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温度的影响

我们使用的聚合物遵循与人体相同的原则:环境越热,我们所期望的性能就越低。
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我每年喜欢去大峡谷徒步旅行四到五次。任何做过这类事情的人都发现,在早春比在仲夏,从河流到边缘的10英里的上升更容易完成。事实证明,当身体承受巨大压力时,事情进展顺利的几率会受到温度的影响。

我们使用的聚合物遵循同样的原则。环境越热,我们对性能的期望就越低。

受过材料专业训练的工程师了解金属。因此,他们已经习惯了聚合物所不能提供的温度依赖行为的确定性水平。即使是性能相对较差的金属,如铝,在室温和250-300°C之间也具有本质上相同的机械性能,甚至在接近熔点时,保留性能可高达80%的室温性能。对于铜、黄铜和钢等熔点较高的材料来说,这种程度的一致性甚至更好。金属物质的构造块很小,而且很容易组织成明确定义和可预测的晶体结构,这一事实有助于这种确定性。

聚合物的情况并非如此。组成聚合物材料的单个分子非常大,具有延伸的链状形状,从而形成纠缠结构。这种纠缠在某些方面是有益的。大多数聚合物在不断裂的情况下表现出相对较高的伸长率,这在很大程度上是由于链缠结。然而,这种纠缠也限制了在分子水平上组织成晶体所需的自由。因此,在正常加工条件下,没有任何聚合物是完全结晶的,并且一些聚合物不会结晶到任何显著程度。

温度变化

由于缺乏可预测和可重复的结构,导致温度变化始终影响这些材料的机械性能。这种现象可以通过对任何给定材料在不同温度下进行机械试验来捕捉。获取材料在各种温度下的承载特性的最简单方法之一是一种称为动态力学分析(DMA).这种技术可以测量聚合物行为的许多方面,以至于整本书都在致力于这个主题。然而,为了我们的目的,我们可以关注一个小方面:测量材料的弹性模量作为温度的函数的能力。

图1提供两种众所周知和常用的聚合物的模量与温度图;尼龙6和聚碳酸酯(PC)。这两种材料都是未加筋的。尼龙6是一种半结晶聚合物,而PC是无定形的,这里显示的结果代表了这两类材料的典型行为。在室温下,两种材料的弹性模量与数据表上引用的拉伸模量一致,在2-3%以内。但是,虽然大多数数据表提供的信息很少或没有温度对性质的影响,图图1给出两种材料的温度依赖行为的完整图。

无定形PC只有一个转变温度,即玻璃化转变温度(Tg)。这代表了单个聚合物链在分子水平上具有足够的可移动性,可以独立移动的温度,尽管它们仍然纠缠在一起。在结构上,这一事件可以被比作软化温度,在工程上,材料失去了所有的承载性能,因为它通过了这个过渡。从室温到玻璃化转变开始,PC的模量相对稳定,在室温到135℃之间下降约20%,这个值恰好与PC的玻璃化转变相吻合负载下的偏转温度(DTUL)这是在大多数数据表中提供的。然而,在室温和DTUL之间,大多数数据表很少提供温度对承重能力的影响的指导。

半晶状的尼龙6

半结晶尼龙6的行为与非晶PC略有不同。尼龙6之所以被称为半结晶,是因为它像这类的所有聚合物一样,是由结晶区和非晶态区的结构混合物组成的。随着温度的升高,非晶态区域变得可移动,这种可移动性再次通过玻璃化转变表现出来。这发生在50°C到100°C之间,中点接近70-75°C,因此模量下降到其室温值的20%左右。但由于晶体结构的存在,它不会像PC那样降为零。

这种有组织的结构保持了降低的性能水平,直到温度上升到尼龙晶体的熔点,或大约220-225°C。所有无定形聚合物的温度响应与PC相似。不同的无定形聚合物,如ABS, PVC, PC和聚砜之间的唯一区别是玻璃化转变温度。尼龙6可以作为所有半结晶聚合物的温度依赖行为的模型。半结晶聚合物的特征包括玻璃化转变温度、熔点以及与玻璃化转变相关的模量下降程度。对于大多数未填充的半结晶聚合物,这一降幅将是tg前模量的60-90%。

聚合物结构越结晶,通过Tg的模量下降越小。

需要强调的是,Tg和熔点(Tm)是每一种聚合物的基本性质。我们可以通过添加填料和增强剂来降低热重对半结晶聚合物弹性模量的影响。我们可以在温度低于Tg的无定形聚合物中获得类似的好处。然而,转变温度不会改变。Tg(非晶聚合物)和Tm(半晶聚合物)代表聚合物在应用环境中即使在很短的时间内也能工作的上限。在这种情况下,短可以用分钟来定义,而不是小时、天或周。

应力应变曲线

虽然DMA提供了模量作为温度函数的行为的完整映射,但它没有告诉我们材料的实际强度。为此,我们需要参考应力-应变曲线,并检查应力和应变之间的关系,作为温度变化的函数(见图2比较曲线为43%玻璃纤维增强尼龙66)。

尽管几乎一半的化合物是由非聚合物玻璃纤维组成的,但应力-应变曲线的形状发生了显著变化。总的来说,强度和刚度随温度的升高而降低,而断裂伸长率(一个较好的塑性指标)则升高。虽然这三条曲线都相对接近室温,但与数据表上提供的值相比,材料的性能显著下降。在85℃时,这种材料的屈服强度小于数据表上列出的室温值的60%。

而且,数据表只讨论曲线上的特定点。屈服应力和应变代表应力-应变曲线连续体上的一个坐标,模量就是这条曲线在这两个量成比例的区域的斜率。

为了准确地模拟材料的结构行为,了解材料在应用温度下的应力-应变曲线的形状是很重要的。这包括曲线上应力和应变关系变为非线性的那一点;所谓的比例极限。对于大多数热塑性塑料,在屈服时的应变通常在3%到10%之间,而在比例极限时的应变很少超过1%,对于许多材料,它小于0.5%。

60年前,塑料通常被认为是木头、金属和玻璃的廉价替代品。他们所服务的市场通常对材料的承重方面没有很大的要求,温度变化的影响是最小的关注。但如今,塑料材料被广泛应用于各种苛刻的应用环境,在这些环境中,人们期望在大范围的温度和较长的时间内具有高度的可靠性。我们对这些材料特性的理解必须跟上这些需求。下个月我们将讨论时间应变率第二个因素的两个方面对理解聚合物的机械性能至关重要。

关于作者

Michael Sepe是一家独立的全球材料和加工顾问,其公司Michael P.Sepe LLC位于亚利桑那州的塞多纳。他在塑料行业拥有40多年的经验,在材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障排除和故障分析方面为客户提供帮助。联系人:928-203-0408•mike@thematerialanalyst.com

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