塑料容器測試

　　塑料容器根據(jù)原料和加工成型方法不同分類較多。塑料容器與木材、金屬和玻璃陶容器相比具有重量輕、柔軟性和彈性良好，耐化學(xué)藥品腐蝕性強(qiáng)，易成型和批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

　　為了確保塑料容器的質(zhì)量，對塑料容器進(jìn)行測試是必要的。需要測試的項(xiàng)目很多，此講重點(diǎn)介紹塑料容器力學(xué)性能和強(qiáng)度測試，其主要測試項(xiàng)目如圖1。

　　應(yīng)力－應(yīng)變試驗(yàn)是所有力學(xué)試驗(yàn)中使用zui廣泛的一種試驗(yàn)，具有一定的實(shí)用性。應(yīng)力－應(yīng)變曲線與試驗(yàn)類型有關(guān)，可通過拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)獲得。

一、拉伸試驗(yàn)

1基本原理

　　拉伸試驗(yàn)是在規(guī)定的試驗(yàn)溫度、濕度與試驗(yàn)速度下，在試樣上設(shè)軸向施加拉伸載荷，測定應(yīng)力－應(yīng)變曲線，直至破壞，如圖2所示。

　　圖3所示為以一定的變形速度測定的塑料包裝材料各種應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖。圖a是脆性材料；圖b是硬且塑性的材料；圖c是粘彈性材料的典型曲線。

2試驗(yàn)設(shè)備

　　根據(jù)拉伸試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷測定的方式不同，拉伸試驗(yàn)機(jī)可分為兩種：一種是用杠桿和擺錘組合的拉伸試驗(yàn)機(jī)；另一種是用轉(zhuǎn)換裝置將負(fù)荷大小轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦柕淖詣佑涗洔y力系統(tǒng)做成的電子式拉伸試驗(yàn)機(jī)。無論哪一種類型的試驗(yàn)機(jī)，更換夾具后都可以進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等各項(xiàng)常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)。如附加高低溫裝置，還可以進(jìn)行高低溫條件下的力學(xué)性能測試。

①擺錘式拉伸試驗(yàn)機(jī)

　　該機(jī)工作原理如圖4所示。試樣受力變形時，作用在上夾頭的力通過AB和CD兩級杠桿傳遞，帶動擺錘繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動而抬起。AB杠桿有兩個支點(diǎn)，試樣受拉力時以A點(diǎn)為支點(diǎn)，B點(diǎn)脫開；受壓力時便會自動更換為B點(diǎn)為支點(diǎn)，而A點(diǎn)脫開。這樣無論拉伸和壓縮總使擺錘向一個方向擺動。擺桿推動水平齒桿使齒輪和指針轉(zhuǎn)動，指針旋轉(zhuǎn)的角度與試樣所受的力成正比?？潭缺P上的數(shù)字即是試樣受力的大小。

　　加載方法可以采用機(jī)動和手搖裝置；速度調(diào)節(jié)可以采用無級變速裝置。一般的試驗(yàn)機(jī)可以更換3～4種擺錘重量，測力度盤上也對應(yīng)有3～4種刻度，分別表示其測力范圍。

②電子式拉力試驗(yàn)機(jī)

　　一般電子式拉力試驗(yàn)機(jī)的工作原理（如圖5）所示。試樣變形所承受的力，通過力傳感器中的電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電訊號，經(jīng)過X－Y記錄器的X軸。小變形測量用差動變壓器測量，訊號經(jīng)放大后輸入X－Y記錄器的Y軸。這樣就可以在記錄器上自動描繪出載荷－變形曲線；大變形測量是通過裝在大變形測量變速箱上的發(fā)送自整角機(jī)和裝在X－Y記錄器上的接收自整角機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。

　　橫梁速度的控制和調(diào)整是由同步電機(jī)、速度給定自整角機(jī)、相敏放大、直流電機(jī)、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)組、測速發(fā)電機(jī)組成的隨動系統(tǒng)來完成的。循環(huán)裝置是使用兩個行程開關(guān)，使橫梁在這兩個行程開關(guān)所限定的行程內(nèi)往返運(yùn)動從而達(dá)到變形循環(huán)。

3.拉伸試驗(yàn)時常用測量變形的裝置

①差動變壓器測長計
它是一種接觸式的測量變形裝置。其原理如圖6所示。
它由一個初級線圈W1和兩個*對稱的次級線圈W2、W3及一個鐵芯所組成。當(dāng)在初級線圈上加上一個交流電壓U時，兩個次級線圈中便分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢E 1和E 2。E 1和E2的大小是隨鐵芯位置的改變而變化的。因此，將差動變壓器測長計外殼固定在試樣一標(biāo)線上，而與鐵芯有的一端固定在試樣另一標(biāo)線上，當(dāng)試樣伸長時，鐵芯就發(fā)生位移，根據(jù)E 1、E 2大小的變化，通過放大，在記錄器上可以直接讀出試樣變形的大小。也可以在X－Y記錄器上與載荷訊號組成載荷－變形曲線。差動變壓器測長計的測量范圍一般在0～20mm。

②滑線電阻式測長計
它也是一種接觸式的測變形裝置。試驗(yàn)時將滑線電阻架上的兩個夾子夾在試樣的標(biāo)線上，試樣伸長時，帶動兩個夾子移動，夾子的另一端有滾輪在滑線電阻上滾動，這樣兩個夾子之間的電阻值也隨之改變，通過由滑線電阻組成的測量電橋，可測得試樣伸長數(shù)值。其測量范圍一般在0～300mm。

③鏡式引伸儀
鏡式引伸儀是一種應(yīng)用光學(xué)原理測量小變形的儀器。它的構(gòu)造如圖7所示。
用彈簧夾將支架4的固定刀刃1和菱形活動刀刃2卡緊在試樣上，兩刀刃之間的距離l為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)試樣伸長Δl時，活動刀刃將繞其頂點(diǎn)o轉(zhuǎn)動一個小角度θ，由圖8可得出Δl。
　　Δl=asinθ……?。?）
式中：α為菱形刀刃對角線的長度。
除了上述3種測變形的裝置外，還有測量小變形的接觸式百分表引伸儀，杠桿式引伸儀等。還有測量大變形的無接觸式的光電追蹤伸長計，它可以將測得的伸長數(shù)值轉(zhuǎn)化為電訊號與載荷電訊號在記錄器上組成載荷－變形曲線。

4影響拉伸強(qiáng)度的因素

①試樣尺寸形狀的影響

　　在拉伸試驗(yàn)中，對硬板材料的啞鈴形試樣來說，選擇適當(dāng)?shù)脑嚇映叽?，?yīng)使其斷裂時，能斷裂在有效部分，否則將會給試驗(yàn)結(jié)果帶來一些偏差。要使拉伸試樣斷裂在有效部分，主要是選擇適當(dāng)?shù)倪^渡圓弧半徑和有效寬度。
若選擇試樣過渡圓弧較大，可使應(yīng)力集中減少， 這對試樣斷裂在有效長度內(nèi)有很大好處。但是過渡圓弧半徑過大，會使過渡區(qū)域占的面積相應(yīng)增大，從這點(diǎn)上講，又增加了試樣斷在非有效部分的可能性。同時過渡圓弧選擇得不適當(dāng)，又會帶來一些試樣加工中的影響因素。

　　表1統(tǒng)計了一些玻璃鋼材料斷裂位置的數(shù)據(jù)，斷裂位置如圖9所示。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，選用過渡圓弧半徑為75mm和100mm差別不大。在試驗(yàn)方法中規(guī)定的層壓板和其他板材的啞鈴形試樣的過渡圓弧半徑是75mm。

　　對于板材啞鈴形試樣寬度的影響，從表2可清楚看出，選用寬度為10mm的試樣，其斷在有效部分的百分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寬度為15mm的試樣。在試驗(yàn)方法中，規(guī)定的層壓板和其他板材試樣的寬度為10mm。

　　對于薄膜材料來說，有些方法中曾采用長條形試樣，使用長條形試樣斷在夾頭內(nèi)和有效部分外的機(jī)率很多，造成了處理試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的困難。而拉伸過程中，長條形試樣沿拉伸方向出現(xiàn)一些平行的皺紋，而啞鈴形試樣則十分平展，斷在有效部分試樣的百分?jǐn)?shù)也較長條形為高，所以在試驗(yàn)方法中規(guī)定薄膜拉伸試樣采用有效寬度為10mm，過渡圓弧半徑為14mm的啞鈴形式樣。

②試驗(yàn)速度的影響
試驗(yàn)速度對壓制、壓注、層壓板和其他板材的影響：在試驗(yàn)方法中規(guī)定了壓制、壓注、層壓板材和其他板材的試驗(yàn)速度為10±5mm/min。在這個試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，對拉伸強(qiáng)度值的測定基本上沒影響，如圖10和圖11所示。

二、 壓縮試驗(yàn)

1.基本原理
壓縮強(qiáng)度是在試樣上施加壓縮載荷至破裂（脆性材料）或產(chǎn)生屈服現(xiàn)象（非脆性材料）時，單位橫裁面積上所能承受的載荷。

σ c=×10 4（Pa）
式中：P—破壞載荷（N）；
A—試樣橫截面積（cm2）；
σc—壓縮應(yīng)力（Pa）。

屈服現(xiàn)象是在某一個短時間內(nèi)變形增加而載荷不再增加現(xiàn)象，一般是對韌性材料而言。計算屈服強(qiáng)度時，P應(yīng)取試驗(yàn)機(jī)刻度盤表針*次停頓時的載荷，按上式計算屈服強(qiáng)度。

壓縮彈性模量是指在比例極限范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之比。
　　　E=（Pa）（3）
式中：σci—壓縮應(yīng)力，應(yīng)變圖上任意點(diǎn)的應(yīng)力值（Pa）；
εci—壓縮應(yīng)變，應(yīng)變圖上任意點(diǎn)的應(yīng)變值。

2影響壓縮強(qiáng)度的因素

影響壓縮強(qiáng)度的主要因素是試樣的形狀和尺寸及試驗(yàn)速度。

①試樣形狀和尺寸

選擇試樣原原則，一般是使成型和機(jī)械加工方便，試樣大小能基本反映材料的特點(diǎn)，又能使試樣不因失穩(wěn)而破壞。
試樣形狀：板材都采用長方體；模制樣品均采用圓柱體。

試樣高度：圖12和13是幾種塑料材料壓縮強(qiáng)度與試樣高度的關(guān)系圖。
由圖中可以看出，試樣高度在175～30mm之間，對壓縮強(qiáng)度影響不大。在17.5mm以下，則有顯著的影響，隨試樣高度增加壓縮強(qiáng)度下降。分析其原因，主要是試樣上下兩端面與壓板間的摩擦力在起作用。它阻止了試樣橫向擴(kuò)張和產(chǎn)生縱向裂縫，故壓縮強(qiáng)度定值偏高。當(dāng)試樣增高時，這種約束作用對試樣中部的橫向變形影響變小，故壓縮強(qiáng)度變低。

②摩擦力

試樣上下兩端面與壓板間的摩擦對壓縮強(qiáng)度的影響，還可以通過加潤滑劑的試驗(yàn)來進(jìn)一步得到說明。

由表3可看出，由于加潤滑劑使試樣上下兩端面與壓板間的摩擦力減小，所以測得的壓縮強(qiáng)度比不加潤滑劑的偏低。試驗(yàn)中還觀察到兩者破壞現(xiàn)象也有所不同。涂潤滑劑的試樣是接近于破壞載荷時出現(xiàn)裂縫，而未涂潤滑劑的試樣在沒有接近破壞載荷時就出現(xiàn)裂縫，且破壞時有粉末飛出。但由于涂潤滑劑在做試驗(yàn)中極不方便，可采用提高試樣高度的辦法達(dá)到同樣的目的。從表4可看出，提高試樣高度與涂潤滑劑的效果基本上是一致的，都起到了減小摩擦力影響的作用。不過試樣過高將會引起失穩(wěn)。

從試驗(yàn)中看到有機(jī)玻璃板的試樣高度為25mm時，載荷接近于屈服時試樣便發(fā)生歪扭，面20mm高的試樣，加載至屈服后才發(fā)生歪扭。因此國標(biāo)規(guī)定試樣高度為20mm。

③平行度
試樣上下兩端面必須平行并與各側(cè)面垂直。實(shí)踐證明，試樣上下兩端面平行度和側(cè)面垂直度對試驗(yàn)結(jié)果都有影響。從表5可以看出，試樣上下兩端面不平行，其結(jié)果使壓縮強(qiáng)度偏低在2.4～7.8％左右。壓縮強(qiáng)度降低的原因是試樣各處受力不均，造成局部應(yīng)力過大。因此，規(guī)定試樣上下兩端面互相平行并且與試樣各側(cè)面垂直，各處高度相差不應(yīng)大于0.1mm。

④試驗(yàn)速度與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系
壓縮試驗(yàn)時，加載速度的確定很重要。在選擇加載速度時，必須考慮在一個速度范圍內(nèi)對測試結(jié)果影響不大，并且誤差小，盡量使加載均勻。壓縮強(qiáng)度隨試驗(yàn)速度的增加而增加，尤其對熱塑性材料更為明顯，對熱固性材料則影響較小。以有機(jī)玻璃為例，試驗(yàn)速度為15mm/min時的壓縮的強(qiáng)度值比試驗(yàn)速度為5mm/min的壓縮強(qiáng)度高11％左右，所以選擇試驗(yàn)速度不宜過寬。

三、彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)
1基本原理
彎曲強(qiáng)度是指采用簡支梁法，將試樣放在兩支點(diǎn)上，在兩支點(diǎn)間的試樣上施加集中載荷，使試樣變形直至破裂時的強(qiáng)度。
σ f=×10 4（Pa）（4）
式中：σ j—彎曲應(yīng)力（Pa）
P—破壞載荷（N）；
L—試驗(yàn)時試樣跨度（cm）；
b—試樣寬度（cm）；
h—試樣厚度（cm）。
彎曲屈服強(qiáng)度是指某些非脆性材料，當(dāng)載荷達(dá)到某一值時，其變形繼續(xù)增加，而載荷不增加時的強(qiáng)度，即為破壞載荷?？砂词剑?）計算屈服強(qiáng)度。
彎曲強(qiáng)度嚴(yán)格講應(yīng)指繞彎曲下的強(qiáng)度。但是，上面介紹的測試方法（所謂“三點(diǎn)式”）是存在剪力影響的。為了解決這個問題，有人提出“四點(diǎn)式”加載方式測定彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量。
“三點(diǎn)式”加載方式彎矩、剪力分布如圖15所示：“四點(diǎn)式”（如圖16）所示。
從彎矩、剪力圖可看出，“四點(diǎn)式”加載方式試樣中間部分為純彎曲剪力為零。

2影響彎曲強(qiáng)度的主要因素
①試樣的影響
試樣的加工：試樣zui大厚度在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為10mm。板材試樣的厚度大于10mm時，用機(jī)械加工成10mm。加工方法基本上有兩種，即單面加工和雙面加工。對于雙面加工的試樣，測試結(jié)果會受到影響，若采用單面加工，在試驗(yàn)時將加工面朝上壓頭就會接受消除或消除其影響。
試樣厚度：試樣zui大厚度國外有的標(biāo)準(zhǔn)中可允許到35～50mm。根據(jù)用有機(jī)玻璃試驗(yàn)，也得出不同厚度對彎曲強(qiáng)度影響不大的結(jié)果。但是，試樣過厚對材料浪費(fèi)太大，所以在一般情況下，規(guī)定zui大厚度為10mm。
試樣寬度：試樣寬度一般對測試性能影響不大。如果試樣厚度大于10mm，為了使試樣具有平穩(wěn)狀態(tài)，應(yīng)隨著試樣厚度增大而寬度也相應(yīng)增大。
②應(yīng)變率對彎曲強(qiáng)度的影響
試樣受力彎曲變形時，橫截面上邊緣點(diǎn)處有zui大的壓縮變形，所謂外層纖維應(yīng)變速率（Sr）是指在單位時間內(nèi)外層纖維相對變形的改變量。以每分鐘變形百分率表示。根據(jù)材料力學(xué)的推導(dǎo)，壓頭處的彎曲應(yīng)變速率與壓頭移動速度（亦稱試驗(yàn)速度）有以下關(guān)系：
V=（5）
當(dāng)x=a時，則“四點(diǎn)式”彎曲試驗(yàn)速度如下式：
V f4=（6）
當(dāng)式（6）中a=L/2時，就變?yōu)?ldquo;三點(diǎn)式”彎曲試驗(yàn)速度：
V β=（7）
式中：a—“四點(diǎn)式”試樣支承點(diǎn)至加載點(diǎn)間距離（mm）；
Sr—外層纖維應(yīng)變速率（％/min）。
從上面公式看出，試驗(yàn)速度與應(yīng)變速率、試樣厚度、試驗(yàn)跨度有關(guān)。因此，必須對此有所控制。但是，彎曲應(yīng)變速率在測試過程中是不能直接觀察的，所以我們只能根據(jù)上述公式通過控制上下壓頭向下移動速度（V f）來實(shí)現(xiàn)。Vj稱為試驗(yàn)速度。
③試驗(yàn)跨度的影響
彎曲試驗(yàn)大多采用“三點(diǎn)式”方式進(jìn)行。這種方式在受力過程中，除受彎矩作用外，還受剪力的作用。故采用“三點(diǎn)式”方式進(jìn)行測試，對于反映塑料材料的真實(shí)性能是存在一定問題的。因此，國內(nèi)外有人提出采用“四點(diǎn)式”方式進(jìn)行測試。目前進(jìn)行工作較多的還是采用“三點(diǎn)式”方式，用合理的選擇跨度和試樣厚度比（L/d）來達(dá)到消除剪力影響的目的。
試樣跨度與厚度比目前基本上有兩種情況，一種是L/d=10；另一種是L/d=16。從理論上看，zui大剪應(yīng)力與zui大正應(yīng)力之比為：
　　　　　（8）
從式中看出，L/d愈大，剪力所占的比愈小，當(dāng)L/d=10～4時，其剪力分配為5～12.5％?？梢娂袅π?yīng)對試樣彎曲強(qiáng)度的影響是隨著試樣所采用跨度與試樣厚度比值的增大而減小的。但是，跨度太大則撓度也增大，且試樣兩個支承點(diǎn)的滑移也影響其測試結(jié)果。圖16所示是幾種塑料材料試驗(yàn)跨度和試樣厚度比不同與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系。由圖看出，隨著L/d的增大，不同其彎曲強(qiáng)度的變化規(guī)律是不一樣的。其中對3號和4號試樣L/d在10以下，隨著L/d減小彎曲強(qiáng)度降低，其他材料則在L/d為6～20之間基本上沒有變化。

四、剪切強(qiáng)度試驗(yàn)
包裝容器中，有些構(gòu)件是承受剪力的，構(gòu)件在受剪力后的變形是剪切變形，其受力特征如圖17所示。
1.基本原理
剪切強(qiáng)度是試樣在剪切力作用破壞下時單位面積上所能承受的載荷值。
單面剪切強(qiáng)度
σ s=×10 4（Pa）（9）
　　雙面剪切強(qiáng)度
σ s=×10 4（Pa）
式中：P—試樣zui大破壞載荷（N）；
b—試樣剪切寬度（cm）；
l—試樣剪切面長度（cm）。
2剪切方式和試樣形狀的選擇
受力方式一般有單面拉伸剪切，單面壓縮剪切、雙面壓縮剪切和純剪切多種。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，剪切試樣形狀有很多種，常見的幾種剪切方式和試樣形狀如圖18、圖19、圖20、圖21所示。

試樣形狀和受力方式不同，剪切強(qiáng)度值的差別是很顯著的。表6是玻璃布層壓板在常溫下，三種剪切受力方式所測得的剪切強(qiáng)度。從表中可以看出，一種試樣的受力方式的測定值彼此之間差別是比較大的。

3試驗(yàn)速度的選擇

試驗(yàn)速度對剪切強(qiáng)度有一定影響。由于材料本身的結(jié)構(gòu)不同，其影響程度也不同，所以選擇試驗(yàn)速度時，必須考慮到材料的特點(diǎn)。從實(shí)踐中觀察到，速度太大，測試結(jié)果不夠穩(wěn)定，誤差也比較大。一般宜選在25mm/min以下，可參考表7。