№6(Sum . 158) December 2003PLASTICS SCI . &TECHNOLOGY 17
文章编号:1005-3360(2003) -06-0017-03
塑料科技
泡沫塑料主要力学性能及其力学模型
周文管, 王喜顺
(华南理工大学工业装备与控制工程学院塑料橡胶装备及智能化研究中心, 广东广州510640)
摘 要: 描述发泡塑料力学性能的模型, 讨论了普通发泡塑料的力学性能以及它和发泡塑料密度的关系。并且比较了硬质聚氨酯(RPUR ) 和聚氯乙烯(PVC ) 泡沫塑料的主要力学性能随密度的变化。最后介绍了微孔发泡塑料的几项优良的力学性能。
关键词: 泡沫塑料; 微孔塑料; 力学性能; 力学模型中图分类号:TQ328 文献标识码:A
泡沫塑料由于具有相对密度低, 比弹性模量高, 比强度高的优点, 是一种理想的轻质结构材料, 同时由于泡沫塑料吸收冲击能力强, 有良好的缓冲性能, 隔音、隔热等性能, 使它成为有效的防护材料, 在各个行业中广泛的应用
[1]
。在泡沫塑料的开发和利用过程中, 泡沫
塑料的力学性能得到了极大的关注。本文介绍了发泡
塑料力学性能的模型, 讨论了塑料发泡前后主要力学性能的变化以及发泡率对力学性能的影响, 帮助人们了解泡沫塑料中的泡体中在哪些方面、何种程度上对塑料的力学性能起作用。进而使我们可以更好的挖掘泡沫塑料的潜在优良性能, 进一步改善泡沫塑料的力学性能。
图1 弹性支柱网络模型
1 发泡塑料的力学模型
发泡塑料工业的发展和发泡制品的推广, 引起了人们对发泡塑料力学性能的兴趣, 许多学者对力学性能进行了大量的试验和理论探索工作。早在1959年Gent 和Thomas 开始研究发泡塑料的力学行为, 并提出了弹性支柱网络模型(图1) 和立方体结构模型(图2) 。随后在他们工作的基础上, Matonis 提出了立方板结构模型(图3) 来模拟闭孔泡沫塑料的力学行为。
[4]
Chan 和Nakamura 对这些模型进行了简化, 提出用五边十二面体模型描述泡沫塑料的力学模型(图4) 。这些模型进一步吸引了研究者对发泡塑料力学性能的兴趣, 并使发泡塑料力学的研究进一步的深入
。
收稿日期:2003-07-01
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[2]
图2 立方体结构模型
2 普通发泡塑料的力学性能
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周文管, 等 泡沫塑料主要力学性能及其力学模型
表1 未发泡与发泡PVC 力学性能
主要性能密度(g cm 3) 拉伸强度(MPa ) 弯曲强度(MPa ) 缺口冲击强度(kJ m )
2
未发泡PVC 1. 30～1. 40
45708
低发泡PVC 0. 5～0. 7184520
注:原料是上海氯碱化工股份有限公司 规格:EB103(PVC —R C )
2. 2 发泡塑料的力学性能和密度的关系
我们知道, 聚合物泡沫塑料的力学性能主要由基体聚合物性质, 聚合物体积比(或者泡沫塑料密度) 和泡体结构的几何性质决定。也就是说, 泡沫塑料的密度也是一个很重要的因素。而泡沫塑料的密度与发泡倍数有直
图3 立方板结构
接的关系。一般来说, 发泡倍数越高, 泡沫塑料中气体所占的比例就越大, 泡沫塑料的密度就会越低。普通泡沫塑料的力学性能都是随着发泡倍数的增加而下降的。2. 2. 1 弹性模量和密度的关系 弹性模量是衡量材料力学性能的一个重要指标, 前人在大量的试验基础上, 总结了发泡前后塑料弹性模量变化的表达式式中 E c
E s Υs
[6]
:
E c =E s Υs
n
发泡后弹性模量; ;
塑料在泡体中的容积率, 和发泡倍数有关;
。
图4 五边十二面体模型
2. 1 未发泡塑料和发泡后塑料的力学性能比较
我们知道, 尽管发泡塑料具有很多优良的性能, 然
而与不发泡的塑料相比, 发泡塑料的几项主要力学性能的绝对强度较低。比如, 发泡塑料的拉伸强度、抗压强度、剪切强度和弯曲强度都有明显的降低。文献对发泡PVC 的力学性能进行了研究, 发现硬质PVC 低发泡板与未发泡硬质P VC 塑料相比, 拉伸强度由45下降到18, 下降了60%; 弯曲强度由70下降到45, 下降了35. 7%(见表1) 。这种现象是容易理解的, 因为发泡塑料中的泡体, 一方面大大减少了受力截面上塑料的量, 同时泡体的边缘又作为应力集中的地方, 成为外力破坏泡沫塑料的发源地和突破口, 致使泡沫塑料的主要力学性能大大降低。
泡沫塑料的主要力学性能虽低, 但它的比强度高。就是说, 用相同质量的塑料, 拿发泡后的成品和未发泡的塑料来比较, 其总的力学性能大大增加, 因为发泡后[1]
[5]
n
公式表明, 发泡的倍数越大, 也就是泡沫塑料的密度越低, 泡沫塑料的弹性模量与原来的材料相比, 就会降低。但是, 这个公式的应用时有一定的限制的, Her manson 指出, 注塑制品的密度是沿着截面的厚度变化的。所以, 塑料的强度和弹性模量并不是和发泡样品的平均密度, 而很大程度上取决于制品中密度最低的那个部分。2. 2. 2 抗拉强度、抗压强度、剪切强度与弯曲强度和密
度关系
前面我们已经说过, 泡沫塑料的密度与发泡倍数有直接的关系, 而泡体数量的多少又对材料的力学性能有很大的影响。为了更加清楚的说明泡沫塑料的密度对发泡塑料力学性能的影响。我们以硬质聚氨酯(见图5) 和聚氯乙烯(见图6) 为例, 给出了塑料密度和它们主要力学性能的关系图。
, , 也就
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周文管, 等 泡沫塑料主要力学性能及其力学模型
19
[12]
体。绝缘纤维和分子筛等方面发挥了独特的功效
[11]
。微
孔发泡塑料之所以具有这些性能, 是因为:
(1) 微孔塑料中泡孔尺寸, 泡孔直径在0. 1～10μm ,
2153
单位体积中泡孔个数在10～10个 cm 少于材料内部的空穴时, 泡孔的存在正好填充了这部分的空隙, 将不会降低材料的强度。
(2) 由于微孔的存在使材料中原有的裂纹尖端纯化, 增加了传播裂纹所需的能量, 有利于阻止裂纹在应力作用下扩展, 从而改善塑料的力学性能。
此外, 先进的加工技术和手段, 也可以提高发泡塑料的力学性能。比如, 引入振动的作用后, 产生了周期性的压缩、释压和膨胀的作用, 有效地防止了材料的缩孔、
[13]
凹陷等缺陷, 还能提高熔合线的强度。但是, 微孔发泡塑料的力学性能是一个新的领域, 在材料的制备和应用中还存在需要解决的力学问题, 对微孔发泡塑料的力学性能的研究还需要从微力学和统计理论的角度进行研究, 结合更多的宏观, 细观力学试验, 正确认识这类材料的变形和失效规律, 建立更加合理的微孔发泡塑料的力
[14]
学模型。参考文献:
[1] 吴舜英, 徐敬一. 泡沫塑料成型〔M 〕.北京:化学工业出版社,
1999年2月.
[2] Gent A N , Hhomad A G . Applied Pol ymer science , 1959, 1, 107:113. [3] Maton is V . A . SPE J ournal , Sep tember 1964, 1024:1030. [4] Chan R , Nakamura M . Cellular plas tics . 1969, Vol . 5, 112:118.
图6 聚氯乙烯力学性能和密度的关系
—□—
图5 硬质聚氨酯力学性能和密度的关系
—□—
—○——△—
抗拉强度; 抗压强度; 剪切强度
[5] 王培宜. 我国硬质PVC 低发泡板材的现状与发展〔J 〕.塑料加
工, 99年增刊, V27.
[6] N . C . HILYARD . MEC HANICS OF CELLULAR PLASTICS APPLIED
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[12] 腾建新. 泡沫塑料动态成核机理的研究〔D 〕.华南理工大学博
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[13] 王喜顺, 彭玉成等. 振动技术在注射成型中的应用〔J 〕.中国
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[14] 卢子兴. 微孔泡沫塑料力学行为的研究综述〔J 〕.力学进展,
2002. 8Vol . 32. No . 3.
—○——△—抗拉强度; 抗压强度; 剪切强度
是发泡倍数的增加, 硬质聚氨酯和聚氯乙烯的拉应力、
压应力和剪切应力都有所下降。这种现象的主要原因是由于低密度的材料中泡体数目增多, 泡孔合并与塌陷的几率上升, 导致了泡孔质量下降。因此应力集中的地方增多, 产生裂纹的机会就会大大地增多, 从而造成泡沫塑料的力学性能随密度降低而下降的现象。
3 结束语
尽管, 普通的泡沫塑料具有一些优良的性能, 但是它的主要力学性能往往很难满足实际应用的需要。微孔发泡塑料的主要力学性能得到了很大的改善。例如:与未发泡塑料相比, 微孔塑料的冲击强度提高了2～3倍韧性提高了5倍, 疲劳寿命提高了5倍, 并具有良好的热稳定性等。这些良好的力学性能使得微孔发[8]
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[10]
【下转第22页】
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赵文聘, 等 蒙脱土改性尼龙-6复合材料的性能研究
在实验中我们还发现, 在尼龙-6中加入蒙脱土, 复合材料的吸水率有了明显下降; 透光率有了提高; 气体阻隔性也有了提高; 耐磨性也有了提高。
此外, 在加工过程中, 挤出机的温度变化、螺杆转速的变化都对最终产品性能有一定的影响。
3 结论
(1) 采用熔融插层法在尼龙-6中加入蒙脱土, 可明显改善尼龙-6的各项物理化学性能指标, 其中热变型温度的提高最为明显, 其次是冲击强度和拉伸强度。
(2) 蒙脱土改性尼龙-6, 使尼龙-6材料的使用范围进一步扩大。可广泛应用于汽车零部件、发动机内耐热件、电器件、要求气体阻隔的容器、耐磨材料、办公用品等。参考文献:
[1] 陈业, 等著. PA -66 MMT 纳米复合材料的制备及结构与性能研究〔C 〕.中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集. 2002～95. [2] 郝向阳, 等著. 几种插层剂改性的MMT PA -66纳米材料的
性能〔J 〕.中国塑料, 2002,(7) :72.
110584200
140150901. 2
图5 蒙脱土对尼龙-6成型收缩率的影响表1 蒙脱土改性尼龙-6复合材料的性能
性能拉伸强度断裂伸长率弯曲模量
弯曲强度热变形温度缺口冲击强度成型收缩率
单位MPa %MPa MPa ℃J m %
PA -6(普通)
78303000
11070621. 6
复合材料
Properties of Nylon -6Composite Modified by Montmorillonite
ZHAO Wen -pin , HUANG Ping , XU Chang -xu , XU Li -fang , HUANG Hai -qing
(Anshan City Dragon -smar Plastics Co . , Ltd , Anshan 114031, China )
A bstract : It analysed the technology and properties of Nylon -6 montmorillonite composite which was prepared by means
of melting intercalation in twin -scre w extruder . The comprehensive mechanical properties of the composite are better than those of Nylon -6. The optimum comprehensive mechanical properties can be achieved in case of the composite containing 3%(wt ) montmorillonite .
Key words : Montmorillonite ; Nylon -6; Melting intercalation ; Composite ; Nano 【上接第19页】
Main Mechanical Properties of Foamed Plastics and Its Mechanical Model
ZHOU Wen -guan , WANG Xi -shun
(Research Center of Equipment and Intellectualization for Plastics &Rubber , College of Industrial Equipment and
Control Engineering , South China University of Technology , Guangzhou 510640, China )
A bstract : It introduced some of the mechanical models of foamed plastics and discussed the mechanical properties of general foamed plastics as well as relations bet w een mechanical pr operties and density of foa med plastics . It compared the main mechanical properties varying with the density of rigid PUR with those of foamed PVC , and finally intr oduced several excellent mechanical properties of micro -cellular foamed plastics .