01 Characterization of the toughness of plastics

Toughness, as opposed to rigidity, is a quality that represents how challenging it is to deform an item. The likelihood of deformation decreases with increasing rigidity, but deformation is made simpler with increased toughness. In general, a material's rigidity determines its hardness, tensile strength, Young's modulus, flexural strength, and flexural modulus; conversely, a material's toughness determines its elongation at break and impact strength. big. Impact strength is the ability of a spline or workpiece to survive an impact; it often refers to the amount of energy that the spline can take before breaking. 

Impact strength cannot be categorized as a fundamental attribute of the material since it varies based on the spline's form, the testing procedure, and the state of the test sample.

Impact tests can be done in a variety of ways. There are three different types of impact tests depending on the test temperature: normal temperature impact, low temperature impact, and high temperature impact. Additionally, depending on the sample's stress state, there are four different types of impact tests: bending impact (including cantilever beam and charpy impacts), tensile impact, torsional impact, and shear impact. Cutting impact may be split into two categories: single impacts with high energy and many impacts with low energy, depending on how many impacts are made. Different impact test techniques can be chosen for various materials or applications, leading to a variety of findings that cannot be compared.

02 Plastic toughening mechanism

There are two types of plastic toughening: rigid toughening agent toughening and flexible toughening agent toughening. The theories of direct energy absorption by elastomers, yield, crack core, multiple craze, craze-shear band, craze branching, Wu's theory, etc. are examples of the toughening mechanism. The craze-shear band hypothesis is one of those that has gained a lot of acceptance since it can satisfactorily explain a number of experimental data.

The craze-shear band hypothesis states that rubber particles primarily play two roles in the rubber-toughened plastic mix system:

D'une part, il provoque de nombreuses fissures et bandes de cisaillement dans la matrice en tant que site de contrainte concentrée ;

D'autre part, il est possible d'empêcher les fissures de devenir des fractures destructrices en limitant leur capacité à se propager.

Des bandes de cisaillement peuvent être induites par le champ de contrainte vers la fin de la frénésie pour l'arrêter. En outre, elles empêchent les fissures de se développer lorsqu'elles pénètrent dans la zone de cisaillement. L'énergie est utilisée lors de la formation et de la croissance de nombreuses fissures et bandes de cisaillement lorsque le matériau est soumis à des contraintes, ce qui augmente la ténacité du matériau. Les bandes de cisaillement sont associées à la formation de cols étroits, tandis que la fissuration se manifeste macroscopiquement par un blanchiment sous contrainte. Ces deux phénomènes ont des comportements distincts dans divers substrats plastiques.

03 Contributing factors to the plastic toughening impact

1. Caractéristiques de la résine matricielle

According to studies, increasing the matrix resin's hardness will also increase the toughening effect of toughened plastics. The following methods may be used to increase the matrix resin's toughness: managing crystallization and crystallinity, crystal size and shape, etc.; raising the matrix resin's molecular weight to narrow the molecular weight distribution. For instance, adding a nucleating agent to polypropylene (PP) speeds up crystallization and refines the grain structure, increasing the material's fracture toughness.

2. Dose et caractéristiques de l'agent de trempe

A. The toughening agent's dispersed phase's particle sizeThe qualities of the matrix resin and the ideal value of the particle size of the elastomer's dispersion phase are different for elastomer-toughened plastics. For instance, the ideal rubber particle size in HIPS is between 0.8 and 1.3 m, the ideal ABS particle size is around 0.3 m, and the ideal PVC-modified ABS particle size is roughly 0.1 m.

B. Toughener glass transition temperature – the toughening effect is improved when the glass transition temperature of general elastomers is lower;

C. The interfacial binding strength between the toughening agent and the matrix resin, which affects the toughening effect differently depending on the system;

D. The structure of elastomer tougheners, which depends on the kind of elastomer, the degree of crosslinking, etc.

E. The amount of toughening agent – the particle distance parameter is connected to the ideal amount of toughening agent supplied;

3. La force qui lie les deux phases entre elles

The macroscopically higher overall performance of the plastic is mostly due to the gain in impact strength, but a good bonding force between the two phases can also make it possible for stress to be successfully conveyed between the phases while using more energy. This binding force is typically thought of as the interaction between two phases. Block and graft copolymerization are frequent techniques for enhancing the bonding force between two phases. The distinction is that they create chemical linkages using techniques like grafting and block copolymerization. HIPS, ABS, SBS, and PUR are examples of block copolymers.

Il relève de la catégorie des mélanges physiques pour les polymères durcis, mais l'idée de base est la même. Les deux composants doivent être quelque peu compatibles et créer leurs propres phases dans le mécanisme de mélange idéal. Entre les phases se trouve une couche d'interface. Les chaînes moléculaires des deux polymères diffusent l'une dans l'autre dans la couche d'interface, et le gradient de concentration est clair. Au fur et à mesure que le mélange s'intensifie, la compatibilité des composants entraîne une forte force de liaison, qui améliore ensuite la diffusion pour disperser l'interface et épaissir la couche d'interface. À ce stade, la technologie cruciale pour la création d'alliages de polymères est la technologie de compatibilité des polymères, qui comprend également le durcissement des plastiques !

04 What are the techniques for toughening plastic?

EPR (ethylene propylene diene), EPDM (ethylene propylene diene), butadiene rubber (BR), natural rubber (NR), isobutylene rubber (IBR), nitrile rubber (NBR), etc. are examples of toughened rubber elastomers. All plastic resins may be modified to become tougher using this method.

2. SBS, SEBS, POE, TPO, TPV, etc. are toughened using thermoplastic elastomers. It is mostly used to toughen polyolefins or non-polar resins; when used to toughen polymers with polar functional groups, such as polyesters and polyamides, a compatibilizer should be added.

3. Strengthening of reactive terpolymers and core-shell copolymers

ACR stands for "acrylates," MBS for "methyl acrylate-butadiene-styrene copolymer," PTW for "ethylene-butyl acrylate-glycidyl methacrylate copolymer," and so on. The majority of its applications are to toughen technical plastics and high temperature resistant polymer alloys.

4. Toughening and mixing of high-tensile plastic

PC/ABS, PC/PBT, HIPS/PPO, PP/PA, PP/ABS, PA/ABS, PPS/PA, etc. Engineering plastics with high toughness may be made in large part through the use of polymer alloy technology.

5. Additional toughening techniques

Sarin resin (a DuPont metal ionomer) toughening, nanoparticle toughening (using nano-CaCO3, for example), etc.

La polymérisation par addition de radicaux libres est généralement utilisée pour produire des polymères à usage général. Les groupes polaires sont absents des chaînes latérales et de la chaîne principale de la molécule. Les plastiques techniques peuvent être renforcés par l'ajout de particules de caoutchouc et d'élastomère pour obtenir un effet de renforcement plus important. La polymérisation par condensation est généralement utilisée pour créer ce type de plastique. Les groupes polaires se trouvent dans la chaîne latérale ou le groupe terminal de la chaîne moléculaire. Il peut être rendu plus résistant en utilisant des particules de caoutchouc ou d'élastomère fonctionnalisées.

05 How to comprehend that capacity must be increased before toughening

En général, lorsqu'ils sont exposés à des forces extérieures, les plastiques absorbent et libèrent de l'énergie par le biais des processus de décollement de l'interface, de cavitation et de cisaillement de la matrice. Les élastomères à haute compatibilité, à l'exception des résines polymères non polaires, peuvent être appliqués directement. Pour atteindre l'objectif de durcissement final lors de l'utilisation de particules (même principe de compatibilité), d'autres résines polaires doivent être compatibilisées avec succès. Les copolymères greffés indiqués ci-dessus interagissent fortement avec la matrice lorsqu'ils sont utilisés comme durcisseurs, notamment :

(1) La réaction d'addition entre le groupe fonctionnel époxy et le groupe terminal hydroxyle, carboxyle ou amine du polymère a lieu après l'ouverture de l'anneau.

(2) Mécanisme de durcissement noyau-coquille : le caoutchouc a un effet durcissant tandis que le groupe fonctionnel extérieur est totalement compatible avec les composants ;

(3) Mécanisme de durcissement de l'ionomère : Le réseau de réticulation physique est créé lorsque les ions métalliques et les groupes carboxylates des chaînes de polymères se complexifient, ce qui durcit le matériau.

In reality, this compatibilization approach may be applied to all polymer blends if the toughener is thought of as a class of polymers. Reactive compatibilization is a method we must employ when creating practical polymer blends for industry. The term "toughening agent" now refers to a "interfacial emulsifier" or "toughening compatibilizer," respectively. The name is quite expressive!