1、第五章：高分子材料的基本性能,公共信箱： 密碼：111111,目的：掌握高分子材料的基本性能的普遍規(guī)律 -核心 能夠運(yùn)用結(jié)構(gòu)及分子運(yùn)動基本理論進(jìn)行分析,作業(yè)信箱：,力學(xué)性能 熱性能 電性能 溶解、滲透性能 老化性能 燃燒性能, 分子設(shè)計(jì)及改性的基本思路及途徑,基本內(nèi)容,三種力學(xué)狀態(tài)： 粘流態(tài)： 高彈態(tài)： 玻璃態(tài)（結(jié)晶態(tài)）,粘彈性,：,5.1 力學(xué)性能,高分子材料流變特性？用分子運(yùn)動原理分析。 流變性的測試分析方法？ 分析PP、PS成型加工條件對流動性的影響。,一、高聚物的流動性（流變性基礎(chǔ)簡介）,1、特征 粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越寬，粘度越大； 流動機(jī)理：分子重心相對位移，是由鏈段

2、的相繼躍遷實(shí) 現(xiàn)的 伴有高彈形變具有粘彈性 現(xiàn)象：出口膨大、爬桿效應(yīng)、融體破裂,5.1 力學(xué)性能,成型過程中的指導(dǎo)： 如：成型時(shí)粘度過大原因？如何解決？ 涂料涂裝時(shí)流掛問題如何解決？,4）是一假塑性流體：,A、基本名詞：剪切應(yīng)力、剪切速率,隨剪切速率（剪切應(yīng)力的增加， 表觀粘度下降的流體）,5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,？,B、假塑性原因,大分子延剪切力方向的取向，及帶來的解纏,5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,B、冪律方程： K n,n=1 : 牛頓流體（曲線2） n1: 脹流性流體 （曲線4）,n: 非牛頓指數(shù)；,D、觸變性流體：t延長，粘度迅速下降； （例：重防腐涂料中的應(yīng)用

3、） 震凝性流體：反之,全剪切應(yīng)力下的流變曲線,曲線3：賓漢流體,5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,1、第一牛頓區(qū) 2、第二牛頓區(qū),5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,2、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 （、 Tf 、非牛頓性 ）,1）分子量： 分子量越大，粘度越大， Tf 越高， 非牛頓性越大,2）分布： 一般越寬： 低剪切下：粘度越大， 高剪切下：粘度越小 Tf 越低， 非牛頓性越大,因?yàn)椋豪p結(jié),解纏能力,5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,3）柔性： 柔性越大，Tf 越低， 非牛頓性越大（粘度對剪切的敏感性大） 剛性越大：粘度對溫度的敏感性越大,4）分子間作用力： 越大： Tf 越高，粘度越高， 粘

4、度對溫度的敏感性大,5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,2、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 （、 Tf 、非牛頓性 ）,鏈段活動能力，長鏈的卷曲,實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)意義：塑料成型生產(chǎn)、涂料,3、表征 粘度： （ 測定：） 熔融指數(shù)： 在恒定的壓力、溫度下，單位時(shí)間內(nèi)流過特定毛細(xì)孔（1mm2 )聚合物的重量。,5.1 力學(xué)性能,一、高聚物的流動性,原材料的重要指標(biāo)！,分子量及分布的綜合體現(xiàn),指導(dǎo)選材、成型工藝的設(shè)計(jì),力學(xué)性能,橡膠高彈性對結(jié)構(gòu)的基本要求？ 橡膠力學(xué)性能特征？高彈性的本質(zhì)？ 比較順丁橡膠、乙丙橡膠的高彈性能？,二、橡膠的高彈性,鏈段運(yùn)動的體現(xiàn)，高分子特有,1、高彈性的特點(diǎn)： E（模量）小，為鋼材的1/

5、105 泊松比小 0.5 V= 0 溫度升高，E增大；（與金屬反之） 形變時(shí)有熱效應(yīng)（發(fā)展時(shí)，升溫（放熱） 在一定條件下，高彈形變表現(xiàn)明顯的松弛現(xiàn)象 時(shí)間依賴性,5.1 力學(xué)性能,橡膠具有高彈性的結(jié)構(gòu)要求？ 指導(dǎo)我們根據(jù)高彈性的使用要求如何來選擇材料。,2、高彈性的本質(zhì)：,鏈段的取向與解取向， 是一松弛過程,解釋特征4: H = U T S H = T S 所以：形變過程中，有熱效應(yīng),（形變發(fā)展： S 0， 放熱）,5.1 力學(xué)性能,二、橡膠的高彈性,3、的關(guān)系,特征3： E與T成正比,5.1 力學(xué)性能,二、橡膠的高彈性,3. 關(guān)系,4、橡膠高彈性的結(jié)構(gòu)要求* 1） 柔性好，柔性好的不一定具有

6、高彈性 2）不結(jié)晶 無束縛 3) 分子量高提供交聯(lián)度，強(qiáng)度高 4）交聯(lián)無永久性形變,5.1 力學(xué)性能,二、橡膠的高彈性,高分子材料的尺寸穩(wěn)定性影響因素？ 高分子材料粘彈性的表現(xiàn)及影響因素？ 用分子運(yùn)動理論、松弛理論分析高分子材料力學(xué)損耗的影響因素？,三、粘彈性,既具有彈性，又具有粘性,明顯的松弛過程時(shí)間依賴性,1、靜態(tài)粘彈性：（非交變）,蠕變：一定T、一定， 觀察t的變化,應(yīng)力松弛：一定T、一定 ， 觀察t的變化, 瞬時(shí)彈性 高彈 永久,(交聯(lián)曲線2）,1) 蠕變、應(yīng)力松弛現(xiàn)象,5.1 力學(xué)性能,t,實(shí)際中的尺寸穩(wěn)定性問題、密封問題、疲勞問題的分析、選材 高分子材料性能不同于其他材料，出現(xiàn)規(guī)律

7、反常時(shí)運(yùn)用粘彈性來分析。,原因：鏈段運(yùn)動，調(diào)節(jié)構(gòu)象來適應(yīng)外力,力不變，調(diào)節(jié)結(jié)果：形 變增大蠕變,形變不變，調(diào)節(jié)結(jié)果: 內(nèi)力減小，相對的外力變小應(yīng)力松弛,3）應(yīng)用：工程塑料的尺寸穩(wěn)定性、 密封問題 等 例：,4）粘彈模型 ：,建立模型模擬曲線得到參數(shù),理想粘壺理想彈簧,Maxwell模型 描述應(yīng)力松弛,Kelvin 模型 描述蠕變,串聯(lián),并聯(lián),2）原因：,三、粘彈性,5.1 力學(xué)性能,三、粘彈性,5.1 力學(xué)性能,應(yīng)力周期性變化： 0 Sin t 應(yīng)變： 0 Sin（ t ） 落后一相位角,滯后：一定溫度下，受交變的應(yīng)力，形變隨時(shí) 間的變化跟不上力隨時(shí)間的變化,結(jié)果：產(chǎn)生滯后圈能耗 （機(jī)械能（彈

8、性能）熱能） 力學(xué)損耗,力學(xué)損耗因子*： tan ,-損耗模量 -儲能模量,2、動態(tài)粘彈性 （滯后）,三、粘彈性,5.1 力學(xué)性能,影響因素*： 1）結(jié)構(gòu)：分子柔性、分子間作用力等- 2）時(shí)間： （1/ t (觀察） 小t長： 鏈段完全跟上 大t短 ：鏈段完全跟不上 硬 ，甚至脆 適中t：滯后明顯 tan 有最大值,3）溫度：- T增大， 減小， 分析 : 鏈段運(yùn)動 （時(shí)溫等效原理）,應(yīng)用意義：指導(dǎo)力學(xué)（及其它物理）特性的分析及應(yīng)用， 意義大 （例：) 理論意義：是分子運(yùn)動研究的重要手段,三、粘彈性,5.1 力學(xué)性能,？,DDV(動態(tài)黏彈譜儀）,塑料的力學(xué)表征？ 比較PE/PP/PS/PA66

9、/PVC/環(huán)氧樹脂的力學(xué)特征 高分子材料增強(qiáng)、增韌的主要途徑？,四、屈服、強(qiáng)度與斷裂 （玻璃、結(jié)晶態(tài)）,1、拉伸過程 應(yīng)力應(yīng)變曲線 （冷拉曲線） 一定的溫度、一定的拉伸速度下，觀察應(yīng)力隨應(yīng)變的變化曲線,2、力學(xué)強(qiáng)度 3、與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 4、增強(qiáng)與增韌,（5、其它力學(xué)性能 ）,5.1 力學(xué)性能,高分子塑料與金屬材料比較拉伸性能的特征規(guī)律有何不同，為什么？（銀紋、斷裂、屈服、應(yīng)力增強(qiáng)問題） 不同力學(xué)要求如何選材？ 如何增強(qiáng)？如何增韌？（如：對于PS，對于橡膠材料、PVC）,力學(xué)特征*： E -軟硬 A-彈性 S -韌脆 -延性 SOA -回彈性 強(qiáng)度（B、Y )-強(qiáng)弱,1）非晶： 曲線分析： OA-

10、普彈 斜率E Y：屈服： 隨應(yīng)變增大，應(yīng)力不變或下降 力去除，形變不可恢復(fù) 應(yīng)變增大，應(yīng)力增大 應(yīng)變硬化 B:斷裂 脆性斷裂： （ B Y ） 韌性斷裂：,-小單元運(yùn)動,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,屈服過程：剪切形變（45。結(jié)構(gòu)滑移） 銀紋化過程 裂縫,B 屈服: 機(jī)理：,鏈段在力的強(qiáng)迫下運(yùn)動（取向），因?yàn)門小于Tg， 所以不能恢復(fù),銀紋化：力（環(huán)境）作用下，結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生 應(yīng)力集中，出現(xiàn)發(fā)亮的條紋。 運(yùn)動單元高度取向（m 不為零）,強(qiáng) 迫高彈形變：在Tg以下，在高應(yīng)力作用下發(fā)生的大形變， 且不可恢復(fù),銀紋與裂縫的差異？,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶

11、高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,C 斷裂: 脆性斷裂：沒有屈服，斷裂面光滑； 韌性斷裂：出現(xiàn)屈服后的斷裂，斷裂面粗糙。 T Tb 時(shí)： B Y 脆性斷裂,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,2) 結(jié)晶高聚物的應(yīng)力應(yīng)變曲線,細(xì)頸現(xiàn)象明顯 運(yùn)動單元是微晶、鏈段（非晶區(qū)）在較大力作用下的取向， （不可恢復(fù)） 應(yīng)變硬化現(xiàn)象明顯 存在脆性斷裂問題,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,3) 不同力學(xué)特征的應(yīng)力應(yīng)變曲線,脆而硬：1 PS、未交聯(lián)的熱固性樹脂等 強(qiáng)而硬：2 交聯(lián)的熱固性樹脂（環(huán)氧等） 工程塑料 強(qiáng)

12、而韌：3、4 工程塑料（PC、PA ABS等）、PVC 軟而韌：5、6 PE、軟 PVC等 7 橡膠 軟而弱：8 凝膠 弱而脆：9,力學(xué)特征 曲線 例,注意： 相比較而言 在不同條件（T、拉伸速度）下, 曲線會有變化,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,4）溫度、時(shí)間對曲線的影響,溫度的影響（一定）： T Tf 曲線9,分子運(yùn)動分析:,時(shí)間-1/（T一定）： 分析：單元運(yùn)動 （時(shí)溫等效原理） #,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,作業(yè)：試從分子運(yùn)動原理或時(shí)溫等效原理分析拉伸速度的變化對拉伸曲線的影響,注意: 使用

13、時(shí)趨于很小長期強(qiáng)度，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所測值 ， 例：PVC: B(1000h）1/2B （測） Tb、Tg測定時(shí)，是在一定時(shí)間尺度下， （ 比較小，時(shí)間長） 實(shí)際受力時(shí)（特別是在沖擊力時(shí)）往往很高， 例：PVC 的Tb= - 50度，T使 - 30 -15度,1、拉伸過程 (非晶、結(jié)晶高聚物）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,2、力學(xué)強(qiáng)度,1）幾種主要強(qiáng)度,抗張強(qiáng)度： BF/S,抗彎強(qiáng)度： 抗沖擊強(qiáng)度 （韌性） i=W/bd （kJ/m2),彎曲形變較小時(shí)的載荷與撓度,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,2） 理論強(qiáng)度 實(shí)際強(qiáng)度，實(shí)=（1/1001/1000 )理 而模量接近 原因：缺陷

14、(裂縫、結(jié)構(gòu)的不均一性）,3）強(qiáng)度理論： 應(yīng)力集中：,Griffith表面能理論 （脆性材料）,分子熱漲落理論：,要點(diǎn)：裂縫發(fā)展產(chǎn)生新的表面，需要能量 ， 外能H: H , 裂縫發(fā)展,2、力學(xué)強(qiáng)度,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,2、力學(xué)強(qiáng)度,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,鏈斷裂凈頻率：,壽命：,2、力學(xué)強(qiáng)度,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,3、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,1） 分子量：越大，越大， 屈服、E不變 -韌而強(qiáng) （M MC）,2）F分越大， B 、 Y越大， 減小，E增大-強(qiáng)而硬 過大，脆性斷裂,3) 交聯(lián) 適度 B增大， Y不變， 減小， E增大，i增大 -強(qiáng)而硬

15、 過度交聯(lián)， B大幅度減小 - - - - -脆,4）結(jié)晶 Y越大 隨結(jié)晶度增大， B、 E增大，-強(qiáng)而硬 球晶大小、多少小而密強(qiáng)度、抗沖擊好,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,3、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,6) 缺陷（裂紋、氣泡、內(nèi)應(yīng)力、銀紋等） 應(yīng)力集中，強(qiáng)度大幅度下降,7）增塑劑：分子間作用力下降 例：PVC,5）取向：平行取向方向，強(qiáng)度大幅度增加。 垂直取向方向，強(qiáng)度大幅度下降,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,3、強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,4、增強(qiáng)與增韌,1）增強(qiáng): A、結(jié)晶、取向、交聯(lián) B、活性粉末增強(qiáng)， 作用：吸附相當(dāng)物理交聯(lián) 傳遞應(yīng)力均勻分布

16、載荷， 一鏈斷，其他鏈仍起作用。 偶聯(lián)劑使惰性粉末具有“ 活性” 納米粉末增強(qiáng),5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,分子運(yùn)動、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、復(fù)合、合金化,C：纖維增強(qiáng),4、增強(qiáng)與增韌,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,纖維增強(qiáng)機(jī)理：,纖維模量大于基體，相同應(yīng)變下，纖維承載大； 抑制裂紋效應(yīng) 黏附作用，傳遞應(yīng)力； 短纖維起作用,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,4、增強(qiáng)與增韌,增韌-S 增大 橡膠增韌 共聚、共混 例：HIPS,多重裂紋化理論 剪切屈服理論 剪切屈服的裂紋理論,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,4、增強(qiáng)與增韌,纖維增韌 （主要對于熱固性樹脂）,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,4、增強(qiáng)與增韌,5、其它力學(xué)性能,1） 疲勞 : 在周期性交變應(yīng)力作用下，在低于靜態(tài)強(qiáng)度 的應(yīng)力下斷裂。,疲勞強(qiáng)度：a = u - k log N,熱塑性： a = c 金屬： a = 1/3 u,疲勞極限（ C ）： a C 時(shí)，N 趨于 ，不斷裂。 一般用 N107時(shí)，斷的最大應(yīng)力表示,5.1 力學(xué)性能 四 屈服、強(qiáng)度與斷裂,2）摩擦與磨損,A、摩擦特性： F= L -Amontons公式 （粘合機(jī)理 金屬：接觸面積與載荷成正比） 高分子：接觸面積與 L 2/3成正比 = K L n-1 2/3 n 1,摩擦系數(shù)與載荷有關(guān) 與滑動速度