影响塑料制品拉伸试验结果的因素

崔 崇

（宁夏大元股份有限公司 大连分公司，辽宁 大连 116000）

0 前言

随着科学技术的发展，各种新型材料层出不穷，尤其是高分子材料在近些年有了飞速的发展。塑料作为其分枝，已广泛应用于国民生产、生活的各个领域［1］，在某些领域已经取代木材、金属材料。为了使塑料及其制品能够安全可靠地使用，对其性能检测是非常必要的，其中力学性能检测是一个重要方面，包括拉伸、弯曲、冲击性能等。影响塑料拉伸试验结果的因素有许多，材料本身属于内在因素，如组分、相对分子质量及其分布、分子结构、分子取向程度、内部缺陷等；外在因素包括试验设备、试样的制备、试样装夹、试验环境、拉伸速率、数值的修约、操作人员等。因此，试验必须充分考虑并严格控制与试验结果有关的因素，试验结果才具有可比性和准确性。笔者针对影响塑料制品拉伸试验结果的因素进行了探讨。

1 影响塑料拉伸试验结果的因素

1.1 试验设备

塑料拉伸试验采用万能试验机。它是测试塑料力学性能的仪器。拉伸试验采用标准形状的试样，在标准状态下测定塑料的拉伸性能。试验可测试塑料的拉伸力、拉伸强度、拉伸屈服强度、断裂伸长率、断裂强度、拉伸弹性模量等参数。

影响拉伸试验结果的因素主要有：测力传感器精度、速率控制精度、夹具、同轴度和数据采集频率等。测力传感器是试验机的核心部件。它的精度直接影响试验数据和偏差，一般要求传感器的精度在0.5%以内。拉伸速率要求平稳均匀，速率偏高或偏低都会影响拉伸试验结果。夹具的设计主要有手动和气动两种，夹持片材试样的夹具要求随着拉力的增大，夹紧力亦增大，但不能造成试样变形损坏。试验机的同轴度不好，拉伸位移将偏大，拉伸强度测试结果偏小。试验数据采集的频率也要适中，否则，将影响试验结果，峰值偏小。

1.2 试样的制备

拉伸试验要求试样做成哑铃形或矩形。制样方式有两种：一种是用原材料制样；另一种是从制品上直接取样。

用原材料制成试样有几种方法：模压成型、注塑成型、压延成型或吹膜成型等，每种制样过程都要符合相关的标准。但不同方法制样的试验结果不具有可比性。同一种制样方法，要求工艺参数，如模具结构、成型温度、成型压力、冷却速率以及工艺过程也要相同，否则，塑料在成型过程中的微观结构，如结晶度、分子取向等将有较大变化，直接影响试验结果。塑料原材料压片或成膜后，再用制样机和标准切刀制成标准试样。制样切刀要规范锋利，否则，试样会有毛边或划损等缺陷。其次，试样的尺寸规格要一致，试样的厚度不同，试验结果也不同。厚度大的试样，试验结果偏小。图1为聚乙烯（PE）试样在拉伸速率为100 mm／min 时，厚度与拉伸强度的关系［2］。由图1 可见：试样厚度越大，试验测得的拉伸强度越低。由于试样越厚，使得缺陷的概率越高。这也符合聚合物的微观缺陷理论。

图1 PE试样的厚度与拉伸强度的关系

常用的制样方法，大多数采用机械加工的方法从塑料制品上取样，然后在哑铃制样机上制成Ι型试样。这种方法的优点是简便易行。但这种方法最大的缺点是测试结果误差太大。根据GB 12001.3－89和GB 1039 规定：用机加工或冲模制样，试样边缘不得有缺口和毛刺等缺陷，加工时不应使试样受到过分的冲击、挤压和受热。加工面应光洁。哑铃制样机从原理上属于冲模制样的方法。其制样过程必然受到挤压和冲击，并且加工面（冲切面）亦很难保证光洁。实践结果表明：对于用冲模制样与铣床机加工制样，测试结果出入很大，严重时只相当于后者的一半。

1.3 试样装夹

在拉伸试验时，不容许试样受到偏心力的作用。因为它会使试样产生附加弯曲应力，从而造成试验结果的偏差。对于脆性材料，由于在拉伸过程中试样的变形，使得拉伸的施力线与试样的轴线不重合，偏差更为显著。造成试验时产生偏心力，除了试验机的构造不良，还有可能试样本身形状不对称、夹头构造和安装不正确等因素。因此，在夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心线重合，且松紧适宜，以防止试样滑脱或断在夹具内。

1.4 试验环境

影响塑料拉伸试验结果的环境因素主要是温度和湿度。GB／T 1040.2—2006规定：标准实验室环境温度为（23±2）℃，相对湿度为45%～55%。

热塑性塑料的拉伸性能测试受温度的影响较大。伴随着温度上升，塑料将由硬脆型向黏强型转变，拉伸强度和拉伸弹性模量变小，而断裂伸长率将变大。图2反映了聚氯乙烯（PVC）的拉伸强度、断裂伸长率与温度的关系［2］。

图2 PVC的拉伸强度、断裂伸长率与温度的关系

相对湿度一般对吸水率比较大的塑料影响较大。有些塑料吸水后，水分子在内部起到了偶联剂和增韧剂的作用，从而影响塑料的刚性和韧性。湿度对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、乙酸纤维素等热塑性塑料的影响较大［2］，试验曲线见图3。而对吸水率小的塑料，受湿度的影响较小。

图3 相对湿度对热塑性塑料拉伸强度的影响

1.5 拉伸速率

在拉伸试验时，拉伸速率变化，其力学行为也将发生改变。一般情况下，拉伸速率快，拉伸强度增大，而断裂伸长率将减小。这是因为塑料属于黏弹性材料，它的应力松弛过程与变形速率紧密相关。应力松弛需要一个时间过程，当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，塑料呈现韧性行为，表现为拉伸强度减小，断裂伸长率增大；当高速拉伸时，分子链段的运动跟不上外力作用的速率，塑料呈现脆性行为，表现为拉伸强度增大，断裂伸长率减小。表1说明了拉伸速率与PVC拉伸性能的关系。图4反映了拉伸速率对PVC 拉伸性能的影响［3］。只有拉伸速率相同时，试验结果才具有可比性［4］。

表1 拉伸速率与PVC拉伸性能的关系

图4 拉伸速率对PVC拉伸性能的影响

1.6 数值的修约

数值的修约是整个试验过程中的一个重要环节，因此，与试验结果的精确度有着密切的关系。目前塑料试验机多数由计算机控制，数据处理已程序化，但是有些数据还是依靠人为测试和计算的，如试样尺寸、位移变化、伸长率及脱机试验等。对试验测定和计算所得的各种数值常常要进行修约。关于数值的修约，应遵循国家标准［5］规定的规则：4舍6入5看右，右边有数应进位，右边无数再看左，奇进偶不进。在测试过程中出现的异常情况，如超大或超小的数据，相应地舍去，再补充相应试验要求的试样个数。

1.7 操作人员

试验的整个过程都是在人的操作和控制下进行的，人为因素不可避免地会影响到试验结果。即使有实践经验的人员操作，每次试验结果也都不会完全一致。人为因素涉及到取样、制样过程、试样的处理、试验过程、数据处理等。

2 结语

影响塑料拉伸试验结果的因素很多，除许多内在因素，如塑料成分、相对分子质量及其分布、分子结构、内部缺陷等直接影响拉伸性能外，还有许多外在因素，如试验机、试样的制备、试样装夹、试验环境、拉伸速率、数值的修约、操作人员等，这些因素最终将影响试验结果。因此，试验人员必须具有高度的责任心，严格执行试验标准和操作规程，才能消除影响试验结果准确性的因素或降低其影响程度，获得准确的试验结果。

［1］周祥兴，郁文娟，张惠曦，等.实用塑料包装制品手册［M］.北京：中国轻工业出版社，2000.

［2］周维祥.塑料测试技术［M］.北京：化学工业出版社，1999.

［3］邢玉清.简明塑料大全［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.

［4］魏然振，徐凤玲.高聚物检测试验结果的影晌因素［J］.塑料科技，2006，34（4）：96－101.

［5］GB 3100～3102—1993量和单位.北京：中国标准出版社，1994：50.