分享：PETG懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)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(shí)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯（CHDM-PETG）、聚對(duì)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(jìn)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(chǎng)景下不可避免地存在磕碰、掉落等受力問題，而沖擊強(qiáng)度測(cè)試能夠有效評(píng)價(jià)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(qiáng)度可以反映PETG材料抵抗高速?zèng)_擊而致其破壞的能力。常用的沖擊強(qiáng)度測(cè)試方法有懸臂梁沖擊和簡(jiǎn)支梁沖擊，這些方法在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、沖擊強(qiáng)度范圍、試驗(yàn)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(huì)存在一些差別。與簡(jiǎn)支梁相比，懸臂梁因?yàn)橹挥幸欢酥ё鵁o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(huì)更強(qiáng)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(qiáng)度是PETG最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。然而，也正因?yàn)閼冶哿旱臎_擊響應(yīng)更強(qiáng)烈，不可避免地存在穩(wěn)定性和重復(fù)性的問題，如實(shí)際試驗(yàn)中就發(fā)現(xiàn)其測(cè)試數(shù)據(jù)無法和簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度相比，更無法和拉伸、彎曲等力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果相比，造成懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果無法給研發(fā)人員提供有利的參考，因此急需對(duì)其進(jìn)行深入考察，優(yōu)化并確定懸臂梁沖擊試驗(yàn)方法[7-8]。 

PETG的懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D256-24《測(cè)定塑料抗懸臂梁錘沖擊性的試驗(yàn)方法》和GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)PETG的懸臂梁沖擊試驗(yàn)來考察和驗(yàn)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(cè)試的關(guān)鍵因素及最佳測(cè)試條件，為進(jìn)一步提高PETG性能評(píng)價(jià)的可靠性和一致性提供參考。 

1.   試驗(yàn)方案

1.1   試驗(yàn)儀器與材料

試驗(yàn)儀器為：擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)；注塑機(jī)；缺口型制樣機(jī)；工業(yè)鼓風(fēng)干燥箱。試樣材料為PETG粒子。 

1.2   試驗(yàn)方法

制樣方法：試樣均采用精密注塑成型機(jī)制備，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1843—2008中規(guī)定試樣尺寸（長(zhǎng)度×寬度×高度）為（80±2） mm×（10.0±0.2） mm×（4.0±0.2） mm；標(biāo)準(zhǔn)ASTM D256-24中規(guī)定試樣尺寸（長(zhǎng)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(jī)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(cè)試與表征：主要采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM D256-24進(jìn)行影響因素評(píng)價(jià)。將試樣缺口中心正對(duì)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(cè)試5組試樣，取平均值，將相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）控制在5%以內(nèi)。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   試樣尺寸的影響

ASTM D256-24和國標(biāo)GB/T 1843—2008懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)試方法都明確注明了試樣尺寸的要求，因此實(shí)際測(cè)試過程中，試樣寬度、厚度是必須評(píng)估的影響因素之一[9]。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)過25次以上的截面積測(cè)試，平均值分別為42.2（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.33%），41.1 mm2（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.20%），懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)試平均值分別為5.9 kJ/m2（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.65%）、61.1 J/m（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.84%），均滿足標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%的要求。由此可知，試樣截面積的微小變化對(duì)沖擊強(qiáng)度影響有限，試樣注塑精度完全滿足懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)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(jī)械加工缺口成型工藝對(duì)懸臂梁沖擊強(qiáng)度的影響。由圖1可知：機(jī)械加工試樣的沖擊強(qiáng)度測(cè)試平均值為34.2 J/m（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.93%）；而注塑缺口試樣的測(cè)試平均值為62.9 J/m（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.39%），兩個(gè)測(cè)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(shí)低聚物質(zhì)受熱游離至表面，形成保護(hù)層；而機(jī)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(qiáng)度，造成缺口試樣的沖擊強(qiáng)度偏低[10-11]。因此缺口成型工藝是PETG產(chǎn)品在設(shè)計(jì)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(jì)，應(yīng)盡量采用注塑缺口工藝，以確保產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度符合性能要求。 

圖  1  缺口成型工藝對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響

2.3   試樣缺口尺寸的影響

注塑缺口尺寸和機(jī)械加工缺口尺寸與懸臂梁沖擊強(qiáng)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(shí)，沖擊強(qiáng)度穩(wěn)定波動(dòng)（稍變大趨勢(shì)），然后會(huì)快速降低，尺寸增大約0.1 mm，沖擊強(qiáng)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?zhǔn)浇Y(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(qiáng)，在注塑缺口較小時(shí)，表面韌性與缺口尺寸達(dá)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(gè)平衡，便會(huì)使沖擊強(qiáng)度迅速降低；而機(jī)械加工缺口尺寸變大將會(huì)使沖擊強(qiáng)度一直呈拋物線下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槿笨诔叽缭龃蟮耐瑫r(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求的范圍，以保證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和減小測(cè)試誤差。 

圖  2  注塑缺口尺寸、機(jī)械加工缺口尺寸與懸臂梁沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

2.4   刀片夾持方式的影響

沖擊強(qiáng)度測(cè)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(píng)估這個(gè)影響因素，對(duì)同一批試樣進(jìn)行兩種形式的測(cè)試：① 將試樣缺口中心正對(duì)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(duì)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(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，刀片固定時(shí)會(huì)引入一種固定力，該作用力存在大小差異，沖擊測(cè)試需要抵消這部分作用造成結(jié)果的波動(dòng)性（刀片未固定時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.57%，刀片固定時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 

2.5   存儲(chǔ)環(huán)境的影響

環(huán)境會(huì)調(diào)整試樣狀態(tài)并改變?cè)嚇拥男阅埽虼谁h(huán)境對(duì)沖擊強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[12]。因此設(shè)計(jì)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(cè)試，分析不同存儲(chǔ)環(huán)境對(duì)試樣沖擊強(qiáng)度的影響。不同刀片夾持方式下的沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：高溫高濕環(huán)境對(duì)試樣沖擊強(qiáng)度的影響是顯著的，沖擊強(qiáng)度的減小幅度比低溫/恒溫存儲(chǔ)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(jìn)一步降低了材料的沖擊強(qiáng)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(shí)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(shí)的懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，在測(cè)試前應(yīng)將測(cè)試試樣在合理?xiàng)l件下保存并充分平衡。 

2.6   標(biāo)準(zhǔn)方法的影響

ASTM D256-24和GB/T 1843—2008都用于評(píng)估懸臂梁的沖擊性能，但它們?cè)谠嚇映叽纭⒂?jì)算方式、測(cè)試意義等方面可能存在一些差異，如ASTM D256-24試樣規(guī)格（長(zhǎng)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(cè)試懸臂梁沖擊強(qiáng)度，并根據(jù)試樣實(shí)際尺寸（及2 mm缺口）進(jìn)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)結(jié)果的99.6%，前者未通過t檢驗(yàn)要求，后者通過t檢驗(yàn)要求，這主要是由于試樣尺寸及其計(jì)算方式存在差異。由于美標(biāo)換算成國標(biāo)的結(jié)果具有高度一致性，且兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試過程也具有高度的一致性，因此對(duì)ASTM D256-24的探討同樣適用于GB/T 1843—2008。 

2.7   成分的影響

以CHDM型PETG為研究對(duì)象，為考察某個(gè)單體物質(zhì)含量的影響，試樣制備過程中嚴(yán)格控制其他各組分含量，改變某一單一組分含量，測(cè)試其懸臂梁的沖擊強(qiáng)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(cè)試其懸臂梁的沖擊強(qiáng)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(qiáng)度，如當(dāng)EG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從18.5%（試樣C）減小至17.5%（試樣A）、DEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%（試樣A）減小至0.6%（試樣D）或CHDM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從17.4%（試樣A）增大至18.0%（試樣B）時(shí)，懸臂梁的沖擊強(qiáng)度分別從78 J/m升高至88 J/m（增強(qiáng)12.8%）、從88 J/m升高至100 J/m（增強(qiáng)13.6%）、從88 J/m升高至106 J/m（增強(qiáng)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(qiáng)度的主要因素之一。 

2.8   室內(nèi)和室間比對(duì)結(jié)果

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，開展室內(nèi)、室間比對(duì)和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)3人對(duì)同一批試樣進(jìn)行測(cè)試，得到?jīng)_擊強(qiáng)度平均值分別為63.0（平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.97%），60.4（平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.63%），62.2 J/m（平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.57%）；和第三方實(shí)驗(yàn)室開展室間比對(duì)，在相同測(cè)試條件下對(duì)3種不同的試樣（試樣1，2，3）進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表6所示。對(duì)試樣1，2，3的測(cè)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(yàn)和t檢驗(yàn)，滿足室間比對(duì)結(jié)果的要求，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室還以滿意的結(jié)果通過了能力驗(yàn)證項(xiàng)目：NIL PT-4559塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定。這些充分證明實(shí)驗(yàn)室具備開展對(duì)PETG懸臂梁沖擊性能測(cè)試的能力。 

2.9   不同類型PETG試樣的測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過方法優(yōu)化和確認(rèn)，最終將懸臂梁沖擊強(qiáng)度應(yīng)用于10種不同類型（5種CHDM型、5種NPG型）PETG試樣中，測(cè)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(qiáng)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(qiáng)度為85~112 J/m，平均值為98.6 J/m；NPG型PETG試樣的沖擊強(qiáng)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(qiáng)度和其材料的成分直接相關(guān)，如果在進(jìn)行試樣分析時(shí)，沖擊強(qiáng)度有明顯改善或變化，建議對(duì)材料的成分進(jìn)行識(shí)別和定量。 

3.   結(jié)論

筆者考察了不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法、試驗(yàn)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(duì)懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試的影響，得到采用標(biāo)準(zhǔn)、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(yàn)儀器和遵循正確的操作方法對(duì)于獲得準(zhǔn)確的沖擊強(qiáng)度至關(guān)重要。同時(shí)，也需要注意試驗(yàn)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(cè)試精度。 

通過對(duì)5種CHDM型PETG和5種NPG型PETG的測(cè)試，得到PETG懸臂梁沖擊強(qiáng)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(qiáng)度有明顯改善或變化，建議對(duì)成分種類和含量進(jìn)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(cè)試網(wǎng)