聚苯硫醚（PPS）材料綜合性能測試方法綜述

引言
聚苯硫醚（PPS）作為一種高性能特種工程塑料，以其卓越的耐高溫性、優異的耐化學腐蝕性、出色的機械強度、固有的阻燃性以及良好的尺寸穩定性，在電子電氣、汽車工業、航空航天、化工防腐等領域獲得了廣泛應用。為確保PPS材料及其制品的性能滿足特定應用要求，對其進行全面、規范的測試至關重要。本綜述旨在系統介紹PPS材料的關鍵性能測試項目及常用方法。

一、 基礎物理與機械性能測試

• 密度：
  • 方法： 通常采用液體置換法（如蒸餾水），依據標準如ASTM D792或ISO 1183。測量物質質量與其體積的比值。
  • 意義： 影響材料的輕量化設計、成本計算及部分力學性能預測（如比強度）。
• 熔融指數/熔體質量流動速率(MFR)：
  • 方法： 在特定溫度和負荷下（對PPS常用316°C / 5.0kg），測量熔融樹脂在10分鐘內通過規定標準口模的質量（g/10min），依據標準如ASTM D1238或ISO 1133。
  • 意義： 表征材料在熔融狀態下的流動性，是衡量加工性能（如注塑、擠出難易度）的關鍵工藝參數。
• 拉伸性能：
  • 方法： 使用萬能材料試驗機，按照標準（如ASTM D638， ISO 527）規定的試樣形狀（通常為啞鈴型）和拉伸速率進行測試。主要測量拉伸強度、拉伸模量（楊氏模量）和斷裂伸長率。
  • 意義： 衡量材料抵抗拉伸載荷的能力、剛性和延展性，是結構件設計選材的核心指標。
• 彎曲性能：
  • 方法： 采用三點彎曲法，依據標準（如ASTM D790， ISO 178）進行測試。測量彎曲強度、彎曲模量。
  • 意義： 評價材料在彎曲載荷作用下的強度和剛性，對于梁、支架等承受彎曲應力的部件設計尤為重要。
• 沖擊性能：
  • 方法：
    • 簡支梁沖擊： 試樣水平放置，缺口背向擺錘沖擊，依據標準如ISO 179。
    • 懸臂梁沖擊： 試樣垂直夾持，缺口面向擺錘沖擊，依據標準如ASTM D256。
  • 意義： 評估材料在高速沖擊載荷下的韌性或脆性及抗沖擊破壞能力。有無缺口測試結果可反映材料對缺口敏感程度。
• 硬度：
  • 方法： 常用洛氏硬度（如R標尺或M標尺，依據ASTM D785）或球壓痕硬度（依據ISO 2039-1）。
  • 意義： 表征材料抵抗局部壓痕或劃傷的能力，間接反映材料的耐磨性、剛性與強度。

二、 熱性能測試

• 熱變形溫度(HDT)：
  • 方法： 在規定彎曲應力下（常采用1.82 MPa和0.45 MPa兩種載荷），試樣浸入熱介質中勻速升溫，測量其達到規定變形量（通常為0.2mm）時的溫度，依據標準如ASTM D648或ISO 75。
  • 意義： 評價材料在短時升溫且承受一定載荷條件下的耐熱性，是材料高溫使用性能的重要參考。
• 維卡軟化溫度(VST)：
  • 方法： 在特定負荷（常用10N或50N）下，規定形狀的平頭針垂直壓入試樣表面，浸入熱介質中勻速升溫，測量針壓入1mm深度時的溫度，依據標準如ASTM D1525或ISO 306。
  • 意義： 主要用于表征熱塑性塑料在無定形區或低結晶度區域的軟化溫度，對PPS也具有一定參考價值，常高于HDT。
• 玻璃化轉變溫度(Tg)與熔融溫度(Tm)：
  • 方法： 采用差示掃描量熱法(DSC)，依據標準如ASTM D3418或ISO 11357。測量材料在升溫/降溫過程中因相變（玻璃化轉變、熔融、結晶）引起的熱流變化。
  • 意義：
    • Tg： 反映聚合物從玻璃態向高彈態轉變的溫度點，影響材料在低溫下的韌性、尺寸穩定性。
    • Tm： 結晶性聚合物（如PPS）熔融吸熱峰對應的溫度，是材料加工溫度的下限參考。
• 線性熱膨脹系數(CLTE)：
  • 方法： 使用熱機械分析儀(TMA)，測量材料在特定溫度范圍內（常為-30°C至+30°C或更高）單位溫升引起的長度變化率，依據標準如ASTM E831或ISO 11359-2。
  • 意義： 表征材料隨溫度變化的膨脹/收縮程度，對于精密部件設計（如電子封裝、密封件）至關重要，需考慮與金屬或其它材料部件的匹配性。
• 導熱系數：
  • 方法： 常用防護熱板法或熱流計法，依據標準如ASTM C177或ISO 8302。
  • 意義： 衡量材料傳導熱量的能力，在散熱應用（如散熱器部件）或隔熱應用中需要重點關注。

三、 電性能測試

• 體積電阻率 & 表面電阻率：
  • 方法： 使用高阻計，施加規定直流電壓，測量通過試樣體積的泄漏電流（計算體積電阻率）或沿試樣表面的泄漏電流（計算表面電阻率），依據標準如IEC 60093或ASTM D257。
  • 意義： 評價材料的絕緣性能。體積電阻率反映材料內部的絕緣能力；表面電阻率反映材料抵抗表面漏電流的能力。PPS通常具有極高的電阻率。
• 介電強度：
  • 方法： 在試樣兩側施加連續升高的交流電壓（或直流電壓），直至試樣被擊穿，記錄擊穿電壓值，除以試樣厚度得到介電強度（kV/mm），依據標準如IEC 60243-1或ASTM D149。
  • 意義： 表征材料在強電場下抵抗瞬時電擊穿的能力，是絕緣材料的關鍵安全指標。
• 介電常數與介質損耗因數：
  • 方法： 使用阻抗分析儀或電容電橋，在特定頻率（如50Hz, 1kHz, 1MHz等）下測量，依據標準如IEC 60250或ASTM D150。
  • 意義：
    • 介電常數： 反映材料在電場作用下儲存電能的能力。
    • 介質損耗因數： 反映材料在交變電場中損耗電能的效率。低損耗因數是高頻絕緣應用（如電路板基材）的關鍵要求。
• 耐電弧性：
  • 方法： 常用高壓小電流電弧法（如ASTM D495）或低壓大電流電弧法（如IEC 61621）。
  • 意義： 評估材料表面在高電壓電弧作用下抵抗形成導電通路（碳化）的能力。PPS具有優異的耐電弧性。

四、 耐化學性與環境可靠性測試

• 耐化學藥品性：
  • 方法： 將標準試樣浸泡在規定濃度、溫度的特定化學試劑中一定時間（如24hr、168hr甚至更長），取出后清洗干燥，測量其外觀變化、重量變化（%）以及浸泡后的機械性能（如強度、伸長率）保持率。參考標準如ISO 175或ASTM D543。
  • 意義： PPS以其杰出的耐化學性著稱，此項測試驗證其在特定化學環境（如酸、堿、烴類溶劑等）中的耐受能力。
• 吸水性：
  • 方法： 將干燥試樣在規定溫度（如23°C或更高）和相對濕度（如50%或浸入水中）的環境下放置規定時間（如24hr、飽和吸水），測量其質量增加百分比，依據標準如ISO 62或ASTM D570。
  • 意義： 評估材料暴露在潮濕環境中吸收水分的能力。低吸水性有助于保持PPS良好的尺寸穩定性和電絕緣性。
• 長期熱老化：
  • 方法： 將試樣置于設定溫度的恒溫烘箱中（溫度通常高于實際使用溫度），定期取出樣品測試關鍵性能（如拉伸強度、沖擊強度），記錄性能隨時間的變化，直至性能衰減至失效標準。依據標準如IEC 60216 (電絕緣材料熱耐久性) 或UL 746B。
  • 意義： 預測材料在長期高溫使用環境下的使用壽命和性能保持率，是高溫應用選材的核心認證依據，常通過阿累尼烏斯圖推算使用壽命。
• 濕熱老化：
  • 方法： 將試樣置于高溫高濕環境（如85°C/85%RH）中，定期取出測試性能變化（外觀、機械、電性能），依據標準如IEC 60068-2-78或相關產品標準。
  • 意義： 評估材料在高溫高濕環境下的穩定性及可能的降解（如水解）。
• 耐候性（紫外/氙燈老化）：
  • 方法： 使用紫外老化試驗箱或氙燈老化試驗箱模擬太陽光、雨水、露水等環境因素，依據標準如ASTM G154 (UV)， ASTM G155 (Xenon)。
  • 意義： 評估PPS材料（尤其是有色或未加穩定劑配方）在戶外光照條件下顏色變化（褪色、黃變）、表面粉化、光澤損失及機械性能衰減的情況。PPS本身耐候性中等，常需添加穩定劑。

五、 阻燃性能測試

• 方法： PPS本身具有優異的阻燃性，無需添加阻燃劑即可達到高等級阻燃要求。
  • UL94垂直燃燒等級： 是應用最廣泛的塑料阻燃等級標準。依據試樣厚度，測試其暴露于規定火焰后的燃燒時間、是否滴落引燃棉花以及有無余焰/余輝。常見等級：V-0 (最高), V-1, V-2, HB（最低）。
  • 極限氧指數(LOI)： 依據標準如ASTM D2863或ISO 4589-2。測量材料在氮氧混合氣體中維持燭狀燃燒所需的最低氧氣濃度（體積百分比）。LOI值越高，材料越難燃燒（空氣中氧氣濃度約21%）。PPS的LOI通常>45%，遠高于多數塑料。
• 意義： 驗證材料在直接接觸火源時的自熄能力和阻燃安全性，是電子電氣、交通運輸等安全敏感領域的強制性要求。

六、 其它重要測試

• 灰分含量：
  • 方法： 高溫灼燒去除樹脂組分，稱量剩余無機物的質量百分比，依據標準如ISO 3451-1或ASTM D5630。
  • 意義： 反映材料中無機填料（如玻纖、礦物質）或添加劑（如阻燃劑）的含量，直接影響材料的密度、機械性能（特別是強度和模量）、熱性能和加工流動性。是配方質量控制的關鍵指標。
• 尺寸穩定性（收縮率）：
  • 方法： 測量注塑標準試樣（如ISO 294模具）在成型后經規定條件（溫度、時間）處理后的尺寸變化（通常測量流動方向和垂直流動方向），依據標準如ISO 294-4。
  • 意義： PPS是結晶性聚合物，固化收縮率相對較大且具有方向性（各向異性）。準確掌握收縮率對精密注塑制品的設計（模具尺寸補償）及保證裝配精度至關重要。
• 摩擦磨損性能：
  • 方法： 可使用環塊摩擦試驗機、銷盤摩擦試驗機等，依據標準如ASTM G77或ASTM D3702，測量摩擦系數和體積磨損量。
  • 意義： 對于齒輪、軸承、密封環等運動部件應用，需要評估材料的摩擦系數和耐磨性。純PPS耐磨性一般，常需添加潤滑劑（如PTFE、石墨）或玻纖/碳纖增強。

對聚苯硫醚（PPS）材料進行系統、科學的測試，是確保其從原材料選擇、配方設計、生產過程控制到最終產品性能滿足嚴苛應用需求的基石。涵蓋物理機械、熱學、電學、耐化學、環境老化、阻燃等多維度的測試結果，為材料供應商優化配方、加工企業調整工藝、最終用戶合理選型及產品設計師進行可靠性驗證提供了不可或缺的數據支撐。嚴格遵循國際或國家標準的測試方法，是保證測試結果準確性、重現性和可比性的關鍵。