第四章塑料物理性能测试

第四章物理性能测试第一节塑料的吸水性及含水量测定前言•塑料吸水后会引起许多性能变化•电绝缘性能降低、模量减小、尺寸增大等机械物理性能的变化。•塑料吸水性大小决定于自身的化学组成•分子主链仅有碳、氢元素组成的塑料，吸水性很小，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。•分子主链上含有氧、羟基、酰氨基等亲水基团的塑料，吸水性较大。一、塑料含水量的测定•塑料中含有一定量的水分，通常以试样原质量与试样失水后的质量之差与原质量之比的百分比来表示。一般水分的存在对塑料的性能及成型加工会产生有害的影响，而且水在高温下会汽化，使制品产生气泡。•目前广泛使用的测定水分含量的方法有：干燥恒重法、汽化测压法和卡尔．费休试剂滴定法•（一）干燥恒重法•是将试样放在一定温度下干燥到恒重，根据试样前后的质量变化，计算水分含量。•（二）汽化测压法•是利用水的挥发性。在一个专门设计的真空系统中，加热试样，试样内部和表面的水蒸发出来，使系统压力增高，由系统压力的增加，求得试样的含水量。•（三）卡尔．费休试剂滴定法•用专门配制的试剂（卡尔﹒费休试剂），利用碘氧化二氧化硫时，需要定量的水这一原理来测量水分含量。二、塑料的吸水性测定•（一）定义及原理•塑料吸水的性能叫吸水性，是指塑料吸收水份的能力。•将试样浸入保持一定温度（通常温度为23℃）的蒸馏水中经过一定时间后（24h）或浸泡到沸水中一定时间（30min）后，测定浸水后或再干燥除水后试样质量的变化，求出其吸水量。•吸水性的表示方法：•以试样原质量与试样失水后的质量之差与原质量之比的百分比；单位面积试样吸收水份的量；直接用吸收的水份量。•可参照GB/T1034-2008塑料吸水性的测定。（二）试验步骤及计算1．试验步骤（见教材相关内容）2．试样的吸水质量分数试样相对于初始质量的吸水质量分数为Wm，用吸水百分率来表示，数值以%表示：100112mmmmW100132mmmmW100332mmmmW（4-3）（4-4）（4-5）（三）试样试样类型试样尺寸（mm）模塑料长、宽60mm±2mm，厚度1.0±0.1mm或2.0±0.1mm的方形试样管材直径≤76mm时，沿径向切取25mm±1mm长的一段；直径＞76mm时，沿径向切取长76mm±1mm，宽25mm±1mm样片棒材直径≤26mm时，切取25mm±1mm长的一段；直径＞26mm时，切取13mm±1mm长一段片或板材边长为61mm±1mm的正方形，厚度为1.0mm±0.1mm成品、挤出物、薄片或层压片长、宽60mm±2mm，厚度1.0±0.1mm或者2.0±0.1mm的方形试样；或被测材料的长、宽61mm±1mm，一组试样有相同的形状（厚度和曲面）各向异性增强塑料边长≤100×厚度•（四）试验设备及影响因素•1．试验设备•天平、烘箱、干燥器、恒温水浴、量具。•2．影响因素•（1）试样尺寸•（2）材质均匀性•（3）试验的环境条件•（4）试验温度三、应用举例•图4-1表明随PTT含量的增加，材料的吸水率单调降低。•PTT含量20%时，PA6/PTT体系24h和168h吸水率仅为同等吸水条件下PA6吸水率的41%和47%。•PTT有效抑制了PA6的吸水性。图4-1PA6/PTT材料的吸水曲线第四章物理性能测试第二节密度和相对密度的测定一、概念•1．密度密度是规定温度下单位体积内所含物质的质量数，用符号ρ表示。由于密度随温度的变化，故引用密度时必须指明温度，温度t℃时的密度用ρ表示。•2.相对密度相对密度指一定体积物质的质量与同温度情况下等体积的参比物质质量之比（常用的参比物为水）。•3.表观密度对于粉状、片状、颗粒状、纤维状等模塑料的表观密度是指单位体积中的质量；对于泡沫塑料的表观密度是指单位体积的泡沫塑料在规定温度和相对湿度时的质量。故又称体积密度或视在密度。二、塑料的密度及相对密度的测定•泡沫塑料以外的塑料密度及相对密度的测定可以参考国家标准GB/T1033《塑料非泡沫塑料密度的测定》相关部分。•（一）A法—浸渍法•浸渍法是基于阿基米德定律，将体积的测量转换为浮力的测量，即只要测得该物体全浸没在已知密度的浸渍液中的浮力大小，就能计算出该物体的体积，进而计算出测量物体的密度。•试样的密度大于浸渍液的密度时，按照式4-8计算。•若试样的密度小于浸渍液的密度，考虑重锤的影响，按照式4-9计算：（4-9）•式中：m0，试样的质量，g；m1，试样在浸渍液中的表观质量，g；ρ0，浸渍液的密度，g/cm3；ρs，试样的密度，g/cm3；mh0，试样与重锤在浸渍液中的质量，g；mh1，重锤在浸渍液中的质量，g。01000hhsmmmm•（二）C法—滴定法•1．测试原理•两种可互溶的不同密度的液体，其中一种液体的密度低于被测样品的密度，而另一种液体的密度高于被测样品的密度，配制成混合浸渍液。•将无气孔的具有合适形状的固体试样放入恒温的混合浸渍液中，不要使试样附有气泡，观察试样沉浮，若浮起来，则加轻浸渍液，若沉下去，则加重浸渍液，每次加完，搅拌均匀，直至最轻的试样和最重的试样悬浮在混合浸渍液中。•用比重瓶测定相应的混合浸渍液的密度，试样的密度就介于二者之间。wwILsmm•2．试验设备•天平、玻璃量筒、滴定管、恒温水浴、容量瓶、温度计、平头玻璃搅拌棒。•3.方法要求•（1）称量较低密度的浸渍液、恒温到23℃±0.5℃；•（2）将试样放入到量筒中。•（3）观察试样的现象•（4）继续滴加重浸渍液•（5）用比重瓶法来测定混合浸渍液的密度；•（6）称量已干燥的比重瓶质量；•（7）将配好的混合液装入比重瓶，在规定温度恒温•（8）称其质量。•4.影响因素•（1）试样大小•（2）试样上吸附气泡•（3）轻重两种浸渍液的选择（三）密度柱法测定密度•1．试样及浸渍液•片状、粒状或容易鉴别形状的试样，精确测量试样体积中心位置。表面应平整、清洁、无裂缝、气泡、凹陷等。•2．玻璃浮标的制备•制备直径为3~8mm、近似球形，经过充分退火的玻璃球。选择适当的溶液体系，注入量筒中，恒温。•装入被校准的玻璃浮球，搅拌均匀，如果浮标下沉，则加入密度较大的液体，反之，加入密度较小的液体，待浮标在溶液中悬浮静止不动至少30min，测定浮标保持平衡状态的液体密度，即为该浮标的密度。3．密度柱的配制图4-3配制密度柱配管装置(1．轻液容器；2．重液容器；3．电磁搅拌器；4．梯度管；5．恒温水浴)4．测定试样密度测定三个试样，用容器A中的轻液浸湿后，轻轻放入梯度柱中，高度位置处于稳定平衡，测量其几何中心高度，在所绘制的浮标密度(ρ)—浮标高度（H）的工作函数曲线图上，读取试样位于梯度柱中的高度所对应的密度值，即为该试样的密度。或用内插法计算如下:yzab.yxa•5.主要影响因素•（1）温度为了保持密度梯度管内密度梯度稳定平衡，要求温度稳定，而且恒温水浴的液面要高于密度梯度液。液面恒温水浴的控温度为±0.1℃。•（2）试样试样必须是容易确定中心位置，无空穴或其他容易形成气泡的表面缺欠。切割必须用锐利的刀片，避免由于压缩引起密度的改变。•（3）打捞试样，必须小心，以避免破坏密度梯度液密度的线性平衡。•（4）玻璃浮标的标定一定要准确。观察试样的中心位置时，通常用测高仪，如用人眼观察，一定要求水平观察口。•（5）溶液因素研究表明，对于水-乙醇体系，密度梯度柱法的重复性和重现性不明显依赖于材料本身的密度。三、应用举例•药用塑料的密度试验方法•在2002年国家药品监督管理局颁布的国家药品包装容器(材料)标准中，药用塑料容器（材料）普遍采用了密度试验方法。第四章物理性能测试第三节高分子的溶解性和溶液粘度测定一、高分子树脂的溶解性•高分子不易运动，溶解的第一步是溶剂分子渗入高分子内部，使高分子体积膨胀、溶胀，然后高分子均匀分散到溶剂中而溶解。•高分子材料的溶解性除与化学组成有关外，一般来说，相对分子质量、等规度和结晶度越大，溶解性越差。•分子链形状对溶解性也有显著影响，交联高分子一般不能溶解，只能溶胀。•材料中的添加成份也会影响其溶解性。•此外，高分子能否溶解于某种溶剂与温度有决定性关系。二、高分子溶液粘度的测定•（一）基本概念1.粘度又称绝对粘度或动力粘度，表示流体在流动过程中，单位速度梯度下所受的剪切应力的大小。2.运动粘度液体的绝对粘度与其密度之比值。3.粘度比又称溶液溶剂粘度比或相对粘度，指在相同温度下，溶液粘度η与纯溶剂粘度η0的比值。dtdr00ttr•4.特性粘度增比粘度（ηsp）：表示溶液粘度比纯溶剂粘度增加的倍数，也是无量纲量。•比浓粘度（ηsp/c）表示单位浓度的溶质所引起的粘度增大值。比浓粘度的量纲是浓度的倒数。•比浓对数粘度[(lnηr)/c]，其中c表示聚合物溶液的浓度。比浓对数粘度的量纲也是浓度的倒数。•特性粘度的定义为溶液浓度无限稀释情况下的比浓粘度（ηsp/c）或比浓对数相对粘度(lnηr)/c100rspCCrCspClnlimlim][00•（二）粘度的测定•通常测定液体粘度的方法主要分三类：•①液体在毛细管里的流出时间；•②圆球在液体里落下的速度；•③液体在同轴圆柱体间对圆柱体转动的影响。1.毛细管法•（1）测量原理及计算•在规定温度和环境压力的条件下，在同一粘度计内测定给定体积的溶液和溶剂流出时间，求得粘度。•式中：μr，相对粘度；t，溶液流经粘度计的时间，s；t0，溶剂流经粘度计时间，s。•参照GB/T1632.1-2008《塑料使用毛细管粘度计测定聚合物稀溶液粘度》标准执行。0ttr•（2）试验设备•（3）方法要求•①溶液配制；•②粘度计安装，恒温;•③消泡；•④计时；•其中溶剂要测量三次，取其平均值。•（4）影响因素•①恒温槽水浴温度的精度要求±0.05℃。•②溶液浓度对粘度的测试存在着很大的影响。选择的溶液浓度应使溶液流经时间与溶剂流经时间之比不小于1.2且小于2.0。•③测定过程中因为毛细管垂直发生改变以及微粒杂质局部堵塞毛细管而影响流经时间。若两次连续测定的溶剂的流下时间相差大于0.4s，则清洗粘度计。•④为了使不同批次的实验结果可进行比较，对不同溶剂，应选用不同的标准粘度计。使溶剂流出时间为100～130s，动能校正系数≤2×10-2，此时可不需进行动能校正计算。•2．落球法及落球粘度•（1）落球粘度•落球法是根据测定已知质量和体积的小球在被测液体中通过一定高度的液体柱所需要的时间，从而测定粘液的粘度。•（2）测量原理及计算•上图是最简单的落球式粘度计，测定钢球通过刻度所需要的时间，如果在使用前用一种已知粘度的液体进行同样的测定，二者比较即可知道被测溶液的粘度μ。•其数学表达式如下：•式中：μ，液体的粘度，Pa.s；K，粘度计常数，Pa.s.m3/Kg.s；ρ1，钢球的密度，Kg/m3；ρ2，液体的密度，Kg/m3；t，流经时间，s。tK21•（3）方法要求•①液体倒入试管内，放入适当的球，注意球上不应粘附任何气泡；•②粘液需在恒温槽内恒温15min；不同的球测量的精度是不同的；•③测天然乳胶粘度时，用0.8%氨水调胶乳之总固体为55%，其胶乳温度控制为25±1℃。•（4）试验设备•试管、恒温槽（恒温温度波动为±0.05℃）、钢球、温度计（最小分刻度值为0.2℃）、秒表（分度值为0.1秒）。•3．旋转法•基本原理：•基于浸于流体中的物体(如圆筒、圆锥、圆板、球及其它形状的刚性体)旋转，或这些物体静止而使周围的流体旋转时，这些物体将受到流体的粘性力矩的作用，粘性力矩的大小与流体的粘度成正比，通过测量粘性力矩及旋转体的转速求得粘度。•分类：•同轴圆筒内旋式粘度计、单圆筒旋转式粘度计、外筒旋转式粘度计、锥/板式粘度计等多种。图4-8NDJ-1型旋转式粘度计结构示意图•（2）基本操作•①准备被测样品，置于直径不小于70mm的烧杯或容器中，准确的控制液体的温度；•②测定前看粘度计上气泡是否在中间位置，调“0”；•③转动左右调节旋钮，使气泡调整到中间位置；•④将选配号的转子旋