拉伸速率对高分子聚合物拉伸性能测试结果的影响

高分子聚合物自本世纪初得到了快速的发展，其作为材料使用被广泛地应用到工业上，随着高分子聚合物材料的大量应用，人们迫切需要了解它的性能，而对于大部分使用者而言，其力学性能显得更为重要，掌握高分子聚合物力学性质的一般规律和特点，才能恰当地选择和使用高分子聚合物材料。机械强度是材料力学性能的重要指标，机械强度就是材料抵抗外力破坏的能力，当所受外力超过材料承受的能力，材料就要发生破裂。对于各种不同的破坏力，则有不同的强度指标，常用的有拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和硬度，这里着重介绍拉伸强度测试方法对高分子聚合物测试性能的影响。

1. 高分子材料拉伸过程

拉伸性能是高分子聚合物材料的一种基本力学性能指标。典型单轴拉伸时的应力-应变曲线如图1所示。

图1中的Y点称之为屈服点，对应的强度为拉伸屈服强度，试片在出现屈服之前发生的断裂称为脆性断裂，这种情况下，试片断裂前只发生很小的变形（图中的OA段），试样并没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方向相垂直，断裂面也很光滑。

试片在出现屈服之后的断裂称之为韧性断裂，试片在屈服后出现了较大的应变，如果在试样断裂前停止拉伸，除去外力，试片的大形变已无法完全回复，但是如果让试片的温度升到玻璃化温度T_g附近，则可发现，形变又回复了。这是一种高弹形变，从微观上看，屈服点以后材料的大形变主要是分子链段运动，即在大外力的帮助下，本来被冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了材料的大形变。这时由于材料处在玻璃态，即使外力除去后，也不能自发回复，而当温度升高到T_g以上时，链段运动解冻，分子链蜷曲起来，因而形变回复，在宏观上表现为弹性回缩。

高弹变形的过程是外力作用促使材料主链发生内旋转的过程，此过程需要的外力要小的多，而变形量却大的多，所以在曲线上表现为屈服后应力下降也就是图上的YB段，高分子链段在伸展过程中所需力的大小变化不明显，故在曲线中部出现比较平稳的线段。

如果在分子链伸展后继续拉伸，则曲于分子链取向排列，使材料强度进一步提高，因而需要更大的力，所以应力又出现逐渐的上升，直到发生断裂（见图中的BX段）。

以断裂点为起始点向横作标作垂直线，此时的封闭曲线则为整个拉伸过程中吸收的能量（见图1中的斜面部分），通常曲面面积大，说明材料的韧性好。

2. 实验部分

2.1. 实验仪器

WDW-50J微机控制电子万能试验机（上海华龙测试仪器厂）；双螺杆挤出机（25D）（德国Brabebnder公司）；冲片机（CD-25）（承德试验机责任有限公司）。

2.2. 实验方法

在室温下，用双螺杆挤出机挤出A、B、C、D、E 5组配比相同的片材，将5组片材用冲片机冲成哑铃形（形状见图2，尺寸见表1），每组试样5个，在（23±2）℃的环境下进行状态调节，时间不少于24h。状态调节结束后在（23±2）℃的环境下进行拉伸实验。5组样片分别采用10、20、30、40和50mm·min-1 5种拉伸速度，测其屈服强度和断裂伸长率。

3. 结果与讨论

试样在不同拉伸速率的作用下，测定的拉伸屈服强度和断裂伸长率数值见表2。为了更明了的显示拉伸速率与二者之间的关系，以表2中数据绘制了图3。

通过表2中的数据可以看出，在拉伸试验中，随着外力作用速度的提高拉伸屈服强度值也随之提高，而断裂伸长率值却随之而下降。由曲线图3可以看到这种明显的趋势。分析其原因这是由于高分子聚合物材料是粘弹性材料，它的破坏过程是一种松弛过程，因此，外力作用速度对材料的强度有显著影响。如果材料在拉伸试验中链段运动的松弛时间与拉伸速度相适应，则材料在断裂前可以发生屈服，出现强迫高弹性；当拉伸速度提高时，链段运动跟不上外力作用，为使材料屈服需要更大的外力，即材料的屈服强度提高了，进一步提高拉伸速度，材料终将在更高的应力下发生脆性断裂。对于相同的外力来说，拉伸速度过快，强迫高弹形变来不及发生，或者强迫高弹形变得不到充分的发展，试样要发生脆性断裂。而拉伸速度过慢，则材料要发生一部分粘性流动，所以只有在适当的拉伸速度下，高分子聚合物材料的强迫高弹性才能充分地表现出来。

4. 结论

4.1. 当要进行拉伸屈服强度比较时，应明确其实验条件，数据才具有可比性。

4.2. 随着外力作用速度的提高拉伸屈服强度值也随之提高，而断裂伸长率值却随之而下降。

编者注：推荐了解下，时温等效原理，快速拉伸=低温拉伸，慢速拉伸=高温拉伸，这篇文章的结论就更加清楚。

来源：大连大诺印刷包装有限公司，王颖