试样厚度对聚乙烯拉伸性能的影响

温 原，毛现朋，徐科杰

（浙江瑞堂塑料科技股份有限公司，浙江 宁波 315323）

0 前言

聚乙烯可通过注塑、压塑、挤出、滚塑等多种成型方式加工成塑料制品，基于应用要求的不同，制品壁厚差异性很大，挤出薄膜的厚度可以薄到0.1 mm，滚塑容器的壁厚可厚到30 mm。在很多塑料制品的设计规范中，材料的拉伸性能和制品壁厚多为独立的两个因素［1‑3］。拉伸性能是高分子材料的基本特性，测试结果受到温度、湿度、应变速率、试样形状等多种因素的影响［4］，各测试标准中均对这些影响因素有着严格的规定［5］。

聚合物试样厚度是拉伸性能的影响因素之一。关永安等［6］测试了厚度在4.1～5.17 mm间的玻璃钢材料的拉伸性能，发现拉伸强度随着厚度的增加而下降。隋国勇［7］测试了1～4 mm厚度的硫化橡胶的拉伸性能，发现拉伸强度和断裂伸长率均随着厚度的增加而下降。焦立奎［8］发现，在压塑成型聚乙烯试样中，拉伸断裂应力随试样厚度的增加而减小。Marchal［9］发现试样厚度由0.3 mm增加到2.5 mm时，等规聚丙烯比基本断裂功显著降低。张冬初［10］发现，对PE‑HD/PC/POE‑g‑MAH共混材料而言，在过渡状态下其比基本断裂功随试样厚度的增加而降低，而比塑性功随试样厚度的增加而略有升高。另外，很多塑料制品的力学性能测试，需要在制品上采样，在实际操作中，发生很多测试结果和材料标准制样方式下测试结果的差异［11］，目前对于这些差异的解释过于笼统，没有说服力。

本文研究试样厚度对高分子材料拉伸性能的详细影响作用，可为塑料制品设计的可靠性提供依据，具有一定的意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

线形低密度聚乙烯（PE‑LLD），R546U，熔体流动速率为5g/10min，密度0.935g/cm3，中石化镇海炼化公司。

1.2 主要设备及仪器

热熔压片机，SEIMIT‑YP‑303，东莞市精建自动化设备有限公司；

电子万能试验机，WDT‑W，承德精密试验机有限公司。

1.3 样品制备

模压法：将材料放在压片机模具中，温度220℃，时间15 min，压力3.5 MPa，使用水冷至80℃脱模，制备出不同厚度的样片；

将试样裁剪成1BA型哑铃状试样备用，试样宽度为5 mm。

1.4 性能测试与结构表征

拉伸性能按照GB/T 4010.1—2018进行测试，试样环境（23±2）℃，相对湿度50%，试验速率为20 mm/min，夹具间距离60 mm，每个厚度的样片测试5次；

上屈服强度和下屈服强度及其应变按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》定义的方法进行计算；

吸收能测试：将拉力‑位移数据导出到Origin Pro 2018软件中，求得位移‑拉力曲线下的积分面积，使用式（1）计算吸收能（EB）；

式中 F——拉力，N

l——位移，m

lB——试样屈服时的位移，m

当lB为上屈服强度或下屈服强度时的位移时，得出的吸收能为上屈服吸收能或下屈服吸收能。

聚乙烯典型的拉伸曲线及其指标说明见图1。

图1 聚乙烯拉伸试验的典型曲线Fig.1 Typical curve of polyethylene tensile test

2 结果与讨论

2.1 试样厚度对上屈服强度的影响

在高分子材料的拉伸试验中，拉伸屈服应力通常指上屈服强度。上屈服强度表征了材料在瞬时效应下发生屈服时的最大作用力，代表着材料受到短时快速应力作用时的抗变形能力。

从图2可知，随着试样厚度的增加，上屈服强度先增加后降低然后再次增加，上屈服应变趋势相反，趋势转变点为1 mm和3.4 mm。上屈服强度和上屈服应变的相关性很强，因此对上屈服吸收能和试样的截面积进行拟合，发现符合线性规律（图3），相关系数R2=0.999 4，拟合方程为式（2）：

图2 试样厚度对上屈服强度的影响Fig.2 Effect of sample thickness on upper yield strength

图3 试样截面积和上屈服吸收能的关系Fig.3 Relationship between upper absorption energy and sample cross‑sectional area

式中 EyH——上屈服吸收能，J

S——试样截面积，mm2

式（2）显示，聚乙烯拉伸过程中，在应变速率、温度等其他因素不变的情况下，使试样达到屈服的单位面积能量是恒定的。因此，上屈服强度的增加，必定带来上屈服应变的减少。因上屈服强度和厚度之间不存在简单的对应关系，在工程应用中，直接使用上屈服强度作为设计依据，是存在隐患的，使用上屈服吸收能可改善这一问题。

2.2 试样厚度对下屈服强度的影响

从图4可知，随着试样厚度的增加，当试样厚度≤1 mm时，下屈服强度增加，下屈服应变减小；当试样厚度≥1 mm时，下屈服强度下降，下屈服应变基本保持稳定。和上屈服情况类似，下屈服吸收能和试样的截面积也符合线性规律（图5），相关系数R2=0.996 5，拟合方程为式（3）：

图4 试样厚度对下屈服强度的影响Fig.4 Effect of specimen thickness on lower yield strength

图5 试样截面积和下屈服吸收能的关系Fig.5 Relationship between lower yield absorption energy and specimen cross‑sectional area

式中 EyL——下屈服吸收能，J

S——试样截面积，mm2

通常情况下，高分子材料不区分上屈服强度和下屈服强度，但是下屈服强度才是材料的保证强度，代表着当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力，这在金属制品的设计中是常见的［12］，在塑料制品的设计中，往往被忽略，或直接使用上屈服强度来表征材料的抗变形能力。

此外，Bradley［13］指出，上屈服强度和下屈服强度的比值与高分子的慢速裂纹扩展性能相关。图6给出了试样截面积和上下屈服强度比的关系，可以看出，当试样厚度≥1.5mm后，上下屈服强度比线性增大（R2=0.9993），这意味着，当使用上屈服强度来表征材料特性时，安全系数会随着厚度的增加而降低，给塑料制品使用带来设计隐患。

图6 试样截面积和屈服强度比的关系Fig.6 Relationship between yield strength ratio and sample cross‑sectional area

2.3 试样厚度对断裂强度的影响

如图7所示，随着试样厚度的增加，当试样厚度≤1 mm时，断裂强度和断裂应变均增加；当试样厚度在1～3 mm之间时，断裂强度下降，但保持了较高值，断裂应变基本不变；当试样厚度≥3 mm时，断裂强度和断裂应变有明显的下降。在测试厚度范围内，断裂强度和断裂应变的变化基本是同趋的。

图7 试样厚度对断裂强度的影响Fig.7 Effect of sample thickness on fracture strength

2.4 试样厚度对拉伸模量的影响

选取应变≤10%的数据，以应变差为0.002的数据进行线性回归，计算切线模量并作图（为了体现低应变区的细节，横坐标选取了对数坐标）。从图8可看出，聚乙烯的模量呈现两种不同的类型，当试样厚度≤1 mm时，切线模量先随应变的增加而增加，后随应变的增加降低，切线模量存在极大值。随着试样厚度的增加，切线模量达到极大值的相应应变有减小的趋势。当试样厚度≥1 mm后，切线模量随着应变的增加单调减小，且切线模量开始下降时的应变均≤0.000 5。

图8 试样厚度对切线模量的影响Fig.8 Effect of sample thickness on tangent modulus

试验结果显示，按照国家标准GB/T 1040.1的要求，在应变为0.000 5和0.002 5阶段计算材料的拉伸模量，数值将会偏小，同时并不能反映材料的真实特性。

理论上，拉伸模量是指材料处于完全弹性阶段的应力应变比，此阶段中，材料的应力应变规律遵循Hooke定律。从这个意义上看，当试样厚度≤1 mm时，试验所用的聚乙烯并不存在完全弹性阶段，而当试样厚度≥1 mm时，聚乙烯的弹性段终止应变远小于0.000 5，完全弹性段可以忽略。

如选取应变≤10%时的最大切线模量作为拉伸模量的替代，和试样厚度作图可得图9。

图9 不同试样厚度下的拉伸模量Fig.9 Tensile modulus at different specimen thicknesses

从图9可知，拉伸模量随厚度先增大后减小，试样厚度对拉伸模量的影响较大，最高模量是最低模量的2倍左右。这一现象，为塑料制品的设计工作带来困难。在有限元分析中，通常情况下，拉伸模量是一个定值，通过结构或厚度的调整可改善制品的刚性，默认拉伸模量是和厚度无关的，拉伸模量随着厚度的增加下降，给设计的有效性带来了隐患。

3 结论

（1）聚乙烯材料的拉伸性能受制品厚度的影响较大，在制品设计时应考虑厚度影响；薄壁制品（厚度≤1 mm）和厚壁制品（厚度>1 mm）的影响趋势不一致；

（2）聚乙烯单位面积的屈服吸收能和厚度无关；

（3）目前的塑料制品设计中，不考虑厚度对性能的影响，使得设计结果存在隐患。