高分子材料概論第四章高分子材料性能與表征

1、1第四章第四章高分子材料性能與表征高分子材料性能與表征學習目的要求學習目的要求了解和掌握高聚物的常用性能如黏流特性、機械強度、力學、電、及熱性能。2 高分子材料用途廣泛的原因是其具有一定的高分子材料用途廣泛的原因是其具有一定的機械強度，可以承受各種形式的外力作用，并且機械強度，可以承受各種形式的外力作用，并且有像某些非金屬材料和金屬材料所具有的使用性有像某些非金屬材料和金屬材料所具有的使用性能。能。 因此，了解和掌握高分子材料常用性能的內因此，了解和掌握高分子材料常用性能的內在規(guī)律，不僅是合理選用材料的依據(jù)，并且對設在規(guī)律，不僅是合理選用材料的依據(jù)，并且對設計和開發(fā)新型的高強度、高模量的高分子

2、材料具計和開發(fā)新型的高強度、高模量的高分子材料具有重要指導意義。有重要指導意義。34-14-1高分子材料的流變特性高分子材料的流變特性目的：目的：掌握高聚物的粘流特性，合理控制成型加工過程。一、高聚物的流變性一、高聚物的流變性定義定義高聚物的流變性是指高聚物有流動和形變的性能。材料形變的類型材料形變的類型tttttttttDDDDDD111應變與時間的關系應變與應力的關系類型編號1234 56789特點符合虎克定律的理想彈性體不符合虎克定律的理想彈性體能完全回復的非理想彈性體高彈體具有塑性的非理想彈性體非理想塑性體理想塑性體或稱賓漢流體具有黏彈性的非牛頓流體非牛頓黏性流體牛頓流體 分以下情況：

3、分以下情況： 第第1、2、3類屬于彈性形變（包括普彈和高彈）體；類屬于彈性形變（包括普彈和高彈）體； 第第4、5、6、7類屬于同時具有黏性和彈性的黏彈體，其類屬于同時具有黏性和彈性的黏彈體，其中第中第5、6類以塑性為主，第類以塑性為主，第7類以黏性為主，高聚物材料類以黏性為主，高聚物材料多屬于此類；多屬于此類； 第第8、9類屬于黏性液體。類屬于黏性液體。4 流流體體的的類類型型流體的類型理想流體非理想流體DnD11n式中：D為剪切速率， 為剪切力， 為粘度 當當n1：為第6種類型，為理想塑性體或賓漢流體(p55)。對應的是高聚物溶液中的濃溶液，靜止時存在凝膠結構，應力超過后結構破壞。 當當n1

4、或或n1：為第4、5種類型，屬于黏性體或非理想塑性體。高聚物多屬于此類固體，剪切力越大，物體越硬，對同一黏彈體，力作用時間長，剪切力越小。并且，當剪切力大于破壞應力時，材料為脆性固體；剪切力小于破壞應力時，材料呈韌性破壞。理想粘性液體的流動符合牛頓定律，稱為理想粘性液體的流動符合牛頓定律，稱為牛頓流體牛頓流體高聚物不符合牛頓定律的流動，稱為高聚物不符合牛頓定律的流動，稱為非牛頓流體非牛頓流體5非牛頓流體又可以分為以下幾類：非牛頓流體又可以分為以下幾類： 假塑性流體：假塑性流體： 指流體粘度隨剪切速率增加而減小，稱指流體粘度隨剪切速率增加而減小，稱剪切變稀剪切變稀。是。是由于高分子流體在剪應力的

5、作用下除發(fā)生真正的粘性流動由于高分子流體在剪應力的作用下除發(fā)生真正的粘性流動外，還發(fā)生了高彈形變，大分子線團在外力作用下，沿外外，還發(fā)生了高彈形變，大分子線團在外力作用下，沿外力方向發(fā)生取向，導致粘度下降。力方向發(fā)生取向，導致粘度下降。脹流性流體：脹流性流體： 指流體粘度隨將切速率增加而增加，稱指流體粘度隨將切速率增加而增加，稱剪切增稠剪切增稠。一。一般認為是在剪切力下可能形成新的聚集結構，使粘度升高。般認為是在剪切力下可能形成新的聚集結構，使粘度升高。6液體的表觀黏度與切變速率的關系：液體的表觀黏度與切變速率的關系：右圖中 線1為牛頓液體；線2為脹流性流體；線3為假塑性流體。D1237n有些

6、流體的粘度變化會呈現(xiàn)可逆的依時性，有以下兩種情有些流體的粘度變化會呈現(xiàn)可逆的依時性，有以下兩種情況：況： 在恒定的將切速率和剪切力作用下，一些流體的粘度隨時間的增加而降低，這種流體稱為觸變性流體觸變性流體。說明結構不斷破壞，當剪切作用停止一段時間，結構又回復。 （聚合物流體的觸變行為在涂料工業(yè)中有重要意義） 在恒定的剪切速率和剪切力作用下，一些流體的粘度隨時間的增加而增加，這種流體稱為震凝性流體。震凝性流體。8 粘度是表示聚合物熔體流動性好壞的一項指標，對于成粘度是表示聚合物熔體流動性好壞的一項指標，對于成型加工條件的選擇具有重要意義，粘度低，流動性好，聚型加工條件的選擇具有重要意義，粘度低，

7、流動性好，聚合物熔體易于注滿模型空腔，反之亦然。合物熔體易于注滿模型空腔，反之亦然。二、影響聚合物熔體粘度的因素二、影響聚合物熔體粘度的因素影響聚合物熔體粘度的因素高聚物分子鏈的結構高聚物相對分子質量溫度壓力9 高聚物分子鏈的結構對流變性的影響高聚物分子鏈的結構對流變性的影響 規(guī)律：規(guī)律：剛性鏈，黏度大，流動性??；柔性鏈，容易流動。相對分子質量及分布對高聚物流變性的影響相對分子質量及分布對高聚物流變性的影響 規(guī)律：規(guī)律： 相對分子質量越大，流動阻力越大，粘度越 大，越難于流動。 分布寬比分布窄的容易流動。原因是原因是相對分子質量小的部分制止了增塑劑的作用。1110溫度對高聚物流變性的影響溫度對

8、高聚物流變性的影響 一般規(guī)律是溫度升高，鏈段活動能力增強，分子間相互作用力減弱，因此粘度降低，流動性增強。（1）剛性高分子的粘度對溫度敏感性較大，可通過升溫以降低粘度，使之易于成型加工。（2）柔性高分子的粘度對溫度敏感性較小，故不能靠增溫，而且溫度升高很大很可能使聚合物發(fā)生降解，從而降低制品質量，并且使設備損耗增加，故常用提高剪切速率或剪切力來提高流動性。11補充知識點：補充知識點：一、高聚物熔體流動中的彈性效應一、高聚物熔體流動中的彈性效應 高聚物熔體流動中的彈性效應表現(xiàn)為能夠發(fā)生可回復性形變、法向應力效應、擠出物膨大現(xiàn)象、不穩(wěn)定流動等現(xiàn)象?？苫貜托郧凶冃巫兛苫貜托郧凶冃巫兗矗焊呔畚锶垠w在流

9、動時所發(fā)生的形變由兩部分組成，一是可回復性形變，二是由黏性流動產(chǎn)生的形變，其中前者所占的比例較大。12法向應力效應法向應力效應在攪動過程中，低分子液體的液面中間低，四周高；而高聚物熔體或溶液卻是中間高，而四周低。低分子液體高聚物熔體13擠出物膨大現(xiàn)象擠出物膨大現(xiàn)象出口膨脹與剪切速率的關系剪切速率（s1）2.22.01.81.61.41.21.0101100101102103100101102103出口膨脹，直徑之比表觀粘度（Pas）a-高聚物流體從d0變到d；b-管內速度分布；c-遠離管口時速度的平面分布d0d0ddabcz14實例實例熔融紡絲過程中的熔體噴出和形變情況低剪切速率剪切速率加大高

10、剪切速率剪切的彈性回復張力延伸形變速率為零相關的解釋相關的解釋高分子鏈在管道內處于高速剪切，鏈段被舒展開來，相當于受到拉伸而使鏈段取向，熔體出現(xiàn)各向異性。當熔體突然放大或從管道中流出而使高分子鏈突然“自由化”，至使在管道中形成高彈形變立即得以回復，分子鏈又恢復到大體無序的平衡狀態(tài)，鏈間距離增大，以至出現(xiàn)流束膨脹。15不穩(wěn)定流動不穩(wěn)定流動高聚物熔體在擠出時，如果切應力超過一定極限時，熔體將出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，其現(xiàn)象是擠出物表面不光滑、不規(guī)范。波浪形鯊魚皮形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破碎形16二、熔融黏度測定二、熔融黏度測定 (p57)AA12354AA熔融指數(shù)測定儀熔融指數(shù)測定儀1-重錘；2-柱塞；3-塑化

11、室4-溫度計；5-出料孔熔融黏度的測定方法熔融黏度的測定方法毛細管黏度計法、熔融指數(shù)測定法、旋轉式黏度計法、落球式黏度計法。熔融指數(shù)測定儀如圖所示。原理：高聚物熔體試樣在規(guī)定的溫度、壓力下，在一定時間內流過標準出料孔的重量，記為熔融指數(shù)MI，以g/10min表示。17常見的材料力學術語常見的材料力學術語材料力學術語外力（external force） 內力（） 應力（stress ） 應變（strain） 形變（） 強度（strength） 泊松比（Poissons ratio） 模量（module） 柔量（） 抗張強度（tensile strength ） 抗彎強度（flexural str

12、ength ） 抗沖擊強度（impact strength ） 硬度（hardness） 回彈性（resilience） 韌性（tenacity） 疲勞（fatigue life） 4-2高分子材料的機械強度高分子材料的機械強度18一、等速拉伸及應力一、等速拉伸及應力-應變曲線應變曲線拉伸的工業(yè)應用拉伸的工業(yè)應用為增加纖維的拉伸強度而進行單軸拉伸；為增加塑料薄膜的強度而進行雙軸拉伸。線型線型非晶態(tài)高聚物的應力非晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線應變曲線拉伸過程高分子鏈的三種運動情況：彈性形變（彈性形變（開始開始A點點）應變隨應力的增加而增大，服從虎克定律，具有普彈性能；運動單元為鍵長、鍵角。對應為彈性

13、伸長極限。強迫高彈形變（強迫高彈形變（A點點B點點）中間經(jīng)過屈服點Y，對應的表示高聚物材料對抗永久形變的能力；形變能力300%1000%，并且可逆；運動單元為鏈段。黏流形變（黏流形變（B點后）點后）形變?yōu)椴豢赡妫ㄓ谰眯巫儯?；運動單元為鏈段、大分子鏈。AA應變應力YABAYBAYBA-彈性極限；Y-屈服點；B-斷裂點AY19可以作為工程塑料的高聚物可以作為工程塑料的高聚物材料硬而脆材料硬而脆剛性制品，不宜沖擊，能承受靜壓力典型實例：典型實例：酚醛塑料制品材料硬而強材料硬而強高模量高抗張，斷裂伸長小或無屈服典型實例：典型實例：PVC硬制品材料硬而韌材料硬而韌高模量高抗張，斷裂伸長大，有屈服典型實例

14、：典型實例：聚碳酸酯制品非晶高聚物的六種應力非晶高聚物的六種應力-應變曲線與使用的關系應變曲線與使用的關系20可以作為形變較大的材料可以作為形變較大的材料無使用價值的材料無使用價值的材料材料軟而韌材料軟而韌低模量低屈服，斷裂伸長率及強度大典型實例：典型實例：硫化橡膠、LDPE制品材料軟而弱材料軟而弱低模量低強度，斷裂伸長率中等典型實例：典型實例：未硫化天然橡膠材料弱而脆材料弱而脆一般為低聚物21未取向的晶態(tài)高聚物的應力未取向的晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線應變曲線不同溫度下的高聚物應力不同溫度下的高聚物應力-應變曲線應變曲線OYNDBOY段段 YN段段ND段段DB段段D點點OY段段YN段段ND段段

15、D點點DB段段試樣形狀變化試樣形狀變化123456789非晶態(tài)高聚物不同溫度下的應力-應變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，材料處于硬玻璃態(tài)，無強迫高彈性3，4，5-溫度處于脆性溫度與玻璃化溫度之間，為軟玻璃態(tài)6，7，8-溫度處于玻璃化溫度與黏流溫度之間，為高彈態(tài)9-溫度處于黏流溫度以上，為黏流態(tài)221234567晶態(tài)高聚物不同溫度下的應力-應變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，拉伸行為類似彈性固體3，4，5-溫度介于脆性溫度與玻璃溫度期間，為軟玻璃態(tài)6，7-溫度較高，低于熔點，拉伸行為類似非晶態(tài)橡膠三、影響強度的因素三、影響強度的因素影響強度的因素低分子摻合物對強度的影響相對分子質量對強度的影響交聯(lián)

16、、結晶、取向對強度的影響填充物對強度的影響材料中缺陷對強度的影響23相對分子質量及分布對強度的影響相對分子質量及分布對強度的影響規(guī)律：規(guī)律：強度隨相對分子質量的增大而增加，分布寬窄影響不大，但低聚物部分增加時，因低分子部分發(fā)生分子間斷裂而使強度下降。低分子摻合物對強度的影響低分子摻合物對強度的影響規(guī)律：規(guī)律：低分子物質的加入降低強度。實例實例增塑劑的加入能降低強度，但對脆性高聚物而言，少量加入低分子物質，能增加強度。交聯(lián)對強度的影響交聯(lián)對強度的影響規(guī)律：規(guī)律：適度交聯(lián)增加強度，但過度交聯(lián)，在受外力時，會使應力集中而降低強度。實例實例橡膠的適度交聯(lián)。結晶對強度的影響結晶對強度的影響規(guī)律：規(guī)律：結

17、晶度增大，強度增加，但材料變硬而脆；大球晶增加斷裂伸長率，小球晶增加韌性、強度、模量等；纖維狀晶體強度大于折疊晶體強度。實例實例緩慢降溫有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。取向對強度的影響取向對強度的影響規(guī)律：規(guī)律：取向能增加取向方向上材料的強度。24填充物對強度的影響填充物對強度的影響規(guī)律：適當填充活性填料增加強度。實例橡膠填充炭黑；玻璃鋼填充玻璃纖維。材料中缺陷對強度的影響材料中缺陷對強度的影響缺陷指向與危害：雜質、不塑化樹脂粒、氣泡、降解物等造成微小裂紋，當材料受到外力作用時，在缺陷處產(chǎn)生應力集中，致使材料斷裂、破壞。局部放大254-34-3高聚物的其他性能高聚物的其他性能一、高聚物的電

18、性能一、高聚物的電性能高聚物具有體積電阻率高（10161020cm）、介電常數(shù)?。?）、介質損耗低（104）等半導體特殊優(yōu)良的電性能，同時某些高聚物還具有優(yōu)良的導電性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在電器方法應用廣泛。26導電高聚物的應用導電高聚物的應用導電高聚物的應用電子導電高聚物導電材料電極材料電顯示材料化學反應催化劑有機分子開關離子導電高聚物代替電解質材料全固態(tài)電池氧化還原導電高聚物各種電極材料特種電極修飾材料27二、高聚物的光學性能二、高聚物的光學性能光的折射與反射光的折射與反射透明高聚物的光學性質透明高聚物的光學性質高聚物的光學應用高聚物的光學應用光的傳遞材料（鏡片、光導纖維等）；發(fā)光、反光裝飾材料（指示燈、反光鏡片等）高聚物的光學性能光的透過光的吸收光的折射光的反射光的偏振高聚物折射率光透過率，%高聚物折射率光透過率，%聚甲基丙烯酸