章聚合物力學(xué)性能華東理工考研網(wǎng)

第九章聚合物的力學(xué)性能1.概述2.高聚物的高彈性3.高聚物的力學(xué)松弛-粘彈性4.高聚物的力學(xué)強(qiáng)度彈性粘彈性非線性粘彈性線性粘彈性高彈性普彈性動(dòng)態(tài)靜態(tài)粘性Deformation形變性能ElasticityHighelasticityViscosityviscoelasticityLinearviscoelasticityStaticDynamicNon-Linearviscoelasticity應(yīng)力松弛蠕變滯后力學(xué)損耗1.概述力學(xué)性能分類斷裂性能韌性強(qiáng)度FractureToughnessStrength力學(xué)性能分類常用術(shù)語(yǔ)：力學(xué)行為：指施加一個(gè)外力在材料上，它產(chǎn)生怎樣的形變（響應(yīng)）形變性能：非極限情況下的力學(xué)行為斷裂性能：極限情況下的力學(xué)行為彈性：對(duì)于理想彈性體來(lái)講，其彈性形變可用虎克定律來(lái)表示，即：應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，應(yīng)變與時(shí)間無(wú)關(guān)粘性：在外力作用下，分子與分子之間發(fā)生位移，理想的粘性流體其流動(dòng)形變可用牛頓定律來(lái)描述：應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比高彈性：小的應(yīng)力作用下可發(fā)生很大的可逆形變，是由內(nèi)部構(gòu)象熵變引起的，所以也稱熵彈性（橡膠具有高彈性）靜態(tài)力學(xué)性能：在恒應(yīng)力或恒應(yīng)變情況下的力學(xué)行為動(dòng)態(tài)力學(xué)性能：物體在交變應(yīng)力下的粘彈性行為應(yīng)力松弛：在恒應(yīng)變情況下，應(yīng)力隨時(shí)間的變化蠕變：在恒應(yīng)力下，物體的形變隨時(shí)間的變化強(qiáng)度：材料所能承受的應(yīng)力韌性：材料斷裂時(shí)所吸收的能量表征材料力學(xué)性能的基本物理量受力方式簡(jiǎn)單拉伸簡(jiǎn)單剪切均勻壓縮參數(shù)受力特點(diǎn)外力F是與截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直線上的兩個(gè)力。外力F是與界面平行，大小相等，方向相反的兩個(gè)力。材料受到的是圍壓力。θFFFF應(yīng)變張應(yīng)變：

真應(yīng)變：切應(yīng)變：是偏斜角壓縮應(yīng)變：應(yīng)力張應(yīng)力：真應(yīng)力：切應(yīng)力：壓力P彈性模量楊氏模量：泊淞比：切變模量：體積模量：柔量拉伸柔量：切變?nèi)崃浚嚎蓧嚎s度：機(jī)械強(qiáng)度常見(jiàn)塑料的拉伸和彎曲強(qiáng)度塑料名稱拉伸強(qiáng)度（MPa）伸長(zhǎng)率%拉伸模量（GPa）彎曲強(qiáng)度（MPa）彎曲模量（GPa）低壓聚乙烯22～3960～1500.84～0.9525～401.1～1.4聚苯乙烯35.2～63.312～252.8～3.561.2～98.4ABS塑料16.9～63.310～1400.7～2.925.3～94.93.0有機(jī)玻璃49.2～77.32～103.291.4～119聚丙烯33.7～42.2200～7001.2～1.442.2～56.21.2～1.6聚氯乙烯35.2～63.320～402.5～4.270.3～112尼龍6683603.2～3.3100～1102.9～3.0尼龍674～781502.61002.4～2.6尼龍101052～55100～2501.6891.3聚甲醛62～6860～752.891～922.6聚碳酸酯6760～1002.2～2.498～1062.0～3.0聚砜72～8520～1002.5～2.9108～1272.81.2

高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)高彈性——高聚物特有

顯示高彈性的溫度范圍(Tg~Tf)分子量↑溫度范圍(Tg~Tf)增寬(Tg~Tf)的范圍決定了橡膠的使用溫度范圍1.2

高聚物力學(xué)性能的特點(diǎn)粘彈性—力學(xué)行為對(duì)溫度和時(shí)間有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。

為高聚物獨(dú)特的力學(xué)行為σ（應(yīng)力）

ε（應(yīng)變）在研究高聚物力學(xué)行為

T（溫度）時(shí)必須同時(shí)考慮

t（時(shí)間）比強(qiáng)度特高

比強(qiáng)度—單位重量材料能承受的最大負(fù)荷

2.高聚物的高彈性2.1聚合物高彈性的特征T>Tg高聚物處于高彈性高聚物高彈性的特點(diǎn)：彈性模量E很小；形變?chǔ)藕艽?；可逆彈性模量E隨溫度↑而↑彈性形變的過(guò)程是一個(gè)松弛過(guò)程即形變需要一定的時(shí)間形變過(guò)程具有明顯的熱效應(yīng)，拉伸——放熱；回縮——吸熱（與金屬材料相反）高聚物高彈性的分子機(jī)制彈性形變模量E小、形變?chǔ)藕艽?、可?高彈形變——鏈段運(yùn)動(dòng)——構(gòu)象發(fā)生變化拉伸——分子鏈構(gòu)象從卷曲------伸展外力只需克服很小的構(gòu)象改變能即能產(chǎn)生很大的形變。E小、ε大

*卷曲（熱力學(xué)穩(wěn)定）伸展（熱力學(xué)不穩(wěn)定）可逆高聚物高彈性的分子機(jī)制溫度提高——高彈模量增大*溫度↑分子熱運(yùn)動(dòng)激烈對(duì)于可逆過(guò)程：彈性回縮的作用力即維持相同形變所需的作用力則T↑,高彈性模量E增大高聚物高彈性的分子機(jī)制松弛特性

鏈段運(yùn)動(dòng)單元比小分子大所以其運(yùn)動(dòng)受到的阻礙較大運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間較長(zhǎng)——松弛特性高彈形變的熱效應(yīng)

原因——高彈形變的本質(zhì)——熵彈性拉伸-鏈段排列規(guī)整-熵減小-放熱卷曲-鏈段排列不規(guī)整-熵增加-吸熱2.2高彈性的高分子結(jié)構(gòu)特征分子鏈的柔性分子間相互作用力分子間的交聯(lián)結(jié)晶與結(jié)晶度聚合物的分子量3.高聚物的力學(xué)松弛—粘彈性3.1高聚物的線性粘彈性(1)概述

粘彈性是高聚物的重要特性之一

粘—粘性彈—彈性理想粘性體-沒(méi)有固定形狀，在外力作用下發(fā)生不可逆流動(dòng)，形變隨時(shí)間增加而增加；理想彈性體-有固定形狀，在外力作用下發(fā)生形變，在除去外力時(shí)，完全回復(fù)起始形狀。

(2)靜態(tài)粘彈性蠕變：在較小的恒定外力作用下（拉伸、壓縮等），材料的形變隨時(shí)間逐漸增大的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛：在恒定形變下，材料的應(yīng)力隨時(shí)間逐漸衰減的現(xiàn)象。粘彈性——研究力學(xué)行為~時(shí)間的關(guān)系(2)靜態(tài)粘彈性—應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛：恒定形變下應(yīng)力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象應(yīng)力松弛的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理外力作用鏈段運(yùn)動(dòng)構(gòu)象改變構(gòu)象熵減小沿外力方向伸展不穩(wěn)定狀態(tài)外力去除鏈段熱運(yùn)動(dòng)回復(fù)應(yīng)力松弛的分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理時(shí)間足夠長(zhǎng)（松弛過(guò)程能充分完成）使不穩(wěn)定態(tài)成為穩(wěn)定態(tài)應(yīng)力松弛(3)動(dòng)態(tài)粘彈性

2.滯后現(xiàn)象(3)動(dòng)態(tài)粘彈性

2.滯后現(xiàn)象產(chǎn)生原因：鏈段運(yùn)動(dòng)需要克服分子間的相互作用，因此需要一定的時(shí)間。愈大表示鏈段運(yùn)動(dòng)愈困難影響因素：

柔性鏈小

內(nèi)因

分子結(jié)構(gòu)

剛性鏈大

外因—

外力作用頻率、環(huán)境溫度等4.

高聚物的力學(xué)強(qiáng)度4.1高聚物的拉伸行為1應(yīng)力應(yīng)變曲線2玻璃態(tài)非晶高聚物的拉伸3結(jié)晶高聚物的拉伸1.應(yīng)力σ～應(yīng)變?chǔ)徘€

最常用于描述高聚物的力學(xué)性能

應(yīng)力～應(yīng)變曲線的形狀取決于:化學(xué)組成,結(jié)構(gòu)

化學(xué)結(jié)構(gòu)分子量及其分布支化交聯(lián)結(jié)晶及取向

物理結(jié)構(gòu)晶區(qū)大小與形狀加工形態(tài)

試驗(yàn)測(cè)試條件

溫度、速率等典型的σ

～

ε曲線（1）材料軟而弱：模量低，屈服強(qiáng)度低，中等斷裂伸長(zhǎng)率。如未硫化的天然橡膠。（2）材料軟而韌：模量低，屈服強(qiáng)度低，斷裂伸長(zhǎng)率大，斷裂強(qiáng)度較高，可用于要求形變較大的材料。（3）材料硬而脆：在較大應(yīng)力作用下，材料僅發(fā)生較小的應(yīng)變，并在屈服點(diǎn)之前發(fā)生斷裂，具有高的模量和抗張強(qiáng)度，但受力呈脆性斷裂，沖擊強(qiáng)度較差。（4）材料硬而強(qiáng)：在較大應(yīng)力作用下，材料發(fā)生較小的應(yīng)變，在屈服點(diǎn)附近斷裂，具高模量和抗張強(qiáng)度（5）材料強(qiáng)而韌：具高模量和抗張強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率較大，材料受力時(shí)，屬韌性斷裂。（3）-（5）三種聚合物由于強(qiáng)度較大，適于用做工程塑料。30圖5

結(jié)晶聚合物的應(yīng)力－應(yīng)變曲線OA-普彈形變YN－屈服，縮頸（應(yīng)變變大，應(yīng)力下降）ND－強(qiáng)迫高彈形變（冷拉）DB-細(xì)頸化試樣重新被均勻拉伸，應(yīng)變隨應(yīng)力增加－應(yīng)變硬化

晶態(tài)聚合物在單向拉伸時(shí)典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖：NYDBAO應(yīng)力應(yīng)變物理參數(shù)：彈性模量E、屈服強(qiáng)度、屈服應(yīng)變、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂強(qiáng)度、拉伸韌性（斷裂能）31T<Tb，硬玻璃態(tài)，脆性斷裂--1Tb<T<Tg，軟玻璃態(tài)，韌性斷裂--2、3Tg<T<Tf，高彈態(tài)--4T>Tf，粘流態(tài)--5非晶聚合物在不同溫度下的

-曲線如圖8：一、溫度的影響

12345非晶聚合物不同溫度下的－曲線T2.玻璃態(tài)非晶高聚物的拉伸4.2高聚物的強(qiáng)度

當(dāng)材料所受的外力超過(guò)材料的承受能力時(shí)，材料就發(fā)生破壞。機(jī)械強(qiáng)度是衡量材料抵抗外力破壞的能力，是指在一定條件下材料所能承受的最大應(yīng)力。根據(jù)外力作用方式不同，主要有以下三種：厚度d寬度b

在規(guī)定試驗(yàn)溫度、濕度和實(shí)驗(yàn)速度下，在標(biāo)準(zhǔn)試樣上沿軸向施加拉伸負(fù)荷，直至試樣被拉斷。PP

試樣斷裂前所受的最大負(fù)荷P與試樣橫截面積之比為抗張強(qiáng)度

t：

t=P/b?d（i）抗張強(qiáng)度衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強(qiáng)度。（ii）抗彎強(qiáng)度

也稱撓曲強(qiáng)度或彎曲強(qiáng)度。抗彎強(qiáng)度的測(cè)定是在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣施加一靜止彎曲力矩，直至試樣斷裂。

設(shè)試驗(yàn)過(guò)程中最大的負(fù)荷為P，則抗彎強(qiáng)度

f為：

f=1.5Pl0/bd2Pdbl0/2l0/2抗彎強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)示意圖（iii）沖擊強(qiáng)度（impactstength)（

i）沖擊強(qiáng)度也稱抗沖強(qiáng)度,定義為試樣受沖擊負(fù)荷時(shí)單位截面積所吸收的能量。是衡量材料韌性的一種指標(biāo)。測(cè)定時(shí)基本方法與抗彎強(qiáng)度測(cè)定相似，但其作用力是運(yùn)動(dòng)的，不是靜止的。

試樣斷裂時(shí)吸收的能量等于斷裂時(shí)沖擊頭所做的功W，因此沖擊強(qiáng)度為：

i=

W/bd沖擊強(qiáng)度測(cè)定試驗(yàn)示意圖沖擊頭，以一定速度對(duì)試樣實(shí)施沖擊Pbl0/2l0/2d1.拉伸強(qiáng)度(1)高聚物的理論強(qiáng)度

化學(xué)鍵破壞

高聚物拉斷分子間滑脫

次價(jià)力破壞<1>高聚物的理論強(qiáng)度高聚物破壞的過(guò)程

首先——在未取向部分的次價(jià)力(局部)

被破壞然后——由于應(yīng)力集中使分子主鏈(局部)斷裂最后——繼續(xù)由于應(yīng)力集中,出現(xiàn)宏觀上的斷裂1拉伸強(qiáng)度

<2>影響聚合物強(qiáng)度的因素高聚物分子結(jié)構(gòu)的影響

*

增加分子鏈間的作用力可提高拉伸強(qiáng)度

*引入極性基團(tuán)和形成氫鍵的基團(tuán)σ聚酰胺(氫鍵)>聚氯乙烯(極性基團(tuán))>聚異丁烯

*剛性鏈的結(jié)構(gòu)因素使σ和E均上升

<2>影響聚合物強(qiáng)度的因素結(jié)晶、取向和交聯(lián)

?

結(jié)晶使分子間排列緊密——

分子間作用力↑

∴σ↑

?取向——分子鏈協(xié)同作用↑∴σ↑

?適度交聯(lián)使分子間作用力↑∴σ↑過(guò)度交聯(lián)將使材料變脆弱<2>影響聚合物強(qiáng)度的因素

?分子量的影響

原因:分子鏈的鏈端對(duì)強(qiáng)度無(wú)貢獻(xiàn)分子量越高端鏈所占比例越

少,強(qiáng)度越高極性聚合物(PA等)

分子量應(yīng)達(dá)20000或以上非極性聚合物(PE等)

分子量應(yīng)達(dá)50000或以上<2>影響聚合物強(qiáng)度的因素

?

共聚和共混

共聚和共混是改善力學(xué)性能的重要手段

脆性聚合物+韌性聚合物兩相體系PS共混——HIP