Table 1. 試樣制備條件
| 采用標準 | 注塑前烘干溫度/℃ | 注塑前烘干時間/h | 熔體溫度/℃ | 模具溫度/℃ | 平均注射速率/（mm·s−1） | 注射壓力/MPa | 保壓時間/s |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| GB/T 1843—2008 | 70 | 24 | 225 | 60 | 50 | 7 | 10 |
| ASTM D256-24 | 75 | 12 | 230 | 60 | 50 | 7 | 10 |
分享：PETG懸臂梁沖擊強度測定的主要影響因素
第三單體（二元醇）改性PET共聚酯（PETG）是一種非結(jié)晶性共聚酯，是聚合時分子鏈中一定量的乙二醇被1，4-環(huán)己烷二甲醇（CHDM）、新戊二醇（NPG）等取代后的新型共聚酯產(chǎn)品。最常見的PETG主要就是聚對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯（CHDM-PETG）、聚對苯二甲酸乙二醇酯-新戊二醇酯（NPG-PETG）。PETG可預(yù)防結(jié)晶化，進而有利于加工制造和改善透明度，可采用傳統(tǒng)的擠出、注塑、吹塑及吸塑等加工成型方式，廣泛應(yīng)用在化妝品包裝、醫(yī)療器械和家用器皿等領(lǐng)域[1-5]。PETG在這些應(yīng)用場景下不可避免地存在磕碰、掉落等受力問題，而沖擊強度測試能夠有效評價塑料抵抗沖擊的能力，判斷塑料的脆性或韌性程度[6]，因此沖擊強度可以反映PETG材料抵抗高速沖擊而致其破壞的能力。常用的沖擊強度測試方法有懸臂梁沖擊和簡支梁沖擊，這些方法在試驗標準、沖擊強度范圍、試驗方法、試樣規(guī)格、沖擊錘頭/沖擊方法等方面均存在明顯差異，因而在沖擊結(jié)果方面就會存在一些差別。與簡支梁相比，懸臂梁因為只有一端支座而無法消散部分外部力，所以在相同的沖擊力作用下，懸臂梁的沖擊響應(yīng)會更強烈，更容易受到?jīng)_擊力的影響，也更加符合磕碰、掉落等受力的情況，更能表現(xiàn)特殊受力情況下的壽命問題，因此懸臂梁沖擊強度是PETG最為重要的評價指標之一。然而，也正因為懸臂梁的沖擊響應(yīng)更強烈，不可避免地存在穩(wěn)定性和重復(fù)性的問題，如實際試驗中就發(fā)現(xiàn)其測試數(shù)據(jù)無法和簡支梁沖擊強度相比，更無法和拉伸、彎曲等力學(xué)試驗結(jié)果相比，造成懸臂梁沖擊強度測試結(jié)果無法給研發(fā)人員提供有利的參考，因此急需對其進行深入考察，優(yōu)化并確定懸臂梁沖擊試驗方法[7-8]。
PETG的懸臂梁沖擊強度測試主要依據(jù)標準ASTM D256-24《測定塑料抗懸臂梁錘沖擊性的試驗方法》和GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》，這兩個標準在試樣尺寸、缺口、狀態(tài)調(diào)節(jié)、擺錘選擇等方面都存在一定的差異，因此可通過設(shè)計PETG的懸臂梁沖擊試驗來考察和驗證相關(guān)影響因素及其影響程度，從而得出影響PETG懸臂梁沖擊性能測試的關(guān)鍵因素及最佳測試條件，為進一步提高PETG性能評價的可靠性和一致性提供參考。
1. 試驗方案
1.1 試驗儀器與材料
試驗儀器為：擺錘沖擊試驗機；注塑機；缺口型制樣機；工業(yè)鼓風(fēng)干燥箱。試樣材料為PETG粒子。
1.2 試驗方法
制樣方法：試樣均采用精密注塑成型機制備，標準GB/T 1843—2008中規(guī)定試樣尺寸（長度×寬度×高度）為（80±2） mm×（10.0±0.2） mm×（4.0±0.2） mm；標準ASTM D256-24中規(guī)定試樣尺寸（長度×寬度×高度）為（63.5±2.0） mm×（12.70±0.20） mm×（3.2±0.2） mm，以模塑直接成型方式制作缺口或試樣機械加工缺口，缺口尖角為（45±1）°，缺口底部半徑為（0.25±0.05） mm，試樣制備條件如表1所示。
測試與表征：主要采用標準ASTM D256-24進行影響因素評價。將試樣缺口中心正對刀片刀口位置后，將試樣固定，將刀片放置于缺口前1 mm，且不固定，沖擊擺錘能量為2.75 J，測試5組試樣，取平均值，將相對標準偏差（RSD）控制在5%以內(nèi)。
2. 試驗結(jié)果與討論
2.1 試樣尺寸的影響
ASTM D256-24和國標GB/T 1843—2008懸臂梁沖擊強度的測試方法都明確注明了試樣尺寸的要求，因此實際測試過程中，試樣寬度、厚度是必須評估的影響因素之一[9]。兩個標準試樣經(jīng)過25次以上的截面積測試，平均值分別為42.2（相對標準偏差為0.33%），41.1 mm2（相對標準偏差為0.20%），懸臂梁沖擊強度的測試平均值分別為5.9 kJ/m2（相對標準偏差為3.65%）、61.1 J/m（相對標準偏差為4.84%），均滿足標準相對標準偏差小于5%的要求。由此可知，試樣截面積的微小變化對沖擊強度影響有限，試樣注塑精度完全滿足懸臂梁沖擊強度的測試需求。
2.2 試樣缺口成型工藝的影響
分別比較了注塑缺口工藝和機械加工缺口成型工藝對懸臂梁沖擊強度的影響。由圖1可知：機械加工試樣的沖擊強度測試平均值為34.2 J/m（相對標準偏差為6.93%）；而注塑缺口試樣的測試平均值為62.9 J/m（相對標準偏差為4.39%），兩個測試結(jié)果相差2倍左右。這主要是由于注塑缺口表面完整，且注塑時低聚物質(zhì)受熱游離至表面，形成保護層；而機械加工缺口容易使試樣缺口處產(chǎn)生應(yīng)力集中和微裂紋，從而影響應(yīng)力分布和材料的整體沖擊強度，造成缺口試樣的沖擊強度偏低[10-11]。因此缺口成型工藝是PETG產(chǎn)品在設(shè)計和制造過程中必須考慮的因素之一，若一定需要缺口設(shè)計，應(yīng)盡量采用注塑缺口工藝，以確保產(chǎn)品的沖擊強度符合性能要求。
圖 1 缺口成型工藝對沖擊強度的影響
2.3 試樣缺口尺寸的影響
注塑缺口尺寸和機械加工缺口尺寸與懸臂梁沖擊強度的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知：缺口尺寸為（2.54±0.05） mm時，沖擊強度穩(wěn)定波動（稍變大趨勢），然后會快速降低，尺寸增大約0.1 mm，沖擊強度降低16.4%，這主要是由于注塑過程中分子量較小的低聚物或鏈式結(jié)構(gòu)的物質(zhì)更加容易在注塑過程中受熱游離至表面，從而造成表面韌性更強，在注塑缺口較小時，表面韌性與缺口尺寸達到一定的平衡（甚至在缺口處堆積），一旦缺口尺寸大到足以打破這個平衡，便會使沖擊強度迅速降低；而機械加工缺口尺寸變大將會使沖擊強度一直呈拋物線下降的趨勢，這主要是因為缺口尺寸增大的同時大大增加了應(yīng)力集中和出現(xiàn)裂紋的可能性，因此應(yīng)盡量將缺口尺寸控制在標準要求的范圍，以保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性和減小測試誤差。
圖 2 注塑缺口尺寸、機械加工缺口尺寸與懸臂梁沖擊強度的關(guān)系
2.4 刀片夾持方式的影響
沖擊強度測試結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性均較差的主要原因之一可能是刀片固定方式，為了評估這個影響因素，對同一批試樣進行兩種形式的測試：① 將試樣缺口中心正對刀片刀口位置后將試樣固定，將刀片輕推至缺口處固定；② 將試樣缺口中心正對刀片刀口位置后將試樣固定，將刀片放置于缺口前1 mm且不固定。兩種刀片夾持方式測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，刀片固定時會引入一種固定力，該作用力存在大小差異，沖擊測試需要抵消這部分作用造成結(jié)果的波動性（刀片未固定時相對標準偏差為3.57%，刀片固定時相對標準偏差為15.9%）。因此，為消除刀片夾持的影響，統(tǒng)一將刀片放置于缺口前1 mm且不固定，以確保測試結(jié)果的準確性和可靠性。
Table 2. 不同刀片夾持方式下的沖擊強度測試結(jié)果
| 測試方式 | 沖擊強度 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值/（J·m−1） | 平均值 /（J·m−1） | 相對標準偏差/% | |||||
| 方式① | 55.85 | 77.62 | 57.77 | 61.17 | 53.00 | 61.1 | 15.90 |
| 方式② | 59.39 | 64.53 | 60.84 | 61.94 | 64.31 | 62.2 | 3.57 |
2.5 存儲環(huán)境的影響
環(huán)境會調(diào)整試樣狀態(tài)并改變試樣的性能，因此環(huán)境對沖擊強度也會產(chǎn)生一定的影響[12]。因此設(shè)計將試樣分別置于高溫高濕（溫度為85 ℃，濕度為85%RH）、恒溫恒濕（溫度為23 ℃；濕度為50%RH）、低溫（溫度為－30 ℃）下保存48 h，再恢復(fù)至恒溫恒濕2 h后測試，分析不同存儲環(huán)境對試樣沖擊強度的影響。不同刀片夾持方式下的沖擊強度測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：高溫高濕環(huán)境對試樣沖擊強度的影響是顯著的，沖擊強度的減小幅度比低溫/恒溫存儲條件下更顯著，這種變化可能是由多種因素綜合作用導(dǎo)致的，高溫高濕條件下材料存在一定的老化過程，進一步降低了材料的沖擊強度，低溫環(huán)境一定程度上增加了材料的脆性，2 h的平衡時間還不能使材料恢復(fù)到恒溫恒濕的狀態(tài)。因此，為獲得真實的懸臂梁沖擊強度測試結(jié)果，在測試前應(yīng)將測試試樣在合理條件下保存并充分平衡。
Table 3. 不同存儲環(huán)境下的沖擊強度測試結(jié)果
| 存儲環(huán)境 | 沖擊強度 | ||
|---|---|---|---|
| 實測值/（J·m−1） | 平均值/（J·m−1） | 相對標準偏差/% | |
| 低溫 | 59.33，53.68，53.57，51.41，56.73 | 54.9 | 5.64 |
| 高溫高濕 | 28.54，27.88，16.64，16.24，30.04 | 23.9 | 28.60 |
| 恒溫恒濕 | 61.03，62.85，59.45，64.90，66.23 | 62.9 | 4.39 |
2.6 標準方法的影響
ASTM D256-24和GB/T 1843—2008都用于評估懸臂梁的沖擊性能，但它們在試樣尺寸、計算方式、測試意義等方面可能存在一些差異，如ASTM D256-24試樣規(guī)格（長度×寬度×高度，下同）為63.5 mm×12.7 mm×3.2 mm，GB/T 1843—2008試樣規(guī)格為80 mm×10 mm×4 mm。在控制以上影響因素的情況下分別按照ASTM D256-24和GB/T 1843—2008中的方法測試懸臂梁沖擊強度，并根據(jù)試樣實際尺寸（及2 mm缺口）進行單位換算，結(jié)果如表4所示。由表4可知：將GB/T 1843—2008方法所得結(jié)果換算成ASTM D256-24方法的結(jié)果是ASTM D256-24實測結(jié)果的75.1%，將ASTM D256-24方法所得結(jié)果換算成GB/T 1843—2008方法的結(jié)果是GB/T 1843—2008實測結(jié)果的99.6%，前者未通過t檢驗要求，后者通過t檢驗要求，這主要是由于試樣尺寸及其計算方式存在差異。由于美標換算成國標的結(jié)果具有高度一致性，且兩個標準測試過程也具有高度的一致性，因此對ASTM D256-24的探討同樣適用于GB/T 1843—2008。
Table 4. 不同測試標準下的沖擊強度測試結(jié)果
| 項目 | 沖擊強度 | |||
|---|---|---|---|---|
| GB/T 1843—2008標準方法/（kJ·m−2） | ASTM D256-24標準方法/（J·m−1） | GB/T 1843—2008換算成ASTM D256-24結(jié)果/（J·m−1） | ASTM D256-24換算成GB/T 1843—2008結(jié)果/（kJ·m−2） | |
| 實測值 | 5.85，5.9，5.94，5.84，5.84 | 64.14，60.94，63.99，62.30，61.46 | 46.8，47.2，47.5，46.7，46.7 | 5.99，5.70，5.98，5.82，5.74 |
| 平均值 | 5.87 | 62.6 | 47.0 | 5.85 |
2.7 成分的影響
以CHDM型PETG為研究對象，為考察某個單體物質(zhì)含量的影響，試樣制備過程中嚴格控制其他各組分含量，改變某一單一組分含量，測試其懸臂梁的沖擊強度，通過控制最終試樣的特性黏度±0.015 dL/g來保證試樣的聚合度，然后測試其懸臂梁的沖擊強度（見表5）。由表5可知：適當(dāng)降低乙二醇（EG）、二乙二醇（DEG）含量或是增加CHDM的含量可以提高懸臂梁的沖擊強度，如當(dāng)EG的質(zhì)量分數(shù)從18.5%（試樣C）減小至17.5%（試樣A）、DEG的質(zhì)量分數(shù)從1.0%（試樣A）減小至0.6%（試樣D）或CHDM的質(zhì)量分數(shù)從17.4%（試樣A）增大至18.0%（試樣B）時，懸臂梁的沖擊強度分別從78 J/m升高至88 J/m（增強12.8%）、從88 J/m升高至100 J/m（增強13.6%）、從88 J/m升高至106 J/m（增強20.4%）。因此成分（如EG、DEG、CHDM）的種類和含量也是影響懸臂梁沖擊強度的主要因素之一。
Table 5. 不同成分試樣的沖擊強度測試結(jié)果
| 物質(zhì) | 質(zhì)量分數(shù)/% | 懸臂梁沖擊強度/（J·m−1） | ||
|---|---|---|---|---|
| EG | DEG | CHDM | ||
| 試樣A | 17.5 | 1.0 | 17.4 | 88 |
| 試樣B | 17.5 | 1.0 | 18.0 | 106 |
| 試樣C | 18.5 | 1.0 | 17.4 | 78 |
| 試樣D | 17.5 | 0.6 | 17.4 | 100 |
2.8 室內(nèi)和室間比對結(jié)果
為保證測試結(jié)果的準確性和一致性，開展室內(nèi)、室間比對和驗證，實驗室內(nèi)3人對同一批試樣進行測試，得到?jīng)_擊強度平均值分別為63.0（平均標準偏差為2.97%），60.4（平均標準偏差為4.63%），62.2 J/m（平均標準偏差為3.57%）；和第三方實驗室開展室間比對，在相同測試條件下對3種不同的試樣（試樣1，2，3）進行測試，結(jié)果如表6所示。對試樣1，2，3的測試結(jié)果比值均約為1.02，室內(nèi)和室間結(jié)果通過F檢驗和t檢驗，滿足室間比對結(jié)果的要求，同時實驗室還以滿意的結(jié)果通過了能力驗證項目：NIL PT-4559塑料懸臂梁沖擊強度的測定。這些充分證明實驗室具備開展對PETG懸臂梁沖擊性能測試的能力。
Table 6. 相同測試條件下3種不同試樣的沖擊強度室間比對結(jié)果
| 實驗室類型 | 試樣 | 沖擊強度 | ||
|---|---|---|---|---|
| 實測值/（J·m−1） | 平均值/（J·m−1） | 相對標準偏差/% | ||
| 內(nèi)部實驗室 | 試樣1 | 58.59，60.94，63.99，62.30，61.46 | 61.5 | 3.22 |
| 試樣2 | 56.29，58.07，53.00，58.43，57.32 | 56.6 | 3.86 | |
| 試樣3 | 61.46，57.12，59.34，61.50，64.24 | 60.7 | 4.39 | |
| 外部實驗室 | 試樣1 | 59.90，58.20，61.00，62.00，58.80 | 60.0 | 2.59 |
| 試樣2 | 56.10，57.60，52.60，57.40，55.20 | 55.8 | 3.64 | |
| 試樣3 | 59.40，59.60，58.80，59.70，58.10 | 59.1 | 1.13 | |
2.9 不同類型PETG試樣的測試結(jié)果
經(jīng)過方法優(yōu)化和確認，最終將懸臂梁沖擊強度應(yīng)用于10種不同類型（5種CHDM型、5種NPG型）PETG試樣中，測試結(jié)果如表7所示。由表7可知：NPG型試樣整體比CHDM型試樣的沖擊強度低50%左右，這主要是由于CHDM型是環(huán)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的剛性比NPG型大。CHDM型PETG試樣的沖擊強度為85~112 J/m，平均值為98.6 J/m；NPG型PETG試樣的沖擊強度為41~62 J/m，平均值為51.1 J/m，得到RSD整體均小于5.0%（n=5），因此懸臂梁的沖擊強度和其材料的成分直接相關(guān)，如果在進行試樣分析時，沖擊強度有明顯改善或變化，建議對材料的成分進行識別和定量。
Table 7. 不同類型PETG試樣的沖擊強度測試結(jié)果
| 試樣編號 | 沖擊強度 | ||
|---|---|---|---|
| 平均值/（J·m−1） | RSD/% | 備注 | |
| 1 | 88.0 | 2.05 | CHDM型 |
| 2 | 111.1 | 4.21 | CHDM型 |
| 3 | 104.6 | 2.66 | CHDM型 |
| 4 | 85.2 | 2.87 | CHDM型 |
| 5 | 103.9 | 4.01 | CHDM型 |
| 6 | 61.5 | 4.66 | NPG型 |
| 7 | 56.6 | 4.75 | NPG型 |
| 8 | 48.8 | 4.33 | NPG型 |
| 9 | 41.4 | 3.13 | NPG型 |
| 10 | 47.4 | 4.84 | NPG型 |
3. 結(jié)論
筆者考察了不同標準測試方法、試驗設(shè)備、試樣尺寸、缺口成型工藝及其尺寸、刀片夾持方式、人員、環(huán)境、成分種類和含量對懸臂梁沖擊強度測試的影響，得到采用標準、缺口成型工藝及其尺寸、刀片夾持方式、成分種類和含量是其主要影響因素。因此，選擇合適的試驗儀器和遵循正確的操作方法對于獲得準確的沖擊強度至關(guān)重要。同時，也需要注意試驗過程中的各種影響因素，并采取相應(yīng)的措施來減小誤差和提高測試精度。
通過對5種CHDM型PETG和5種NPG型PETG的測試，得到PETG懸臂梁沖擊強度和第三單體種類有直接相關(guān)的關(guān)系，因此如果懸臂梁沖擊強度有明顯改善或變化，建議對成分種類和含量進行篩查和定量，以為產(chǎn)品性能差異原因與相應(yīng)物質(zhì)含量關(guān)系等的深入研究奠定基礎(chǔ)。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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