温度对聚丙烯蠕变失效行为影响的研究

2024年4月2日发(作者：英语二真题)

2017年第4期

勘探开发

温度对聚丙烯蠕变失效行为影响的研究

文旸

1  

孙宛璁

2

1.西南交通大学附属中学 成都 610031

2.清华附中 北京 100084

摘要：对聚丙烯的临界失效应变现象进行了描述，并研究了结晶性高聚物聚丙烯在不同温度、不同应力以及有无退火

处理的条件下的蠕变行为。研究发现：聚丙烯在蠕变的过程中受温度、应力和退火等外界因素影响较大。升高温度和增大应

力，材料抗蠕变性能下降，蠕变失效时间缩短。对聚丙烯进行热处理，结晶度提高，可以明显提高聚丙烯的抗蠕变性能。同

时，通过DSC测试处于不同形变量的聚丙烯试样的结晶度变化，发现随着形变量的增加，材料的结晶度呈增加的趋势。

关键词：聚丙烯蠕变 外界条件 临界失效应 变结晶度

Effect of temperature on creep failure behavior of polypropylene

Wen Yang

1

，Sun Wancong

2

filiated Middle School of Southwest Jiao Tong University,Chengdu，610031

Abstract：he critical failure strain of polypropylene is described, and the creep behavior of crystalline polypropylene at different 

temperatures, stress and annealing conditions is studied. It is found that the influence of external factors such as temperature, stress 

and annealing in the process of creep is larger. With the increa of temperature and stress, the creep resistance of the material decreas 

and the creep failure time is shortened. The creep resistance of PP can be obviously improved by heat treatment and crystallinity. At 

the same time, the crystallinity of polypropylene samples with different shapes was tested by DSC. It was found that the crystallinity 

incread with the increa of the shape variables.

Keywords：Polypropylene creep；External conditions；Critical failure stress；Variable crystallinity

聚丙烯（PP）与其他的通用塑料相比较，具有较好的

综合性能，目前PP已经成为发展速度最快、产量最大、

牌号最多、用途最广的合成树脂之一。但其缺口冲击强

度，低温易脆裂等缺点限制了其使用范围。聚丙烯属于结

晶态高聚物，在长期的使用和贮存过程中会发生物理老

化，进而导致聚集态发生变化，引起力学性能下降，发生

蠕变以及应力松弛，当蠕变量达到一定时失去了其使用价

值，导致失效。高聚物在使用过程中通常会受到温度，应

力，还有是否经过热处理的影响，分析蠕变过程中单因素

对于聚合物结晶度的影响有重大意义。本章考察了温度对

聚丙烯蠕变过程中结晶度的影响。

1.3 样品制备

1）按照国家标准对原料进行外观检查

2）实验流程：

将聚丙烯粒料于80℃温度下烘4小时，进行干燥处理；然

后通过注塑标准得到样条以供测试。具体尺寸如表2所示。

3）工艺参数

注塑工艺参数如表3所示。

表3 注塑工艺参数

计时器

注射温度

闭模

开模

注射

TM1注射/s

15.0

喷嘴

195

CV1闭模速度

55%

OV3缓慢速度

25%

EV1先前速度

TM2保压/s

25.0

第三段

200

TM3周期始/s

3.0

第二段

190

第一段

170

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

PP：T30S，兰州石化有限公司

CV2缓慢速度CP2减小应力

15%

60%

ETC（s/支）

1

V2

12%

S1（mm）

30

P2

35%

V1

12%

SM（mm）

52

P1

35%

VS

50%

SD（mm）

2

TP2（s）

3

40%

0.5

OV2开模速度OT2预开模时间/s

1.2 主要设备

表1 实验仪器、型号及制造商

仪器设备型号制造商

注塑机

差示扫描量热仪

多功能应力老化试验机

PS40E5ASE

Q20

/

日津树脂工业株式会社

美国TA公司

自制

10%

V3

注射速度

12%

S2（mm）

10

注射压力P3

35%

表2 试样尺寸

符号

L

H

C

G

0

名称

总长（最小）

夹具间距离

中间平行部分长度

标距（或有效部分）

尺寸/mm

150

115

60

50

公差

/

±5.0

±0.5

±0.5

符号

w

d

b

r

名称

端部宽度

厚度

中间平行部分宽度

半径（最小）

尺寸/mm

20

（4）

10

60

公差

±0.2

/

±0.2

/

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勘探开发

1.4 测试与表征

1.4.1 蠕变性能测试

将试样置于多功能应力老化机进行试验。多功能老化机

的构造如图1所示，通过控制温度研究材料的蠕变性能。温度

可控范围为：-40~120℃本论文中所进行测试得到的应变为材

料变形的名义应变或工程应变，它与真实应变的关系为：ε

＝ln（1＋ε

0

），其中ε

0

为名义应变，ε为真实应变。

1

3

2

4

5

1.控温装置 2.紫外灯 3.夹具 4.试样 5.动力系统

图1 多功能应力老化机示意图

1.4.2 DSC结晶度测试

取用测试样品5mg左右，在N

2

气氛保护下，以10℃/

min的升温速率从40℃升到200℃，得到熔融曲线，标定

物为铟。通过计算熔融热焓来得到结晶度，计算公式为

χ=△Hm/△H

0

，其中△H

0

为结晶度为100%的材料的理想

熔融热焓，对于PP来讲，△H

0

=209 KJ/Kg ，△Hm为测试

所得到的熔融热焓。

1.4.3 拉伸性能测试

为降低实验误差，同样使用多功能老化机测试材料

的拉伸强度。拉伸速率分别采用10mm/min、30mm/min和

50mm/min。

2 结果与讨论

高聚物的蠕变行为是其特有粘弹性的典型表现，不仅与

自身结构有关，还与外界条件密切相关，是一种典型的力学

松弛现象，其实质是材料在一定条件下内部运动单元对外力

的协同响应。我们研究不同条件对聚丙烯蠕变过程的影响，

并考察试样蠕变达到不同形变量时，其结晶度的变化。

2.1 温度对聚丙烯蠕变失效的影响

高聚物蠕变失效的过程中，温度的影响非常明显。

由之前的工程应力应变曲线可以知道：25℃，60℃，

100℃时，材料的屈服应力差别很大。为了观察到明显

的三级蠕变现象，只能选取较近的温度区间进行对比

实验。如图2所示，对材料施加640N压力时，25℃的情

况下，经过15000s后仍然没有发生明显的蠕变，达不到

失效的程度；升高温度至50℃，在相同应力条件下经

过约25000s才会发生明显的蠕变失效；继续升高温度

至55℃，发生蠕变失效的时间锐减到5000s；接着升高

温度至60℃，相同应力条件下经过约1000s材料发生失

效，同时可以观察到明显的三级蠕变。

从上述的实验结果可以看出，升高温度对蠕变失效的

发生有明显的促进作用，原因有以下几点：（1）因为聚

丙烯属于结晶高聚物，蠕变的发生为晶区和非晶区共同作

用的结果，温度对非晶区的作用更加明显。当温度低于玻

璃化转变温度时，链段运动比较困难，蠕变量很小；随着

温度升高，高于了玻璃化转变温度，链段运动变得容易，

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蠕变失效时间大大缩短；（2）随着温度的升高，材料的

自由体积增大，分子链运动能力提高，当受到恒定应力

时，加速了蠕变失效的发生。

图2 640N，不同温度时聚丙烯试样的蠕变曲线

2.2 温度对聚丙烯临界失效应变的影响

如图3所示为640N压力，不同温度下聚丙烯试样的临

界失效应变。从图中可以明显的观察到临界失效应变。

通过作图可以发现在50℃、55℃和60℃下，当形变量达到

16%后，形变量的变化率会急剧增大，但是临界失效应变

值不会随着温度的变化而变化，温度的升高只是加快了蠕

变的速率，对于临界失效应变的大小没有明显影响。

图3 640N，不同温度下聚丙烯试样的临界失效应变

3 结束语

1）聚丙烯在蠕变过程中受温度、应力等外界因素影

响较大，随着温度的升高，应力的增大，它的蠕变变形能

力提高，抗蠕变性能降低，蠕变失效时间变短，两种因素

共同作用加速蠕变失效乃至破坏的发生。

2）临界失效应变的发生与聚丙烯屈服有很大的关

系，临界失效应变值与材料的屈服缩颈时的应变值相近。

可以通过实验所得到的材料的临界失效应变值，预测出聚

丙烯材料的使用寿命，为人们预测聚丙烯材料的服役寿命

提供一个新的途径，具有重要的理论价值和实用价值。

3）论文研究的只是温度对蠕变过程中蠕变失效的影

响，同时晶体的晶型也对其有影响，可以通过进一步的实

验探究这方面的影响。

参考文献

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学，2006.

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