增韧

影响抗冲击强度的因素：

1、缺口的影响

冲击实验时，有时在试样上预置缺口，有时不加缺口。有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。

另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。

2、温度的影响

温度升高，材料抗冲击强度随之增大。对无定形聚合物，当温度升高到玻璃化温度附近或更高时，抗冲击强度急剧增大。

对结晶性聚合物，其玻璃化温度以上的抗冲击强度也比玻璃化温度以下的高，这是因为在玻璃化温度附近时，链段运动释放，分子运动加剧，使应力集中效应减缓，部分能量会由于材料的力学损耗作用以热的形式逸散。右图给出几种聚丙烯试样的抗冲强度随温度的变化，可以看出，在玻璃化温度附近抗冲强度有较大的增长。

3、结晶、取向的影响

对聚乙烯、聚丙烯等高结晶度材料，当结晶度为40-60%时，由于材料拉伸时有屈服发生且断裂伸长率高，韧性很好。结晶度再增高，材料变硬变脆，抗冲击韧性反而下降。这是由于结晶使分子间相互作用增强，链段运动能力减弱，受到外来冲击时，材料形变能力减少，因而抗冲击韧性变差。

从结晶形态看，具有均匀小球晶的材料抗冲击韧性好，而大球晶韧性差。球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。

对取向材料，当冲击力与取向方向平行，冲击强度因取向而提高，若冲击力与取向方向垂直，冲击强度下降。由于实际材料总是在最薄弱处首先破坏，因此取向对材料的抗冲击性能一般是不利的

4、共混，共聚，填充的影响

实验发现，采用与橡胶类材料嵌段共聚、接枝共聚或物理共混的方法可以大幅度改善脆性塑料的抗冲击性能。

采用丁二烯与苯乙烯共聚得到高抗冲聚苯乙烯；采用氯化聚乙烯与聚氯乙烯共混得到硬聚氯乙烯韧性体，都将使基体的抗冲强度提高几倍至几十倍。

橡胶增韧塑料已发展为十分成熟的塑料增韧技术，由此开发出一大批新型材料，产生巨大经济效益。

5、填充、复合改性效果

在热固性树脂及脆性高分子材料中添加纤维状填料，也可以提高基体的抗冲击强度。纤维一方面可以承担试片缺口附近的大部分负荷，使应力分散到更大面积上，另一方面还可以吸收部分冲击能，防止裂纹扩展成裂缝。

与此相反，若在聚苯乙烯这样的脆性材料中添加碳酸钙之类的粉状填料，则往往使材料抗冲击性能进一步下降。因为填料相当于基体中的缺陷，填料粒子还有应力集中作用，这些都将加速材料的破坏。

近年来人们在某些塑料基体中添加少量经过表面处理的微细无机粒子，发现个别体系中，无机填料也有增韧作用。

影响冲击强度的因素

结构

从能量角度看，试样断裂消耗能量的多少与分子链的键强度和运动单元的尺寸大小（如链段、短支链、侧基等）有关。柔性分子链的链段平均长度较小，链段运动较激烈，受冲击时通过链段运动将冲击能量分散到较大的体积内，并且易被链段运动所吸收转化为热能，故抗冲击性能较好。刚性分子链的链段平均长度较大，链段运动较弱，受冲击时，难以将冲击能通过链段运动较快地转移分散，容易产生能量集中，并从弱键或损伤处断裂，故冲击强度低。

可以采取共聚和共混技术，将柔性分子链引入刚性分子链中，能够显著提高材料的冲击强度。

分子链运动单元的多重性对材料的冲击强度有一定影响。小侧基引起的δ-转变对冲击强度几乎没有影响，如PS和PMMA均属脆性玻璃；主链链节的曲柄运动引起的γ-转变，使主链有一定程度的活动性，因此呈现一定的韧性，如PE、PTFE和PA等；PC和聚芳砜等，由于具有特殊链节产生较大的β－转变，也呈现一定的韧性。

高聚物分子量增加，冲击强度有所提高，但分子量增至某一值后，分子量基本上与冲击强度无关。

冲击强度随结晶度的增加或球晶的增大而降低，如HDPE(结晶度70-80％)的冲击强度只有LDPE（结晶度约为50％）冲击强度的1/5。原因在于球晶尺寸大，球晶内部以及球晶之间的缺陷增多，材料受冲击力时易在薄弱环节破裂。

取向结构对冲击强度也有影响。如果冲击力与分子链取向方向平行，冲击强度较高；如果冲击力与取向方向垂直，则冲击强度较低。

切口与应力集中物

冲击实验时，有时在试样上预置缺口，有时不加缺口。有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。

另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧-脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。

对不同切口试样的冲击强度进行研究，可以更好地了解材料的冲击行为。冲击过程中消耗的能量包括裂纹的引发和裂纹的扩展两部分损耗，若钝切口时，冲击强度包含了裂纹的引发和裂纹扩展所消耗的能量，还表明了材料对缺口的敏感性；若锐利切口时，相当于裂纹已经引发，冲击强度主要表征了材料在裂纹扩展阶段消耗的能量。

其它应力集中物（如杂质、空隙等）的存在，也会使冲击强度明显下降。

温度

热塑性塑料的冲击强度对温度有很大的依赖性，在玻璃化温度附近，冲击强度随温度升高而显著提高。如PVC板材在10-25℃时，冲击强度数值较低，而在30-60 ℃数值急剧增大。热固性塑料的冲击强度随温度的变化较小，一般在-80－200 ℃之间冲击强度变化不大。

影响高分子材料韧性的因素

（1）分子链结构：柔性、刚性；分子量

（2）缺口与应力集中物

（3）温度热钝化效应

（4）结晶和取向

（5）共聚与共混、填充

高分子材料的增韧改性

橡胶增韧塑料的经典机理：

橡胶增韧塑料的效果是十分明显的。无论脆性塑料或韧性塑料，添加几份到十几份橡胶弹性体，基体吸收能量的本领会大幅度提高。尤其对脆性塑料，添加橡胶后基体会出现典型的脆-韧转变。

关于橡胶增韧塑料的机理，曾有人认为是由于橡胶粒子本身吸收能量，橡胶横跨于裂纹两端，阻止裂纹扩展；也有人认为形变时橡胶粒子收缩，诱使塑料基体玻璃化温度下降。

研究表明，形变过程中橡胶粒子吸收的能量很少，约占总吸收能量的10%，大部分能量是被基体连续相吸收的。另外由橡胶收缩引起的玻璃化温度下降仅10℃左右，不足以引起脆性塑料在室温下屈服。

Schmitt和Bucknall等人根据橡胶与脆性塑料共混物在低于塑料基体断裂强度的应力作用下，会出现剪切屈服和应力发白现象；又根据剪切屈服是韧性聚合物（如聚碳酸酯）的韧性来源的观点，逐步完善橡胶增韧塑料的经典机理。

他们认为：橡胶粒子能提高脆性塑料的韧性，是因为橡胶粒子分散在基体中，形变时成为应力集中体，能促使周围基体发生脆-韧转变和屈服。

屈服的主要形式有：引发大量银纹（应力发白）和形成剪切屈服带，吸收大量变形能，使材料韧性提高。剪切屈服带还能终止银纹，阻碍其发展成破坏性裂缝。

塑料基体中添加部分橡胶后，橡胶作为应力集中体能诱发塑料基体产生银纹或剪切带，使基体屈服，吸收大量能量，达到增韧效果。

橡胶增韧塑料虽然可以使塑料基体的抗冲击韧性大幅提高，但同时也伴随产生一些问题，主要问题有增韧同时使材料强度下降，刚性变弱，热变形温度跌落及加工流动性变劣等。这些问题因源于弹性增韧剂的本征性质而难以避免，使塑料的增韧、增强改性成为一对不可兼得的矛盾。

随着研究的深化，从材料的两种不同脆-韧转变方式（升高温度和升高环境压力）启示我们，增韧改性高分子材料并非一定以牺牲强度为代价，设计恰当的方法有可能同时实现既增韧、又增强。

塑料的非弹性体增韧改性就是基于此发展起来的。

高分子材料的增韧改性

(1) 增塑剂与冲击韧性

添加增塑剂使分子间作用力减小，链段以至大分子易于运动，则使得高分子材料的冲击韧性提高。但某些增塑剂在添加量较少时，有反增塑作用，反使冲击韧性下降

(2) 弹性体增韧塑料

弹性体增韧塑料是将少量的弹性体（5%~20%）分散在塑料基体中，使其塑料具有较高的冲击强度和断裂伸长率。

弹性体增韧机理

a.微裂纹理论

塑料应变时，在其内部产生很多微裂纹，橡胶粒子横跨在裂纹上，阻止裂纹进一步扩展，裂纹扩展就必须拉伸橡胶粒子，因此吸收能量，提高材料韧性

不足：过分强调了橡胶的增韧作用，忽略了橡胶与塑料基体间的相互作用。

b. 多重银纹理论

由于塑料和橡胶两相的泊松比不同，导致材料受冲击时，应力场不再均匀，橡胶粒子起到应力集中的作用，应力集中使橡胶粒子表面，尤其是赤道附近诱发银纹，银纹沿最大主应力平面生长，当银纹端部的应力集中低于临界值或遇到另一橡胶粒子时，银纹便终止。