第七章粘弹性

第七章粘弹性 1 7 1基本概念 弹性 外力 外力撤除 粘弹性 弹性 粘性 形变 应力 储存能量 能量释放 形变恢复 粘性 外力 外力撤除 形变 应力 应力松弛 永久形变 能量耗散 2 形变对时间不存在依赖性 虎克定律Hooke slaw Idealelasticsolid理想弹性体 应变在外力的瞬时达到平衡值 除去应力时 应变瞬时回复 3 外力除去后完全不回复 牛顿定律Newton slaw Idealviscousliquid理想粘性液体 受外力应变随时间线性发展 当除去外力时形变不可回复 4 牛顿流体定律的比例常数为粘度 应变速率为速度梯度 粘度 等于单位速度梯度时的剪切应力 反映了分子间由于相互作用而产生的流动阻力 即内摩擦力的大小 单位为Pa S 5 弹性 储能 能量储为应变能 2 可逆 记忆形状 3 瞬时 不依赖时间E E T 虎克固体 耗能 能量耗为热能 2 不可逆 无形状记忆 3 依时 应变随时间发展E E T t 牛顿流体 粘性 6 高聚物粘弹性Theviscoelasticityofpolymers 粘弹性是高聚物的一个重要特征 粘弹性赋予高聚物优越的性能 高聚物材料表现出弹性和粘性的结合 在实际形变过程中 粘性与弹性总是共存的 聚合物受力时 应力同时依赖于形变和形变速率 即具备固 液二性 其力学行为介于理想弹性体和理想粘性体之间 7 松弛时间 1 分子运动的多样性Varietiesofmolecularmovements 2 分子运动与时间的关系Therelationshipwithtime 3 分子运动与温度的关系Therelationshipwithtemperature 多种运动单元 多种运动方式 Smallmolecules 10 8 10 10s Highmolecules 10 1 10 4s T T 分子运动三特点 8 Timedependence 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 9 Temperaturedependence分子运动的温度依赖性 ArrheniusEquation阿累尼乌斯方程 E 松弛所需的活化能activationenergy T T 10 7 2CreepingandRelaxation蠕变和应力松弛 7 2 1蠕变Creepdeformation 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 例如 软质PVC丝钩一定的砝码 会慢慢伸长 解下砝码 丝慢慢回缩 11 Forpolymerdeformation 高聚物受到外力作用时 以上三种变形是一起发生材料的 总形变为 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 12 作用时间问题 13 Creeprecovery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 14 线性聚合物 交联聚合物 蠕变的本质 分子链的质心位移 15 蠕变与温度高低的关系 只有在适当的外力作用下 Tg附近有明显的粘弹性现象 而T过低 外力过小 蠕变很小且很慢 在短时间不易觉察 而T过高 外力过大 形变发展很快 也觉察不到蠕变现象 只有在适当外力作用下 Tg以上不远 链段能够运动 内摩擦阻力也较大 只能缓慢运动 可看到明显的蠕变现象 蠕变有重要的实用性 考虑尺寸稳定性 16 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PCPolycarbonate 聚甲醛POMPolyformaldehyde 强好 弱好 好 不好 好 不好 17 7 2 2StressRelaxation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 例如 拉伸一块未交联的橡胶 至一定长度 保持长度不变 随时间的增加 内应力慢慢减小至零 18 聚合物 粘弹体 交联聚合物 线形聚合物 由于交联聚合物分子链的质心不能位移 应力只能松驰到平衡值 19 应力松驰的原因 链段热运动 缠结点散开 分子链相互滑移 内应力逐渐消除 交联聚合物不产生质心运动 只能松驰到平衡值 应力松驰与温度的关系 温度过高 链段运动受到内摩擦力小 应力很快松驰掉了 觉察不到 温度过低 链段运动受到内摩擦力很大 应力松驰极慢 短时间也不易觉察 只有在Tg附近 聚合物的应力松驰最为明显 应用中 要考虑应力松驰 剩余应力 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 20 7 3线性粘弹性模型 线性粘弹性 可由服从虎克定律的线性弹性行为和服从牛顿定律的线性粘性行为的组合来描述的粘弹性 模型是唯象的处理 21 模型由代表理想弹性体的弹簧与代表理想粘性体的粘壶以不同方式组合而成 理想弹性体 理想粘性体 E 22 7 3 1Maxwell模型一个弹簧与一个粘壶串联组成 7 3线性粘弹性模型 t 0 t 23 7 3 1Maxwell模型 24 7 3 1Maxwell模型 25 Maxwell模型 可模拟线形聚合物的应力松驰行为 7 3 1Maxwell模型 26 7 3 1Maxwell模型 理论分析 两元件串联 E V E V 27 蠕变 Maxwell模拟的是的蠕变行为 7 3 1Maxwell模型 理想粘性体 28 Maxwell模型的蠕变 29 应力松弛 7 3 1Maxwell模型 t 0 e t 30 模拟线形聚合物的应力松驰行为 7 3 1Maxwell模型 t 0 e t E t E 0 e t 31 当t 时 0 e 1 0 368 0 松驰时间 的宏观意义为应力降低到起始应力 0 的e 1倍 0 368倍 时所需的时间 7 3 1Maxwell模型 63 2 32 的物理意义 表征松弛过程进行的快慢 越大 表示材料的松弛过程进行的越慢 材料越接近理想弹性体 7 3 1Maxwell模型 33 Maxwell模型小结 由一个弹簧与一个粘壶串联组成 可模拟线形聚合物的应力松弛行为 7 3 1Maxwell模型 应力松弛方程 t 0 e t E t E 0 e t 运动方程 34 Maxwellelement 1 采用Maxwell模型可以模拟线形聚合物的应力松驰行为 定性 2 无法描述聚合物的蠕变 Maxwellelement描述的是理想粘性体的蠕变响应 3 对交联聚合物不适用 因为交联聚合物的应力不可能松弛到零 35 7 3 2Kelvin模型 7 3 2Kelvin模型一个弹簧与一个粘壶并联组成 E F 36 7 3 2Kelvin模型 37 7 3 2Kelvin模型 Kelvin模型 可模拟交联聚合物的蠕变过程 38 理论分析 两元件并联 E V E V 7 3 2Kelvin模型 Kelvin模型的运动方程 39 蠕变过程 应力恒定 0 两边通除E 为Kelvin模型可发生的最大应变 定义 40 两边积分 t Kelvin模型的应力松弛方程 模拟交联聚合物的蠕变行为 41 的物理意义为蠕变过程完成0 632所需时间 为有别于Maxwell模型 此处的 又称为推迟时间 当t 时 t 1 e 1 0 632 42 初始条件为t 0 0 模拟蠕变回复过程 当除去应力时 0 代入运动方程 蠕变回复过程的方程 43 注意 对弹性体 对粘弹体 44 TheshortcomingofKelvinelement 1 无法描述聚合物的应力松弛 Kelvinelement描述的是理想弹性体的应力松弛响应 2 不能反映线形聚合物的蠕变 因为线形聚合物蠕变中有链的质心位移 形变不能完全回复 45 小结 蠕变 在一定的温度和恒定应力的作用下 观察试样的应变随时间增加而增大的现象 静态粘弹性现象 t 46 应力松弛 在一定的温度和恒定应变的作用下 观察试样的应力随时间增加而衰减的现象 静态粘弹性现象 交联聚合物 线形聚合物 47 Maxwell模型 由一个弹簧与一个粘壶串联组成 可模拟线形聚合物的应力松弛行为 t 0 e t E t E 0 e t 运动方程 线性粘弹性模型 应力松弛 Kelvin模型 由一个弹簧与一个粘壶并联组成 可模拟交联聚合物的蠕变行为 蠕变 运动方程 48 聚合物 Maxwell模型 49 聚合物 Kelvin模型 t 50 四元件模型的蠕变与回复运动 2 1 G1 G2 a b c d e 7 3 3Burger s四元件模型 四元件模型可以较完全的描述线性聚合物的蠕变 51 Burger s模型的蠕变方程 恒定应力为 0 2 1 E1 E2 0 0 E1 t 0 2 t Time t 0 E1 52 每个模型弹簧和粘壶各有一个松弛时间 一系列模型就有一个松弛时间谱 广义Maxwell模型 7 3 4广义模型 53 广义Kelvin模型模拟蠕变 54 广义Maxwell模型 n 1 个Maxwell单元和一个弹簧并联 E 松驰时间谱 高聚物的运动单元的多重性 复原性 力学松驰过程不上一个松驰时间 而是一个很宽的连续谱 广义的kelvin模型定义 为推迟时间谱力学模型只能帮助我们认识粘弹性现象 不能揭示高分子结构与粘弹性的关系 从实验求得分布曲线 55 7 4Boltzmann叠加原理 1 蠕变是样品全部受力史的函数2 各个力对最后形变的贡献是独立的 总形变是各个力贡献的线性加和 Boltzmann于1976年提出 56 oltzmann叠加原理描述 高聚物的力学松驰行为是其整个历史上诸松驰过程的线性加和的结果 对于蠕变过程 每个负荷对高聚物的变形的贡献是独立的 总的蠕变是各个负荷引起的蠕变的线性加和 对于应力松驰过程 每个应变对高聚物的应力松驰的贡献也是独立的 高聚物的总应力等于历史上诸应变引起的应力松驰过程的线性加和 57 1 2 3 D1 t u1 D2 t u2 D3 t u3 0s1s2s3Time Stress Strain Input Response 输入 响应 在同一个模型上 不同时间受力造成的蠕变可线性迭加 58 1在时刻s1施加 蠕变 2在时刻s2施加 蠕变 3在时刻s3施加 蠕变 59 7 5时温等效原理 升高温度与延长时间对分子运动是等效的 温度高 时间长温度低 时间短 E T t E T0 t aT 式中 T 试验温度T0 参考温度aT 移动因子 当T T0 则aT 1当T T0 则aT 1 60 80 60 40 20 0 25 80 10 210010210 1410 1210 1010 810 610 410 210010 2hour 1010109108107106105104103 Stressrelaxationdata mastercurveat25 C 80 8 76 7 74 1 70 8 65 4 58 8 49 6 40 1 0 25 50 Temperatureshiftfactor Temperature C logaT 8 40 4 80 4004080 61 不同温度下的实验曲线可以在时间标尺上平移如应力松弛曲线的平移 E0 logt 10 810 610 410 2100102104106108 25 C 25 C 50 C 25 C 0 C 运动速度加快 左移 运动速度减慢 右移 62 移动的距离为lgaT t为移动起点温度的时间标尺t0为移动终点温度的时间标尺 终点温度称为参考温度 T T0 移向低温 时间变长 t0 t lgaT0 左移 63 Temperatureshiftfactor Temperature C logaT 8 40 4 80 400254080 高温移向低温 logaT为负低温移向高温 logaT为正 64 E E0 t t0 0 又 E 65 移动因子仅为温度的函数 最早从事时温等效研究工作的是Williams Landel和Ferry 他们提出一个logaT与温度关系的经验公式 WLF方程 66 T0为参考温度 C1和C2为取决于聚合物种类和参考温度的常数 如果取T0 Tg 玻璃化温度 各种聚合物有普适常数C1 17 44 C2 51 6 67 普适常数不普适 68 在室温下几年 5百年的应力松驰是不能实现的 可在高温条件下短期内完成或在室温下几十万分之一秒完成的应力松驰 可在低温条件下几小时完成 时温等效原理 WLF 意义 69 Application aT T 0 T0 已知某原料在25 C时的粘度1 5 105Pa 挤出机的最大加工粘度为105Pa 加工温度一般选定140 C 问此原料能否用此挤出机挤出 aT 140 0 25 140 105Pa 140 105Pa Or 70 7 6动态粘弹响应 在交变应力或交变应变作用下 聚合物材料的应变或应力随时间的变化 71 高分子材料受到一个正弦变化的应力 t 7 6 1 动态粘弹性 应力 t 的最大值 角频率 t 时间 72 理想弹性体 t 应力与应变同相 73 理想弹性体 1 1 1 1 能量完全以弹性能的形式储存 然后又全部以动能的形式释放 没有能量的损耗 74 理想粘性体 t 应变落后于应力 75 理想粘性体 1 1 1 1 应力与应变有90 相差 能量全部损耗为热 76 聚合物 粘弹性材料 应力与应变的相差角为 t 77 应力 与应变 之间存在相差 应变每变化一周 就会有一部分能量 W不可逆地转化为热能 损失的能量为椭圆的面积 聚合物 粘弹性材料 78 聚合物 粘弹性材料 拉伸时 应变小于其应力所对应的平稳应变值 外力所做的功部分使构象改变 部分克服链段的内摩擦 回缩时 应变大于其应力对应的平衡值 体系对外做的功部分使构象改变 部分克服链段间的内摩擦阻力 79 定义 聚合物在交变应力作用下 应变落后于应力的现象为滞后现象 在每一周期中 以热的形式损耗的能量为力学内耗 80 滞后原因 这是由于受到外力作用时 链段通过热运动达到新平衡需要时间 由此引起应变落后于应力的现象 产生内耗的原因 滞后圈 克服内摩擦阻力而转化为热 滞后现象的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用 当外力变化时 链段的运动还跟不上外力的变化 所以形变落后于应力 有一个相位差 Strain Stress 81 应力变化比应变领先一个相角 则 82 定义 实数模量或储能模量 虚数模量或损耗模量 复数模量 83 总结 时温等效原理 升高温度与延长时间对分子运动是等效的 84 动态粘弹性 滞后 聚合物在交变应力作用下 应变落后于应力的现象 内耗 在每一周期中 以热的形式损耗的能量 85 根据受力形式 可导出不同的耗散能量方程 a 恒应变状态 b 恒应力状态 c 恒能量状态 86 损耗角正切 E 与tg 为表征内耗能量的两个度量 87 内耗大 滚动阻力大 油耗大 内耗在轮胎用胶中的实际意义 内耗小 抓地性差 湿滑性严重 88 7 6 2 动态粘弹性的研究方法 1 扭摆法和扭辫法 89 对数减量 90 I 转动惯量K 与试样尺寸及形状有关的常数P 摆动周期 91 2 动态粘弹谱仪和动态热机械分析仪 D T MA 直接测 t t 与 92 混容性的影响 93 7 6 3 温度或频率对内耗的影响 内耗的本质 运动单元受阻运动 阻力大则损耗大 无阻力则无损耗 运动剧烈则损耗大 无运动则无损耗 损耗取决于两个因素 阻力与运动量 94 损耗的频率依赖性 频率高时 即 运动单元基本来不及随交变应力运动 内耗很小 频率低时 即 运动单元的运动完全跟得上应力的变化 内耗很小 95 损耗的频率依赖性 频率适中时 即 运动单元跟上却不能完全跟得上应力的变化 内耗出现极大值 内耗峰 96 当外力作用比运动单元的松驰时间的倒数高得多时 即 1 该运动单元基本上来不及跟随交变的外力而发生运动E 与w无关 E 和tg 几乎为零 表现刚性玻璃态 当 1 运动单元的运动完全跟得上 作用力的变化 E 与w无关 E 和tg 几乎为零 表现橡胶的高弹态 只有当 1 运动单元运动跟上 但又不能完全跟上外应力的变化 E1变化大 E 和tg 出现极大值 内耗峰 表现明显的粘弹性 97 损耗的温度依赖性 温度高 运动单元容易接近平衡 内耗小 温度低 无法运动 应力松驰进行得慢 内耗小 温度适中 运动单元可以运动但跟不上应力变化 产生内耗峰 98 tan E T Tg E 99 Tg以下 聚合物应变仅为键长的改变 应变量很小 几乎同应力变化同步进行 tg 很小 温度升高 玻璃态自橡胶态转变 链段开始运动 体系粘度大 运动摩擦阻力大 tg 较大 玻璃化转变区 出现内耗峰 温度进一步升高 虽应变值较大 但链段运动阻力减小 tg 减小 在末端流动区 分子间质的位移运动 内摩擦阻力再次升高 内耗急剧增加 100 内耗tg 与分子结构的关系 顺丁橡胶 无取代基 链段运动的内摩擦阻力小 内耗较小 丁苯橡胶 丁腈橡胶 有较大苯侧基和极性大的氰侧基 内摩擦阻力大 内耗较大 丁基橡胶 聚代侧基数目多 内耗最大 内耗大的橡胶 吸收冲击能量较大 回弹性就较差 101 tg与分子运动 大小 tg峰大则表示相应的分子运动 强 tg峰小则表示相应的分子运动 弱 数量 tg峰的数量即分子运动单元的数目 102 7 6 4 动态力学谱