不同測試條件對通用塑料熱變形溫度的影響

王 忠

(中國合格評定國家認可委員會, 北京 100021)

通用塑料指的是力學性能較差，不能作為結構材料，但產量大的塑料，通用塑料一般有5大品種，即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)，而其中PE、PP、PVC、PS占世界塑料產量的85%[1]。熱變形溫度是聚合物制品耐熱性的重要指標[2-4]，用來評價聚合物及其改性料在載荷下受熱變形的程度，并不表示產品的最高使用溫度。

熱變形溫度反映的是塑料短期對熱的抵抗能力，該能力會隨溫度變化速率、受熱形式及時間、試樣承受壓力的改變而有所變化。目前已有文獻研究了熱處理條件、注塑工藝等對ABS熱變形溫度測試的影響[5]，但在標準更新后，測試條件的變化對于熱變形溫度測試結果影響的研究較少。

熱變形測試標準參考了GB/T 1634.1—2019 《塑料 負荷變形溫度的測定 第1部分：通用試驗方法》和GB/T 1634.2—2019 《塑料 負荷變形溫度的測定 第2部分：塑料和硬橡膠》，在最新版本(2019版)中刪除了側放試樣的方法，因目前仍有大量材料使用的是GB/T 1634.1—2004中的側放方式進行測試，標準中沒有說明試樣放置方法對測試結果的影響，而不同方法間的切換必然影響到技術指標的設定[6]。

為了研究不同測試方法間的差異，筆者選用通用塑料中典型結晶和非結晶材料的不同配方體系對試樣的放置方法、尺寸、載荷等因素進行分析，并對不同測試方法的結果差異進行了對比，為通用塑料熱變形溫度的準確測定提供指導。

1 試驗方案

1.1 試驗原理

標準試樣以平放或側放的方法承受三點彎曲恒定載荷(1.80，0.45，8.00 MPa)，使其產生相應的彎曲應力，在勻速升溫(升溫速率為120 ℃/h)的條件下，測量達到與規定彎曲應變增量相對應的標準撓度時的溫度。

1.2 試驗參數

采用熱變形維卡試驗機進行試驗，試樣放置方法如圖1所示，具體試驗參數[6]如表1所示。

圖1 試樣放置方法現場

表1 不同試樣放置方法的試驗參數 mm

1.3 試驗材料

GB/T 1634.2—2019標準中提到：非結晶塑料的試驗結果相差2 ℃以上，部分結晶塑料的試驗結果相差5 ℃以上時，應重新進行試驗。由此可知：非結晶塑料和部分結晶塑料在測試過程中的表現不同，通用塑料中ABS，HIPS(高抗沖聚苯乙烯)屬于非結晶塑料，PP屬于部分結晶塑料[7]，為了確保測試結果的可靠性和通用性，更好地為研發和生產測試提供依據，每類材料中又分別選擇了幾種填充類和增強類塑料進行測試，試驗材料如表2所示。

表2 試驗材料

1.4 試驗步驟

方案一：測試過程中,將達到規定彎曲應變增量相對應的標準撓度設置為0.33 mm，平放試樣尺寸為80 mm×10.0 mm×4.1 mm(長×寬×高,下同)，側放試樣尺寸為120 mm×4.0 mm×9.9 mm；在1.80 MPa(方法A)，0.45 MPa(方法B)，8.00 MPa(方法C)的彎曲應力作用下，研究使用平放和側放兩種放置方法對熱變形溫度的影響。

方案二：新標準中優選的彎曲應力為1.80 MPa，放置方法為平放，研究達到標準撓度分別為0.33，0.34，0.35 mm時，熱變形溫度之間的差異。

2 試驗結果與討論

2.1 非結晶材料平放和側放測試結果間的差異

依據標準GB/T 1634.2—2019，選用A、B、C 3種方法，放置方法分別為平放和側放，測試非結晶材料ABS和HIPS的熱變形溫度，結果如表3所示。

表3 非結晶材料ABS和HIPS的熱變形溫度 ℃

從表3可以看出：對于非結晶材料ABS和HIPS，在標準撓度均為0.33 mm，且同一載荷下，側放與平放的測試結果基本一致，大部分材料的熱變形溫度偏差均小于2 ℃，且對于大部分材料，采用側放的結果比平放的結果稍高。

在相同的放置方法、統一的標準撓度(0.33 mm)、不同的載荷條件下測試，可以看出：非結晶材料的測試結果也有一定的規律，方法B比方法A所得結果高10 ℃左右，方法A比方法C所得結果高10 ℃左右。

2.2 部分結晶材料(PP)平放和側放測試結果間的差異

依據標準GB/T 1634.2—2019，選用A、B、C 3種方法，放置方法分別為平放和側放時，測試部分結晶材料不同配方的改性PP的熱變形溫度，結果如表4所示。

從表4可以看出：玻璃纖維增強體系(GFPP-30，GFPP-25，PP-36370)材料的熱變形溫度明顯高于滑石粉填充(PP-11680，PP-11269)體系，這主要是因為高分子的熱鏈運動受到剛性玻璃纖維的阻礙，剛性玻璃纖維在聚合物基體中起到了骨架支撐的作用。另外，在相同標準撓度、相同載荷的情況下，不同放置方法對熱變形溫度的測試結果也存在一定規律，非玻璃纖維增強體系試樣側放比平放時的熱變形溫度高，而對于玻璃纖維增強體系，隨著載荷的增加，側放試樣的熱變形溫度升高得多，尤其是在8.00 MPa載荷下，側放比平放的熱變形溫度高20 ℃，而在低載荷(0.45 MPa)下，平放和側放的熱變形溫度一致，進一步說明了玻璃纖維相對滑石粉對于載荷的敏感性。改性PP材料在不同放置方法下的熱變形溫度的差異如表5所示。

表4 部分結晶材料在不同配方改性PP的熱變形溫度 ℃

表5 改性PP材料在不同放置方法下熱變形溫度的差異

使用相同的放置方法、統一標準撓度(0.33 mm)、不同載荷得到的熱變形溫度測試結果有以下規律：載荷越大，熱變形溫度測試結果越小。對于玻璃纖維和非玻璃纖維增強體系，改性PP材料在不同載荷下的熱變形溫度差異如表6所示。

表6 改性PP材料在不同載荷下的熱變形溫度差異

2.3 不同標準撓度(變形量)對熱變形溫度測試結果的影響

GB/T 1634.2—2019中標準撓度與試樣厚度的關系如表7所示。

表7 GB/T 1634.2—2019中標準撓度與試樣厚度的關系 mm

標準GB/T 1634.2—2019中首選載荷為1.80 MPa，放置方法為平放，相鄰的3種試樣厚度對應的標準撓度分別為0.33，0.34，0.35 mm時，利用4種改性材料(HF-606、HR-527A、GFAS-30、PP-36370)分別進行熱變形溫度測試，具體結果如表8所示。

表8 不同標準撓度對4種改性材料的熱變形溫度測試結果 ℃

從表8可知：放置方法(平放)相同、載荷相同、標準撓度不同時，同一材料的熱變形溫度基本一致。在測試過程中，不同人員測試的試樣尺寸稍有差異，也不會對熱變形溫度的測試結果產生較大影響。

3 結論

(1) 對于非結晶材料ABS和HIPS，相同標準撓度、相同載荷下，側放的測試結果與平放的測試結果基本一致，大部分材料的偏差均小于2 ℃，且大部分材料采用側放放置方法得到的結果比平放得到的結果稍高；而使用相同放置方法，統一標準撓度(0.33 mm)，不同載荷測試時，方法B比方法A得到的結果高10 ℃左右，方法A比方法C得到的結果高10 ℃左右。

(2) 對于部分結晶材料PP來說，同樣的測試方法下，添加了玻璃纖維PP材料的熱變形溫度測試結果有明顯升高；在相同標準撓度、相同載荷條件下，側放的熱變形溫度測試結果比平放高。具體的差異因填料的含量不同而各不相同；使用相同的放置方法、相同標準撓度，載荷越大，結果越低；方法A、方法B、方法C間的差異對于玻璃纖維填充體系更為敏感。

(3) 對相同的試樣，使用平放的放置方法，彎曲應力為1.80 MPa時，在不同的標準撓度下，熱變形溫度測試結果一致性較好。