CN109459320B - 一种热塑性塑料最高使用温度的测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种热塑性塑料最高使用温度测试方法，通过热塑性塑料在室温及高温下的拉伸试验结果，计算不同温度下材料的模量，最终确定材料的最高使用温度。塑料材料在不同温度下进行拉伸试验时，通常随着温度的升高，材料的拉伸强度降低，但是屈服应变基本相同，因此在屈服前，材料的拉伸模量随着温度的升高而降低。本发明在测定过程中模拟塑料材料作为管材的受力状态，通过不同温度的拉伸模量确定热塑性塑料的最高使用温度。

Description

一种热塑性塑料最高使用温度的测试方法
技术领域
本发明涉及一种管材用热塑性塑料最高使用温度的确定，具体涉及一种热塑性塑料最高使用温度的测试方法。
背景技术
热塑性塑料(如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等)由于其耐腐蚀好、比强度高、成本低等优点广泛应用于流体输送领域，如燃气管、输水管、化工介质输送管等。但塑料管材在使用中也存在一定的局限性，其中耐热性是制约其应用的一个重要因素，为了保证各类管道在服役环境中的安全运行，须确定塑料材料使用的温度范围。
热塑性塑料材料的最高使用温度通常通过耐热性表征，耐热性是指在温度升高时保持其物理机械性能的能力，测试塑料耐热性能的试验方法都是使塑料在一定的外力作用下及一定的升温速率下，其变形达到某一规定值时的温度，因此这一测定值并没有明确的物理意义，常用的测试方法有三种，分别是马丁耐热、热变形和维卡耐热。这三种方法都是对材料施加一定的负荷，通过对升温过程中形变的测量确定材料的耐热性，每个试验都有明确的受力状态，如马丁耐热加载负荷的方式是悬梁式弯曲力矩，热变形是10mm的跨距，维卡是截面1mm2的圆形针。
目前在热塑性塑料管材的设计领域，使用最广泛的是维卡耐热和热变形温度，但这些耐热性的测试方法与管材实际使用时的受力状态完全不同，由于输送流体介质的压力，管材结构最主要的应力为环形拉伸应力，与以上测试方法的受力状态有一定的差异，因此以上几种方法测试出的结果只能从一定的程度上反应热塑性塑料材料的耐热性，而不能确定材料的最高使用温度。
发明内容
本发明的目的是提供了一种热塑性塑料最高使用温度的测试方法，在测定过程中模拟塑料材料作为管材的受力状态，通过不同温度的拉伸模量确定热塑性塑料的最高使用温度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种热塑性塑料最高使用温度测试方法，包括以下步骤：
步骤1：将待测试样加工成哑铃形，测量试样的宽度、厚度及有效长度；
步骤2：通过对试样室温拉伸性能测试，绘制室温拉伸的应力-应变曲线，通过应力-应变曲线，计算试样材料在室温下的模量；
步骤3：在高于室温下，选择3个以上温度，并在相应温度下分别进行热塑性塑料的拉伸试验，绘制相应温度下的应力-应变曲线，计算热塑性塑料在不同温度下的模量；
步骤4：计算不同温度下模量与室温模量的比值，记为θ，绘制不同温度及θ的拟合曲线，得到温度-模量曲线；
步骤5：在温度-模量曲线上，纵坐标θ为0.8时对应的横坐标温度值即为热塑性塑料的最高使用温度。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，进行拉伸性能测试时，拉伸速率为5～100mm/min。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，试样的数量为3～8个，模量取有效数据的平均值。
本发明进一步的改进在于，步骤3中，高于室温5℃～80℃的范围内选择3个以上温度。
本发明进一步的改进在于，选择的3个以上温度中，相邻温度之间的差值相等。
本发明进一步的改进在于，差值大于5℃。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：管材在服役时由于内压的作用，主要受力为拉伸应力，本方法模拟管材在服役过程中真实的受力状态，通过测试材料模量的变化得出材料的最高使用温度。使用模量变化评价材料的适用性也是被目前广泛接受的一种方法，作为内衬的热塑性塑料，要求在服役环境下材料的拉伸模量与常温状态下拉伸模量的变化率小于20％。此外，拉伸试验简便易操作，高温拉伸通过环境试验箱即可实现，拉伸试验机与环境试验箱都为常见的设备。本方法与传统的耐热性测试方法相比，通过模拟管材的受力状态，测试的数据更为可靠，操作简便易行。
附图说明
图1为聚乙烯的θ-温度曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种热塑性塑料最高使用温度测定方法，采用不同温度的拉伸性能，通过拉伸模量判断材料在该温度下的适用性。
本发明通过热塑性塑料在室温及高温下的拉伸试验结果，计算不同温度下材料的模量，最终确定材料的最高使用温度。塑料材料在不同温度下进行拉伸试验时，通常随着温度的升高，材料的拉伸强度降低，但是屈服应变基本相同，因此在屈服前，材料的拉伸模量随着温度的升高而降低。
本发明的热塑性塑料耐热性的测试方法，具体包括以下步骤：
1)试样制备
将待测试样加工成哑铃形试样，测量试样的宽度、厚度及有效长度。
2)室温拉伸性能测试
所述的热塑性塑料试样首先在室温下进行拉伸性能测试，拉伸速率宜为5～100mm/min，记录室温时材料的屈服强度及屈服应变，并绘制应力-应变曲线。通过室温拉伸的应力-应变曲线，计算材料在室温下的模量，测试试样数量宜为3～8个，模量计算取有效数据的平均值。
3)高温拉伸性能测试
选择高于室温5℃～80℃的范围内的3个或更多的温度值，在高温下分别进行热塑性塑料的拉伸试验，记录不同温度下试样的屈服强度及屈服应变，并绘制应力-应变曲线，计算热塑性塑料在不同温度下的模量。其中，选择的3个以上温度中，相邻温度之间的差值相等，并且差值大于5℃。
4)绘制温度-模量关系曲线
根据测试结果，计算不同温度下模量与室温模量的比值，记为θ，绘制不同温度及θ的拟合曲线。
5)最高使用温度的确定
在温度-模量曲线上，纵坐标θ为0.8时对应的横坐标温度值即为材料的最高使用温度。因为在热塑性管的标准中要求，模量下降20％的试样不能继续使用，所以本发明中选择纵坐标θ为0.8。
实施例1
测试试验对象为某种高密度聚乙烯材料，厚5mm，宽10mm，标距段长(有效长度)50mm，分别在20℃(室温)、30℃、40℃、50℃进行拉伸试验，拉伸速率为50mm/min，根据试样的厚、宽以及标距段长的数据，绘制室温拉伸的应力-应变曲线，通过应力-应变曲线，计算相应的20℃(室温)、30℃、40℃、50℃温度下材料的模量，并根据模量值计算不同温度模量与室温模量的比值θ，结果见表1。
表1不同温度下高密度聚乙烯材料的模量及θ值
Figure BDA0001815900860000041
温度与θ存在一定的线性关系，因此通过线性拟合绘制不同温度及θ的拟合曲线，得到温度-θ曲线；如图1，当θ为0.8时，对应的温度为58℃，即该种高密度聚乙烯材料的最高室温为58℃。
参考GB/T 34903.1-2017规定的内容，高密度聚乙烯(HDPE)的最高使用温度为60℃，要求的维卡软化温度值为125℃～130℃。目前通过维卡软化温度确定材料最高使用温度的方法是在大量测试基础上的得到一个经验值，因此不能通过测试结果直接得出材料的最高使用温度。相比维卡软化温度的这一测试方法，本发明的测试结果更为直接、可靠。
目前热塑性塑料耐温性的测试方法主要是维卡耐热和热变形温度，这两种方法都是在对材料施加一定压应力的同时记录材料达到一定变形量的温度，测试样品的受力状态与管材服役时的状态不同，测试结果并不能反映材料的最高使用温度。管材在服役时由于内压的作用，主要受力为拉伸应力，本方法模拟管材在服役过程中真实的受力状态，通过测试材料模量的变化得出材料的最高使用温度。使用模量变化评价材料的适用性也是被目前广泛接受的一种方法，作为内衬的热塑性塑料，要求在服役环境下材料的拉伸模量与常温状态下拉伸模量的变化率小于20％。此外，拉伸试验简便易操作，高温拉伸通过环境试验箱即可实现，拉伸试验机与环境试验箱都为常见的设备。本方法与传统的耐热性测试方法相比，通过模拟管材的受力状态，测试的数据更为可靠，操作简便易行。

Claims (1)

1.一种热塑性塑料最高使用温度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将热塑性塑料加工成哑铃形待测试样，测量试样的宽度、厚度及有效长度；
步骤2：通过对试样室温拉伸性能测试，拉伸速率为5~100mm/min，记录室温时材料的屈服强度及屈服应变，绘制室温拉伸的应力-应变曲线，通过应力-应变曲线，计算热塑性塑料在室温下的模量；其中，试样的数量为3~8个，模量取有效数据的平均值；
步骤3：在高于室温下，选择3个以上温度，并在相应温度下分别进行热塑性塑料的拉伸试验，绘制相应温度下的应力-应变曲线，计算热塑性塑料在不同温度下的模量；其中，高于室温5℃~80℃的范围内选择3个以上温度；选择的3个以上温度中，相邻温度之间的差值相等，并且差值大于5℃；
步骤4：计算不同温度下模量与室温模量的比值，记为θ，绘制不同温度及θ的拟合曲线，得到温度-模量曲线；
步骤5：在温度-模量曲线上，纵坐标θ为0.8时对应的横坐标温度值即为热塑性塑料的最高使用温度。
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