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(xué)技術(shù)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(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域［1］，在某些領(lǐng)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(duì)其性能檢測(cè)是非常必要的，其中力學(xué)性能檢測(cè)是一個(gè)重要方面，包括拉伸、彎曲、沖擊性能等。影響塑料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素有許多，材料本身屬于內(nèi)在因素，如組分、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、分子結(jié)構(gòu)、分子取向程度、內(nèi)部缺陷等；外在因素包括試驗(yàn)設(shè)備、試樣的制備、試樣裝夾、試驗(yàn)環(huán)境、拉伸速率、數(shù)值的修約、操作人員等。因此，試驗(yàn)必須充分考慮并嚴(yán)格控制與試驗(yàn)結(jié)果有關(guān)的因素，試驗(yàn)結(jié)果才具有可比性和準(zhǔn)確性。筆者針對(duì)影響塑料制品拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素進(jìn)行了探討。

1 影響塑料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

塑料拉伸試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。它是測(cè)試塑料力學(xué)性能的儀器。拉伸試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)形狀的試樣，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)定塑料的拉伸性能。試驗(yàn)可測(cè)試塑料的拉伸力、拉伸強(qiáng)度、拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂強(qiáng)度、拉伸彈性模量等參數(shù)。

影響拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素主要有：測(cè)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(cè)力傳感器是試驗(yàn)機(jī)的核心部件。它的精度直接影響試驗(yàn)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(huì)影響拉伸試驗(yàn)結(jié)果。夾具的設(shè)計(jì)主要有手動(dòng)和氣動(dòng)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(yàn)機(jī)的同軸度不好，拉伸位移將偏大，拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果偏小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的頻率也要適中，否則，將影響試驗(yàn)結(jié)果，峰值偏小。

1.2 試樣的制備

拉伸試驗(yàn)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(guò)程都要符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。但不同方法制樣的試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)、成型溫度、成型壓力、冷卻速率以及工藝過(guò)程也要相同，否則，塑料在成型過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)，如結(jié)晶度、分子取向等將有較大變化，直接影響試驗(yàn)結(jié)果。塑料原材料壓片或成膜后，再用制樣機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)切刀制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。制樣切刀要規(guī)范鋒利，否則，試樣會(huì)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(yàn)結(jié)果也不同。厚度大的試樣，試驗(yàn)結(jié)果偏小。圖1為聚乙烯（PE）試樣在拉伸速率為100 mm／min 時(shí)，厚度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系［2］。由圖1 可見(jiàn)：試樣厚度越大，試驗(yàn)測(cè)得的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系

常用的制樣方法，大多數(shù)采用機(jī)械加工的方法從塑料制品上取樣，然后在啞鈴制樣機(jī)上制成Ι型試樣。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便易行。但這種方法最大的缺點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果誤差太大。根據(jù)GB 12001.3－89和GB 1039 規(guī)定：用機(jī)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(shí)不應(yīng)使試樣受到過(guò)分的沖擊、擠壓和受熱。加工面應(yīng)光潔。啞鈴制樣機(jī)從原理上屬于沖模制樣的方法。其制樣過(guò)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(shí)踐結(jié)果表明：對(duì)于用沖模制樣與銑床機(jī)加工制樣，測(cè)試結(jié)果出入很大，嚴(yán)重時(shí)只相當(dāng)于后者的一半。

1.3 試樣裝夾

在拉伸試驗(yàn)時(shí)，不容許試樣受到偏心力的作用。因?yàn)樗鼤?huì)使試樣產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，從而造成試驗(yàn)結(jié)果的偏差。對(duì)于脆性材料，由于在拉伸過(guò)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(yàn)時(shí)產(chǎn)生偏心力，除了試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造不良，還有可能試樣本身形狀不對(duì)稱、夾頭構(gòu)造和安裝不正確等因素。因此，在夾具夾持試樣時(shí)，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(yàn)環(huán)境

影響塑料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的環(huán)境因素主要是溫度和濕度。GB／T 1040.2—2006規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為45%～55%。

熱塑性塑料的拉伸性能測(cè)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(qiáng)型轉(zhuǎn)變，拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量變小，而斷裂伸長(zhǎng)率將變大。圖2反映了聚氯乙烯（PVC）的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與溫度的關(guān)系［2］。

圖2 PVC的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率與溫度的關(guān)系

相對(duì)濕度一般對(duì)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(duì)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(yàn)曲線見(jiàn)圖3。而對(duì)吸水率小的塑料，受濕度的影響較小。

圖3 相對(duì)濕度對(duì)熱塑性塑料拉伸強(qiáng)度的影響

1.5 拉伸速率

在拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸速率變化，其力學(xué)行為也將發(fā)生改變。一般情況下，拉伸速率快，拉伸強(qiáng)度增大，而斷裂伸長(zhǎng)率將減小。這是因?yàn)樗芰蠈儆陴椥圆牧?，它的?yīng)力松弛過(guò)程與變形速率緊密相關(guān)。應(yīng)力松弛需要一個(gè)時(shí)間過(guò)程，當(dāng)?shù)退倮鞎r(shí)，分子鏈來(lái)得及位移、重排，塑料呈現(xiàn)韌性行為，表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度減小，斷裂伸長(zhǎng)率增大；當(dāng)高速拉伸時(shí)，分子鏈段的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減小。表1說(shuō)明了拉伸速率與PVC拉伸性能的關(guān)系。圖4反映了拉伸速率對(duì)PVC 拉伸性能的影響［3］。只有拉伸速率相同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果才具有可比性［4］。

表1 拉伸速率與PVC拉伸性能的關(guān)系

圖4 拉伸速率對(duì)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(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此，與試驗(yàn)結(jié)果的精確度有著密切的關(guān)系。目前塑料試驗(yàn)機(jī)多數(shù)由計(jì)算機(jī)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(cè)試和計(jì)算的，如試樣尺寸、位移變化、伸長(zhǎng)率及脫機(jī)試驗(yàn)等。對(duì)試驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算所得的各種數(shù)值常常要進(jìn)行修約。關(guān)于數(shù)值的修約，應(yīng)遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［5］規(guī)定的規(guī)則：4舍6入5看右，右邊有數(shù)應(yīng)進(jìn)位，右邊無(wú)數(shù)再看左，奇進(jìn)偶不進(jìn)。在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況，如超大或超小的數(shù)據(jù)，相應(yīng)地舍去，再補(bǔ)充相應(yīng)試驗(yàn)要求的試樣個(gè)數(shù)。

1.7 操作人員

試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程都是在人的操作和控制下進(jìn)行的，人為因素不可避免地會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果。即使有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人員操作，每次試驗(yàn)結(jié)果也都不會(huì)完全一致。人為因素涉及到取樣、制樣過(guò)程、試樣的處理、試驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)處理等。

2 結(jié)語(yǔ)

影響塑料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，除許多內(nèi)在因素，如塑料成分、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、分子結(jié)構(gòu)、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(yàn)機(jī)、試樣的制備、試樣裝夾、試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果。因此，試驗(yàn)人員必須具有高度的責(zé)任心，嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程，才能消除影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素或降低其影響程度，獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

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

［2］周維祥.塑料測(cè)試技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

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

［4］魏然振，徐鳳玲.高聚物檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994：50.