高分子材料(力学性能)

1、最新高分子材料(力学性能)第五章：高分子材料的基本第五章：高分子材料的基本性能性能公共信箱：公共信箱： 密码：密码：111111目的目的：掌握掌握高分子材料的基本性能的普遍规律高分子材料的基本性能的普遍规律 -核心核心 能够运用结构及分子运动基本理论进行分析能够运用结构及分子运动基本理论进行分析作业信箱：作业信箱：高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 力学性能 热性能 电性能 溶解、渗透性能 老化性能 燃烧性能 分子设计及改性的基本思路及途径分子设计及改性的基本思路及途径基本内容基本内容物理性能物理性能化学性能化学性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 三种力学状态： l 粘流态：l

2、 高弹态：l 玻璃态（结晶态）(硬硬、普普弹弹形形变变)塑塑料料强强度度、断断裂裂 （高高弹弹性性）橡橡胶胶的的力力学学性性能能 （流流动动性性）融融体体（或或溶溶液液）流流变变性性基基础础 ：5.1 力学性能力学性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 高分子材料流变特性？用分子运动原理分析。 流变性的测试分析方法？ 分析PP、PS成型加工条件对流动性的影响。高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性（流变性基础简介） 粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大； 流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实 现的 伴有高弹形变具有粘弹性粘弹性

3、 现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂5.1 力学性能力学性能成型过程中的指导：如：成型时粘度过大原因？如何解决？涂料涂装时流挂问题如何解决？高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能4）是一）是一假塑性流体假塑性流体：A、基本名词：剪切应力、剪切速率 牛顿流体：=/; 是一恒定值 非非牛牛顿顿流流体体：随剪切应力（剪切速率）变。 为表观粘度a a 随剪切速率（剪切应力的增加，随剪切速率（剪切应力的增加，表观粘度下降的流体）表观粘度下降的流体）5.1 力学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性B、假塑性原因大分子延剪切力方大分子延剪切力方向的取向，及带来

4、向的取向，及带来的的解缠解缠高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能5.1 力学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能B、幂律方程：、幂律方程： K nn=1 : 牛顿流体（曲线2）n1: 胀流性流体 （曲线4）n: 非牛顿指数； D、触变性流体：t延长，粘度迅速下降； （例：重防腐涂料中的应用） 震凝性流体：反之 全剪切应力下的流变曲线曲线3：宾汉流体5.1 力学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能1、第一牛顿区2、第二牛顿区5.1 力学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性高分子

5、材料的基本性能高分子材料的基本性能 （、 Tf 、非牛顿性非牛顿性 ）1）分子量）分子量： 分子量越大，粘度越大， Tf 越高， 非牛顿性越大2）分布：）分布： 一般越宽：l 低剪切下：粘度越大，l 高剪切下：粘度越小l Tf 越低， l 非牛顿性越大非牛顿性越大因为：缠结因为：缠结解缠能力5.1 力学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能3）柔性）柔性： 柔性越大，柔性越大，Tf 越低，越低， 非牛顿性越大（粘度对剪切的敏感性大）非牛顿性越大（粘度对剪切的敏感性大） 刚性越大：粘度对温度的敏感性越大刚性越大：粘度对温度的敏感性越大4）分子间作

6、用力）分子间作用力： 越大：越大： Tf 越高，粘度越高，越高，粘度越高， 粘度对温度的敏感性大粘度对温度的敏感性大5.1 力学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性 （、 Tf 、非牛顿性非牛顿性 ）链段活动能力，链段活动能力，长链的卷曲长链的卷曲缠结缠结实际应用的指导意义：塑料成型生产、涂料实际应用的指导意义：塑料成型生产、涂料高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能3、表征、表征 粘度：粘度： （ 测定：）测定：） 熔融指数熔融指数： 在恒定的在恒定的压力压力、温度温度下，单位下，单位时间时间内流过内流过特定毛细孔（特定毛细孔（1mm2 )聚合物的重量。聚合物的重量。5.1 力

7、学性能力学性能一、高聚物的流动性一、高聚物的流动性原材料的重要指标！分子量及分布的综合体现指导选材、成型工艺的设计指导选材、成型工艺的设计力学性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 橡胶高弹性对结构的基本要求？ 橡胶力学性能特征？高弹性的本质？ 比较顺丁橡胶、乙丙橡胶的高弹性能？高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能二、橡胶的高弹性二、橡胶的高弹性1、高弹性的特点、高弹性的特点： E（模量）小，为钢材的1/105 泊松比小 0.5 V= 0 温度升高，E增大；（与金属反之） 形变时有热效应（发展时，升温（放热） 在一定条件下，高弹形变表现明显的松弛现象 时间依赖性5.1 力学性能力学性

8、能橡胶具有高弹性的结构要求？指导我们根据高弹性的使用要求如何来选择材料。高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能2、高弹性的本质： 热力学(一、二）定律得：V= 0 内能变化为 0 熵弹性熵弹性 *解释特征4: H = U T S H = T S 所以：形变过程中，有热效应（形变发展： S 0， 放热）5.1 力学性能力学性能二、橡胶的高弹性二、橡胶的高弹性高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能3、的关系的关系 特征特征3： E与与T成正比成正比5.1 力学性能力学性能二、橡胶的高弹性二、橡胶的高弹性3. 关系关系高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能4、橡胶高弹性的结构要求、橡胶高弹性的

9、结构要求* 1） 柔性柔性好，柔性好的不一定具有高弹性 2）不结晶 无束缚 3) 分子量高提供交联度，强度高 4）交联无永久性形变5.1 力学性能力学性能二、橡胶的高弹性二、橡胶的高弹性高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 高分子材料的尺寸稳定性影响因素？ 高分子材料粘弹性的表现及影响因素？ 用分子运动理论、松弛理论分析高分子材料力学损耗的影响因素？高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能明显的松弛过程时间依赖性1、静态粘弹性：（非交变） 蠕变蠕变：一定T、一定， 观察观察t t的变化的变化 应力松弛应力松弛：一定T、一定 ， 观察观察t t的变化的变化 瞬时弹性瞬时弹性 高弹高弹 永久永

10、久 (交联曲线2）1) 蠕变、应力松弛现象5.1 力学性能力学性能t实际中的尺寸稳定性问题、密封问题、疲劳问题的分析、选材高分子材料性能不同于其他材料，出现规律反常时运用粘弹性来分析。高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 原因原因：链段运动，调节构象来适应外力链段运动，调节构象来适应外力力不变，调节结果：形力不变，调节结果：形 变增大变增大蠕变蠕变形变不变，调节结果形变不变，调节结果: 内力减小，相对内力减小，相对的外力变小的外力变小应力松弛应力松弛3）应用）应用：工程塑料的尺寸稳定性、 密封问题 等 例：4）粘弹模型 ：建立模型模拟曲线得到Maxwell模型Kelvin 模型串联并联2）

11、原因：5.1 力学性能力学性能分子运分子运动动高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能5.1 力学性能力学性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能应力周期性变化： 0 Sin t 应变： 0 Sin（ t ） 落后一相位角落后一相位角 滞后滞后：一定温度下，受交变的应力，形变随时 间的变化跟不上力随时间的变化结果：产生滞后圈能耗能耗 （机械能（弹性能）热能） 力学损耗力学损耗力学损耗因子力学损耗因子*： tan -损耗模量损耗模量-储能模量储能模量5.1 力学性能力学性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 影响因素影响因素*： 1）结构结构：分子柔性、分子间作用力等- 2）时间：）时

12、间： （1/ t (观察）观察） 小小t长：长： 链段完全跟上链段完全跟上 大大t短短 ：链段完全跟不上：链段完全跟不上 硬硬 ，甚至脆，甚至脆 适中适中t：滞后明显：滞后明显 tan 有最大值有最大值 3）温度）温度：- T增大， 减小， 分析 : 链段运动 （时温等效原理） 应用意义：指导力学（及其它物理）特性的分析及应用，应用意义：指导力学（及其它物理）特性的分析及应用， 意义大意义大 （例：（例：) 理论意义：是分子运动研究的重要手段理论意义：是分子运动研究的重要手段5.1 力学性能力学性能？DDV(动态黏弹谱仪）动态黏弹谱仪）高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 塑料的力学表征？

13、 比较PE/PP/PS/PA66/PVC/环氧树脂的力学特征 高分子材料增强、增韧的主要途径？ 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能四、屈服、强度与断裂四、屈服、强度与断裂 （玻璃、（玻璃、结晶结晶态）态）1、拉伸过程拉伸过程 应力应变曲线应力应变曲线 （冷拉曲线） 一定的温度、一定的拉伸速度下，观察应力随应变的变化曲线2、力学强度、力学强度3、与结构的关系、与结构的关系4、增强与增韧、增强与增韧（5、其它力学性能、其它力学性能 ）5.1 力学性能力学性能 高分子塑料与金属材料比较拉伸性高分子塑料与金属材料比较拉伸性能的特征规律有何不同，为什么？能的特征规律有何不同，为什么？（银纹、断裂、

14、屈服、应力增强问（银纹、断裂、屈服、应力增强问题）题） 不同力学要求如何选材？不同力学要求如何选材？ 如何增强？如何增韧？（如：对于如何增强？如何增韧？（如：对于PS，对于橡胶材料、，对于橡胶材料、PVC）高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能力学特征力学特征： E -软硬 A-弹性 S -韧脆 -延性延性 SOA -回弹性 强度（B B、Y Y )-强弱 1）非晶）非晶：u 曲线分析： OA-普弹 斜率E Y：屈服屈服： 随应变增大，应力不变或下降 力去除，形变不可恢复 应变增大，应力增大 应变硬化 B:断裂 脆性断裂： （ B B Y Y ） 韧性断裂：-小单元运动在力的强迫作用下，链段

15、运动 1、拉伸过程拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）非晶、结晶高聚物）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 屈服过程屈服过程：剪切形变（45。结构滑移） 银纹银纹化过程 裂缝裂缝B 屈服屈服: 机理机理：链段在力的强迫下运动（取向），因为T小于Tg，所以不能恢复银纹化：力（环境）作用下，结构缺陷产生 应力集中，出现发亮的条纹应力集中，出现发亮的条纹。 运动单元高度取向（m 不为零）强强 迫高弹形变迫高弹形变：在Tg以下，在高应力作用下发生的大形变， 且不可恢复银纹与裂缝的差异？1、拉伸过程拉伸过程 (非晶非晶、结晶高聚物）、结晶

16、高聚物）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能C C 断裂断裂: : 脆性断裂脆性断裂：没有屈服，断裂面光滑； 韧性断裂韧性断裂：出现屈服后的断裂，断裂面粗糙。 T TT Tb b 时： B B Y Y 脆性断裂1、拉伸过程拉伸过程 (非晶非晶、结晶高聚物）、结晶高聚物）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能2) 结晶高聚物的应力结晶高聚物的应力应变曲线应变曲线 细颈细颈现象现象明显明显 运动单元是微晶、链段（非晶区）在较大力作用下的取向，运动单元是微晶、链段

17、（非晶区）在较大力作用下的取向， （不可恢复）（不可恢复） 应变硬化现象明显应变硬化现象明显 存在脆性断裂问题存在脆性断裂问题1、拉伸过程拉伸过程 (非晶、非晶、结晶结晶高聚物）高聚物）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能3) 不同力学特征的应力应变曲线不同力学特征的应力应变曲线脆而硬：1 PS、未交联的热固性树脂等强而硬：2 交联的热固性树脂（环氧等） 工程塑料强而韧：3、4 工程塑料（PC、PA ABS等）、PVC软而韧：5、6 PE、软 PVC等 7 橡胶软而弱：8 凝胶弱而脆：9 力学特征力学特征 曲线曲线 例例注意

18、注意： 相比较而言相比较而言 在不同条件（在不同条件（T、拉伸速度、拉伸速度）下）下, 曲线会有变化曲线会有变化 1、拉伸过程拉伸过程 (非晶非晶、结晶高聚物）、结晶高聚物）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能4）温度、时间对曲线温度、时间对曲线的影响 温度的影响（一定）： TTb 曲线1、2 TTg 曲线 3、4、5 T Tf 曲线9 时间-1/（T一定）： 分析：单元运动 （时温等效原理） #1、拉伸过程拉伸过程 (非晶非晶、结晶高聚物）、结晶高聚物）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 作业

19、作业：试从分子运动原理或时温等效原理分析拉伸速度的变化对拉伸曲线的影响高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能注意注意: 使用时使用时趋于很小趋于很小长期强度长期强度，其远远小于所测值，其远远小于所测值 ， 例：例：PVC: B(1000h）1/2B （测） Tb、Tg测定时，是在一定时间尺度下，测定时，是在一定时间尺度下， （ 比较小，时间长）比较小，时间长） 实际受力时（特别是在冲击力时）往往实际受力时（特别是在冲击力时）往往很高，很高， 例：例：PVC 的的Tb= - 50度，度，T使使 - 30 -15度度1、拉伸过程拉伸过程 (非晶非晶、结晶高聚物）、结晶高聚物）5.1 力学性能力学

20、性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能2、力学强度、力学强度1）几种主要强度）几种主要强度 抗张强度： B BF/SF/S 抗弯强度： 抗冲击强度 （韧性） i=W/bd （kJ/m2) 弯曲形变较小时的载荷与挠度5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能2） 理论强度理论强度 实际强度，实际强度，实实= =（1/1001/1001/1000 )1/1000 )理理 而模量接近而模量接近 原因：缺陷原因：缺陷(裂缝、结构的不均一性）裂缝、结构的不均一性） 3）强度理论：）强度理论：

21、应力集中：应力集中： Griffith表面能理论表面能理论 （脆性材料）脆性材料） 分子热涨落理论分子热涨落理论：要点：裂缝发展产生新的表面，需要能量要点：裂缝发展产生新的表面，需要能量 ， 外能外能H: H , 裂缝发展裂缝发展 2、力学强度、力学强度5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能2、力学强度、力学强度5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能链断裂净频率：寿命：2、力学强度、力学强度5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分

22、子材料的基本性能高分子材料的基本性能3、强度与结构的关系、强度与结构的关系1） 分子量：越大，越大，越大， 屈服屈服、E不变不变 - （M MC）2）F分越大， B 、 Y越大，越大， 减小，E增大 过大，脆性断裂 3) 交联 适度 B增大，增大， Y不变，不变， 减小， E增大，i增大 过度交联过度交联， B大幅度减小 4）结晶 Y越大越大 随结晶度增大，随结晶度增大， B、 E增大， 球晶大小、多少小而密强度、抗冲击好球晶大小、多少小而密强度、抗冲击好5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能5.1 力学性能力学性能 四四 屈

23、服、强度与断裂屈服、强度与断裂 3、强度与结构的关系、强度与结构的关系高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能6) 缺陷（裂纹、气泡、内应力、银纹等）缺陷（裂纹、气泡、内应力、银纹等） 应力集中，强度大幅度下降应力集中，强度大幅度下降 7）增塑剂：分子间作用力下降）增塑剂：分子间作用力下降 例：例：PVC 5）取向：平行取向方向，强度大幅度增加。）取向：平行取向方向，强度大幅度增加。 垂直取向方向，强度大幅度下降垂直取向方向，强度大幅度下降5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 3、强度与结构的关系、强度与结构的关系高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能4、增强与增

24、韧、增强与增韧 A、结晶、取向、交联、结晶、取向、交联 B、活性粉末增强，、活性粉末增强， 作用：吸附相当物理交联 传递应力均匀分布载荷， 一链断，其他链仍起作用。 偶联剂使惰性粉末具有“ 活性” 纳米粉末增强纳米粉末增强 5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 分子运动分子运动、聚集态结构、复合、合金化高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能4、增强增强与增韧与增韧5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 纤维增强机理纤维增强机理： 纤维模量大于基体，相同应变下，纤维承载大； 抑制裂纹效应 黏附黏附作

25、用，传递应力； 短纤维起作用5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 4、增强增强与增韧与增韧高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能增韧增韧-S 增大增大橡胶增韧橡胶增韧 共聚、共混共聚、共混 例：例：HIPS 多重裂纹化理论剪切屈服理论剪切屈服的裂纹理论5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 4、增强增强与与增韧增韧高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能 纤维增韧纤维增韧 （主要对于热固性树脂）（主要对于热固性树脂）5.1 力学性能力学性能 四四 屈服、强度与断裂屈服、强度与断裂 4、增强与、增强与增韧增韧高分子材料的基本性能高分子材料的基本性能5、其它力学性能、其它力学性能1） 疲劳疲劳 : 在周期性交变应力作用下，在低于静态强度在周