不同测试条件对通用塑料热变形温度的影响

王 忠

(中国合格评定国家认可委员会, 北京 100021)

通用塑料指的是力学性能较差，不能作为结构材料，但产量大的塑料，通用塑料一般有5大品种，即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)，而其中PE、PP、PVC、PS占世界塑料产量的85%[1]。热变形温度是聚合物制品耐热性的重要指标[2-4]，用来评价聚合物及其改性料在载荷下受热变形的程度，并不表示产品的最高使用温度。

热变形温度反映的是塑料短期对热的抵抗能力，该能力会随温度变化速率、受热形式及时间、试样承受压力的改变而有所变化。目前已有文献研究了热处理条件、注塑工艺等对ABS热变形温度测试的影响[5]，但在标准更新后，测试条件的变化对于热变形温度测试结果影响的研究较少。

热变形测试标准参考了GB/T 1634.1—2019 《塑料 负荷变形温度的测定 第1部分：通用试验方法》和GB/T 1634.2—2019 《塑料 负荷变形温度的测定 第2部分：塑料和硬橡胶》，在最新版本(2019版)中删除了侧放试样的方法，因目前仍有大量材料使用的是GB/T 1634.1—2004中的侧放方式进行测试，标准中没有说明试样放置方法对测试结果的影响，而不同方法间的切换必然影响到技术指标的设定[6]。

为了研究不同测试方法间的差异，笔者选用通用塑料中典型结晶和非结晶材料的不同配方体系对试样的放置方法、尺寸、载荷等因素进行分析，并对不同测试方法的结果差异进行了对比，为通用塑料热变形温度的准确测定提供指导。

1 试验方案

1.1 试验原理

标准试样以平放或侧放的方法承受三点弯曲恒定载荷(1.80，0.45，8.00 MPa)，使其产生相应的弯曲应力，在匀速升温(升温速率为120 ℃/h)的条件下，测量达到与规定弯曲应变增量相对应的标准挠度时的温度。

1.2 试验参数

采用热变形维卡试验机进行试验，试样放置方法如图1所示，具体试验参数[6]如表1所示。

图1 试样放置方法现场

表1 不同试样放置方法的试验参数 mm

1.3 试验材料

GB/T 1634.2—2019标准中提到：非结晶塑料的试验结果相差2 ℃以上，部分结晶塑料的试验结果相差5 ℃以上时，应重新进行试验。由此可知：非结晶塑料和部分结晶塑料在测试过程中的表现不同，通用塑料中ABS，HIPS(高抗冲聚苯乙烯)属于非结晶塑料，PP属于部分结晶塑料[7]，为了确保测试结果的可靠性和通用性，更好地为研发和生产测试提供依据，每类材料中又分别选择了几种填充类和增强类塑料进行测试，试验材料如表2所示。

表2 试验材料

1.4 试验步骤

方案一：测试过程中,将达到规定弯曲应变增量相对应的标准挠度设置为0.33 mm，平放试样尺寸为80 mm×10.0 mm×4.1 mm(长×宽×高,下同)，侧放试样尺寸为120 mm×4.0 mm×9.9 mm；在1.80 MPa(方法A)，0.45 MPa(方法B)，8.00 MPa(方法C)的弯曲应力作用下，研究使用平放和侧放两种放置方法对热变形温度的影响。

方案二：新标准中优选的弯曲应力为1.80 MPa，放置方法为平放，研究达到标准挠度分别为0.33，0.34，0.35 mm时，热变形温度之间的差异。

2 试验结果与讨论

2.1 非结晶材料平放和侧放测试结果间的差异

依据标准GB/T 1634.2—2019，选用A、B、C 3种方法，放置方法分别为平放和侧放，测试非结晶材料ABS和HIPS的热变形温度，结果如表3所示。

表3 非结晶材料ABS和HIPS的热变形温度 ℃

从表3可以看出：对于非结晶材料ABS和HIPS，在标准挠度均为0.33 mm，且同一载荷下，侧放与平放的测试结果基本一致，大部分材料的热变形温度偏差均小于2 ℃，且对于大部分材料，采用侧放的结果比平放的结果稍高。

在相同的放置方法、统一的标准挠度(0.33 mm)、不同的载荷条件下测试，可以看出：非结晶材料的测试结果也有一定的规律，方法B比方法A所得结果高10 ℃左右，方法A比方法C所得结果高10 ℃左右。

2.2 部分结晶材料(PP)平放和侧放测试结果间的差异

依据标准GB/T 1634.2—2019，选用A、B、C 3种方法，放置方法分别为平放和侧放时，测试部分结晶材料不同配方的改性PP的热变形温度，结果如表4所示。

从表4可以看出：玻璃纤维增强体系(GFPP-30，GFPP-25，PP-36370)材料的热变形温度明显高于滑石粉填充(PP-11680，PP-11269)体系，这主要是因为高分子的热链运动受到刚性玻璃纤维的阻碍，刚性玻璃纤维在聚合物基体中起到了骨架支撑的作用。另外，在相同标准挠度、相同载荷的情况下，不同放置方法对热变形温度的测试结果也存在一定规律，非玻璃纤维增强体系试样侧放比平放时的热变形温度高，而对于玻璃纤维增强体系，随着载荷的增加，侧放试样的热变形温度升高得多，尤其是在8.00 MPa载荷下，侧放比平放的热变形温度高20 ℃，而在低载荷(0.45 MPa)下，平放和侧放的热变形温度一致，进一步说明了玻璃纤维相对滑石粉对于载荷的敏感性。改性PP材料在不同放置方法下的热变形温度的差异如表5所示。

表4 部分结晶材料在不同配方改性PP的热变形温度 ℃

表5 改性PP材料在不同放置方法下热变形温度的差异

使用相同的放置方法、统一标准挠度(0.33 mm)、不同载荷得到的热变形温度测试结果有以下规律：载荷越大，热变形温度测试结果越小。对于玻璃纤维和非玻璃纤维增强体系，改性PP材料在不同载荷下的热变形温度差异如表6所示。

表6 改性PP材料在不同载荷下的热变形温度差异

2.3 不同标准挠度(变形量)对热变形温度测试结果的影响

GB/T 1634.2—2019中标准挠度与试样厚度的关系如表7所示。

表7 GB/T 1634.2—2019中标准挠度与试样厚度的关系 mm

标准GB/T 1634.2—2019中首选载荷为1.80 MPa，放置方法为平放，相邻的3种试样厚度对应的标准挠度分别为0.33，0.34，0.35 mm时，利用4种改性材料(HF-606、HR-527A、GFAS-30、PP-36370)分别进行热变形温度测试，具体结果如表8所示。

表8 不同标准挠度对4种改性材料的热变形温度测试结果 ℃

从表8可知：放置方法(平放)相同、载荷相同、标准挠度不同时，同一材料的热变形温度基本一致。在测试过程中，不同人员测试的试样尺寸稍有差异，也不会对热变形温度的测试结果产生较大影响。

3 结论

(1) 对于非结晶材料ABS和HIPS，相同标准挠度、相同载荷下，侧放的测试结果与平放的测试结果基本一致，大部分材料的偏差均小于2 ℃，且大部分材料采用侧放放置方法得到的结果比平放得到的结果稍高；而使用相同放置方法，统一标准挠度(0.33 mm)，不同载荷测试时，方法B比方法A得到的结果高10 ℃左右，方法A比方法C得到的结果高10 ℃左右。

(2) 对于部分结晶材料PP来说，同样的测试方法下，添加了玻璃纤维PP材料的热变形温度测试结果有明显升高；在相同标准挠度、相同载荷条件下，侧放的热变形温度测试结果比平放高。具体的差异因填料的含量不同而各不相同；使用相同的放置方法、相同标准挠度，载荷越大，结果越低；方法A、方法B、方法C间的差异对于玻璃纤维填充体系更为敏感。

(3) 对相同的试样，使用平放的放置方法，弯曲应力为1.80 MPa时，在不同的标准挠度下，热变形温度测试结果一致性较好。