表征增韧PC断裂韧性的新方法

在塑料行业中,表征热塑性材料断裂韧性的常见方法包括摆锤冲击、落球冲击、多轴冲击、应力-应变曲线等等,其中带有标准缺口的Izod或Charpy冲击测试因其简单直观的特点成为表征材料断裂韧性最普遍的一种方法。然而当小编研究核-壳结构冲击改性剂对PC的增韧效果时,发现该方法并不是充分有效的,这是因为本身就具有优异韧性的PC及其合金在摆锤冲击下只表现为部分断裂,此外Izod冲击测试仅能给出总的断裂能量。

 

在此,小编向大家介绍一种表征增韧PC断裂韧性的新方法。即单缺口、三点弯曲冲击(SN3PB impact)及Vu-Khanh分析方法。该冲击仪的结构如图1所示,测试时以落锤的形式对带有尖锐缺口的试样进行冲击,试样的尺寸要求如图2所示。冲击过程中仪器会以恒定的时间间隔测量材料形变所产生的力,同时记录落锤接触试样时的速度,这样由力-时间关系就可以得到力-形变量的关系曲线,进而得到冲击断裂能。相比于Izod缺口冲击,这种三点弯曲式的落锤冲击更容易产生完整的断裂形式。


图1 SN3PB冲击测试仪的结果示意图


图2 SN3PB冲击测试所用样条尺寸


下面我们以增韧PC为例分享该方法在表征增韧剂含量、增韧剂分散程度对材料韧性影响上的表现。试验所用PC为三菱生产,Mw=23700,冲击改性剂用量从0-18%变化,增韧剂在PC基体内的分散程度由单螺杆或双螺杆加工来控制,最终通过SN3PB冲击得到不同温度下增韧PC的断裂韧性,如图3所示。由图3(b)可见,当增韧剂含量≥6%时,增韧PC才会呈现韧性断裂,且随着增韧剂添加量的进一步增加,PC的韧-脆转变温度向低温移动。此外增韧剂的分散程度也巨大地影响着PC的韧性,单螺杆加工相比于双螺杆会导致增韧剂分散不均,无论增韧剂添加量如何,增韧PC在室温下均表现为脆性。



图3 不同冲击改性剂含量增韧PC的SN3PB冲击强度(a)单螺杆加工(b)双螺杆加工

 

SN3PB冲击测试可结合Vu-Khanh断裂理论分析。Vu-Khanh认为单位缺口剩余面积上的断裂能量U/A,与缺口剩余面积A呈线性关系,式(1)。其中Gi的物理意义为裂纹引发能,Ta则定义为撕裂模量。


(1)

 

改变试样的缺口剩余面积并测得SN3PB冲击能量,由此线性关系的截距得断裂引发能Gi,由斜率得撕裂模量Ta。反过来便可得到增韧PC的Gi值和Ta值随增韧剂含量及分散程度的变化关系,如图4所示。增韧剂在基体中的均匀分散使得增韧PC的断裂引发能随增韧剂添加量的增加而显著增大,单螺杆下的分散不均则使该趋势变缓且断裂引发能处于较低水平。同样在双螺杆加工条件下,增韧PC的撕裂模量在增韧剂达到6%时迅速增大到最大值,相反增韧剂分散不均的单螺杆加工使得增韧PC的撕裂模量始终为零。



图4 断裂引发能(a)和撕裂模量(b)与增韧剂含量及分散程度的关系

 

由以上分析可见,相比于普通的Izod或Charpy冲击,SN3PB冲击及其分析方法能够为增韧体系的断裂行为提供更详细、更具有分辨性的参数。在设计特定应用的工程塑料时,SN3PB冲击及分析方法提供的参数Gi和Ta是非常有用的,比如有些应用需要更高的断裂引发能,有些应用则要求更高的撕裂模量。