這是業(yè)內(nèi)普遍接受的一個(gè)重要理論。大量實(shí)驗(yàn)表明,聚合物形變機(jī)理包括兩個(gè)過程:一是剪切形變過程,二是銀紋化過程。剪切過程包括彌散性的剪切屈服形變和形成局部剪切帶兩種情況。剪切形變只是物體形狀的改變,分子間的內(nèi)聚能和物體的密度基本不變。銀紋化過程則使物體的密度大大下降。
一方面,銀紋體中有空洞,說明銀紋化造成了材料一定的損傷,是亞微觀斷裂破壞的先兆;另一方面,銀紋在形成、生長過程中消耗了大量能量,約束了裂紋的擴(kuò)展,使材料的韌性提高,是聚合物增韌的力學(xué)機(jī)制之一。所以,正確認(rèn)識銀紋化現(xiàn)象,是認(rèn)識高分子材料變形和斷裂過程的核心,是進(jìn)行共混改性塑料,尤其是增韌塑料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。銀紋的一般特征如下:
1.銀紋是在拉伸力場中產(chǎn)生的,銀紋面總是與拉伸力方向垂直;在壓力場中不會產(chǎn)生銀紋;Argon的研究發(fā)現(xiàn),在純剪切力場中銀紋也能擴(kuò)展。
2.銀紋在玻璃態(tài)、結(jié)晶態(tài)聚合物中都能產(chǎn)生、發(fā)展。
3.銀紋能在聚合物表面、內(nèi)部單獨(dú)引發(fā)、生長,也可在裂紋端部形成。在裂紋端部形成的銀紋,是裂紋端部塑性屈服的一種形式。
4.在單一應(yīng)力作用下引發(fā)的銀紋,成為應(yīng)力銀紋。在短時(shí)大應(yīng)力作用下可以引發(fā)銀紋, 在長期應(yīng)力作用下,即蠕變過程中也能引發(fā)銀紋,在交變應(yīng)力作用下也可引發(fā)銀紋。受應(yīng)力和溶劑聯(lián)合作用引發(fā)的銀紋,稱為應(yīng)力-溶劑銀紋。溶劑能加速銀紋的引發(fā)和生長。
5.銀紋的外形與裂紋相似,但與裂紋的結(jié)果明顯不同。裂紋體中是空的,而銀紋是由銀紋質(zhì)和空洞組成的??斩吹捏w積分?jǐn)?shù)為50%70%。銀紋質(zhì)取向的高分子和/或高分子微小聚集體組成的微纖,直徑和間距為幾到幾十納米,其大小與聚合物的結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度、施力速度、應(yīng)力大小等因素有關(guān)。銀紋主微纖與主應(yīng)力方向呈某一角度取向排列,橫系的存在使銀紋微纖也構(gòu)成連續(xù)相,與空洞連續(xù)相交織在一起成為一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。橫系結(jié)構(gòu)使得銀紋有一定橫向承載能力,銀紋微纖之間可以相互傳遞應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)的形成是由于強(qiáng)度較高的纏結(jié)鏈段被同時(shí)轉(zhuǎn)入兩相鄰銀紋微纖的結(jié)果。
銀紋引發(fā)的原因是聚合物中以及表面存在應(yīng)力集中物,拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。首先在局部應(yīng)力集中處產(chǎn)生塑性剪切變形,由于聚合物應(yīng)變軟化的特性,局部塑性變形量迅速增大,在塑性變形區(qū)內(nèi)逐漸積累足夠的橫向應(yīng)力分量。這是因?yàn)檠乩鞈?yīng)力方向伸長時(shí),聚合物材料必然在橫向方向收縮,就產(chǎn)生抵抗這種收縮傾向的等效于作用在橫向的應(yīng)力場。當(dāng)橫向張力增大到某一臨界值時(shí),局部塑性變形區(qū)內(nèi)聚合物中被引發(fā)微空洞;隨后,微空洞間的高分子和/或高分子微小聚集體繼續(xù)伸長變形,微空洞長大并彼此復(fù)合,最終形成銀紋中橢圓空洞。銀紋體形成時(shí)所消耗的能量稱為銀紋生成能,包括消耗的4種形式的能量:生成銀紋時(shí)的塑性功,黏彈功,形成空洞的表面功及化學(xué)鍵的斷裂能。
銀紋終止的具體原因有多種,如銀紋發(fā)展遇到了剪切帶,或銀紋端部引發(fā)剪切帶,或銀紋的支化,以及其它使銀紋端部應(yīng)力集中因子減小的因素,如圖所示

剪切帶內(nèi)分子鏈或高分子的微小聚集體有很大程度的取向,取向方向?yàn)榍袘?yīng)力和拉伸應(yīng)力合力的方向。剪切帶的產(chǎn)生只是引起試樣形狀改變,聚合物的內(nèi)聚能以及密度基本上不受影響。剪切帶與拉伸力方向間的夾角都接近45°,但由于大形變時(shí)試樣產(chǎn)生各向異性,試樣的體積也可能發(fā)生微小的變化, 所以與拉伸力方向間的夾角往往與45°有偏差。單軸拉伸力作用聚合物試樣不能產(chǎn)生剪切帶,單軸壓縮力作用下也可能產(chǎn)生剪切帶,局部大形變處不是出現(xiàn)細(xì)頸,而是鼓凸。
拉伸和壓縮作用產(chǎn)生的剪切帶與應(yīng)力方向間的夾角會不同。如PVC,壓縮時(shí)剪切帶與壓縮力方向間夾角為46°,拉伸時(shí)夾角為55°。取向單元取向情況也會有差別:拉伸時(shí),取向單元取向方向與拉伸力方向間夾角較小;壓縮時(shí),取向單元方向與壓力軸向間夾角較大。
剪切帶的產(chǎn)生和剪切帶的尖銳程度,除與聚合物的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)外,還與溫度、形變速率有關(guān)。如溫度過低時(shí),剪切屈服應(yīng)力過高,試樣不能產(chǎn)生剪切屈服,而是橫截面處引發(fā)銀紋,并迅速發(fā)展成裂紋,試樣呈脆性斷裂;溫度過高,整個(gè)試樣容易發(fā)生均勻的塑性形變, 只能產(chǎn)生彌散型的剪切形變而不會產(chǎn)生剪切帶。加大形變速率的影響與降低溫度是等效的。
銀紋與剪切帶之間存在相互作用。很多情況下,在應(yīng)力作用下,聚合物會同時(shí)產(chǎn)生剪切帶與銀紋,兩者相互作用,成為影響聚合物形變乃至破壞的重要因素。聚合物形變過程中, 剪切帶和銀紋兩種機(jī)理同時(shí)存在,相互作用時(shí),使聚合物從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞。
銀紋與剪切帶的相互作用可能存在三種方式:一是銀紋遇上已存在的剪切帶而得以與其合伙終止,這是由于剪切帶內(nèi)大分子高度取向限制了銀紋的發(fā)展;二是在應(yīng)力高度集中的銀紋尖端引發(fā)新的剪切帶,新產(chǎn)生的剪切帶反過來又終止銀紋的發(fā)展;三是剪切帶使銀紋的引發(fā)與增長速率下降。該理論認(rèn)為橡膠增韌的主要原因是銀紋和剪切帶的大量產(chǎn)生和銀紋與剪切帶相互作用的結(jié)果。
橡膠顆粒的第一個(gè)重要作用就是充當(dāng)應(yīng)力集中中心,誘發(fā)大量銀紋和剪切帶,大量銀紋或剪切帶的產(chǎn)生和發(fā)展需要消耗大量能量。銀紋和剪切帶所占比例與基體性質(zhì)有關(guān),基體的韌性越大,剪切帶所占的比例越高;同時(shí),也與形變速率有關(guān),形變速率增加時(shí),銀紋化所占的比例就會增加。橡膠顆粒第二個(gè)重要作用就是控制銀紋的發(fā)展,及時(shí)終止銀紋。在外力作用過程中,橡膠顆粒產(chǎn)生形變,不僅產(chǎn)生大量的小銀紋或剪切帶,吸收大量的能量,而且,又能及時(shí)將其產(chǎn)生的銀紋終止而不致發(fā)展成破壞性的裂紋。
銀紋-剪切帶理論的特點(diǎn)是既考慮了橡膠顆粒的作用,又肯定了樹脂連續(xù)相性能的影響, 同時(shí)明確了銀紋的雙重功能,即銀紋產(chǎn)生和發(fā)展消耗大量的能量,可提高材料的破裂能;銀紋又是產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致材料破壞的先導(dǎo)。但這一理論的缺陷是忽視了基體連續(xù)相與橡膠分散相之間的作用問題。應(yīng)該說,聚合物多相體系的界面性質(zhì)對材料性能有很大的影響。