試樣厚度對聚乙烯拉伸性能的影響

溫 原，毛現(xiàn)朋，徐科杰

（浙江瑞堂塑料科技股份有限公司，浙江 寧波 315323）

0 前言

聚乙烯可通過注塑、壓塑、擠出、滾塑等多種成型方式加工成塑料制品，基于應(yīng)用要求的不同，制品壁厚差異性很大，擠出薄膜的厚度可以薄到0.1 mm，滾塑容器的壁厚可厚到30 mm。在很多塑料制品的設(shè)計規(guī)范中，材料的拉伸性能和制品壁厚多為獨立的兩個因素［1?3］。拉伸性能是高分子材料的基本特性，測試結(jié)果受到溫度、濕度、應(yīng)變速率、試樣形狀等多種因素的影響［4］，各測試標準中均對這些影響因素有著嚴格的規(guī)定［5］。

聚合物試樣厚度是拉伸性能的影響因素之一。關(guān)永安等［6］測試了厚度在4.1～5.17 mm間的玻璃鋼材料的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)拉伸強度隨著厚度的增加而下降。隋國勇［7］測試了1～4 mm厚度的硫化橡膠的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)拉伸強度和斷裂伸長率均隨著厚度的增加而下降。焦立奎［8］發(fā)現(xiàn)，在壓塑成型聚乙烯試樣中，拉伸斷裂應(yīng)力隨試樣厚度的增加而減小。Marchal［9］發(fā)現(xiàn)試樣厚度由0.3 mm增加到2.5 mm時，等規(guī)聚丙烯比基本斷裂功顯著降低。張冬初［10］發(fā)現(xiàn)，對PE?HD/PC/POE?g?MAH共混材料而言，在過渡狀態(tài)下其比基本斷裂功隨試樣厚度的增加而降低，而比塑性功隨試樣厚度的增加而略有升高。另外，很多塑料制品的力學性能測試，需要在制品上采樣，在實際操作中，發(fā)生很多測試結(jié)果和材料標準制樣方式下測試結(jié)果的差異［11］，目前對于這些差異的解釋過于籠統(tǒng)，沒有說服力。

本文研究試樣厚度對高分子材料拉伸性能的詳細影響作用，可為塑料制品設(shè)計的可靠性提供依據(jù)，具有一定的意義。

1 實驗部分

1.1 主要原料

線形低密度聚乙烯（PE?LLD），R546U，熔體流動速率為5g/10min，密度0.935g/cm3，中石化鎮(zhèn)海煉化公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熱熔壓片機，SEIMIT?YP?303，東莞市精建自動化設(shè)備有限公司；

電子萬能試驗機，WDT?W，承德精密試驗機有限公司。

1.3 樣品制備

模壓法：將材料放在壓片機模具中，溫度220℃，時間15 min，壓力3.5 MPa，使用水冷至80℃脫模，制備出不同厚度的樣片；

將試樣裁剪成1BA型啞鈴狀試樣備用，試樣寬度為5 mm。

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

拉伸性能按照GB/T 4010.1—2018進行測試，試樣環(huán)境（23±2）℃，相對濕度50%，試驗速率為20 mm/min，夾具間距離60 mm，每個厚度的樣片測試5次；

上屈服強度和下屈服強度及其應(yīng)變按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》定義的方法進行計算；

吸收能測試：將拉力?位移數(shù)據(jù)導出到Origin Pro 2018軟件中，求得位移?拉力曲線下的積分面積，使用式（1）計算吸收能（EB）；

式中 F——拉力，N

l——位移，m

lB——試樣屈服時的位移，m

當lB為上屈服強度或下屈服強度時的位移時，得出的吸收能為上屈服吸收能或下屈服吸收能。

聚乙烯典型的拉伸曲線及其指標說明見圖1。

圖1 聚乙烯拉伸試驗的典型曲線Fig.1 Typical curve of polyethylene tensile test

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣厚度對上屈服強度的影響

在高分子材料的拉伸試驗中，拉伸屈服應(yīng)力通常指上屈服強度。上屈服強度表征了材料在瞬時效應(yīng)下發(fā)生屈服時的最大作用力，代表著材料受到短時快速應(yīng)力作用時的抗變形能力。

從圖2可知，隨著試樣厚度的增加，上屈服強度先增加后降低然后再次增加，上屈服應(yīng)變趨勢相反，趨勢轉(zhuǎn)變點為1 mm和3.4 mm。上屈服強度和上屈服應(yīng)變的相關(guān)性很強，因此對上屈服吸收能和試樣的截面積進行擬合，發(fā)現(xiàn)符合線性規(guī)律（圖3），相關(guān)系數(shù)R2=0.999 4，擬合方程為式（2）：

圖2 試樣厚度對上屈服強度的影響Fig.2 Effect of sample thickness on upper yield strength

圖3 試樣截面積和上屈服吸收能的關(guān)系Fig.3 Relationship between upper absorption energy and sample cross?sectional area

式中 EyH——上屈服吸收能，J

S——試樣截面積，mm2

式（2）顯示，聚乙烯拉伸過程中，在應(yīng)變速率、溫度等其他因素不變的情況下，使試樣達到屈服的單位面積能量是恒定的。因此，上屈服強度的增加，必定帶來上屈服應(yīng)變的減少。因上屈服強度和厚度之間不存在簡單的對應(yīng)關(guān)系，在工程應(yīng)用中，直接使用上屈服強度作為設(shè)計依據(jù)，是存在隱患的，使用上屈服吸收能可改善這一問題。

2.2 試樣厚度對下屈服強度的影響

從圖4可知，隨著試樣厚度的增加，當試樣厚度≤1 mm時，下屈服強度增加，下屈服應(yīng)變減小；當試樣厚度≥1 mm時，下屈服強度下降，下屈服應(yīng)變基本保持穩(wěn)定。和上屈服情況類似，下屈服吸收能和試樣的截面積也符合線性規(guī)律（圖5），相關(guān)系數(shù)R2=0.996 5，擬合方程為式（3）：

圖4 試樣厚度對下屈服強度的影響Fig.4 Effect of specimen thickness on lower yield strength

圖5 試樣截面積和下屈服吸收能的關(guān)系Fig.5 Relationship between lower yield absorption energy and specimen cross?sectional area

式中 EyL——下屈服吸收能，J

S——試樣截面積，mm2

通常情況下，高分子材料不區(qū)分上屈服強度和下屈服強度，但是下屈服強度才是材料的保證強度，代表著當不計初始瞬時效應(yīng)時屈服階段中的最小應(yīng)力，這在金屬制品的設(shè)計中是常見的［12］，在塑料制品的設(shè)計中，往往被忽略，或直接使用上屈服強度來表征材料的抗變形能力。

此外，Bradley［13］指出，上屈服強度和下屈服強度的比值與高分子的慢速裂紋擴展性能相關(guān)。圖6給出了試樣截面積和上下屈服強度比的關(guān)系，可以看出，當試樣厚度≥1.5mm后，上下屈服強度比線性增大（R2=0.9993），這意味著，當使用上屈服強度來表征材料特性時，安全系數(shù)會隨著厚度的增加而降低，給塑料制品使用帶來設(shè)計隱患。

圖6 試樣截面積和屈服強度比的關(guān)系Fig.6 Relationship between yield strength ratio and sample cross?sectional area

2.3 試樣厚度對斷裂強度的影響

如圖7所示，隨著試樣厚度的增加，當試樣厚度≤1 mm時，斷裂強度和斷裂應(yīng)變均增加；當試樣厚度在1～3 mm之間時，斷裂強度下降，但保持了較高值，斷裂應(yīng)變基本不變；當試樣厚度≥3 mm時，斷裂強度和斷裂應(yīng)變有明顯的下降。在測試厚度范圍內(nèi)，斷裂強度和斷裂應(yīng)變的變化基本是同趨的。

圖7 試樣厚度對斷裂強度的影響Fig.7 Effect of sample thickness on fracture strength

2.4 試樣厚度對拉伸模量的影響

選取應(yīng)變≤10%的數(shù)據(jù)，以應(yīng)變差為0.002的數(shù)據(jù)進行線性回歸，計算切線模量并作圖（為了體現(xiàn)低應(yīng)變區(qū)的細節(jié)，橫坐標選取了對數(shù)坐標）。從圖8可看出，聚乙烯的模量呈現(xiàn)兩種不同的類型，當試樣厚度≤1 mm時，切線模量先隨應(yīng)變的增加而增加，后隨應(yīng)變的增加降低，切線模量存在極大值。隨著試樣厚度的增加，切線模量達到極大值的相應(yīng)應(yīng)變有減小的趨勢。當試樣厚度≥1 mm后，切線模量隨著應(yīng)變的增加單調(diào)減小，且切線模量開始下降時的應(yīng)變均≤0.000 5。

圖8 試樣厚度對切線模量的影響Fig.8 Effect of sample thickness on tangent modulus

試驗結(jié)果顯示，按照國家標準GB/T 1040.1的要求，在應(yīng)變?yōu)?.000 5和0.002 5階段計算材料的拉伸模量，數(shù)值將會偏小，同時并不能反映材料的真實特性。

理論上，拉伸模量是指材料處于完全彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變比，此階段中，材料的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律遵循Hooke定律。從這個意義上看，當試樣厚度≤1 mm時，試驗所用的聚乙烯并不存在完全彈性階段，而當試樣厚度≥1 mm時，聚乙烯的彈性段終止應(yīng)變遠小于0.000 5，完全彈性段可以忽略。

如選取應(yīng)變≤10%時的最大切線模量作為拉伸模量的替代，和試樣厚度作圖可得圖9。

圖9 不同試樣厚度下的拉伸模量Fig.9 Tensile modulus at different specimen thicknesses

從圖9可知，拉伸模量隨厚度先增大后減小，試樣厚度對拉伸模量的影響較大，最高模量是最低模量的2倍左右。這一現(xiàn)象，為塑料制品的設(shè)計工作帶來困難。在有限元分析中，通常情況下，拉伸模量是一個定值，通過結(jié)構(gòu)或厚度的調(diào)整可改善制品的剛性，默認拉伸模量是和厚度無關(guān)的，拉伸模量隨著厚度的增加下降，給設(shè)計的有效性帶來了隱患。

3 結(jié)論

（1）聚乙烯材料的拉伸性能受制品厚度的影響較大，在制品設(shè)計時應(yīng)考慮厚度影響；薄壁制品（厚度≤1 mm）和厚壁制品（厚度>1 mm）的影響趨勢不一致；

（2）聚乙烯單位面積的屈服吸收能和厚度無關(guān)；

（3）目前的塑料制品設(shè)計中，不考慮厚度對性能的影響，使得設(shè)計結(jié)果存在隱患。