高聚物的銀紋

聚合物的銀紋一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察在張應(yīng)力作用下聚合物銀紋的形成和生長(zhǎng)；2．了解溶劑對(duì)銀紋形成的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理銀紋現(xiàn)象是高分子材料所特有的一種力學(xué)現(xiàn)象。銀紋與裂紋有著本質(zhì)的不同：裂紋中不含有任何高分子村抖，而銀紋中卻仍然有30一50%體積分?jǐn)?shù)的高分子材料。這些取向的高分子以微纖維的形式系著銀紋的兩銀紋面（圖1），銀紋依然具有強(qiáng)度，其力學(xué)性能也有粘彈現(xiàn)象。銀紋的另一個(gè)特點(diǎn)是銀紋的平面垂直于產(chǎn)生銀紋的張應(yīng)力，在張應(yīng)力作用下能產(chǎn)生銀紋的局部區(qū)域內(nèi)，聚合物呈塑性變形，高分子鏈在張應(yīng)力方向高度取向，并吸收能量。在材料表面的銀紋總可見一凹槽，在體內(nèi)的銀紋也有一定的空穴。這是由于聚合物的塑性伸長(zhǎng)引起的體積增加尚不足于補(bǔ)償因橫向收縮導(dǎo)致體積的減小，致使在銀紋內(nèi)產(chǎn)生大量的空穴，因此其密度及折光指數(shù)下降。由于銀墳的折光指數(shù)低于聚合物本體，因此在銀紋和聚合物之間的界面有全反射現(xiàn)象，因此可以對(duì)聚合物材料所出現(xiàn)的銀紋現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)在純應(yīng)力作用下引發(fā)的銀紋，稱為應(yīng)力銀紋，受應(yīng)力和溶劑聯(lián)合作用引發(fā)的銀紋稱為應(yīng)力一溶劑銀紋。（聚合物材料環(huán)境應(yīng)力銀紋和環(huán)境應(yīng)力開裂的特性在工業(yè)上可用來檢查制品的內(nèi)應(yīng)力.只要在一定溫度范圍內(nèi),在規(guī)定的溶劑中浸泡一定時(shí)間，制品上不出現(xiàn)銀紋即為合格，相當(dāng)簡(jiǎn)單?）溶劑對(duì)銀紋的形成和影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①導(dǎo)致在低應(yīng)力條件下銀紋的形成和生長(zhǎng)；②在銀紋已形成的條件的條件下加速銀紋生長(zhǎng)成裂紋，導(dǎo)致材料的斷裂和破壞。圖2為在常應(yīng)變作用下聚苯乙烯引發(fā)銀紋的動(dòng)力學(xué)曲線，從圖中可以看出溶劑的存在將大大降低產(chǎn)生銀紋所需的張應(yīng)力。銀紋是與斷裂密切相關(guān)的現(xiàn)象。許多聚合物材料，特別是熱塑性塑料，其制品在儲(chǔ)存和使用過程中，由于應(yīng)力以及環(huán)境的影響，住住會(huì)因出現(xiàn)銀紋而影響其使用性能。銀紋的生成是玻璃態(tài)高聚物脆性斷裂的先兆。銀紋中物質(zhì)的破裂往往造成裂紋的引發(fā)和生成，以至于最后發(fā)生斷裂現(xiàn)象。銀紋還與裂縫不同，它有可逆性。在壓力下或在玻璃化溫度以上退火時(shí)，銀紋就回縮以至消失。例如應(yīng)力銀紋的聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯在加熱到各自軟化點(diǎn)以上時(shí)，可回復(fù)到未開裂時(shí)的光學(xué)均一狀態(tài)。聚碳酸酯在160°C加熱幾分鐘，銀紋就消失了。本次實(shí)驗(yàn)以非結(jié)晶性聚合物聚苯乙烯薄板為原料，通過在板中央穿孔導(dǎo)致的應(yīng)力集中，然后將樣品裝上夾具進(jìn)行拉伸，觀察銀紋的形成，了解溶劑對(duì)銀紋生長(zhǎng)的的影響。

銀紋是聚合物在張應(yīng)力作用下在材料某些薄弱地方應(yīng)力集中而出現(xiàn)的并且為聚合物所特有的一種力學(xué)現(xiàn)象。為了在高分子材料內(nèi)部出現(xiàn)張應(yīng)力，可以對(duì)高分子材料進(jìn)行拉伸或做三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。考慮到銀紋內(nèi)部含有大量的空穴，銀紋的折光指數(shù)要低于聚合物本體，因此在銀紋和本體聚合物之間的界面上有全反射現(xiàn)象，如果從全反射角度進(jìn)行觀察，將非常方便清楚地觀察到銀紋。正是因?yàn)閷?duì)銀紋的觀察需要從特定的角度進(jìn)行，因此通過拉力機(jī)拉伸聚合物樣品來觀察銀紋現(xiàn)象是既不方便，也沒必要。本實(shí)驗(yàn)利用自制的微型拉力機(jī)即可非常方便地觀察到銀紋現(xiàn)象。為了減小出現(xiàn)銀紋拉力機(jī)所提供的拉伸力，同時(shí)也為了使銀紋在樣品特定的區(qū)域出現(xiàn)以便于對(duì)此進(jìn)行觀察，可以在樣品的中間穿一小孔使得應(yīng)力在小孔的兩邊產(chǎn)生集中。根據(jù)彈性力學(xué)理論，如果對(duì)一個(gè)中央有一圓形小孔的大而薄的板子的兩邊進(jìn)行拉伸（圖3），則小孔周圍的圖3薄板中圓孔的應(yīng)力集中應(yīng)力分布為：q r2 3r24r2TOC\o"1-5"\h\zq=一[1—亠+(1+丄—d)cos20]rr2 r2 r4 r2q 3r22r2n=- +(1— 0+ 0)sin20r。 2 r4 r2q r2 3r4Q00= [1+丄—(1+d)cos20]002 r2 r4這里是取了極坐標(biāo)(r,0)。當(dāng)r=r0寸，即在小孔的邊緣上，只剩下剪應(yīng)力為Qqq=q(1一2cos20)由此可見，在和應(yīng)力平行的方向上，即0=0或0=冗時(shí)，應(yīng)力得到集中，并且為原來應(yīng)力值q的3倍。本實(shí)驗(yàn)所用樣品為長(zhǎng)約6至8厘米，寬為0.8至1厘米的聚苯乙烯薄板，在樣品的中央穿孔后，應(yīng)力會(huì)在孔的兩邊產(chǎn)生集中，盡管此時(shí)應(yīng)力集中因子并不剛好是3倍。顯然銀紋總是首先在孔的兩邊出現(xiàn)(圖3)。因?yàn)殂y紋具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，如果此時(shí)維持拉伸力不變，則銀紋并不會(huì)立即發(fā)展為裂紋。但是如果溶劑存在情況將另當(dāng)別論。從圖2可以看出，溶劑的存在會(huì)使出現(xiàn)銀紋所需的張應(yīng)力大大降低。如果銀紋已經(jīng)形成，則溶劑的存在必然會(huì)使銀紋迅速發(fā)展為裂紋，這一點(diǎn)可以從最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到證實(shí)。三、儀器和試劑自制切樣機(jī)一臺(tái)，電鉆一個(gè)，偏光顯微鏡一臺(tái)，聚苯乙烯薄板若干，甲醇溶劑一瓶。樣品將被固定在自制簡(jiǎn)易拉力機(jī)上，圖4為拉力機(jī)的平面和剖面示意圖。其中A為固定端，B為自由端，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，則螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)B端在滑桿上移動(dòng)，從而對(duì)樣品進(jìn)行拉伸。圖4自制簡(jiǎn)易拉力機(jī)的平面和剖面示意圖四、操作步驟1、打開自制切樣機(jī)電源開關(guān)，切下一塊長(zhǎng)8至10cm,0。8至1cm寬的聚苯乙烯薄板（無劃痕的磁帶盒即可）。2、 將所得到的樣品兩邊用細(xì)沙紙磨平并且將用切制樣品導(dǎo)致樣品邊緣增厚的部分磨去：在磨的過程中不要破壞樣品的表面以便對(duì)銀紋進(jìn)行觀察。3、 在板于的中間鉆出一直徑為0.4至0.6cm的圓孔。4、 將樣品裝上夾具進(jìn)行拄伸，夾緊樣品時(shí)用力要均勻，防止在局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中。5、 對(duì)樣品進(jìn)行拄伸，直到出現(xiàn)銀墳為止，拉伸速度不要太快。6、 從全反射角度迎著光線或在偏光顯微鏡下直接對(duì)銀紋進(jìn)行觀察，留意銀紋面的取向和銀紋出現(xiàn)的區(qū)域。7、 加一滴甲醇溶劑，觀察在溶劑作用下銀紋的生長(zhǎng)。五、思考題1、 在制樣過程中為何要將樣品的兩邊磨平？2、 銀紋主要出現(xiàn)在樣品的哪些區(qū)域？為什么？3、 為什么說銀紋是聚合物特有的現(xiàn)象，它與聚合物材料的斷裂有什么關(guān)系？六、參考文獻(xiàn)徐種德，何平笙，周漪琴，馬德柱等，《高聚物的結(jié)構(gòu)與性能》，科學(xué)出版社，