關(guān)于抗沖擊聚苯乙烯（PS-1）懸沖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果再現(xiàn)性的探討

蔡蓮婷，周玉新，何永釗

（1. 中國(guó)石化廣州分公司， 廣東 廣州 510700； 2. 中國(guó)石油撫順石化公司乙烯化工廠， 遼寧 撫順 113004）

關(guān)于抗沖擊聚苯乙烯（PS-1）懸沖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果再現(xiàn)性的探討

蔡蓮婷1，周玉新2，何永釗2

（1. 中國(guó)石化廣州分公司， 廣東 廣州 510700； 2. 中國(guó)石油撫順石化公司乙烯化工廠， 遼寧 撫順 113004）

抗沖擊聚苯乙烯（PS-1）懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試是與制樣、環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)、銑缺口、測(cè)試環(huán)節(jié)等多個(gè)要素相關(guān)的條件實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)條件直接影響了沖擊強(qiáng)度的再現(xiàn)性。由于儀器等條件限制，目前國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家執(zhí)行的制樣及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不完全一致，導(dǎo)致分析結(jié)果可比性差。本文注重討論如何提高PS-1懸臂梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的再現(xiàn)性問題，使不同生產(chǎn)企業(yè)的抗沖擊聚苯乙烯（PS-1）的懸臂梁沖擊強(qiáng)度結(jié)果有較好的可比性。

制樣條件；銑缺口；測(cè)試條件；相對(duì)偏差；正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；數(shù)理統(tǒng)計(jì)；再現(xiàn)性

抗沖擊聚苯乙烯（全文簡(jiǎn)寫為PS-1）是一種重要的熱塑性塑料，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力約為50萬t，分布在全國(guó)近10個(gè)省份。因其具有較好的抗沖性能被廣泛地應(yīng)用于家電、汽車、家庭用具等各行業(yè)。懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度（aIa）是標(biāo)志其抗沖性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家及塑料測(cè)試檢驗(yàn)中心通常直接采用現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《GB/ T 1843 塑料 懸臂梁強(qiáng)度是測(cè)定》，或根據(jù)引進(jìn)的設(shè)備技術(shù)條件，參照ISO180:2000、ASTMD256等標(biāo)準(zhǔn)制定各自的企標(biāo)，例《盤錦FINA測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》、《撫順GB／T－1 843》、廣州石化《塑料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)匯編》等進(jìn)行懸臂梁沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)。懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度是一個(gè)多要素條件實(shí)驗(yàn)，由于涉及的分析步驟復(fù)雜，試驗(yàn)條件要求較多，同一個(gè)分析者數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性都較難控制。目前由于各企業(yè)采用不同的制樣及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，更加大了各實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)偏差，導(dǎo)致各生產(chǎn)企業(yè)之間的測(cè)試結(jié)果可比性差，客戶難以根據(jù)生產(chǎn)企業(yè)提供的測(cè)試結(jié)果判定產(chǎn)品的優(yōu)劣檔次。這一問題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)塑料測(cè)試專家的重視并正著手進(jìn)行一系列的改進(jìn)工作。本文在主要討論影響抗沖擊聚苯乙烯的懸沖強(qiáng)度影響因素的基礎(chǔ)上，淺談幾點(diǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議，供大家參考。

1 試驗(yàn)部分

儀器和設(shè)備

懸臂梁沖擊儀： TINIUS OLSEN Willow Crovs PA USA;

銑缺口機(jī)：Test Mschined INC;

測(cè)厚儀：Mitutoge made in Japan;

注射機(jī)：1)VAN DORN DEMAG Compang, 美國(guó);

2) JM80 MIIV 國(guó)產(chǎn)；

3) Batlenfeld BA-C888/170 進(jìn)口；

4) JSW—J75SSⅡ型 日本；

5) BYK-CARDNER USA Sliver Spring MD20910美國(guó)。

2 結(jié)果和討論

2.1 制樣條件影響 aIa的因素

2.1.1 注塑溫度與aIa結(jié)果的關(guān)系

PS-1屬于無定型聚合物，無明顯熔點(diǎn)，熔融溫度的范圍較寬，熱穩(wěn)定性較好，在140～260 ℃寬闊的范圍之間沒有熱降解發(fā)生。但從圖1可以看出，PS-1在注射成型過程中，隨著熔體溫度的升高，高聚物分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)增加，分子鏈段發(fā)生熱降解，使平均相對(duì)分析量降低，導(dǎo)致樣條的機(jī)械強(qiáng)度下降[1]。目前國(guó)內(nèi)各廠家采用的注射溫度基本相同。并從圖 1中可以看出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度對(duì) aIa影響相對(duì)較小。

圖1 注射溫度與aIa關(guān)系圖Fig.1 The relationship diagram between injection temperature and aIa

2.1.2 注射壓力與aIa的關(guān)系

注射壓力對(duì)于增加 PS-1熔體的充模性非常有利（見圖2）。從圖2可以看出，隨注射壓力的增加高分子鏈段在流動(dòng)方向上的排列更加有序，成型樣條的收縮率減小，被測(cè)樣條的懸沖強(qiáng)度也隨之增加[2]。國(guó)標(biāo)中規(guī)定的壓力范圍為(4+1)MPa；盤錦、廣石化、巴斯夫等廠家的企標(biāo)并沒有嚴(yán)格規(guī)定注射壓力，而以樣條平整、無凹陷、收縮率小來確定注射壓力，大致壓力范圍在5～9 MPa 之間。

2.1.3 保壓時(shí)間對(duì)aIa的影響

保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)凝固點(diǎn)和制品收縮率有明顯的影響，延長(zhǎng)保壓時(shí)間有利于推遲凝固點(diǎn)，減少制品收縮率（見圖3）。提高注射樣條的分子排列,使大分子在恒定的壓力下沿注射方向有序排列,使高聚物的懸沖強(qiáng)度增大[2]。

圖2 注射壓力與aIa的關(guān)系Fig.2 The relationship diagram between injection pressure and aIa

圖3 保壓壓力與aIa關(guān)系圖Fig. 3 The relationship diagram between hold pressure and aIa

2.1.4 模具溫度、注射速度對(duì)aIa的影響

模溫主要影響樣條在模腔中的流動(dòng)和冷卻，但模溫較低，會(huì)導(dǎo)致冷卻速度過快，分子內(nèi)應(yīng)力得不到釋放，導(dǎo)致懸沖強(qiáng)度減小。而注射速度過高，膜腔內(nèi)的空氣難以及時(shí)排除，引起制品表面不光潔，沖擊強(qiáng)度下降。

2.1.5 同一批PS-1在不同注射條件下aIa的比較

由于目前國(guó)標(biāo)、ASTM、ISO、DIN等有關(guān)懸沖強(qiáng)度的測(cè)試項(xiàng)目的制樣標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)注射速度、注射溫度、及模具溫度有一定的規(guī)定，并且執(zhí)行范圍較寬[3]。而對(duì)影響懸沖強(qiáng)度結(jié)果比較重要的注射條件如注射壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間、及注射時(shí)間等均沒有具體要求，從而引起各單位的測(cè)試結(jié)果可比性較差。見表1、表2。

表1 同一批物料在國(guó)內(nèi)廠家注射測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Injection test results of the same batch of material in different units kJ/m2

表2 兩批物料在廣石化及北京檢驗(yàn)中心測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of two batch of material in Guangzhou Petrochemical Company and Beijing test center kJ/m2

從表1、表2可以看出，由于各分析檢驗(yàn)單位選用的注射機(jī)、注射模具及注射條件不同，其實(shí)驗(yàn)室的分析測(cè)試結(jié)果之差達(dá)到60%，從表2還可以看出不同時(shí)間的分析結(jié)果波動(dòng)范圍較大。

2.2 樣條選擇對(duì)aIa結(jié)果的影響

目前國(guó)內(nèi)廠家由于引進(jìn)技術(shù)的不同，樣條的選擇也有所不同，采用國(guó)標(biāo)及引進(jìn)FINA技術(shù)的廠家在127 ×3.17×12.7的彎曲樣條上截取實(shí)驗(yàn)樣條；采用德國(guó)及ASTM標(biāo)準(zhǔn)的廠家在拉伸樣條的中間部分截取12.7 ×63.5×3.17規(guī)格的樣條進(jìn)行懸沖實(shí)驗(yàn)。采用拉伸樣條比采用彎曲樣條測(cè)試的懸沖結(jié)果較大。這主要因?yàn)樽⑺軙r(shí)模腔大，易較快地釋放注塑壓力對(duì)分子鏈及分子支鏈的擠壓力，使內(nèi)應(yīng)力減小，并且由于回沖壓力小，更利于分子鏈在恒定保壓壓力下沿注射方向有序地進(jìn)行分子排列，使懸沖強(qiáng)度提高[4]。

2.3 測(cè)試方法對(duì)aIa結(jié)果的影響

2.3.1 測(cè)試溫度對(duì)aIa的影響

按目前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，物性測(cè)試的環(huán)境溫度應(yīng)控制在(23+2)℃，(50+5)%的環(huán)境下，環(huán)境溫度稍高懸沖結(jié)果也略有增加，因此應(yīng)嚴(yán)格控制測(cè)試環(huán)境的溫濕度。

2.3.2 進(jìn)刀速度和銑刀對(duì)aIa結(jié)果的影響

對(duì)缺口加工速度與懸沖強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行考察時(shí)發(fā)現(xiàn)在較低的加工速率下，速度變化對(duì)結(jié)果的影響不明顯，但當(dāng)加工速度超過700 r/min時(shí)，銑刀與樣條的摩擦力增大，速度升高，缺口稍有變形，曲率半徑增大，應(yīng)力集中的程度減小，抗沖結(jié)果偏大。銑刀的銳利程度同樣影響測(cè)試結(jié)果。見表3。

表3 不同單位兩種樣條測(cè)試結(jié)果比較Table 3 Comparison of test results of two samples in different laboratories

2.3.3 夾緊力對(duì)aIa結(jié)果的影響

懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)夾持力的大小直接影響懸沖結(jié)果的重現(xiàn)性和再現(xiàn)性，現(xiàn)各廠家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定試樣在夾持臺(tái)中不得有扭曲和側(cè)面彎曲，沖擊后剩余樣條的截?cái)嗝媾c夾持臺(tái)上表面基本平行說明夾持力適中。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，夾持力小由于有回彈力，使結(jié)果偏大。因此在實(shí)驗(yàn)中同一組實(shí)樣夾持力保持不變。

2.3.4 銑刀方式、擺錘能量、及沖擊速度和人為因素對(duì)aIa結(jié)果的影響(表4)

表4 同一樣條在不同單位的測(cè)試結(jié)果比較Table 4 Comparison of test results of one sample in different laboratories

從以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由不同單位測(cè)試人員采用不同的擺錘能量、沖擊速度及銑刀方式等實(shí)驗(yàn)條件，但測(cè)試結(jié)果的再現(xiàn)性較好，因此可以看出測(cè)試儀器、基本相同的測(cè)試條件對(duì)懸沖強(qiáng)度再現(xiàn)性影響較小。

2.3.5 數(shù)據(jù)處理對(duì)測(cè)試結(jié)果再現(xiàn)性的影響（表5）

表5 各實(shí)驗(yàn)室一組數(shù)據(jù)平均相對(duì)偏差比較Table 5 Comparison of average relative windage of a batch of data in different laboratories

塑料力學(xué)性能測(cè)試遵循統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論，目前國(guó)標(biāo)、ASTM、ISO、DIN等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)懸沖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的精密度沒有具體的規(guī)定，每一實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)試結(jié)果的選取均有不同的規(guī)定，其一組樣條數(shù)據(jù)重現(xiàn)性差別較大［4］

。從以上數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)分析數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)力學(xué)處理的單位3的一組測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果再現(xiàn)性較好。

3 結(jié) 論

（1）通過以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)及理論分析可知，由于懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)是一種對(duì)各測(cè)試因素要求非常高的條件性實(shí)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)執(zhí)行的制樣及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測(cè)試結(jié)果再現(xiàn)性的主要條件（例注射壓力、保壓時(shí)間、保壓壓力、樣條選擇等），均沒有詳細(xì)的規(guī)定，造成國(guó)內(nèi)懸沖強(qiáng)度的再現(xiàn)性差。給客戶做產(chǎn)品質(zhì)量比較產(chǎn)生一定的困擾。

為解決這一問題，國(guó)家塑料測(cè)試委員會(huì)于2000年 11月在北京懷柔召開的標(biāo)準(zhǔn)修訂會(huì)議建議各生產(chǎn)廠家訂購(gòu)統(tǒng)一的對(duì)稱式模具。減少樣條選擇帶來的偏差。

（2）從一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，影響目前國(guó)內(nèi) PS-1的主要因素為制樣條件，建議在國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，篩選影響懸沖結(jié)果的主要因素，找到最佳實(shí)驗(yàn)條件后，在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在不違反ASTM、ISO、DIN等目前世界主要大企業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充規(guī)定適合于全國(guó)主要生產(chǎn)廠家的統(tǒng)一的注射溫度、注射壓力、保壓壓力、保壓時(shí)間、模具冷卻時(shí)間等主要注射條件，提高測(cè)試結(jié)果再現(xiàn)性［2］。

（3）從國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室之間數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在嚴(yán)格執(zhí)行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的情況下，PS-1懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的再現(xiàn)性較好。如能根據(jù)國(guó)內(nèi)具體情況補(bǔ)充規(guī)定影響測(cè)試結(jié)果的操作細(xì)則，例銑刀使用壽命、進(jìn)刀速率、擺錘能量、夾持力等操作條件，將進(jìn)一步減少測(cè)試及人為誤差。

（4）從對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，在處理測(cè)試結(jié)果時(shí)，引入置信度為95%概念，（即采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的T分布檢驗(yàn)法），可以提高實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果精密度，及實(shí)驗(yàn)室之間測(cè)試結(jié)果的再現(xiàn)性。使國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的測(cè)試結(jié)果具有一定的可比性，與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)接軌，真正提高我國(guó)的PS-1產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］王興天．塑料成型技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997：62-77;183-219．

［2］ 周維祥．塑料測(cè)試技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：418-429．

［3］全國(guó)塑標(biāo)委石化塑料樹脂產(chǎn)品分會(huì)塑料標(biāo)準(zhǔn)大全[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005：96-105．

［4］高分子化學(xué)及物理學(xué)[M]. 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社， 243-246.

Discussion on Reproducibility of Test Results of Izod Impact Strenth of Polystyrene（PS-1）

CAI Lian-ting1，ZHOU Yu-xin2，HE Yong-zhao1
（1. Sinipec Guangzhou Branch, Guangdong Guangzhou 510700，China；2. PetroChina Fushun Petrochemical Company Ethylene Chemical Factory, Liaoning Fushun 113004, China)

The test of Izod notched impact strength of PS-1 relates to sample preparation, environmental state regulation, milling notch, test course and so on. These test conditions influence the reproducibility of impact strength test results. Because of the restriction of instruments, sampling and test standard adopted by national laboratories is inconsistent, which results in poor comparability of analysis results. In this paper, how to improve the reproducibility of Izod impact strength test results of PS-1 was discussed, which can result in preferable comparability of analysis results of Izod impact strength of PS-1 in different production enterprises.

Sampling condition; Milling notch; Test condition; Relative deviation; Orthogonal experimental design; Mathematical statistics; Reproducibility

TQ 325.2

A

1671-0460（2012）06-0555-04

2012-04-29

蔡蓮婷(1966-),女，山東萊州人，工程師，1989年畢業(yè)于遼陽(yáng)石油化工高級(jí)專科學(xué)校。近年主要從事塑料物性測(cè)試方法的研究，參與國(guó)家塑料標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的前期數(shù)據(jù)收集及部分標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。E-mail：cailianting.gzsh@sinopec.com。