度增加，導(dǎo)致剪切速率增加，進(jìn)而摩擦生熱導(dǎo)致溫度升高，最終該位置的剪切應(yīng)力增加。美標(biāo)樣件和國(guó)標(biāo)樣件的注塑過(guò)程都呈現(xiàn)出這一規(guī)律。

對(duì)比相同牌號(hào)ABS樹(shù)脂在相同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件下，樣件注塑速度差異引起表面剪切應(yīng)力變化規(guī)律，與表1中沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果對(duì)應(yīng)，注塑速度增加后各牌號(hào)中的位置的剪切應(yīng)力變大，而沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果下降。表面剪切應(yīng)力改變沖擊破壞時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變傳遞方式，表面剪切應(yīng)力增加，平面應(yīng)變效應(yīng)減弱，參與抵御沖擊應(yīng)力的材料組分減少，導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果變小。

相同牌號(hào)ABS樹(shù)脂不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律不一致，說(shuō)明沖擊強(qiáng)度不僅與表面剪切應(yīng)力有關(guān)，還與樣件尺寸有關(guān)。不同牌號(hào)ABS樹(shù)脂相同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律也不一致，說(shuō)明ABS樹(shù)脂結(jié)構(gòu)等對(duì)材料沖擊強(qiáng)度也有影響。

3 結(jié) 論

(1)奇美公司PA-709牌號(hào)橡膠相含量高，沖擊樣件注塑成型速度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大，但不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(ASTM、GB)下沖擊測(cè)試結(jié)果差異較大。

(2)沖擊強(qiáng)度測(cè)試樣件表面剪切應(yīng)力影響測(cè)試結(jié)果，剪切應(yīng)力大，沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果變小。降低注塑速度可以減小表面剪切應(yīng)力，提高沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

(3)不同牌號(hào)ABS樹(shù)脂在不同標(biāo)準(zhǔn)、不同樣件制備條件下沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果變化規(guī)律不同，標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試數(shù)據(jù)不能完全真實(shí)地反映材料的性能。