分享：PETG悬臂梁冲击强度测定的主要影响因素

第三单体（二元醇）改性PET共聚酯（PETG）是一种非结晶性共聚酯，是聚合时分子链中一定量的乙二醇被1，4-环己烷二甲醇（CHDM）、新戊二醇（NPG）等取代后的新型共聚酯产品。最常见的PETG主要就是聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯（CHDM-PETG）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-新戊二醇酯（NPG-PETG）。PETG可预防结晶化，进而有利于加工制造和改善透明度，可采用传统的挤出、注塑、吹塑及吸塑等加工成型方式，广泛应用在化妆品包装、医疗器械和家用器皿等领域[1-5]。PETG在这些应用场景下不可避免地存在磕碰、掉落等受力问题，而冲击强度测试能够有效评价塑料抵抗冲击的能力，判断塑料的脆性或韧性程度[6]，因此冲击强度可以反映PETG材料抵抗高速冲击而致其破坏的能力。常用的冲击强度测试方法有悬臂梁冲击和简支梁冲击，这些方法在试验标准、冲击强度范围、试验方法、试样规格、冲击锤头/冲击方法等方面均存在明显差异，因而在冲击结果方面就会存在一些差别。与简支梁相比，悬臂梁因为只有一端支座而无法消散部分外部力，所以在相同的冲击力作用下，悬臂梁的冲击响应会更强烈，更容易受到冲击力的影响，也更加符合磕碰、掉落等受力的情况，更能表现特殊受力情况下的寿命问题，因此悬臂梁冲击强度是PETG最为重要的评价指标之一。然而，也正因为悬臂梁的冲击响应更强烈，不可避免地存在稳定性和重复性的问题，如实际试验中就发现其测试数据无法和简支梁冲击强度相比，更无法和拉伸、弯曲等力学试验结果相比，造成悬臂梁冲击强度测试结果无法给研发人员提供有利的参考，因此急需对其进行深入考察，优化并确定悬臂梁冲击试验方法[7-8]。 

PETG的悬臂梁冲击强度测试主要依据标准ASTM D256-24《测定塑料抗悬臂梁锤冲击性的试验方法》和GB/T 1843—2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》，这两个标准在试样尺寸、缺口、状态调节、摆锤选择等方面都存在一定的差异，因此可通过设计PETG的悬臂梁冲击试验来考察和验证相关影响因素及其影响程度，从而得出影响PETG悬臂梁冲击性能测试的关键因素及最佳测试条件，为进一步提高PETG性能评价的可靠性和一致性提供参考。 

1.   试验方案

1.1   试验仪器与材料

试验仪器为：摆锤冲击试验机；注塑机；缺口型制样机；工业鼓风干燥箱。试样材料为PETG粒子。 

1.2   试验方法

制样方法：试样均采用精密注塑成型机制备，标准GB/T 1843—2008中规定试样尺寸（长度×宽度×高度）为（80±2） mm×（10.0±0.2） mm×（4.0±0.2） mm；标准ASTM D256-24中规定试样尺寸（长度×宽度×高度）为（63.5±2.0） mm×（12.70±0.20） mm×（3.2±0.2） mm，以模塑直接成型方式制作缺口或试样机械加工缺口，缺口尖角为（45±1）°，缺口底部半径为（0.25±0.05） mm，试样制备条件如表1所示。 

测试与表征：主要采用标准ASTM D256-24进行影响因素评价。将试样缺口中心正对刀片刀口位置后，将试样固定，将刀片放置于缺口前1 mm，且不固定，冲击摆锤能量为2.75 J，测试5组试样，取平均值，将相对标准偏差（RSD）控制在5%以内。 

2.   试验结果与讨论

2.1   试样尺寸的影响

ASTM D256-24和国标GB/T 1843—2008悬臂梁冲击强度的测试方法都明确注明了试样尺寸的要求，因此实际测试过程中，试样宽度、厚度是必须评估的影响因素之一[9]。两个标准试样经过25次以上的截面积测试，平均值分别为42.2（相对标准偏差为0.33%），41.1 mm2（相对标准偏差为0.20%），悬臂梁冲击强度的测试平均值分别为5.9 kJ/m2（相对标准偏差为3.65%）、61.1 J/m（相对标准偏差为4.84%），均满足标准相对标准偏差小于5%的要求。由此可知，试样截面积的微小变化对冲击强度影响有限，试样注塑精度完全满足悬臂梁冲击强度的测试需求。 

2.2   试样缺口成型工艺的影响

分别比较了注塑缺口工艺和机械加工缺口成型工艺对悬臂梁冲击强度的影响。由图1可知：机械加工试样的冲击强度测试平均值为34.2 J/m（相对标准偏差为6.93%）；而注塑缺口试样的测试平均值为62.9 J/m（相对标准偏差为4.39%），两个测试结果相差2倍左右。这主要是由于注塑缺口表面完整，且注塑时低聚物质受热游离至表面，形成保护层；而机械加工缺口容易使试样缺口处产生应力集中和微裂纹，从而影响应力分布和材料的整体冲击强度，造成缺口试样的冲击强度偏低[10-11]。因此缺口成型工艺是PETG产品在设计和制造过程中必须考虑的因素之一，若一定需要缺口设计，应尽量采用注塑缺口工艺，以确保产品的冲击强度符合性能要求。 

图  1  缺口成型工艺对冲击强度的影响

2.3   试样缺口尺寸的影响

注塑缺口尺寸和机械加工缺口尺寸与悬臂梁冲击强度的关系如图2所示。由图2可知：缺口尺寸为（2.54±0.05） mm时，冲击强度稳定波动（稍变大趋势），然后会快速降低，尺寸增大约0.1 mm，冲击强度降低16.4%，这主要是由于注塑过程中分子量较小的低聚物或链式结构的物质更加容易在注塑过程中受热游离至表面，从而造成表面韧性更强，在注塑缺口较小时，表面韧性与缺口尺寸达到一定的平衡（甚至在缺口处堆积），一旦缺口尺寸大到足以打破这个平衡，便会使冲击强度迅速降低；而机械加工缺口尺寸变大将会使冲击强度一直呈抛物线下降的趋势，这主要是因为缺口尺寸增大的同时大大增加了应力集中和出现裂纹的可能性，因此应尽量将缺口尺寸控制在标准要求的范围，以保证测试结果的稳定性和减小测试误差。 

图  2  注塑缺口尺寸、机械加工缺口尺寸与悬臂梁冲击强度的关系

2.4   刀片夹持方式的影响

冲击强度测试结果的重复性和稳定性均较差的主要原因之一可能是刀片固定方式，为了评估这个影响因素，对同一批试样进行两种形式的测试：① 将试样缺口中心正对刀片刀口位置后将试样固定，将刀片轻推至缺口处固定；② 将试样缺口中心正对刀片刀口位置后将试样固定，将刀片放置于缺口前1 mm且不固定。两种刀片夹持方式测试结果如表2所示。由表2可知，刀片固定时会引入一种固定力，该作用力存在大小差异，冲击测试需要抵消这部分作用造成结果的波动性（刀片未固定时相对标准偏差为3.57%，刀片固定时相对标准偏差为15.9%）。因此，为消除刀片夹持的影响，统一将刀片放置于缺口前1 mm且不固定，以确保测试结果的准确性和可靠性。 

2.5   存储环境的影响

环境会调整试样状态并改变试样的性能，因此环境对冲击强度也会产生一定的影响[12]。因此设计将试样分别置于高温高湿（温度为85 ℃，湿度为85%RH）、恒温恒湿（温度为23 ℃；湿度为50%RH）、低温（温度为－30 ℃）下保存48 h，再恢复至恒温恒湿2 h后测试，分析不同存储环境对试样冲击强度的影响。不同刀片夹持方式下的冲击强度测试结果如表3所示。由表3可知：高温高湿环境对试样冲击强度的影响是显著的，冲击强度的减小幅度比低温/恒温存储条件下更显著，这种变化可能是由多种因素综合作用导致的，高温高湿条件下材料存在一定的老化过程，进一步降低了材料的冲击强度，低温环境一定程度上增加了材料的脆性，2 h的平衡时间还不能使材料恢复到恒温恒湿的状态。因此，为获得真实的悬臂梁冲击强度测试结果，在测试前应将测试试样在合理条件下保存并充分平衡。 

2.6   标准方法的影响

ASTM D256-24和GB/T 1843—2008都用于评估悬臂梁的冲击性能，但它们在试样尺寸、计算方式、测试意义等方面可能存在一些差异，如ASTM D256-24试样规格（长度×宽度×高度，下同）为63.5 mm×12.7 mm×3.2 mm，GB/T 1843—2008试样规格为80 mm×10 mm×4 mm。在控制以上影响因素的情况下分别按照ASTM D256-24和GB/T 1843—2008中的方法测试悬臂梁冲击强度，并根据试样实际尺寸（及2 mm缺口）进行单位换算，结果如表4所示。由表4可知：将GB/T 1843—2008方法所得结果换算成ASTM D256-24方法的结果是ASTM D256-24实测结果的75.1%，将ASTM D256-24方法所得结果换算成GB/T 1843—2008方法的结果是GB/T 1843—2008实测结果的99.6%，前者未通过t检验要求，后者通过t检验要求，这主要是由于试样尺寸及其计算方式存在差异。由于美标换算成国标的结果具有高度一致性，且两个标准测试过程也具有高度的一致性，因此对ASTM D256-24的探讨同样适用于GB/T 1843—2008。 

2.7   成分的影响

以CHDM型PETG为研究对象，为考察某个单体物质含量的影响，试样制备过程中严格控制其他各组分含量，改变某一单一组分含量，测试其悬臂梁的冲击强度，通过控制最终试样的特性黏度±0.015 dL/g来保证试样的聚合度，然后测试其悬臂梁的冲击强度（见表5）。由表5可知：适当降低乙二醇（EG）、二乙二醇（DEG）含量或是增加CHDM的含量可以提高悬臂梁的冲击强度，如当EG的质量分数从18.5%（试样C）减小至17.5%（试样A）、DEG的质量分数从1.0%（试样A）减小至0.6%（试样D）或CHDM的质量分数从17.4%（试样A）增大至18.0%（试样B）时，悬臂梁的冲击强度分别从78 J/m升高至88 J/m（增强12.8%）、从88 J/m升高至100 J/m（增强13.6%）、从88 J/m升高至106 J/m（增强20.4%）。因此成分（如EG、DEG、CHDM）的种类和含量也是影响悬臂梁冲击强度的主要因素之一。 

2.8   室内和室间比对结果

为保证测试结果的准确性和一致性，开展室内、室间比对和验证，实验室内3人对同一批试样进行测试，得到冲击强度平均值分别为63.0（平均标准偏差为2.97%），60.4（平均标准偏差为4.63%），62.2 J/m（平均标准偏差为3.57%）；和第三方实验室开展室间比对，在相同测试条件下对3种不同的试样（试样1，2，3）进行测试，结果如表6所示。对试样1，2，3的测试结果比值均约为1.02，室内和室间结果通过F检验和t检验，满足室间比对结果的要求，同时实验室还以满意的结果通过了能力验证项目：NIL PT-4559塑料悬臂梁冲击强度的测定。这些充分证明实验室具备开展对PETG悬臂梁冲击性能测试的能力。 

2.9   不同类型PETG试样的测试结果

经过方法优化和确认，最终将悬臂梁冲击强度应用于10种不同类型（5种CHDM型、5种NPG型）PETG试样中，测试结果如表7所示。由表7可知：NPG型试样整体比CHDM型试样的冲击强度低50%左右，这主要是由于CHDM型是环状结构，该结构的刚性比NPG型大。CHDM型PETG试样的冲击强度为85~112 J/m，平均值为98.6 J/m；NPG型PETG试样的冲击强度为41~62 J/m，平均值为51.1 J/m，得到RSD整体均小于5.0%（n=5），因此悬臂梁的冲击强度和其材料的成分直接相关，如果在进行试样分析时，冲击强度有明显改善或变化，建议对材料的成分进行识别和定量。 

3.   结论

笔者考察了不同标准测试方法、试验设备、试样尺寸、缺口成型工艺及其尺寸、刀片夹持方式、人员、环境、成分种类和含量对悬臂梁冲击强度测试的影响，得到采用标准、缺口成型工艺及其尺寸、刀片夹持方式、成分种类和含量是其主要影响因素。因此，选择合适的试验仪器和遵循正确的操作方法对于获得准确的冲击强度至关重要。同时，也需要注意试验过程中的各种影响因素，并采取相应的措施来减小误差和提高测试精度。 

通过对5种CHDM型PETG和5种NPG型PETG的测试，得到PETG悬臂梁冲击强度和第三单体种类有直接相关的关系，因此如果悬臂梁冲击强度有明显改善或变化，建议对成分种类和含量进行筛查和定量，以为产品性能差异原因与相应物质含量关系等的深入研究奠定基础。

文章来源——材料与测试网