银纹一剪切带理论(剪切带和银纹)

银纹一剪切带理论

银纹一剪切带理论认为,橡胶增韧塑料的韧性不但与橡胶相有关,而且与树脂连续相的特性有关。增韧的主要原因是银纹或剪切带的大量产生和银纹与剪切带的相互作用。屈服形变的根本原因在于银纹化和剪切带的形成。

橡胶颗粒的第一个重要作用就是充作应力集中中心,诱发大量银纹或剪切带。大量银纹或剪切带的产生和发展要消耗大量能量,因而显著提高材料的冲击强度。在橡胶颗粒的赤道面上会诱发大量银纹。橡胶颗粒的浓度较大时由于应力场的相互干扰和重叠,在非赤道面上也能诱发大量银纹。橡胶颗粒还能诱发剪切带,这是消耗能量的另一个因素。银纹和剪切带所占的比例与基体性质有关,基体的韧性越大,剪切带所占的比例越高。同时也与形变速率有关,形变速率增加时,银纹化所占的比例提高。

然而,并非仅橡胶颗粒才能诱发银纹,像气泡、玻璃球等也能诱发大量银纹。为何只有橡胶颗粒才能产生巨大的增韧效果呢?这是由于,橡胶颗粒还有第二个重要的作用:控制钱纹的发展并使银纹及时终止而不致发展成破坏性的裂纹。

在橡胶颗粒的影响下,当受到外力作用时,材料中就产生并发展大量的小银纹或剪切带,吸收大量能量:橡胶颗粒又能及时将其产生的银纹终止而不致发展成破坏性的裂纹,所以可大大提高材料的冲击强度。

剪切带是终止银纹的另一个重要因素,特别是基体韧性较大而有大量剪切带产生时。

除了终止银纹之外,橡胶颗粒和剪切带还能阻滞、转向并终止已经存在的小裂纹的发展。银纹一剪切带既考虑了橡胶颗粒的作用,也考虑了树脂连续相性能的影响。同时,不但考虑了橡胶颗粒引发银纹和剪切带的功用,而且还考虑到了它终止银纹发展的效能。

此外,这一理论还明确指出银纹的双重功能:银纹的产生和发展消耗大量能量,从而可提高材料的破裂能;另一方面,银纹又是产生裂纹并导致材料破坏的先导。

因此,在考虑增韧作用时,不但需要研究诱发银纹的因素,还需研究终止银纹的因素。再者,剪切带的形成是增韧的另一个重要因素。剪切带不仅是消耗能量的因素而且还是终止银纹的重要因素。

这一理论较为成功地解释了一系列实验事实,现举例如下。

(1)HIPS等增韧塑料,基体韧性较小,屈服形变基本上是银纹化的结果,所以有明显的应力发白现象。由于银纹化伴随体积的增加,而横向尺寸基本不变,所以拉伸时无细颈出现。基体韧性很大的增韧塑料,如增切PVC,屈服形变主要是剪切带造成的,所以在屈服形变过程中有细颈而无明显的应力发白现象。对于中间情况,例如HIPS/PPO共混物,银纹和剪切带都占相当的比例,所以细颈及应力发白现象同时产生。

(2)橡胶颗粒大小有一最适宜的尺寸。这是由于橡胶颗粒太小时起不到终止银纹的作用,使冲击强度下降。橡胶颗粒太大时,虽终止银纹的效果较好,但这时橡胶相与连续相的接触面积下降过多,诱导银纹的数目减少,结果也使冲击强度减小。所以存在粒径的最佳值。这个最佳值与银纹的尺寸有关。如果颗粒太小,被发展中的银纹所“吞没”,就起不到终止银纹的作用。根据Kambour的测定,在聚苯乙烯中银纹的厚度为0.9~2.8Lm。实验表明,HIPS中橡胶颗粒的最佳尺寸为1-10um,这和理论的预期值基本吻合。这里须着重指出,基体不同时银纹的尺寸亦不同,因而橡胶颗粒的最佳尺寸就不一样,这是基体性质的又一个重要影响。

橡胶颗粒也能终止剪切带的发展。剪切带的尺寸常比银纹大,一般厚度为1um以上,宽度为5 ~Soum。所以终止剪切带比终止银纹需更大的橡胶颗粒。由此推论,随着橡胶颗粒的减小剪切带在形变中的比例应随之增加。事实确实如此。

HIPS无剪切带产生,银纹的终止只能靠橡胶颗粒。而HIPSPPO以及其他基体韧性较大的共混物,由于剪切带构成了终止银纹的另一个重要因素,橡胶颗粒终止银纹作用的重要性相对下降,所以其最佳粒径值比HIPS要小得多

综合弹性体的增韧机理可以发现,弹性体增韧塑料的机理不在于弹性体本身吸收能量,而主要是弹性体微粒在塑料基体中作为应力集中剂而引发基体的剪切屈服和银纹化,使塑料基体本身吸收更多的塑性变形能从而使材料的韧性得到提高。

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