无规共聚聚丙烯悬臂梁冲击强度测试的影响因素研究

Study on Influencing Factors of Izod Impact Strength Test of Random Copolymer Polypropylene

摘要

冲击强度是聚丙烯树脂一项重要的性能指标，采用悬臂梁形式测定聚丙烯树脂冲击强度前，测试样条需经注塑成型并制V形切口。实验采用两种不同熔体流动速率的无规共聚聚丙烯树脂，通过调整注射机的注塑条件及切口机对样条开口的切口强度，探究注塑条件及开口深度、切口弧度及切口根部曲率半径对两种无规共聚聚丙烯悬臂梁冲击强度的影响，以期为正确评定塑料材质的冲击强度提供依据。结果表明：降低聚丙烯的熔融温度、降低注射速度及注射压力、减少保压时间可提升无规共聚聚丙烯的悬臂梁冲击强度。采用不同的开口机对注塑后的样条进行开口，对样条冲击强度大小影响很大，且两种聚丙烯树脂的冲击强度变化趋势相同。切口深度较浅、根部曲率半径越大、切口角度越大，切口处应力和应变越集中，无规共聚聚丙烯的悬臂梁冲击强度越大。

关键词

无规共聚聚丙烯树脂 / 熔体流动速率 / 注塑工艺 / 切口强度 / 悬臂梁冲击强度

Key words

Random copolymer polypropylene resin / Melt flow rate / Injection Molding Process / Notch strength / Izod impact strength

聚丙烯是由丙烯单体经过聚合反应而成的一种热塑性树脂，因具有原料来源广、易加工、无毒无害、加热可塑化，能循环利用等优点，近年来市场需求逐渐增加，潜力巨大^[1-3]。无规共聚聚丙烯是在一定温度和压力的条件下，经催化剂作用，由丙烯单体和质量分数为1%~6%的共聚单体通过无规共聚得到的聚丙烯^[4]。对于聚丙烯树脂而言，冲击强度是一项关键的性能指标，表示高分子材料断裂时所吸收的能量，能够反映材料对高速冲击破坏的抵抗能力^[5-7]。因此，研究聚丙烯树脂的冲击性能对其应用、开发和配方设计等具有十分重要的意义。对于无规共聚聚丙烯，通常采用悬臂梁形式测定其冲击强度，测试样条需要经注塑成型并制V形切口^[8-9]。注塑成型是一种重要的加工方法，通过优化注塑工艺条件，有效调控材料的形态和结构，能够在可调节范围内改善材料的最终使用性能^[10-12]。在进行冲击强度测试前，通常需要对样条进行尖V形切口，以此代替预制裂纹^[13]。V形切口尖端存在应力奇异或应力集中现象，导致切口尖端成为受力构件的薄弱点，对样条的冲击性能有直接影响^[14]。因此，切口强度对于样条的冲击强度测试结果有直接影响。本实验通过控制变量，探究冲击样条注塑工艺、样条切口强度和冲击试验机对冲击强度大小的影响，细化了切口深度、缺口根部曲率半径和缺口角度对冲击强度大小的影响，以期为正确评定塑料材质的冲击强度提供依据。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯树脂(PP-01)，RP344G-K，熔体流动速率(MFR)为1.8 g/10 min，北方华锦工业股份有限公司；聚丙烯树脂(PP-02)，HJ9160B，MFR为65 g/10 min，北方华锦工业股份有限公司。

1.2 仪器与设备

注射机，KM80/30，克劳斯玛菲股份有限公司；悬臂梁冲击试验机2，GT-7045-NDLP、切口机1，GT-7016-A3，高铁(台湾)实验设备有限公司；切口机2，NOTCHING TOOL，北京瑞特恩科技有限公司；恒温恒湿箱，SS-7123，松恕仪器有限公司；曲率半径测试仪，GS-QLB02，东莞市高升电子精密科技有限公司。

1.3 样品制备

将PP-01、PP-02分别加入注射机中，通过调整熔融温度、注射速度、注射压力、保压时间分别注塑成符合GB/T 1843—2008的无缺口悬臂梁冲击样条。将样条经不同切口机完成切口，完成切口后的样条放置在温度23 ℃，相对湿度50%的恒温恒湿箱中48 h。

1.4 性能测试与表征

悬臂梁缺口冲击强度：按GB/T 1843—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 注塑工艺对悬臂梁冲击强度的影响

表1为PP-01和PP-02的悬臂梁冲击强度数据。

从表1可以看出，熔融温度、注射速度、注射压力及保压时间对两种不同MFR的聚丙烯产品的悬臂梁冲击强度具有明显的影响，且趋势相同。

2.1.1 熔融温度对悬臂梁冲击强度的影响

图1为两种聚丙烯的熔融温度与悬臂梁冲击强度的关系。从图1可以看出，随着聚丙烯熔融温度的不断增加，产品的悬臂梁冲击强度整体上均呈现下降的趋势。VIANA等^[15]研究了不同工艺条件对聚丙烯注塑件性能的影响，结果得出：升高熔融温度，熔体所受到的剪切应力降低。这是因为熔融温度的升高，延长了冷却结晶时间，随着冷却速度的减缓，取向分子链更容易发生解离，从而导致取向程度下降，提高结晶度。由于结晶度的增加会使球晶尺寸更大、结构更完整，分子链排列更加紧密，缺乏足够的空间用以吸收冲击能量，因此材料的冲击强度会降低^[16-18]。

2.1.2 注射速度与注射压力对悬臂梁冲击强度的影响

图2和图3分别为两种聚丙烯的注射速度和注射压力与悬臂梁冲击强度的关系。从图2和图3可以看出，随着注射速度和注射压力的逐渐增加，产品的悬臂梁冲击强度整体上均呈下降的趋势。当注射压力过小时，注塑出的样条出现了注不满的现象。注射速度和注射压力决定了熔体在充模过程中的剪切力大小，随着注射速度和注射压力的增加，熔体充模速率提高，受到了更大的剪切力。在熔融状态下，聚合物分子链在剪切应力的作用下取向排列，形成微纤核，围绕这些微纤核会形成多个晶胚，从而增加晶核数量，促进成核速率，加快结晶速度，提高结晶度^[19-20]，故产品的悬臂梁冲击强度降低。

2.1.3 保压时间对悬臂梁冲击强度的影响

图4为两种聚丙烯的保压时间与悬臂梁冲击强度的关系。从图4可以看出，随着保压时间的增加，PP-01聚丙烯产品的悬臂梁冲击强度呈逐渐下降的趋势，PP-02聚丙烯产品的悬臂梁冲击强度先增加后降低。在充模阶段，分子链由于受到沿熔体流动方向的剪切力，沿该方向有序排列并形成微纤核^[21]，延长保压时间使片层晶体在保压阶段可垂直于微纤充分增长，促进纤维晶结构的增多和增大，从而提高了材料的取向表层厚度^[22]。因此，垂直于取向方向的冲击强度有所下降。

2.2 切口强度对悬臂梁冲击强度的影响

2.2.1 切口深度对冲击强度的影响

为探究切口深度对冲击强度大小的影响，通过对比切口深度满足(8.00±0.20) mm要求，对切口角度和切口根部曲率半径一致的样条进行悬臂梁冲击实验测试，图5为样条切口处深度对冲击强度的影响。

从图5可以看出，不同切口深度对应的悬臂梁冲击强度大小具有差异。随着切口深度增加，材料剩余的截面积增加，冲击吸收功呈增加趋势，冲击强度也随之增大^[23-25]。但切口的深度过大，还需要承担切口部分以外的力传递给切口前方的材料，因此吸收的功减小，冲击强度下降。

2.2.2 缺口根部曲率半径对冲击强度的影响

图6为曲率半径对冲击强度的影响。从图6可以看出，切口深度和切口角度一致的条件下，随着切口曲率半径的增加，冲击强度呈上升的趋势。切口会造成应力集中，局部应力高于材料的屈服强度时，切口根部会产生塑性应变^[26]。随着曲率半径的减大，在冲击载荷作用下，切口根部单位体积吸收能量减少，使局部应力和应变更分散，切口附近的应变速率降低，材料吸收的塑性变形功和断裂功越大，因此悬臂梁冲击强度越大^[27-28]。

2.2.3 切口角度对冲击强度的影响

图7为切口角度对冲击强度的影响。

从图7可以看出，切口深度和切口根部曲率半径相接近的条件下，切口角度越大，悬臂梁冲击强度越大。切口的关键作用是在切口根部形成三向应力，从而对材料的屈服和塑性变形施加约束，对于聚烯烃进行切口试样拉伸时，很难通过切口根部极为有限的塑性变形使应力重新分布，切口根部之外的部分往往直接由弹性形变过渡到断裂^[26]。切口角度越小，意味着切口尖端的应力集中系数会更大，更有利于裂纹的形成与延伸，在断裂过程中吸收的能量也会更少^[29-31]。

3 结论

通过优化注塑工艺条件，降低聚丙烯的熔融温度、降低注射速度及注射压力、减少保压时间，可以在一定范围内提升不同MFR的无规共聚聚丙烯的悬臂梁冲击强度，有利于提高材料的最终使用性能。

以聚丙烯树脂PP-01、PP-02为原料，采用不同的开口机对注塑后的样条进行开口，对样条冲击强度大小影响很大，且两种聚丙烯树脂的冲击强度变化趋势相同。

切口会造成应力集中，切口强度包括切口深度、切口根部曲率半径和切口角度，都会对冲击强度产生影响。切口深度较浅、根部曲率半径越大、切口角度越大，切口处应力和应变越集中，冲击强度越大。

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