聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定:实验原理

拉伸实验是在规定的实验温度、实验速度和湿度条件下,对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸载荷,直到试样被拉断为止,可以获得聚合物的拉伸强度和断裂伸长率。典型的玻璃态聚合物拉伸应力-应变曲线如图35-1所示,随着应力的增加,曲线的起始阶段是一段直线,应力与应变成正比,试样表现出胡克弹性体的行为。在这段范围内停止拉伸,移除外力,产生的形变将立刻完全回复,从这段直线的斜率可以计算出试样的杨氏模量(式35-1)。

这段线性区对应的应变一般不超过百分之十,这种高模量、小形变的弹性行为是由高分子的键长、键角变化引起的。随着拉伸的进行,在应力-应变曲线上出现一个转折点 ,称为屈服点,应力在 点达到一个极大值,称为屈服应力 σ 。过了 点,应力降低且试样应变增大,之后试样在不增加外力或外力增加不大的情况下发生很大的应变,此时除去外力,试样的大形变无法回复。若将试样温度升高至玻璃化转变温度附近,该形变能够回复。显然,这种在强外力作用下产生的大形变是链段运动造成的,被称为强迫高弹形变。在后一阶段,曲线又出现明显的上升,称之为应变硬化,这是由于分子链在外力作用下取向排列,使材料强度进一步提高。拉伸至最后发生断裂,断裂点 的应力称为断裂应力 σ ,对应的应变称为断裂伸长率 ε 

图35-1 典型的玻璃态聚合物拉伸应力-应变曲线

式中: ε 为伸长率即应变; σ 为应力(Pa); 为样品某时刻的伸长(m); 为试样的初始长度(m); 为试样的初始横截面积(m ); 为拉伸力(牛顿); 为拉伸模量(Pa)。

有合适的样品架或可设法固定住的聚合物都可进行本实验。将已知长度和横截面积的样品,夹在两个夹具之间,以恒速拉伸样品至断裂,测定应力随伸长的变化。分析在不同应变速度时测定的数据,可以了解材料的强度、韧性及其极限性能。万能电子拉力试验机主体结构如图35-2所示。

图35-2 万能电子拉力试验机主体结构示意图

1—传感器;2—主架;3—横梁控制器;4—夹具;5—横梁;6—电脑主机;7—显示屏;8—打印机

塑料属于黏弹材料,其应力松弛过程与变形速率密切相关,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,呈现韧性行为,表现为拉伸强度减少,而断裂伸长率增大。当高速拉伸时,高分子链段的运动跟不上外力作用速度,呈现脆性行为,表现为拉伸强度增加,断裂伸长率减少。由于塑料品种繁多,不同品种的塑料对拉伸速度的敏感程度不同。硬而脆的塑料对拉伸比较敏感,一般采用较低的拉伸速度。韧性塑料对拉伸速度的敏感性较小,一般采用较高的拉伸速度。

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