宋振彪，王 毅，許忠林，胡慧林，陸書來，2

(1.中國石油吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132021；2.中國石油ABS技術中心，吉林 吉林 132021；3.中國石油吉林石化公司 煉油廠，吉林 吉林 132021)

懸臂梁沖擊強度是判斷ABS樹脂性能優(yōu)劣的一項重要指標，也是生產(chǎn)廠家關注的重點，ABS樹脂行業(yè)采用的塑料懸臂梁沖擊性能檢測的標準試驗方法——ASTM D256，雖然規(guī)定了測試時所用的標準樣件的尺寸、缺口加工的方法等，但由于沖擊測試樣件的制備工藝不同、測試儀器不同、測試操作不同等因素造成不同實驗室測試數(shù)據(jù)的差異[5-8]。

注塑成型是快速獲得沖擊測試樣件最普遍的方法，但注塑工藝、注塑模具及注塑設備對注塑后制件的內(nèi)應力影響很大，造成注塑制件品質(zhì)的差異，不能真實反映材料的沖擊韌性[9-10]。本文通過調(diào)整不同的注塑參數(shù)，來說明注塑工藝對ABS樹脂懸臂梁沖擊強度測試結(jié)果的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

ABS樹脂：0215H，中國石油吉林石化公司合成樹脂廠；PA-709及PA-757K，鎮(zhèn)江奇美化工有限公司；HI-121H，寧波LG甬興化工有限公司。

1.2 儀器及設備

注塑機：SE130EV-C450，日本住友重機械株式會社；注塑機：MA600Ⅱ/130，海天塑機集團有限公司；熱空氣干燥烘箱：FED 720，德國BINDE公司；擺錘沖擊強度測試儀：CEAST 9050，美國INSTRON公司；銑口機：BH023.ZNO.003，德國Zwick/Roell公司。

1.3 樣件制備

ABS樹脂在80 ℃條件下干燥2 h，在住友注塑機上加工厚度為6.35 mm的ASTM沖擊樣件，在海天注塑機上加工厚度為4 mm的國標沖擊樣件。采用注塑速度為5 mm/s和50 mm/s兩個條件制備樣件，將標準樣件在銑口機上加工出A型缺口。

1.4 性能測試

按照ASTM D256—2010和GB/T 1843.1—2008測試ABS樹脂的有缺口懸臂梁沖擊強度。

埋地管道是輸送原油、成品油和天然氣等石油資源的重要載體,是連接上游資源和下游用戶的紐帶.目前，我國長輸管道逐漸向大口徑、高壓力、高強度、長距離等方向發(fā)展.由于輸送距離較長,埋地管道受途經(jīng)地形地貌特征影響較大.長期埋于地下,經(jīng)常由于出現(xiàn)地質(zhì)滑坡、坍塌、水毀、濕陷性黃土等自然災害而造成管道局部懸跨,給管道輸送帶來嚴重的安全隱患.為保障管道輸送的安全運行,有必要對局部懸空管道進行安全性研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同條件下沖擊強度測試結(jié)果

將各牌號ABS樹脂的沖擊樣件按照ASTM D256和GB/T 1843.1標準要求加工好缺口，放置24 h后測試沖擊強度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同標準及注塑速度條件下的沖擊強度

分析表2中的數(shù)據(jù)，對比不同測試標準下各牌號測試結(jié)果的差異，發(fā)現(xiàn)0215H、HI-121H美標測試結(jié)果略大于國標測試結(jié)果，而奇美公司兩個牌號美標測試結(jié)果小于國標測試結(jié)果，且不同標準下PA-709沖擊強度測試結(jié)果變化較大，是其他牌號的5倍左右。這充分說明沖擊強度測試是一個復雜過程，現(xiàn)有測試標準具有一定局限性，測試結(jié)果未必能夠真實反映材料性能。測試結(jié)果與測試標準、樣件成型條件關系密切，為此筆者分析了樣條形狀、注塑速度以及橡膠含量等因素對沖擊強度測試結(jié)果的影響。

表2 沖擊強度測試數(shù)據(jù)處理

2.2 樣條形狀對沖擊強度測試結(jié)果的影響

材料受到?jīng)_擊擺錘施加的應力會在材料內(nèi)部傳遞，在缺口平面上形成平面應力和平面應變。根據(jù)平面應變規(guī)律[11]，樣件表面位置平面形變最大，出現(xiàn)表面凹陷的趨勢，增加材料吸收能量的能力。由于發(fā)生凹陷部分占整個橫截面比例不同(見圖1)，其對沖擊強度影響也不同，即橫截面上寬度與厚度的比值不同，樣件平面應變作用的比例不同，一定范圍內(nèi)樣件寬度與厚度比值越大沖擊強度越大。該規(guī)律與測試樣條的形狀有關，與測試樣條的材質(zhì)無關。

(a)厚樣條比例小

美標沖擊測試樣件與國標的關鍵差異是橫截面尺寸不同，美標樣件厚度×銑缺口后寬度為6.35 mm×10.16 mm，而國標樣件為4.00 mm×8.00 mm。美標樣件寬度與厚度比值為1.6，而國標為2.0，因此相同牌號ABS美標沖擊強度小于國標。

從表2可以看出，0215H、121H美標沖擊強度高于國標，而奇美產(chǎn)品有美標沖擊強度高于國標的，也有偏低的。這是由于ABS樹脂的增韌機理是橡膠引發(fā)銀紋和多重銀紋，材料的沖擊強度還與橡膠的含量、形狀、尺寸、分散程度以及界面結(jié)合力等參數(shù)有關。從樣件形狀角度分析，存在美標樣條沖擊測試結(jié)果偏低的規(guī)律，但ABS內(nèi)應力、橡膠增韌效果等因素導致樣件實際的應力傳遞過程發(fā)生變化，樣件應變區(qū)域及應變過程相應變化，導致測試結(jié)果變化，因此沖擊強度測試的影響因素比較復雜。

2.3 ABS樹脂產(chǎn)品組成對沖擊強度測試的影響

利用丙酮溶解分離的方法將各牌號橡膠相與SAN樹脂相分離，測試橡膠接枝物的比例。取1 g左右ABS樹脂樣品，放入50 mL離心瓶中，加入40 mL丙酮，震蕩溶解2 h后在18 000 r/min條件下離心分離30 min，分離后將離心瓶上層溶液倒出，再次加入約40 mL丙酮，震蕩10 min后在相同條件下離心分離，倒出上層溶液，將離心管徹底干燥，計算不溶物含量，結(jié)果如表3所示。

ABS樹脂由橡膠相和SAN樹脂相組成，其中SAN樹脂相為連續(xù)相，是ABS樹脂的主要成分。橡膠相以球形狀態(tài)分散在SAN樹脂相中，起到增韌的作用。丙酮可以溶解SAN樹脂，但不能溶解橡膠相，因此可以將二者分離。

表3 各牌號橡膠相組成比例

奇美公司PA-709橡膠相含量明顯高于其他牌號，其他三個牌號橡膠相含量比較接近，其中0215H偏高，PA-757K最低。PA-709橡膠相質(zhì)量分數(shù)為38.8%，其美標和國標沖擊強度有差異，但注塑速度變化對沖擊測試基本沒有影響，說明高橡膠含量對樣件厚度比較敏感。橡膠相能夠增加平面應變的作用效果，將表面應力傳遞到非平面材料上，通過橡膠粒子傳遞銀紋，引發(fā)更多的材料參與抵御沖擊的過程，因此提高沖擊強度。

PA-757K與0215H、HI-121H橡膠相含量接近，樣件厚度對沖擊強度的影響規(guī)律不同，但樣件成型速度對沖擊強度的影響規(guī)律相同，只是PA-757K的影響程度是0215H、HI-121H的50%以內(nèi)。這說明沖擊強度不僅與橡膠含量有關，還與橡膠形態(tài)或SAN樹脂相結(jié)構(gòu)等因素有關。

2.4 注塑速度對測試結(jié)果的影響

相同標準條件下，注塑速度為5 mm/s制備的樣件沖擊測試結(jié)果較大，但注塑速度變化對奇美公司PA-709的沖擊強度的測試結(jié)果影響較小。

從表2可以看出，國標數(shù)據(jù)比美標數(shù)據(jù)對樣件的注塑速度更敏感，5 mm/s和50 mm/s兩個條件下美標數(shù)據(jù)平均偏差1.99個值，而國標數(shù)據(jù)平均偏差3.38個值，說明沖擊樣件成型條件對測試結(jié)果影響很大，原因是美標樣件厚度大于國標，有利于注塑過程的填充。

低速注塑條件下制件表面剪切應力小，有利于降低表面殘余應力，進而提高沖擊強度測試結(jié)果。

2.5 注塑成型沖擊樣件質(zhì)量分析

2.5.1 注塑成型過程模擬

為研究注塑速度對沖擊強度測試結(jié)果的影響，利用moldflow軟件模擬不同注塑速度下各牌號樣件成型過程和制件內(nèi)部應力等參數(shù)。模擬的工藝條件與實際加工條件基本一致，如表4所示。

表4 模擬成型工藝對比

利用UG軟件根據(jù)美標和國標沖擊強度樣件的形狀尺寸制作模型，為簡化分析過程，只做一個樣件的模型，實際模具包含兩個形狀相同的沖擊樣件。

Moldflow模擬采用雙層面網(wǎng)格模型，美標樣件劃分為5 262個單元，國標樣件劃分為5 122個單元。

2.5.2 注塑成型模擬數(shù)據(jù)分析

按2.5.1中條件設置好工藝條件，進行moldflow填充模塊分析。在樣件沖擊缺口平面外表面選取一點。由于PA-709的橡膠含量與其他牌號相差太多，橡膠相對沖擊強度的影響程度遠大于其他牌號，且其變化規(guī)律與其他三個牌號不同，因此只對比分析其余三個牌號的注塑成型過程。

如圖2所示，選擇樣條缺口橫截面與寬度方向平面交線的中點作為主要分析對象，對應ASTM標準樣件該點為T5829，國標樣件該點為T4926。

時間/s(a) T5829平面位置時間/s(b) T5829立面位置

對比表5和表6數(shù)據(jù)，充填時間與注塑速度關系密切，同時與制件尺寸有關，美標樣件體積更大，所以填充時間比國標樣件長。

表5 ASTM樣件成型模擬結(jié)果

表6 國標樣件成型模擬結(jié)果

注塑速度由5 mm/s增加到50 mm/s后，樣件中點位置的填充速度增加，導致剪切速率增加，進而摩擦生熱導致溫度升高，最終該位置的剪切應力增加。美標樣件和國標樣件的注塑過程都呈現(xiàn)出這一規(guī)律。

對比相同牌號ABS樹脂在相同測試標準條件下，樣件注塑速度差異引起表面剪切應力變化規(guī)律，與表1中沖擊強度測試結(jié)果對應，注塑速度增加后各牌號中的位置的剪切應力變大，而沖擊強度測試結(jié)果下降。表面剪切應力改變沖擊破壞時應力-應變傳遞方式，表面剪切應力增加，平面應變效應減弱，參與抵御沖擊應力的材料組分減少，導致沖擊強度測試結(jié)果變小。

相同牌號ABS樹脂不同測試標準的數(shù)據(jù)變化規(guī)律不一致，說明沖擊強度不僅與表面剪切應力有關，還與樣件尺寸有關。不同牌號ABS樹脂相同測試標準的數(shù)據(jù)變化規(guī)律也不一致，說明ABS樹脂結(jié)構(gòu)等對材料沖擊強度也有影響。

3 結(jié) 論

(1)奇美公司PA-709牌號橡膠相含量高，沖擊樣件注塑成型速度對測試結(jié)果影響不大，但不同測試標準(ASTM、GB)下沖擊測試結(jié)果差異較大。

(2)沖擊強度測試樣件表面剪切應力影響測試結(jié)果，剪切應力大，沖擊強度測試結(jié)果變小。降低注塑速度可以減小表面剪切應力，提高沖擊強度測試結(jié)果。

(3)不同牌號ABS樹脂在不同標準、不同樣件制備條件下沖擊強度測試結(jié)果變化規(guī)律不同，標準化的測試數(shù)據(jù)不能完全真實地反映材料的性能。