填充塑料的力学性能(弹性模量 拉伸强度 断裂伸长率)

填充塑料的力学性能

填料的加入对基体树脂原有的力学性能可能带来人们所希望的变化,也同时会出现不希望的影响。对填充塑料的力学性能主要考察弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度和弯曲强度等。

1.弹性模量

纯树脂制成的塑料制品其弹性模量都比较低,即使是聚酯、聚酰胺这些弹性模量较高的,也仅为金属弹性模量的2.5%~10%。
填料的加入总是使填充塑料的弹性模量增大,这首先要归结于填料的模量比聚合物的模量大很多倍。一般说来,窄分布的大颗粒填料,填充体系的弹性模量增大较少;填料颗粒的纵横尺寸比较大时,如片状和纤维状填料,填充体系的弹性模量显著增大。

2.拉伸强度

在填充塑料中填料为分散相,实际上是被分割在基体树脂构成的连续相中,如水中的岛屿。

假定填料的颗粒之间没有空洞或气泡而完全充满基体树脂,但在受力截面上基体树脂的面积必然小于纯树脂构成的材料。在外力作用下基体树脂从填料颗粒表面被拉开,因承受外力的总面积减小,所以填充塑料的拉伸强度较未填充体系有所下降。这种基体树脂从填料表面被拉开的现象可以通过应力发白现象得到证实。

在拉伸应力作用下基体树脂离开填料颗粒产生微细的空洞,因和周围材料的折光指数不同,就会发现比原来材料颜色发白的现象。填料粒径越大,颗粒随基体树脂变形的可能性越小,产生空洞的现象就越明显。

并非填充体系的拉伸强度永远低于基体树脂,如果通过表面处理,填料与基体树脂的界面黏合得好,在拉伸应力作用下填料颗粒有可能与基体树脂一起移动变形,承受外界负荷的有效截面增加,填充体系的拉伸强度是可能高于基体的拉伸强度的。此外,对于使用温度在基体玻璃化转变温度(T.)之上的,在拉伸作用时基体可随之形变而取向的非极性聚合物如聚乙烯、聚丙烯等,大多数填料都能显著提高它的拉伸屈服强度,此时虽然基体与填料之间黏合得较差,但基体被拉伸时可沿填料颗粒周围被拉伸取向从而有利于拉伸屈服强度提高。
高纵横比、高表面积的片状或纤维状填料都能促进这种效应。

对于增强型塑料,如纤维的取向和受力方向一致,且纤维表面与基体树脂又有很好的界面黏合,则会使填充体系的拉伸强度有显著提高。

填充塑料的力学性能(弹性模量 拉伸强度 断裂伸长率)

表3-10是不同几何形状的几种填料填充HDPE的拉伸强度情况。从中可知对于纵横比高达24:1的透闪石,随填充份数增加,填充HDPE的拉伸强度不仅没有降低,反而有所提高,直到填充份数达50份时仍和未填充HDPE的拉伸强度相似,以典型块状晶形著称的方解石研磨的重质碳酸钙填充的HDPE,随填充份数增加拉伸强度呈下降趋势,而以光滑表面球形为特征的粉煤灰填充的HDPE,其拉伸强度随填充份数增加迅速下降。
表3-11列出不同几何形状的填料填充PP的拉伸强度值以及表面处理与否对云母填充PP的拉伸强度的影响。从表中数据可知,片状和纤维状填料填充的PP的拉伸强度值比块状填料填充PP要好得多,而表面处理与否对填充体系的拉伸强度影响更为显著。

填充塑料的力学性能(弹性模量 拉伸强度 断裂伸长率)

表3-12列出填料粒径大小对填充HDPE薄膜拉伸强度和断裂伸长率的影响,从表中可知,同一种矿物填料,粒径越小,填充HDPE薄膜的拉伸强度越高,同时断裂伸长率也具有较高数值。该研究对象即填充HDPE薄膜中的重质碳酸钙质量分数为30%。

填充塑料的力学性能(弹性模量 拉伸强度 断裂伸长率)

3.断裂伸长率

填充体系因填料的存在在受到拉伸应力时其断裂伸长率均有所下降,其主要原因可归结为绝大多数填料特别是无机矿物填料本身是刚性的,没有在外力作用下变形的可能。但试验中发现在填料用量低于5%,且填料的粒径又很小时,填充塑料的断裂伸长率有时比基体树脂本身的断裂伸长率要高,这可能是由于在低浓度时填料的细小颗粒与基体一起移动的缘故。
从表3-12中看出,填料的粒径越小,对于同样填充量的填充体系来说,其断裂伸长率越有可能获得较好的数值。

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