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懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度是考察塑料耐候性的主要指標(biāo)之一，本文通過對3種塑料經(jīng)過氙燈暴露、熒光紫外燈暴露后的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度值的對比分析，清晰表明了在塑料缺口沖擊強(qiáng)度試樣的耐候性試驗(yàn)中，其暴露方向和安裝方式直接影響試驗(yàn)后的缺口沖擊強(qiáng)度值，因此，對于塑料光源暴露試驗(yàn)后的缺口沖擊強(qiáng)度，無論在設(shè)計(jì)光源暴露試驗(yàn)方案還是在應(yīng)用測試結(jié)果時，都宜指明試樣的暴露方向和安裝方式。

簡介：張志勇，高級工程師。主要從事工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性研究工作，有多年的汽車材料及零部件耐候性檢測經(jīng)驗(yàn)。

 

引言

塑料耐候性主要考察指標(biāo)包括塑料氣候老化試驗(yàn)前后的顏色、光澤、粉化、裂紋、變形等外觀變化，以及力學(xué)或其他性能的變化。測定方法可參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15596-2021《塑料在玻璃過濾后太陽輻射、自然氣候或?qū)嶒?yàn)室輻射源暴露后顏色和性能變化的測定》，大部分考查項(xiàng)目如顏色、光澤、粉化、裂紋等，氣候老化前后毋容置疑檢測的都是試驗(yàn)樣品的同一表面，也即試驗(yàn)樣品的暴露面（氣候老化試驗(yàn)中受光源照射的表面），但有些項(xiàng)目如該標(biāo)準(zhǔn)第5章末尾的注2中提到的塑料彎曲性能項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果依賴于試樣的暴露面，在彎曲試驗(yàn)中，受壓面是試樣的暴露面還是非暴露面會得到不同的結(jié)果，這是在彎曲試驗(yàn)過程中需要明確的問題。還有一個主要的力學(xué)性能項(xiàng)目——懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度，其耐候性結(jié)果也與暴露面（暴露方向）有關(guān)，但這一問題在GB/T 15596-2021中沒有提及，現(xiàn)行有效的塑料實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16422.1—2019、GB/T 16422.2—2022、GB/T 16422.3—2022等也未規(guī)定，在GB/T 16422.1—1996（等同采用ISO4892-1: 1994）6.1.3中曾明確規(guī)定：“……，尤其是缺口沖擊強(qiáng)度試樣，其缺口必須在曝露前切制，并且缺口面應(yīng)向光源曝露……”，但在該標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)版本中取消了這一要求，目前，僅在個別企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中還有這一要求。針對這個問題，本文通過組織3種塑料的缺口沖擊強(qiáng)度試樣，分別采用照射圖1中試樣的A面和B面的方式進(jìn)行氙燈暴露試驗(yàn)和熒光紫外燈暴露試驗(yàn)，并分析比較不同暴露方向及安裝方式下試驗(yàn)結(jié)果的差異，給從事有關(guān)耐候性試驗(yàn)工作的同行提供借鑒。

 

試驗(yàn)部分

 

01、試驗(yàn)樣品

3種塑料：PP（聚丙烯）、HIPS（耐沖擊性聚苯乙烯）、LLDPE（線性低密度聚乙烯），按GB/T 1843/A制樣，每種塑料樣條數(shù)量為84條，分為7組，每組12條，其中2條用于懸臂梁沖擊強(qiáng)度測試的試機(jī)或補(bǔ)測數(shù)據(jù)用。1個組用于初始測試，3個組用于氙燈暴露試驗(yàn)后的測試，3個組用于熒光紫外燈暴露試驗(yàn)后的測試，在進(jìn)行氙燈或熒光紫外燈暴露試驗(yàn)時，3個組分別采用3種不同的安裝方式：無間隔平放、無間隔立放、有間隔立放，見圖1。

圖1 試樣的暴露面、光照方向和安裝方式示意圖

 

02、試驗(yàn)設(shè)備

氙燈老化試驗(yàn)箱，Ci4000，美國Atlas公司；熒光紫外燈試驗(yàn)箱，UV2000， 美國Atlas公司；擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，HIT 5.5P ，德國Zwick公司。

 

03、氙燈暴露試驗(yàn)

按照GB/T 16422.2—2022，循環(huán)1的條件，主要參數(shù)：102min干燥/18min 噴淋，輻照度0.51W/(m2 ?nm)@340nm，黑標(biāo)溫度65℃（干燥段，噴淋段不控制），試驗(yàn)箱溫度38℃（干燥段，噴淋段不控制），相對濕度50%（干燥段，噴淋段不控制）。試驗(yàn)持續(xù)時間720h。

 

04、熒光紫外燈暴露試驗(yàn)

按照GB/T 16422.3—2022，循環(huán)1的條件， UVA-340（1A型），8h干燥/4h凝露，其中干燥段參數(shù)：輻照度0.76W/(m2 ?nm)@340nm，黑板溫度60℃；凝露段參數(shù)：關(guān)閉紫外燈，黑板溫度50℃。試驗(yàn)持續(xù)時間480h。

 

05、試驗(yàn)樣品

按照GB/T 1843—2008進(jìn)行試驗(yàn)。

 

結(jié)果與討論

 

01.結(jié)果分析的考量因素

1.1 試樣暴露方向和安裝方式對試驗(yàn)環(huán)境因素及老化效果的影響

1）對光照及光老化影響的定性分析

對應(yīng)圖1的不同的暴露方向和安裝方式，下面簡單分析試樣的光老化效果，試樣老化從暴露面逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，經(jīng)過一段試驗(yàn)時間后，形成具有一定厚度的老化層，試樣斷面老化區(qū)域示意見圖2陰影部分所示：

圖2 缺口處橫截面老化示意圖

a）對無間隔平放的方式，試樣正對光源的暴露面大，從試樣斷面分析，在一定時間內(nèi)，其老化面積占斷面的比例最大；

b）對無間隔立放的方式，試樣正對光源的暴露面小，其老化面積占斷面的比例最??；

c）對無間隔立放的方式，試樣正對光源的暴露面小，但兩垂直側(cè)面也會受到試驗(yàn)光源散射光或反射光的照射，只是輻射強(qiáng)度較弱，因此，其總的老化面積占斷面的比例居中。

 

2）對溫度及濕度影響的定性分析

對于三種安裝方式，可以認(rèn)為試樣在氙燈暴露試驗(yàn)或熒光紫外燈暴露試驗(yàn)的每一個試驗(yàn)段都會達(dá)到溫度穩(wěn)定，熱老化效果差異應(yīng)較小，只是無間隔立放試樣，由于試樣垂直的側(cè)面緊密相貼，周圍空氣流通不暢，達(dá)到溫度穩(wěn)定的時間會稍長；同樣的原因，無間隔立放試樣在氙燈暴露試驗(yàn)噴水試驗(yàn)段或熒光紫外燈凝露試驗(yàn)段，水分的滲透進(jìn)程會較慢，而在這些試驗(yàn)段結(jié)束后，水分的蒸發(fā)也會相應(yīng)變慢，所以總的說來，無間隔立放試樣的含濕量會相對較高。

1.2 塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度測試中擺錘的能量損失

塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度測試中，擺錘在塑料試樣破斷過程中損失的能量包括：

1）引起試樣初始開裂所需的能量；

2）將裂縫擴(kuò)展到試樣整個斷面所需的能量；

3）拋擲試樣斷開后自由端所需的能量（拋擲修正值）；

4）試樣彎曲所需的能量；

5）引起擺錘臂振動所需的能量；

6）引起沖擊儀器框架或基座振動或水平移動所需的能量；

7）克服擺錘軸承、示值機(jī)構(gòu)摩擦以及擺錘空氣阻力所需的能量；

8）試樣沖擊線處壓陷或塑性變形所需的能量；

9）克服擺錘沖擊頭在彎曲的試樣面上摩擦所需的能量。

設(shè)計(jì)良好的沖擊儀器，具有足夠的剛性和質(zhì)量，第6）、7）項(xiàng)能量損失應(yīng)該很小。對于相對脆性的材料，裂縫擴(kuò)展所需的能量小于引起初始開裂所需能量，儀器顯示的被吸收的沖擊能量實(shí)際上是第1）項(xiàng)和第3）項(xiàng)之和。當(dāng)測試密度大的脆性材料時，第3）項(xiàng)拋擲修正值可能占總吸收能量的很大比例。對于強(qiáng)韌、延展性好、纖維填充的或?qū)訅翰牧?，?）項(xiàng)裂縫擴(kuò)展所需的能量可能大于第1）項(xiàng)引起初始開裂所需能量，當(dāng)測試這些材料時，第2）、第5）第9）項(xiàng)會相當(dāng)大，即使試樣經(jīng)過很好的制作和安裝，機(jī)器處于良好的狀況并具有足夠的功能。當(dāng)測試軟質(zhì)材料時，彎曲（第4項(xiàng)）和壓陷（第8項(xiàng)）損失可能會是可觀的。

 

02.缺口沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及討論

3種材料PP、HIPS、LLDPE的試驗(yàn)結(jié)果分別見表1~表3，其中，光源暴露方式的代號說明如下：Xe-P表示氙燈暴露，樣品無間隔平放；Xe-LWJ表示氙燈暴露，樣品無間隔立放；Xe-LYJ表示氙燈暴露，樣品有間隔立放；UV-P表示熒光紫外燈暴露，樣品無間隔平放；UV-LWJ表示熒光紫外燈暴露，樣品無間隔立放；UV-LYJ表示熒光紫外燈暴露，樣品有間隔立放。

表1 PP的試驗(yàn)結(jié)果

表2 HIPS的試驗(yàn)結(jié)果

表3 LLDPE的試驗(yàn)結(jié)果

1）PP（聚丙烯），韌性好、耐候性差。從試驗(yàn)結(jié)果表1看，氙燈暴露試驗(yàn)后，沖擊強(qiáng)度下降了54.0%~59.5%，熒光紫外燈暴露試驗(yàn)后，沖擊強(qiáng)度下降了62.0%~67.5%，3種試樣安裝方式的結(jié)果有差異，但不顯著，其中以立放無間隔的方式暴露的結(jié)果下降幅度最大，由于立放無間隔的方式樣品受光照面積最小，另外，沖擊時裂縫擴(kuò)展所需的能量是損失能量的主要部分，從結(jié)果推測，在試驗(yàn)過程中，PP受光、熱綜合作用而老化，其中熱效應(yīng)對老化的影響很大，此外，立放無間隔安裝的試樣暴露時含濕量相對較大，也可能會導(dǎo)致其缺口沖擊強(qiáng)度相對較低。

 

2） HIPS（高抗沖聚苯乙烯），質(zhì)硬，耐候性較差，是通過在聚苯乙烯（PS）中添加聚丁基橡膠顆粒的方法生產(chǎn)的一種的聚苯乙烯產(chǎn)品，其抗沖擊性相對于聚苯乙烯有一定的提高。從試驗(yàn)結(jié)果表2看，氙燈暴露試驗(yàn)后，沖擊強(qiáng)度下降了48.8%~56.9%，熒光紫外燈暴露試驗(yàn)后，沖擊強(qiáng)度下降了28.0%~52.8%，3種試樣安裝方式的結(jié)果有較大差異，尤其是熒光紫外燈暴露試驗(yàn)的結(jié)果有顯著的差異，其中以立放無間隔的方式暴露的結(jié)果下降幅度最小，平放無間隔的方式次之，立放有間隔的方式最大，考慮2.1.1中1）三種安裝方式對光老化影響的分析，從結(jié)果推測，HIPS受光作用的老化效應(yīng)顯著，而且，沖擊時引起試樣初始開裂所需的能量和裂縫擴(kuò)展所需的能量在總的損失能量中都占有較大的比例。

 

3）LLDPE（線性低密度聚乙烯），強(qiáng)度高、韌性好、剛性強(qiáng)。從試驗(yàn)結(jié)果表3看，初始沖擊未破壞，這里也計(jì)算了沖擊強(qiáng)度，43.10 kJ/m2，供參考。其氙燈暴露試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的三種安裝方式導(dǎo)致的結(jié)果差異不明顯，最大差異僅為5.3%，但其熒光紫外燈暴露后的試驗(yàn)結(jié)果差異較大，平放無間隔方式和立放有間隔方式的沖擊強(qiáng)度下降顯著，而立放無間隔的方式的沖擊強(qiáng)度下降不明顯，與立放有間隔的方式的沖擊值，相差16.5%。從結(jié)果推測，LLDPE受短波紫外線照射的老化效應(yīng)顯著，沖擊時裂縫擴(kuò)展所需的能量占總的損失能量的主要部分。

 

結(jié)論

基于前面的分析，對于塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度試樣的光源暴露試驗(yàn)，必須詳細(xì)說明試驗(yàn)時試樣的暴露方向和安裝方式，暴露方向和安裝方式不同的試驗(yàn)結(jié)果必然存在差異。目前大部分相關(guān)技術(shù)文件如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)大綱都忽略了這一方面的規(guī)定，這是這些文件今后需要改進(jìn)和完善之處，也是設(shè)計(jì)有關(guān)光源暴露試驗(yàn)方案和應(yīng)用有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果必須考慮的因素。