微裂紋

微裂紋

微裂紋是聚合物特有的一種形態學特徵。它是聚合物在張應力作用下,出現於材料的缺陷或薄弱處,與主應力方向相垂直的長條形微細凹槽。由於光線在微裂紋的表面上發生全反射,它在透明塑膠中呈現為肉眼可見的明亮條紋,所以也稱銀紋。

基本介紹

  • 中文名:微裂紋
  • 外文名:craze 
  • 拼音:wēi liè wén
  • 別稱:銀紋 
特徵,產生原因及過程,產生原因,產生機理,危害,

特徵

微裂紋寬度約10μm,厚度在0.1~0.5μm之間,長度約100μm,但在適當的條件下,微裂紋長度甚至可以擴展到試樣寬度的巨觀尺度,如下圖(圖1)。
微裂紋
圖1聚苯乙烯拉伸試樣上的微裂紋及其拉伸應力-應變曲線
產生微裂紋的部位叫做微裂紋體,與完全由空隙構成的裂縫不同,微裂紋是由延外力方向高度取向的聚合物微纖(直徑在0.6~30mm)及其周圍的空洞組成的,因而微裂紋體的質量不為零,但密度下降,因而微裂紋體的折光指數比聚合物本體低。如聚苯乙烯微裂紋的密度相當於本體密度的40%,微裂紋體的折光指數為1.33,而本體為1.59,因此光的全反射現象,如果微裂紋體的厚度與光的波長數量級相同時,會產生如油膜浮在水面上一樣的干涉色。在聚苯乙烯中,微裂紋體內的空隙大小約為20nm,微裂紋的表面積為200m2/cm3。微裂紋與裂縫之間的另一點不同是它有可逆性,在壓力下或Tg以上退火時微裂紋能回縮和消失。例如具有應力銀紋的聚苯乙烯、有機玻璃、聚碳酸酯,若加熱到各自的Tg以上,可回復到未開裂時的光學均一狀態。

產生原因及過程

產生原因

引起聚合物產生微裂紋的基本原因有兩種:一種是力學因素(這裡的應力是指張應力,純壓縮力不會產生微裂紋,一般出現在試樣的表面或接近表面處,或在裂縫的尖端處形成而成為裂縫擴展的先導);另一種是環境因素(同某些化學物質接觸)。
很多熱塑性塑膠,在儲存以及使用過程中,由於應力以及環境的影響,往往會出現微裂紋。環境因素引起的銀紋的分布與應力銀紋不同,它通常是不規則排列的,分別取任意的方向。這種銀紋的產生,一般是與材料內應力的存在聯繫在一起的,因此也稱為環境應力銀紋。它時常直接發展為環境應力開裂。根據環境因素的不同,環境應力開裂包括下述四種:(1)溶劑銀紋,可能是由於溶劑溶脹聚合物表面使Tg降低或者導致結晶引起的;(2)非溶劑(包括醇、潤濕劑等表面活性物質)引起的環境應力開裂可能是由於表面活性物質浸潤微裂紋的表面,降低了表面能,從而有利於微裂紋的發展;(3)熱應力開裂是由溫度變化使聚合物內部發生形態結構的改變引起的,其微裂紋主要發生在物質內部;(4)氧化應力開裂則是氧化劑引起分子鏈斷裂的一種不可逆過程。其中溶劑和非溶劑引起的應力開裂的試驗,已經成為研究聚合物內應力和耐開裂性能的重要方法。

產生機理

下圖(圖2)是微裂紋增長示意圖,在圖上y方向應力作用下,微裂紋體的上下表面被拉開,微纖的直徑縮小,空洞擴大,同時微裂紋沿x方向擴展,增長前沿的聚合物本體繼續發生塑性形變,形成新的微纖,如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示。高分子鏈在微纖中沿應力的方向高度取向,與玻璃態聚合物的強迫高彈性的情況相類似,這就不難解釋微裂紋的可逆性了。
微裂紋

圖2 微裂紋增長機理示意圖
應力愈大,微裂紋的產生和發展愈快,而應力低於某一數值時則不產生微裂紋,因此產生微裂紋有一個最低的臨界應力。另外產生微裂紋也有一個最低的伸長率,稱為臨界伸長率。一旦達到臨界伸長率,在試樣內部就產生了微裂紋。微裂紋並不一定引起斷裂和破壞,它具有原始試樣的一半以上的拉伸強度。如果超過了一定限度,則微裂紋體中的微纖發生斷裂,微裂紋體破裂而產生裂縫。表1是幾種聚合物室溫下產生微裂紋的臨界應力和臨界伸長率。
聚合物
臨界應力sc
(kg/cm2
臨界應變ec
(%)
tmax*
(hr)
Tg(℃)
屈服應力sy
(kg/cm2
聚苯乙烯
113
0.35
24
90
703
有機玻璃
≈246
1.30
0.1
100
≈914
聚苯醚
≤429
1.50
≈24
210
703
聚碳酸酯
≤430
1.80
≈24
145
633
註:tmax是指臨界應力或臨界應變下產生微裂紋所需的最大時間。

危害

有機玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯等透明塑膠出現微裂紋,使光學透明度下降,影響塑膠的使用性能。在較大的外力作用下微裂紋會進一步發展,以微裂紋的微纖斷裂產生附加的空洞開始,逐漸發展到臨界大小,此後微裂紋便快速地增長為裂縫,而微裂紋則繼續在裂縫頂端形成,最後使材料發生斷裂而破壞。
用橡膠增韌的塑膠,像高抗沖聚苯乙烯、ABS樹脂等,它們在拉伸變形或彎曲變形或受衝擊的破壞時試樣有發白現象,這種發白現象稱為應力發白。這也是材料受力後出現了微裂紋,與很多熱塑性塑膠類似。發白的區域就是無數微裂紋體的總和,由於微裂紋體的密度與樹脂的密度不同,遮光簾不同,所以顯得發白。

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