《高分子物理Cha》PPT课件.ppt

第七章 聚合物的粘弹性,聚合物的粘弹性,本章教学内容、要求及目的,教学内容： 聚合物粘弹性现象、力学模型及数学描述；时温等效原理；粘弹性的研究方法。 重点和要求： 聚合物材料在受力情况下所产生的各种粘弹现象、分子运动机理、力学模型及数学描述；时温等效原理及其应用 教学目的： 了解和掌握聚合物的粘弹性行为，指导我们在材料使用和加工过程中如何利用粘弹性、如何避免粘弹性、如何预测材料的寿命。,聚合物的粘弹性现象,主要内容： 聚合物的粘弹性现象 蠕变现象 应力松弛现象,本讲重点及要求：聚合物材料在受力情况下所产生的蠕变和应力松弛的粘弹现象及分子运动机理。,普通粘、弹概念,粘 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使一个物质附着在另一个物体上的性质。,弹 由于物体的弹性作用使之射出去。 弹簧 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转等），除去外力后又恢复原状。,7.1 材料的粘、弹基本概念,Elastic having the tendency to go back to the normal or previous size or shape after being pulled or pressed.,Viscous thick and sticky, semi-fluid, that does not flow easily,材料对外界作用力的不同响应情况,典型,小分子固体 弹性,小分子液体 粘性,恒定力或形变-静态,变化力或形变-动态,形变对时间不存在依赖性,虎克定律 Hookes law,Ideal elastic solid 理想弹性体,外力除去后完全不回复,牛顿定律 Newtons law,Ideal viscous liquid 理想粘性液体,弹性与粘性比较,弹性 粘性 能量储存 能量耗散 形变回复 永久形变 虎克固体 牛顿流体 模量与时间无关 模量与时间有关 E(,T) E(,T,t),理想弹性体的应力取决于 ，理想粘性体的应力取决于 。,理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变瞬间达到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变随时间线性发展。 聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物的这种性能称为粘弹性。 聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。最基本的力学松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。,理想弹性体、理想粘性液体和粘弹性,所有物质均具有粘弹二性,高聚物粘弹性 The viscoelasticity of polymers,For polymers 对高聚物,非牛顿流体,与弹性体有区别,Comparison,理想粘性体,理想弹性体,交联高聚物,线形高聚物,力学松弛或粘弹现象,高聚物力学性质随时间而变化的现象称为力学松弛或粘弹现象,线性粘弹性 Linear viscoelasticity 若粘弹性完全由符合虎克定律的理想弹性体和符合牛顿定律的理想粘性体所组合来描述，则称为线性粘弹性。,粘弹性分类,静态粘弹性,动态粘弹性,蠕变、应力松弛,滞后、内耗,Review of relaxation time ,（1） 分子运动的多样性Varieties of molecular movements,（2） 分子运动与时间的关系 The relationship with time,（3） 分子运动与温度的关系 The relationship with temperature,多种运动单元,多种运动方式,Small molecules, =10-810-10s,High molecules, =10-110-4s,T,T,分子运动三特点,Time dependence,在一定的温度和外力作用下，高聚物分子从一种平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间。,Temperature dependence 分子运动的温度依赖性,Eyrig Equation,E - 松弛所需的活化能 activation energy,T,T,7.2 Creeping and Relaxation 蠕变和应力松弛,7.2.1 蠕变 Creep deformation,在恒温下施加一定的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学现象。,高聚物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性。,理想弹性体和粘性体的蠕变和蠕变回复,对理想弹性体,对理想粘性体,（i）普弹形变（e1）： 聚合物受力时，瞬时发生的高分子链的键长、键角变化引起的形变，形变量较小，服从虎克定律，当外力除去时，普弹形变立刻完全回复。如右图：,高分子材料蠕变过程包括三个形变过程：,（ii）高(滞）弹形变（e2）：anelastic 聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复。如下图：,High elastic deformation,（iii）粘性流动（e3）： 受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动不能回复，是不可逆形变。,Viscose flow,当聚合物受力时，以上三种形变同时发生,For polymer deformation,加力瞬间，键长、键角立即产生形变回复，形变直线上升 通过链段运动，构象变化，使形变增大 分子链之间发生质心位移,作用时间问题,(A) 作用时间短(t小），第二、三项趋于零,(B) 作用时间长(t大），第二、三项大于第一项，当t，第二项 0 / E2 第三项（0t/),表现为普弹(打碎熔体）,表现为粘性（塑料雨衣变形）,Creep recovery 蠕变回复,撤力一瞬间，键长、键角等次级运动立即回复，形变直线下降 通过构象变化，使熵变造成的形变回复 分子链间质心位移是永久的，留了下来,线形和交联聚合物的蠕变全过程,形变随时间增加而增大，蠕变不能完全回复,形变随时间增加而增大，趋于某一值，蠕变可以完全回复,线形和交联聚合物的蠕变回复,交联聚合物,线形聚合物,蠕变的本质：分子链的质心位移,如何防止蠕变？,关键：减少链的质心位移,链柔顺性大好不好？,链间作用力强好还是弱好？,交联好不好？,聚碳酸酯PC Polycarbonate,聚甲醛 POM Polyformaldehyde,强好,弱好,好,不好,好,不好,7.2.2 Stress Relaxation 应力松弛,在恒温下保持一定的恒定应变时，材料的应力随时间而逐渐减小的力学现象。,理想弹性体和理想粘性体的应力松弛,对理想弹性体,对理想粘性体,交联和线形聚合物的应力松弛,交联聚合物,线形聚合物,不能产生质心位移，应力只能松弛到平衡值,高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松弛的根本原因。,7.3 Linear viscoelasticity 线性粘弹性,可以用 Hookes solid 和 Newton Liquid 线性组合进行描述的粘弹性行为称为线性粘弹性。, 唯象理论：只考虑现象，不考虑分子运动,组合方式,串联,并联,理想弹性体 - Spring 弹簧,Hookes law,理想粘性体 - Dashpot 粘壶,Newtons law,7.3.1 Maxwell element,应力等 应变加,特点,1,2,Maxwell element 受力分析,t=0,t 增大,Kinetic equation 运动方程,1,2,3,4,5,蠕变分析 Creep Analysis,Newton liquid,即Maxwell element 描述的是理想粘性体的蠕变响应,5,6,7,应力松弛过程, 总形变固定所以,Discussion,时间无穷大时，应力趋于零，模量趋于零。 松弛时间的概念 = / E,14,14,14”,Relaxation time 松弛时间,Whats the meaning of = / E ?, Pa *s,单位 Unit,E Pa, s,松弛时间 是一个特征时间,物理含义,When t =,应力松弛到初始应力的0.368倍时所需的时间称为松弛时间。,当应力松弛过程完成63.2%所需的时间称为松弛时间