ABS树脂冲击强度测试的影响因素

2021-03-29宋振彪许忠林胡慧林陆书来

弹性体 2021年1期

宋振彪，王毅，许忠林，胡慧林，陆书来，2

(1.中国石油吉林石化公司合成树脂厂，吉林吉林 132021；2.中国石油ABS技术中心，吉林吉林 132021；3.中国石油吉林石化公司炼油厂，吉林吉林 132021)

悬臂梁冲击强度是判断ABS树脂性能优劣的一项重要指标，也是生产厂家关注的重点，ABS树脂行业采用的塑料悬臂梁冲击性能检测的标准试验方法——ASTM D256，虽然规定了测试时所用的标准样件的尺寸、缺口加工的方法等，但由于冲击测试样件的制备工艺不同、测试仪器不同、测试操作不同等因素造成不同实验室测试数据的差异[5-8]。

注塑成型是快速获得冲击测试样件最普遍的方法，但注塑工艺、注塑模具及注塑设备对注塑后制件的内应力影响很大，造成注塑制件品质的差异，不能真实反映材料的冲击韧性[9-10]。本文通过调整不同的注塑参数，来说明注塑工艺对ABS树脂悬臂梁冲击强度测试结果的影响。

1 实验部分

1.1 原料

ABS树脂：0215H，中国石油吉林石化公司合成树脂厂；PA-709及PA-757K，镇江奇美化工有限公司；HI-121H，宁波LG甬兴化工有限公司。

1.2 仪器及设备

注塑机：SE130EV-C450，日本住友重机械株式会社；注塑机：MA600Ⅱ/130，海天塑机集团有限公司；热空气干燥烘箱：FED 720，德国BINDE公司；摆锤冲击强度测试仪：CEAST 9050，美国INSTRON公司；铣口机：BH023.ZNO.003，德国Zwick/Roell公司。

1.3 样件制备

ABS树脂在80 ℃条件下干燥2 h，在住友注塑机上加工厚度为6.35 mm的ASTM冲击样件，在海天注塑机上加工厚度为4 mm的国标冲击样件。采用注塑速度为5 mm/s和50 mm/s两个条件制备样件，将标准样件在铣口机上加工出A型缺口。

1.4 性能测试

按照ASTM D256—2010和GB/T 1843.1—2008测试ABS树脂的有缺口悬臂梁冲击强度。

埋地管道是输送原油、成品油和天然气等石油资源的重要载体,是连接上游资源和下游用户的纽带.目前，我国长输管道逐渐向大口径、高压力、高强度、长距离等方向发展.由于输送距离较长,埋地管道受途经地形地貌特征影响较大.长期埋于地下,经常由于出现地质滑坡、坍塌、水毁、湿陷性黄土等自然灾害而造成管道局部悬跨,给管道输送带来严重的安全隐患.为保障管道输送的安全运行,有必要对局部悬空管道进行安全性研究.

2 结果与讨论

2.1 不同条件下冲击强度测试结果

将各牌号ABS树脂的冲击样件按照ASTM D256和GB/T 1843.1标准要求加工好缺口，放置24 h后测试冲击强度，结果如表1所示。

表1 不同标准及注塑速度条件下的冲击强度

分析表2中的数据，对比不同测试标准下各牌号测试结果的差异，发现0215H、HI-121H美标测试结果略大于国标测试结果，而奇美公司两个牌号美标测试结果小于国标测试结果，且不同标准下PA-709冲击强度测试结果变化较大，是其他牌号的5倍左右。这充分说明冲击强度测试是一个复杂过程，现有测试标准具有一定局限性，测试结果未必能够真实反映材料性能。测试结果与测试标准、样件成型条件关系密切，为此笔者分析了样条形状、注塑速度以及橡胶含量等因素对冲击强度测试结果的影响。

表2 冲击强度测试数据处理

2.2 样条形状对冲击强度测试结果的影响

材料受到冲击摆锤施加的应力会在材料内部传递，在缺口平面上形成平面应力和平面应变。根据平面应变规律[11]，样件表面位置平面形变最大，出现表面凹陷的趋势，增加材料吸收能量的能力。由于发生凹陷部分占整个横截面比例不同(见图1)，其对冲击强度影响也不同，即横截面上宽度与厚度的比值不同，样件平面应变作用的比例不同，一定范围内样件宽度与厚度比值越大冲击强度越大。该规律与测试样条的形状有关，与测试样条的材质无关。

(a)厚样条比例小

美标冲击测试样件与国标的关键差异是横截面尺寸不同，美标样件厚度×铣缺口后宽度为6.35 mm×10.16 mm，而国标样件为4.00 mm×8.00 mm。美标样件宽度与厚度比值为1.6，而国标为2.0，因此相同牌号ABS美标冲击强度小于国标。

从表2可以看出，0215H、121H美标冲击强度高于国标，而奇美产品有美标冲击强度高于国标的，也有偏低的。这是由于ABS树脂的增韧机理是橡胶引发银纹和多重银纹，材料的冲击强度还与橡胶的含量、形状、尺寸、分散程度以及界面结合力等参数有关。从样件形状角度分析，存在美标样条冲击测试结果偏低的规律，但ABS内应力、橡胶增韧效果等因素导致样件实际的应力传递过程发生变化，样件应变区域及应变过程相应变化，导致测试结果变化，因此冲击强度测试的影响因素比较复杂。

2.3 ABS树脂产品组成对冲击强度测试的影响

利用丙酮溶解分离的方法将各牌号橡胶相与SAN树脂相分离，测试橡胶接枝物的比例。取1 g左右ABS树脂样品，放入50 mL离心瓶中，加入40 mL丙酮，震荡溶解2 h后在18 000 r/min条件下离心分离30 min，分离后将离心瓶上层溶液倒出，再次加入约40 mL丙酮，震荡10 min后在相同条件下离心分离，倒出上层溶液，将离心管彻底干燥，计算不溶物含量，结果如表3所示。

ABS树脂由橡胶相和SAN树脂相组成，其中SAN树脂相为连续相，是ABS树脂的主要成分。橡胶相以球形状态分散在SAN树脂相中，起到增韧的作用。丙酮可以溶解SAN树脂，但不能溶解橡胶相，因此可以将二者分离。

表3 各牌号橡胶相组成比例

奇美公司PA-709橡胶相含量明显高于其他牌号，其他三个牌号橡胶相含量比较接近，其中0215H偏高，PA-757K最低。PA-709橡胶相质量分数为38.8%，其美标和国标冲击强度有差异，但注塑速度变化对冲击测试基本没有影响，说明高橡胶含量对样件厚度比较敏感。橡胶相能够增加平面应变的作用效果，将表面应力传递到非平面材料上，通过橡胶粒子传递银纹，引发更多的材料参与抵御冲击的过程，因此提高冲击强度。

PA-757K与0215H、HI-121H橡胶相含量接近，样件厚度对冲击强度的影响规律不同，但样件成型速度对冲击强度的影响规律相同，只是PA-757K的影响程度是0215H、HI-121H的50%以内。这说明冲击强度不仅与橡胶含量有关，还与橡胶形态或SAN树脂相结构等因素有关。

2.4 注塑速度对测试结果的影响

相同标准条件下，注塑速度为5 mm/s制备的样件冲击测试结果较大，但注塑速度变化对奇美公司PA-709的冲击强度的测试结果影响较小。

从表2可以看出，国标数据比美标数据对样件的注塑速度更敏感，5 mm/s和50 mm/s两个条件下美标数据平均偏差1.99个值，而国标数据平均偏差3.38个值，说明冲击样件成型条件对测试结果影响很大，原因是美标样件厚度大于国标，有利于注塑过程的填充。

低速注塑条件下制件表面剪切应力小，有利于降低表面残余应力，进而提高冲击强度测试结果。

2.5 注塑成型冲击样件质量分析

2.5.1 注塑成型过程模拟

为研究注塑速度对冲击强度测试结果的影响，利用moldflow软件模拟不同注塑速度下各牌号样件成型过程和制件内部应力等参数。模拟的工艺条件与实际加工条件基本一致，如表4所示。

表4 模拟成型工艺对比

利用UG软件根据美标和国标冲击强度样件的形状尺寸制作模型，为简化分析过程，只做一个样件的模型，实际模具包含两个形状相同的冲击样件。

Moldflow模拟采用双层面网格模型，美标样件划分为5 262个单元，国标样件划分为5 122个单元。

2.5.2 注塑成型模拟数据分析

按2.5.1中条件设置好工艺条件，进行moldflow填充模块分析。在样件冲击缺口平面外表面选取一点。由于PA-709的橡胶含量与其他牌号相差太多，橡胶相对冲击强度的影响程度远大于其他牌号，且其变化规律与其他三个牌号不同，因此只对比分析其余三个牌号的注塑成型过程。

如图2所示，选择样条缺口横截面与宽度方向平面交线的中点作为主要分析对象，对应ASTM标准样件该点为T5829，国标样件该点为T4926。

时间/s(a) T5829平面位置时间/s(b) T5829立面位置

对比表5和表6数据，充填时间与注塑速度关系密切，同时与制件尺寸有关，美标样件体积更大，所以填充时间比国标样件长。

表5 ASTM样件成型模拟结果

表6 国标样件成型模拟结果

注塑速度由5 mm/s增加到50 mm/s后，样件中点位置的填充速度增加，导致剪切速率增加，进而摩擦生热导致温度升高，最终该位置的剪切应力增加。美标样件和国标样件的注塑过程都呈现出这一规律。

对比相同牌号ABS树脂在相同测试标准条件下，样件注塑速度差异引起表面剪切应力变化规律，与表1中冲击强度测试结果对应，注塑速度增加后各牌号中的位置的剪切应力变大，而冲击强度测试结果下降。表面剪切应力改变冲击破坏时应力-应变传递方式，表面剪切应力增加，平面应变效应减弱，参与抵御冲击应力的材料组分减少，导致冲击强度测试结果变小。

相同牌号ABS树脂不同测试标准的数据变化规律不一致，说明冲击强度不仅与表面剪切应力有关，还与样件尺寸有关。不同牌号ABS树脂相同测试标准的数据变化规律也不一致，说明ABS树脂结构等对材料冲击强度也有影响。