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《湘潭大学》 2007年
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聚酰胺6和聚碳酸酯及其与K树脂共混体系拉伸力学行为的研究

敬波  
【摘要】: 本文在简要回顾聚合物的应力应变特性、屈服行为、脆韧转变现象以及断裂行为基本理论的基础上,从温度活化的分子活动性、应力活化的分子活动性、热历史的影响以及聚合物、聚合物共混物体系的力学行为的形态结构依赖性等方面综述了聚合物的力学行为的影响因素,进而提出了本论文工作的基本思路。 首先考察了聚酰胺6(PA6)/K树脂(K)及聚碳酸酯(PC)/K共混物在不同组成、不同的测试条件下的拉伸应力应变行为。PA6/K共混物的拉伸应力应变行为随共混组成的变化很复杂;而PC/K共混物均表现出典型的非晶聚合物应力应变特性。在一定的温度范围内,PA6/K共混物的应力应变行为均表现出良好的相似性,但随着拉伸温度的提高,PA6/K共混物应力应变曲线形状有所变化;而PC/K共混物的应力应变行为在测试温度范围内均表现出良好的相似性。在很宽的应变速率范围内,随着应变速率增大,PA6/K和PC/K共混物应力应变行为的基本特征基本不变,但应力应变曲线整体上有所提升,表现为屈服应力提高。 根据实验结果,应用Eyring方程研究了应变速率对共混物应力应变行为的影响,结果表明K树脂相的引入使PA6或PC基质比较容易达到屈服所需要的活化体积,反映了变形机理的改变。相容剂马来酸酐接枝K树脂共聚物(K-g-MAH)的加入,使得共混物应力集中因子变小,表明相容剂K-g-MAH对PA6/K和PC/K共混体系均有较好的增容作用。 以实验结果为依据,通过计算探讨了共混物拉伸过程的总成颈变形能,认为它反应了共混物组分间相容性,并应用动态力学分析(DMTA)、扫描电镜(SEM)等测试手段进行了进一步证实。 其次,观察到二次屈服现象并讨论了其形成原因与影响因素。拉伸形变过程中,含有50wt.%及70wt.%的K树脂的PA6/K共混物试样应力应变曲线上经历第一屈服点后,应力下降,然后成颈,在应变硬化过程中应力应变曲线达到第二个局部极大值点,并经过一个应力平台,发生了第二次屈服,而PA6/K其他组成的共混物则表现出普通的应力应变行为。相同组成的PA6/PS在相同的实验条件下,均未发现相似的现象。据差示扫描量热分析(DSC),大角X-射线衍射(WAXD),DMTA等测试结果,初步认为PA6/K共混物的第一次屈服是K树脂基体的屈服所致,而第二次屈服应归因于与PA6缠结的K树脂分子链中的软相(PS-co-PB)的永久塑性变形。提高拉伸温度,PA6/K共混物二次屈服现象弱化。拉伸速度提高到一定程度(200mm/min)后,不再表现出二次屈服现象。吸水率过低或过高,均不利于PA6/K共混物二次屈服行为的出现。 第三,研究了PA6/K和PC/K共混物在高速拉伸条件下的脆韧转变行为。对于PA6/K共混物,随着K树脂含量的增加,PA6/K体系将发生脆韧转变,并且体系的脆韧转变速率也越高,脆韧转变温度越低。共混物脆韧转变随应变速率变化的效应可以用相应的温度变化效应表述。对于PC/K共混物,改变K树脂的含量并未明显导致PC/K共混物脆韧转变的发生。对简支梁缺口冲击样品的细微变形过程分析表明,缺口冲击变形实际上就是一种缺口尖端附近的高速拉伸变形,在这两种方法下发生脆韧转变的机理实质上是一致的。 第四,利用单边缺口拉伸实验方法,研究了应变速率对PA6/K和PC/K共混物断裂行为的影响。测试速率对PA6/K和PC/K共混物断裂最大应力影响相似,最大应力均随着K树脂含量的增加而减小,随测试速率的对数值的增加而增加。测试速率对PA6/K和PC/K共混物断裂初始位移的影响都不大,但测试速率对PA6/K和PC/K共混物断裂扩展位移和断裂能量的影响有明显的不同。对PA6/K 80/20与PC/K 80/20共混物在不同温度下的应变速率影响研究进一步表明,温度显著地影响PA6/K与PC/K共混物的变形过程,低应变速率下聚合物共混物的断裂行为更易受相态结构的影响,高应变速率下聚合物共混物的断裂行为不是低应变速率下行为的简单外推。 第五,对带有预制裂纹试样在低应变速率下的拉伸断裂特性的研究发现,此时试样的应力应变行为与常规试样有着显著的区别,弹性形变和屈服过程之后,均表现出较为明显的成颈和撕裂特征。研究表明,对于PA6/K体系,K树脂能显著地改善PA6材料的抗裂纹扩展能力,K-g-MAH的加入可以进一步使PA6/K共混物的裂纹阻力和塑性变形能量吸收能力均得到了提高。能量拆分的结果表明, PA6/K共混材料断裂行为的差异主要决定于材料屈服阶段的行为。对于PC/K体系,K树脂的加入并不能显著地影响PC断裂的裂纹扩展与塑性变形过程。能量拆分的结果表明,K-g-MAH的加入对PC/K共混物韧性的提高主要来自于屈服阶段抗裂纹扩展能力的改善。
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TQ317.4

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