溫度對聚丙烯蠕變失效行為影響的研究

2024年4月2日發(作者：英語二真題)

2017年第4期

勘探開發

溫度對聚丙烯蠕變失效行為影響的研究

文旸

1??

孫宛璁

2

1.西南交通大學附屬中學 成都 610031

2.清華附中 北京 100084

摘要：對聚丙烯的臨界失效應變現象進行了描述，并研究了結晶性高聚物聚丙烯在不同溫度、不同應力以及有無退火

處理的條件下的蠕變行為。研究發現：聚丙烯在蠕變的過程中受溫度、應力和退火等外界因素影響較大。升高溫度和增大應

力，材料抗蠕變性能下降，蠕變失效時間縮短。對聚丙烯進行熱處理，結晶度提高，可以明顯提高聚丙烯的抗蠕變性能。同

時，通過DSC測試處于不同形變量的聚丙烯試樣的結晶度變化，發現隨著形變量的增加，材料的結晶度呈增加的趨勢。

關鍵詞：聚丙烯蠕變?外界條件?臨界失效應?變結晶度

Effect?of?temperature?on?creep?failure?behavior?of?polypropylene

Wen?Yang

1

，Sun?Wancong

2

?liated Middle School of Southwest Jiao Tong University,Chengdu，610031

Abstract：he?critical?failure?strain?of?polypropylene?is?described,?and?the?creep?behavior?of?crystalline?polypropylene?at?different?

temperatures,?stress?and?annealing?conditions?is?studied.?It?is?found?that?the?influence?of?external?factors?such?as?temperature,?stress?

and?annealing?in?the?process?of?creep?is?larger.?With?the?increa?of?temperature?and?stress,?the?creep?resistance?of?the?material?decreas?

and?the?creep?failure?time?is?shortened.?The?creep?resistance?of?PP?can?be?obviously?improved?by?heat?treatment?and?crystallinity.?At?

the?same?time,?the?crystallinity?of?polypropylene?samples?with?different?shapes?was?tested?by?DSC.?It?was?found?that?the?crystallinity?

incread?with?the?increa?of?the?shape?variables.

Keywords：Polypropylene?creep；External?conditions；Critical?failure?stress；Variable?crystallinity

聚丙烯（PP）與其他的通用塑料相比較，具有較好的

綜合性能，目前PP已經成為發展速度最快、產量最大、

牌號最多、用途最廣的合成樹脂之一。但其缺口沖擊強

度，低溫易脆裂等缺點限制了其使用范圍。聚丙烯屬于結

晶態高聚物，在長期的使用和貯存過程中會發生物理老

化，進而導致聚集態發生變化，引起力學性能下降，發生

蠕變以及應力松弛，當蠕變量達到一定時失去了其使用價

值，導致失效。高聚物在使用過程中通常會受到溫度，應

力，還有是否經過熱處理的影響，分析蠕變過程中單因素

對于聚合物結晶度的影響有重大意義。本章考察了溫度對

聚丙烯蠕變過程中結晶度的影響。

1.3?樣品制備

1）按照國家標準對原料進行外觀檢查

2）實驗流程：

將聚丙烯粒料于80℃溫度下烘4小時，進行干燥處理；然

后通過注塑標準得到樣條以供測試。具體尺寸如表2所示。

3）工藝參數

注塑工藝參數如表3所示。

表3?注塑工藝參數

計時器

注射溫度

閉模

開模

注射

TM1注射/s

15.0

噴嘴

195

CV1閉模速度

55%

OV3緩慢速度

25%

EV1先前速度

TM2保壓/s

25.0

第三段

200

TM3周期始/s

3.0

第二段

190

第一段

170

1?實驗部分

1.1?實驗原料與設備

PP：T30S，蘭州石化有限公司

CV2緩慢速度CP2減小應力

15%

60%

ETC（s/支）

1

V2

12%

S1（mm）

30

P2

35%

V1

12%

SM（mm）

52

P1

35%

VS

50%

SD（mm）

2

TP2（s）

3

40%

0.5

OV2開模速度OT2預開模時間/s

1.2?主要設備

表1?實驗儀器、型號及制造商

儀器設備型號制造商

注塑機

差示掃描量熱儀

多功能應力老化試驗機

PS40E5ASE

Q20

/

日津樹脂工業株式會社

美國TA公司

自制

10%

V3

注射速度

12%

S2（mm）

10

注射壓力P3

35%

表2?試樣尺寸

符號

L

H

C

G

0

名稱

總長（最小）

夾具間距離

中間平行部分長度

標距（或有效部分）

尺寸/mm

150

115

60

50

公差

/

±5.0

±0.5

±0.5

符號

w

d

b

r

名稱

端部寬度

厚度

中間平行部分寬度

半徑（最小）

尺寸/mm

20

（4）

10

60

公差

±0.2

/

±0.2

/

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勘探開發

1.4?測試與表征

1.4.1 蠕變性能測試

將試樣置于多功能應力老化機進行試驗。多功能老化機

的構造如圖1所示，通過控制溫度研究材料的蠕變性能。溫度

可控范圍為：-40~120℃本論文中所進行測試得到的應變為材

料變形的名義應變或工程應變，它與真實應變的關系為：ε

＝ln（1＋ε

0

），其中ε

0

為名義應變，ε為真實應變。

1

3

2

4

5

1.控溫裝置?2.紫外燈?3.夾具?4.試樣?5.動力系統

圖1?多功能應力老化機示意圖

1.4.2 DSC結晶度測試

取用測試樣品5mg左右，在N

2

氣氛保護下，以10℃/

min的升溫速率從40℃升到200℃，得到熔融曲線，標定

物為銦。通過計算熔融熱焓來得到結晶度，計算公式為

χ=△Hm/△H

0

，其中△H

0

為結晶度為100%的材料的理想

熔融熱焓，對于PP來講，△H

0

=209 KJ/Kg ，△Hm為測試

所得到的熔融熱焓。

1.4.3 拉伸性能測試

為降低實驗誤差，同樣使用多功能老化機測試材料

的拉伸強度。拉伸速率分別采用10mm/min、30mm/min和

50mm/min。

2?結果與討論

高聚物的蠕變行為是其特有粘彈性的典型表現，不僅與

自身結構有關，還與外界條件密切相關，是一種典型的力學

松弛現象，其實質是材料在一定條件下內部運動單元對外力

的協同響應。我們研究不同條件對聚丙烯蠕變過程的影響，

并考察試樣蠕變達到不同形變量時，其結晶度的變化。

2.1?溫度對聚丙烯蠕變失效的影響

高聚物蠕變失效的過程中，溫度的影響非常明顯。

由之前的工程應力應變曲線可以知道：25℃，60℃，

100℃時，材料的屈服應力差別很大。為了觀察到明顯

的三級蠕變現象，只能選取較近的溫度區間進行對比

實驗。如圖2所示，對材料施加640N壓力時，25℃的情

況下，經過15000s后仍然沒有發生明顯的蠕變，達不到

失效的程度；升高溫度至50℃，在相同應力條件下經

過約25000s才會發生明顯的蠕變失效；繼續升高溫度

至55℃，發生蠕變失效的時間銳減到5000s；接著升高

溫度至60℃，相同應力條件下經過約1000s材料發生失

效，同時可以觀察到明顯的三級蠕變。

從上述的實驗結果可以看出，升高溫度對蠕變失效的

發生有明顯的促進作用，原因有以下幾點：（1）因為聚

丙烯屬于結晶高聚物，蠕變的發生為晶區和非晶區共同作

用的結果，溫度對非晶區的作用更加明顯。當溫度低于玻

璃化轉變溫度時，鏈段運動比較困難，蠕變量很小；隨著

溫度升高，高于了玻璃化轉變溫度，鏈段運動變得容易，

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蠕變失效時間大大縮短；（2）隨著溫度的升高，材料的

自由體積增大，分子鏈運動能力提高，當受到恒定應力

時，加速了蠕變失效的發生。

圖2?640N，不同溫度時聚丙烯試樣的蠕變曲線

2.2?溫度對聚丙烯臨界失效應變的影響

如圖3所示為640N壓力，不同溫度下聚丙烯試樣的臨

界失效應變。從圖中可以明顯的觀察到臨界失效應變。

通過作圖可以發現在50℃、55℃和60℃下，當形變量達到

16%后，形變量的變化率會急劇增大，但是臨界失效應變

值不會隨著溫度的變化而變化，溫度的升高只是加快了蠕

變的速率，對于臨界失效應變的大小沒有明顯影響。

圖3?640N，不同溫度下聚丙烯試樣的臨界失效應變

3?結束語

1）聚丙烯在蠕變過程中受溫度、應力等外界因素影

響較大，隨著溫度的升高，應力的增大，它的蠕變變形能

力提高，抗蠕變性能降低，蠕變失效時間變短，兩種因素

共同作用加速蠕變失效乃至破壞的發生。

2）臨界失效應變的發生與聚丙烯屈服有很大的關

系，臨界失效應變值與材料的屈服縮頸時的應變值相近。

可以通過實驗所得到的材料的臨界失效應變值，預測出聚

丙烯材料的使用壽命，為人們預測聚丙烯材料的服役壽命

提供一個新的途徑，具有重要的理論價值和實用價值。

3）論文研究的只是溫度對蠕變過程中蠕變失效的影

響，同時晶體的晶型也對其有影響，可以通過進一步的實

驗探究這方面的影響。

參考文獻

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