蔡蓮婷，周玉新，何永釗

（1. 中國石化廣州分公司， 廣東 廣州 510700； 2. 中國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）懸沖強度測試結(jié)果再現(xiàn)性的探討

蔡蓮婷1，周玉新2，何永釗2

（1. 中國石化廣州分公司， 廣東 廣州 510700； 2. 中國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）懸臂梁缺口沖擊強度測試是與制樣、環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)、銑缺口、測試環(huán)節(jié)等多個要素相關(guān)的條件實驗，這些實驗條件直接影響了沖擊強度的再現(xiàn)性。由于儀器等條件限制，目前國內(nèi)各生產(chǎn)廠家執(zhí)行的制樣及檢測標準不完全一致，導(dǎo)致分析結(jié)果可比性差。本文注重討論如何提高PS-1懸臂梁沖擊強度測試結(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）的懸臂梁沖擊強度結(jié)果有較好的可比性。

制樣條件；銑缺口；測試條件；相對偏差；正交實驗設(shè)計；數(shù)理統(tǒng)計；再現(xiàn)性

抗沖擊聚苯乙烯（全文簡寫為PS-1）是一種重要的熱塑性塑料，國內(nèi)生產(chǎn)能力約為50萬t，分布在全國近10個省份。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)。懸臂梁缺口沖擊強度（aIa）是標志其抗沖性能優(yōu)劣的一個重要指標，目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家及塑料測試檢驗中心通常直接采用現(xiàn)行國標《GB/ T 1843 塑料 懸臂梁強度是測定》，或根據(jù)引進的設(shè)備技術(shù)條件，參照ISO180:2000、ASTMD256等標準制定各自的企標，例《盤錦FINA測試標準》、《撫順GB／T－1 843》、廣州石化《塑料產(chǎn)品標準匯編》等進行懸臂梁沖擊測試實驗。懸臂梁缺口沖擊強度是一個多要素條件實驗，由于涉及的分析步驟復(fù)雜，試驗條件要求較多，同一個分析者數(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試標準，更加大了各實驗室的相對偏差，導(dǎo)致各生產(chǎn)企業(yè)之間的測試結(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)引起國內(nèi)塑料測試專家的重視并正著手進行一系列的改進工作。本文在主要討論影響抗沖擊聚苯乙烯的懸沖強度影響因素的基礎(chǔ)上，淺談幾點相關(guān)標準的修訂建議，供大家參考。

1 試驗部分

儀器和設(shè)備

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

銑缺口機：Test Mschined INC;

測厚儀：Mitutoge made in Japan;

注射機：1)VAN DORN DEMAG Compang, 美國;

2) JM80 MIIV 國產(chǎn)；

3) Batlenfeld BA-C888/170 進口；

4) JSW—J75SSⅡ型 日本；

5) BYK-CARDNER USA Sliver Spring MD20910美國。

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，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動增加，分子鏈段發(fā)生熱降解，使平均相對分析量降低，導(dǎo)致樣條的機械強度下降[1]。目前國內(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 aIa影響相對較小。

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方向上的排列更加有序，成型樣條的收縮率減小，被測樣條的懸沖強度也隨之增加[2]。國標中規(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并沒有嚴格規(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 保壓時間對aIa的影響

保壓壓力和保壓時間對凝固點和制品收縮率有明顯的影響，延長保壓時間有利于推遲凝固點，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aIa的影響

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

2.1.5 同一批PS-1在不同注射條件下aIa的比較

由于目前國標、ASTM、ISO、DIN等有關(guān)懸沖強度的測試項目的制樣標準僅對注射速度、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]。而對影響懸沖強度結(jié)果比較重要的注射條件如注射壓力、保壓壓力、保壓時間、及注射時間等均沒有具體要求，從而引起各單位的測試結(jié)果可比性較差。見表1、表2。

表1 同一批物料在國內(nèi)廠家注射測試的實驗結(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中心測試結(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，由于各分析檢驗單位選用的注射機、注射模具及注射條件不同，其實驗室的分析測試結(jié)果之差達到60%，從表2還可以看出不同時間的分析結(jié)果波動范圍較大。

2.2 樣條選擇對aIa結(jié)果的影響

目前國內(nèi)廠家由于引進技術(shù)的不同，樣條的選擇也有所不同，采用國標及引進FINA技術(shù)的廠家在127 ×3.17×12.7的彎曲樣條上截取實驗樣條；采用德國及ASTM標準的廠家在拉伸樣條的中間部分截取12.7 ×63.5×3.17規(guī)格的樣條進行懸沖實驗。采用拉伸樣條比采用彎曲樣條測試的懸沖結(jié)果較大。這主要因為注塑時模腔大，易較快地釋放注塑壓力對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行分子排列，使懸沖強度提高[4]。

2.3 測試方法對aIa結(jié)果的影響

2.3.1 測試溫度對aIa的影響

按目前的標準規(guī)定，物性測試的環(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)嚴格控制測試環(huán)境的溫濕度。

2.3.2 進刀速度和銑刀對aIa結(jié)果的影響

對缺口加工速度與懸沖強度的關(guān)系進行考察時發(fā)現(xiàn)在較低的加工速率下，速度變化對結(jié)果的影響不明顯，但當加工速度超過700 r/min時，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試結(jié)果。見表3。

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

2.3.3 夾緊力對aIa結(jié)果的影響

懸臂梁沖擊實驗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)行標準中均規(guī)定試樣在夾持臺中不得有扭曲和側(cè)面彎曲，沖擊后剩余樣條的截斷面與夾持臺上表面基本平行說明夾持力適中。根據(jù)大量實驗證明，夾持力小由于有回彈力，使結(jié)果偏大。因此在實驗中同一組實樣夾持力保持不變。

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

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

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

2.3.5 數(shù)據(jù)處理對測試結(jié)果再現(xiàn)性的影響（表5）

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

塑料力學(xué)性能測試遵循統(tǒng)計力學(xué)理論，目前國標、ASTM、ISO、DIN等測試標準對懸沖強度測試結(jié)果的精密度沒有具體的規(guī)定，每一實驗室對測試結(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，對分析數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計力學(xué)處理的單位3的一組測試數(shù)據(jù)結(jié)果再現(xiàn)性較好。

3 結(jié) 論

（1）通過以上對比實驗及理論分析可知，由于懸臂梁沖擊實驗是一種對各測試因素要求非常高的條件性實驗。目前國內(nèi)執(zhí)行的制樣及測試標準中對測試結(jié)果再現(xiàn)性的主要條件（例注射壓力、保壓時間、保壓壓力、樣條選擇等），均沒有詳細的規(guī)定，造成國內(nèi)懸沖強度的再現(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，國家塑料測試委員會于2000年 11月在北京懷柔召開的標準修訂會議建議各生產(chǎn)廠家訂購統(tǒng)一的對稱式模具。減少樣條選擇帶來的偏差。

（2）從一系列實驗數(shù)據(jù)可以看出，影響目前國內(nèi) PS-1的主要因素為制樣條件，建議在國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家的實驗室內(nèi)，采用正交實驗設(shè)計法，篩選影響懸沖結(jié)果的主要因素，找到最佳實驗條件后，在全國范圍內(nèi)進行對比實驗，在不違反ASTM、ISO、DIN等目前世界主要大企業(yè)應(yīng)用標準的基礎(chǔ)上，補充規(guī)定適合于全國主要生產(chǎn)廠家的統(tǒng)一的注射溫度、注射壓力、保壓壓力、保壓時間、模具冷卻時間等主要注射條件，提高測試結(jié)果再現(xiàn)性［2］。

（3）從國內(nèi)實驗室之間數(shù)據(jù)對比可以看出，在嚴格執(zhí)行測試標準的情況下，PS-1懸臂梁缺口沖擊強度測試結(jié)果的再現(xiàn)性較好。如能根據(jù)國內(nèi)具體情況補充規(guī)定影響測試結(jié)果的操作細則，例銑刀使用壽命、進刀速率、擺錘能量、夾持力等操作條件，將進一步減少測試及人為誤差。

（4）從對比數(shù)據(jù)可以看出，在處理測試結(jié)果時，引入置信度為95%概念，（即采用數(shù)理統(tǒng)計的T分布檢驗法），可以提高實驗室測試結(jié)果精密度，及實驗室之間測試結(jié)果的再現(xiàn)性。使國內(nèi)生產(chǎn)廠家的測試結(jié)果具有一定的可比性，與國際先進技術(shù)接軌，真正提高我國的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．塑料測試技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：418-429．

［3］全國塑標委石化塑料樹脂產(chǎn)品分會塑料標準大全[S]. 北京：中國標準出版社，2005：96-105．

［4］高分子化學(xué)及物理學(xué)[M]. 北京：中國輕工業(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)于遼陽石油化工高級?？茖W(xué)校。近年主要從事塑料物性測試方法的研究，參與國家塑料標準委員會的前期數(shù)據(jù)收集及部分標準的修訂工作。E-mail：cailianting.gzsh@sinopec.com。