·1502 工程科学学报，第37卷，第11期 阶段，理想吸能效率大小依次为空心玻璃微珠/聚丙 成，以及整体的塑性流动都消耗大量能量，提高了吸能 烯、聚丙烯、粉末丁腈橡胶/聚丙烯，说明在弹性阶段材 效率.无机刚性粒子增韧机制主要有冷拉、产生空穴 料的刚度对理想吸能效率起主要作用.进入屈服阶 脱粘7、应力集中引发微裂纹等，结合冲击试样截面 段，粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系的理想吸能效率明显 的扫描电镜图片对微观形貌分析，可发现冲击后的试 增大，且高于聚丙烯体系和空心玻璃微珠/聚丙烯体 样中空玻璃微珠有一定程度的破碎，且一些玻璃微珠 系，橡胶粉末的大量变形在材料屈服阶段对基体产生 与基体发生剥离并在周围形成拉伸空洞.可认为填充 了重要影响，改善了聚丙烯的吸能特性.在应力达到 粒子的脆性破坏、界面脱粘、空穴生长以及基体的塑性 约70MPa之后，聚丙烯和空心玻璃微珠/聚丙烯体系 流动等消耗了主要能量. 的理想吸能效率明显增大.同样，这与两种材料在 70MPa时进入屈服阶段有关（参见图3）.但此时，粉末 4结论 丁腈橡胶/聚丙烯体系的理想吸能效率要小于其他两 空心玻璃微珠的加入增加了聚丙烯的刚度，降低 种材料，说明橡胶粒子的变形基本完成，已经从屈服阶 了延展性；而粉末丁腈橡胶的加入减小了聚丙烯的刚 段进入压实阶段.在整个变形阶段，空心玻璃微珠/聚 度，提高了延展性.在吸收相同的能量时，粉末丁腈橡 丙烯体系的理想吸能效率都略高于聚丙烯，显然是由 胶/聚丙烯材料所产生的应力响应最小，作为缓冲吸能 于玻璃微珠对聚丙烯基体的刚化作用.对整体的变化 材料可减少对外界物质的破坏程度.由吸能效率一应 趋势进行分析，三种材料的理想吸能效率最高值都出 力曲线图可知，在达到最佳吸能状态时，所对应的应力 现在屈服阶段，即在此阶段与理想材料最为接近，符合 为空心玻璃微珠/聚丙烯高于粉末丁腈橡胶/聚丙烯 实际.粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系比聚丙烯和空心玻 所以在设计吸能产品时，空心玻璃微珠/聚丙烯的设计 璃微珠/聚丙烯更早进入屈服阶段，所以更早达到理想 应力应高于粉末丁腈橡胶/聚丙烯.所有体系的理想 吸能效率的最大值.对于不同的应力要求，应选择不 吸能效率的最高值都发生在相对平缓的屈服阶段，理 同的复合体系作为最佳吸能材料.空心玻璃微珠/聚 想吸能效率反映了真实材料与理想材料的接近程度， 丙烯体系适用于屈服应力之前，使用应力较小或变形 更能体现材料的吸能特性，应根据不同的应力范围选 较小的吸能材料；而粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系适用于 择合适的吸能材料：空心玻璃微珠/聚丙烯体系适用于 屈服应力之后，使用应力较大或变形较大的吸能材料. 屈服应力之前，而粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系适用于屈 3.4冲击试验结果 服应力之后.空心玻璃微珠/聚丙烯体系和粉末丁腈 为了进一步验证玻璃微珠和橡胶粉末对聚丙烯吸 橡胶/聚丙烯体系在屈服阶段对材料的缓冲吸能特性 能特性的影响，进行了摆锤冲击试验. 都有改进作用，而空心玻璃微珠/聚丙烯在整个变形阶 冲击试验的数据结果如表2所示.填充玻璃微珠 段都提升了材料的吸能性能.冲击试验进一步证明了 后，试样的吸能效率增加4%，冲击韧性提高约28%： 两种填料都能改善聚丙烯的吸能特性 填充橡胶粉末后，吸能效率增加6.25%，冲击韧性提 高约44%.因此，无论是加入玻璃微珠还是橡胶粉末， 参考文献 都能改善聚丙烯的吸能特性，这与上文压缩试验得出 Li P,Han C,Wang JB.Research development and application in 的结果一致 polypropylene materials in automobile.China Plast Ind,2011,39 表2冲击试验数据结果 (Suppl 1)26 Table 2 Results of impact tests (李平，韩深，汪家宝.汽车用聚丙烯材料研究进展及应用 塑料工业，2011,39（增刊1）：26) 试样 吸能效率/% 冲击韧性/(Jcm2) 2] Ruksakulpiwat Y,Sridee J,Suppakam N,et al.Improvement of 聚丙烯 14.75 0.39 impact property of natural fiber-polypropylene composite by using 空心玻璃微珠/聚丙烯 18.75 0.50 natural rubber and EPDM rubber.Compos Part B,2009.40(7): 粉末丁腈橡胶/聚丙烯 21.00 0.56 619 B] Tao G L,Liao X J,Fang J B,et al.Synergistic toughening effect 对于聚合物的增韧机理，目前有多种理论模 of different elastomers on polypropylene.Polym Mater Sci Eng, 型.综合弹性体增韧理论（认为在冲击过程中微裂 2013,29(3):55 纹的形成促使横跨裂纹两岸的橡胶粒子发生形变吸收 (陶国良，廖小军，方建波，等.不同弹性体对聚丙烯的协同 增韧.高分子材料科学与工程，2013,29(3)：55) 一部分能量)和银纹一剪切带理论（橡胶粒子的作用既 4] Ayyer R,Rosenmayer T,Schreiber W,et al.Effects of micron- 作为应力集中点，引发银纹和剪切带的形成，又在银纹 ized rubber powders on structure and properties of polypropylene 发展过程中抑制银纹进一步发展成大裂纹)，认为在 composites.Waste Biomass Valorization,2013,4(1):65 变形过程中，橡胶本身的剪切变形，剪切带和银纹的形 [5]Zebarjad S M,Golmakaniyoon S.Influence of strain rate on the工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 阶段，理想吸能效率大小依次为空心玻璃微珠/聚丙 烯、聚丙烯、粉末丁腈橡胶/聚丙烯，说明在弹性阶段材 料的刚度对理想吸能效率起主要作用． 进入屈服阶 段，粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系的理想吸能效率明显 增大，且高于聚丙烯体系和空心玻璃微珠/聚丙烯体 系，橡胶粉末的大量变形在材料屈服阶段对基体产生 了重要影响，改善了聚丙烯的吸能特性． 在应力达到 约 70 MPa 之后，聚丙烯和空心玻璃微珠/聚丙烯体系 的理想吸能效率明显增大． 同样，这与两种材 料 在 70 MPa时进入屈服阶段有关( 参见图3) ． 但此时，粉末 丁腈橡胶/聚丙烯体系的理想吸能效率要小于其他两 种材料，说明橡胶粒子的变形基本完成，已经从屈服阶 段进入压实阶段． 在整个变形阶段，空心玻璃微珠/聚 丙烯体系的理想吸能效率都略高于聚丙烯，显然是由 于玻璃微珠对聚丙烯基体的刚化作用． 对整体的变化 趋势进行分析，三种材料的理想吸能效率最高值都出 现在屈服阶段，即在此阶段与理想材料最为接近，符合 实际． 粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系比聚丙烯和空心玻 璃微珠/聚丙烯更早进入屈服阶段，所以更早达到理想 吸能效率的最大值． 对于不同的应力要求，应选择不 同的复合体系作为最佳吸能材料． 空心玻璃微珠/聚 丙烯体系适用于屈服应力之前，使用应力较小或变形 较小的吸能材料; 而粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系适用于 屈服应力之后，使用应力较大或变形较大的吸能材料． 3. 4 冲击试验结果 为了进一步验证玻璃微珠和橡胶粉末对聚丙烯吸 能特性的影响，进行了摆锤冲击试验． 冲击试验的数据结果如表 2 所示． 填充玻璃微珠 后，试样的吸能效率增加 4% ，冲击韧性提高约 28% ; 填充橡胶粉末后，吸能效率增加 6. 25% ，冲击韧性提 高约 44% ． 因此，无论是加入玻璃微珠还是橡胶粉末， 都能改善聚丙烯的吸能特性，这与上文压缩试验得出 的结果一致． 表 2 冲击试验数据结果 Table 2 Ｒesults of impact tests 试样 吸能效率/% 冲击韧性/( J·cm － 2 ) 聚丙烯 14. 75 0. 39 空心玻璃微珠/聚丙烯 18. 75 0. 50 粉末丁腈橡胶/聚丙烯 21. 00 0. 56 对 于 聚 合 物 的 增 韧 机 理，目 前 有 多 种 理 论 模 型［16］． 综合弹性体增韧理论( 认为在冲击过程中微裂 纹的形成促使横跨裂纹两岸的橡胶粒子发生形变吸收 一部分能量) 和银纹--剪切带理论( 橡胶粒子的作用既 作为应力集中点，引发银纹和剪切带的形成，又在银纹 发展过程中抑制银纹进一步发展成大裂纹) ，认为在 变形过程中，橡胶本身的剪切变形，剪切带和银纹的形 成，以及整体的塑性流动都消耗大量能量，提高了吸能 效率． 无机刚性粒子增韧机制主要有冷拉、产生空穴 脱粘［17］、应力集中引发微裂纹等，结合冲击试样截面 的扫描电镜图片对微观形貌分析，可发现冲击后的试 样中空玻璃微珠有一定程度的破碎，且一些玻璃微珠 与基体发生剥离并在周围形成拉伸空洞． 可认为填充 粒子的脆性破坏、界面脱粘、空穴生长以及基体的塑性 流动等消耗了主要能量． 4 结论 空心玻璃微珠的加入增加了聚丙烯的刚度，降低 了延展性; 而粉末丁腈橡胶的加入减小了聚丙烯的刚 度，提高了延展性． 在吸收相同的能量时，粉末丁腈橡 胶/聚丙烯材料所产生的应力响应最小，作为缓冲吸能 材料可减少对外界物质的破坏程度． 由吸能效率--应 力曲线图可知，在达到最佳吸能状态时，所对应的应力 为空心玻璃微珠/聚丙烯高于粉末丁腈橡胶/聚丙烯． 所以在设计吸能产品时，空心玻璃微珠/聚丙烯的设计 应力应高于粉末丁腈橡胶/聚丙烯． 所有体系的理想 吸能效率的最高值都发生在相对平缓的屈服阶段，理 想吸能效率反映了真实材料与理想材料的接近程度， 更能体现材料的吸能特性，应根据不同的应力范围选 择合适的吸能材料: 空心玻璃微珠/聚丙烯体系适用于 屈服应力之前，而粉末丁腈橡胶/聚丙烯体系适用于屈 服应力之后． 空心玻璃微珠/聚丙烯体系和粉末丁腈 橡胶/聚丙烯体系在屈服阶段对材料的缓冲吸能特性 都有改进作用，而空心玻璃微珠/聚丙烯在整个变形阶 段都提升了材料的吸能性能． 冲击试验进一步证明了 两种填料都能改善聚丙烯的吸能特性． 参 考 文 献 ［1］ Li P，Han C，Wang J B． Ｒesearch development and application in polypropylene materials in automobile． China Plast Ind，2011，39 ( Suppl 1) : 26 ( 李平，韩深，汪家宝． 汽车用聚丙烯材料研究进展及应用． 塑料工业，2011，39( 增刊 1) : 26) ［2］ Ｒuksakulpiwat Y，Sridee J，Suppakarn N，et al． Improvement of impact property of natural fiber--polypropylene composite by using natural rubber and EPDM rubber． Compos Part B，2009，40( 7) : 619 ［3］ Tao G L，Liao X J，Fang J B，et al． Synergistic toughening effect of different elastomers on polypropylene． Polym Mater Sci Eng， 2013，29( 3) : 55 ( 陶国良，廖小军，方建波，等． 不同弹性体对聚丙烯的协同 增韧． 高分子材料科学与工程，2013，29( 3) : 55) ［4］ Ayyer Ｒ，Ｒosenmayer T，Schreiber W，et al． Effects of micron￾ized rubber powders on structure and properties of polypropylene composites． Waste Biomass Valorization，2013，4( 1) : 65 ［5］ Zebarjad S M，Golmakaniyoon S． Influence of strain rate on the · 2051 ·