第6章 高分子化工概述

1、第第6章章 高分子化工概述高分子化工概述主要内容 第一节 材料和高分子材料1 第二节 高分子材料分类2 第三节 高分子材料的相关概念、术语3 第四节 高分子材料的性能452 第五节 高分子材料的研究方法第一节 材料和高分子材料v 材料、能源和信息作为科学技术的三大支柱促进了社会的迅速发展。其中材材料、能源和信息作为科学技术的三大支柱促进了社会的迅速发展。其中材料是工业发展的基础，是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活料是工业发展的基础，是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要水平的重要 标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史就是一部材标志，也是一个时代的重要标志

2、。人类社会的发展史就是一部材料的发展史。料的发展史。人类社会发展史回顾人类社会发展史回顾石器时代青铜器时代铁器时代非金属材料时代复合材料和功能材料时代第一节 材料和高分子材料金属材料无机非金属材料有机高分子材料每一次材料的重大发现和制造、使用都推动了人类社会向更新更高的阶段，材料是现代社会经济的先导，是社会新的飞跃的标志。 第一节 材料和高分子材料材料人类社会文明大厦的基石材料人类社会文明大厦的基石 金属材料长盛不衰金属材料长盛不衰 金属材料与人类文明金属材料与人类文明 从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星储氢合金从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星储氢合金 古老的陶瓷旧貌换新颜古老的陶瓷

3、旧貌换新颜 从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。 威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。 年轻的高分子材料千姿百态年轻的高分子材料千姿百态 20世纪新兴的材料王国现代生活的高分子材料世纪新兴的材料王国现代生活的高分子材料 功能高分子各显神通功能高分子各显神通 先进的复合材料巧夺天工先进的复合材料巧夺天工 新型功能材料人类文明进步的阶梯新型功能材料人类文明进步的阶梯 生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料第一节 材

4、料和高分子材料材料科学技术几个活跃领域材料科学技术几个活跃领域1生物材料生物材料:包括生物医用材料和仿生材料包括生物医用材料和仿生材料2智能材料智能材料:如压电陶瓷和形状记忆合金。如压电陶瓷和形状记忆合金。3环境材料环境材料; 4 纳米材料纳米材料5功能高分子材料功能高分子材料: 吸水性高分子、导电高分子、发光吸水性高分子、导电高分子、发光有机高分子、高分子形状记忆、高分子电解质、高分子压有机高分子、高分子形状记忆、高分子电解质、高分子压电、有机非线性光学材料、可降解高分子及高分子液晶等。电、有机非线性光学材料、可降解高分子及高分子液晶等。6计算机模拟与材料设计计算机模拟与材料设计: 通过计算

5、机模拟来预测材料通过计算机模拟来预测材料的结构、性能及其间的关系，从而达到材料设计，形成了的结构、性能及其间的关系，从而达到材料设计，形成了一门一门“计算材料科学计算材料科学”。第一节 材料和高分子材料第一节 材料和高分子材料第一节 材料和高分子材料第一节 材料和高分子材料第一节 材料和高分子材料高分子材料在高科技领域应用也很广泛第一节 材料和高分子材料v 高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。v 1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。v 1868年，英国科学家Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。v 1893年，法国人De Chardonnet发明粘胶纤维。v 190

6、7年，第一个合成高分子酚醛树脂诞生。v 1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。1953年获诺贝尔化学奖。高分子材料发展简史研究对象之二研究对象之二 橡胶的发展橡胶的发展橡橡树树之之泪泪第一节 材料和高分子材料v 1935年，Carothers发明尼龙66，1938年工业化。v 1839年， 30年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，PVC（19271937）, PMMA（19271931）, PS（19341937）, PVAc（1936）, LDPE（1939）。 v 40年代，二次大战促进了高分子材料

7、的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937）, 丁腈橡胶（1937）, 丁基橡胶（1940）, 有机氟材料（1943）, 涤纶树脂（19401950）, ABS（1947）。高分子材料发展简史 ABS树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。第一节 材料和高分子材料v 50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。1963年， Ziegler和Natta分享诺贝尔化学奖。v 1956年，美国人

8、Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。v 50年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（1962）。高分子材料发展简史第一节 材料和高分子材料v 60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。 v 特种高分子：高模量高强度、耐高低温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。v 功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。 v 80年代后，新结构的聚合物有：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝

9、状聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。高分子材料发展简史 为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献， 2000年，日本科学家白川英树（H.Shirakawa）、美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G. MacDiarmid）分享诺贝尔化学奖。DSM Innovation Center Slide based on1881年年3月月23日生于德国莱因兰日生于德国莱因兰法耳次法耳次州的沃尔姆斯；州的沃尔姆斯；1907年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学位。位。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。1912

10、1912年于苏黎世工业大学任为化学教授。年于苏黎世工业大学任为化学教授。 1920年，发表年，发表“论聚合反应论聚合反应”的论文，提的论文，提出高分子的概念；出高分子的概念； 1932年，出版划时代的巨著高分子有年，出版划时代的巨著高分子有机化合物机化合物 1953年获诺贝尔化学奖；年获诺贝尔化学奖； 1965年年9月月8日在弗赖堡逝世，终年日在弗赖堡逝世，终年84岁。岁。第一节 材料和高分子材料施陶丁格尔小传施陶丁格尔小传 (Hermann Staudinger) (18811965)Karl Ziegler (1903-1979)Giulio Natta (1898-1973)K.Zieg

11、ler （德国）（德国）, G.Natta （意大利）（意大利） （1963年诺贝尔奖得主）年诺贝尔奖得主）第一节 材料和高分子材料 50年代，年代，Ziegler和和Natta发明配位聚合发明配位聚合催化剂，制得催化剂，制得高密度高密度PE和有和有规规PP，低级烯，低级烯烃得到利用。烃得到利用。 Ziegler和和Natta创造了聚烯烃塑料的新纪元创造了聚烯烃塑料的新纪元第一节 材料和高分子材料 P.J.Paul John Flory (19101985)美国高分子美国高分子科学家。科学家。1934年在俄亥俄年在俄亥俄州州立大学获物理化学博州州立大学获物理化学博士学位，后任职于杜邦公士学位，

12、后任职于杜邦公司，进行高分子基础理论司，进行高分子基础理论研究。研究。1948年在康奈尔大年在康奈尔大学任教授。学任教授。1957年任梅隆年任梅隆科学研究所执行所长。科学研究所执行所长。1961年任斯坦福大学化学年任斯坦福大学化学系教授，系教授，1975年退休。年退休。1953年当选为美国科学院年当选为美国科学院院士。院士。 弗洛里在高分子物理弗洛里在高分子物理化学方面的贡献，几乎遍化学方面的贡献，几乎遍及各个领域。他是实验家及各个领域。他是实验家又是理论家，是高分子科又是理论家，是高分子科学理论的主要开拓者和奠学理论的主要开拓者和奠基人之一。基人之一。（1974年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）for

13、 his fundamental achievements, both theoretical and experimental, in the physical chemistry of the macromolecules第一节 材料和高分子材料Hideki Shirakawa(1936 )Alan J. Heeger(1936 )Alan G. MacDiarmid(1927 )（2000年诺贝尔奖得主）年诺贝尔奖得主）H. Shirakawa白川英树白川英树(日本日本), Alan G. MacDiarmid (美国美国), Alan J. Heeger (美国美国) ：对导电聚合物的

14、发现和发展。对导电聚合物的发现和发展。2005 Nobel Chemistry Prize: Grubbs, Schrock, A France Scientist in IndustryContribution: MAO catalysts第一节 材料和高分子材料我国近代高分子科学的发展我国近代高分子科学的发展v 我国高分子研究起步于我国高分子研究起步于50年代初，唐敖庆于年代初，唐敖庆于1951年，发表年，发表 了了首篇高分子科学论文。首篇高分子科学论文。 v 长春应化所长春应化所1950年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；v 冯新德冯新德50年代在

15、北京大学开设高分子化学专业。年代在北京大学开设高分子化学专业。v 何炳林何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。v 钱人元于钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶高分子溶 液性质研究。液性质研究。v 钱保功钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究。究。v 徐僖先生徐僖先生50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。v 王葆仁先生王葆仁先生1952年上海有机所

16、建立了年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组研究组 第一节 材料和高分子材料高分子材料的应用 高分子材料遍及各行各业，各个领域：包装、农林牧渔、建筑、电子高分子材料遍及各行各业，各个领域：包装、农林牧渔、建筑、电子电气，交通运输、家庭日用、机械、化工、纺织、医疗卫生、玩具、文教电气，交通运输、家庭日用、机械、化工、纺织、医疗卫生、玩具、文教办公、家具等等。办公、家具等等。v 农用塑料：薄膜农用塑料：薄膜 灌溉用管。灌溉用管。v 建筑工业：给排水管建筑工业：给排水管PVC、HDPE 塑料门窗塑料门窗 涂料油漆涂料油漆 复合地板、家具人造木材、地板复合地板、家具人造木材、地板 PVC天花板。天花

17、板。v 包装工业：塑料薄膜：包装工业：塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等等 中空容器：中空容器：PET、PE、PP等等 泡沫塑料：泡沫塑料：PE、PU等。等。v 汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等。汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等。v 军工工业：飞机和火箭固体燃料（低聚物）、复合纤维等。军工工业：飞机和火箭固体燃料（低聚物）、复合纤维等。第一节 材料和高分子材料v 电气工业电气工业 ：绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电高分子；：绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电高分子； 电子：通讯光纤、电缆、电线、光盘、手机、电话；电子：通讯光纤、电缆、电线、光盘

18、、手机、电话； 家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等。家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等。v 医疗卫生中的应用：医疗卫生中的应用： 人工心脏、人工脏器、人工肾（人工心脏、人工脏器、人工肾（PU）、人工肌肉、输液管、）、人工肌肉、输液管、 人工肌肉、输液管、血袋、注射器、可溶缝合线等。人工肌肉、输液管、血袋、注射器、可溶缝合线等。 v 防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。如水管阀门（防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。如水管阀门（PTFE）：）： 230260长期工个长期工个 作，适合温度高腐蚀严重的产品。作，适合温度高腐蚀严重的产品。 v 功能高分子：离子交换树脂、高分子分离膜、高吸

19、水性树脂、光刻胶、感光树脂、医功能高分子：离子交换树脂、高分子分离膜、高吸水性树脂、光刻胶、感光树脂、医 用高分子、液晶高分子、高导电高分子、电致发光高分子等。用高分子、液晶高分子、高导电高分子、电致发光高分子等。 高分子材料的应用第二节 高分子材料的分类天然高分子材料改性的天然高分子材料合成高分子材料改性合成高分子材料 为了获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能，除基本组分聚合物之外，还要添加各种添加剂，因此严格地说，高分子化合物与高分子材料的涵义是不同的。第二节 高分子材料的分类1碳链聚合物： 指高分子化合物的的主链完全由碳原子组成，绝大部分聚烯烃及其衍生物都属于此类。2杂链聚合物：杂链

20、聚合物是指大分子主链中除了碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。常见的杂环聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚硫橡胶、聚砜等。3元素有机聚合物：指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、硫、磷等原子组成。典型的例子是有机硅橡胶。 材料的组成及各成分之间的配比从根本上保证了制品的性能，作为主要成分的高分子化合物对制品的性能起主宰作用。第二节 高分子材料的分类*CH2CH2*n*CH2CH*nCOOH聚乙烯聚丙烯酸*CH2CH*nCH3*CH2CH*nCOOCH3*CH2CH*nCl*CH2CH*nOCOCH3*CH2HC*n*CH2CH*nOH聚丙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚醋酸乙烯酯聚苯乙烯

21、聚乙烯醇重要的碳链化合物第二节 高分子材料的分类nOHCH2CH2OOCHOOC 聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶树脂）HOOCCO(CH2)6NH2n(CH2)4NH聚己二酰己二胺（尼龙66）HN(CH2)6nOCH2N (CH2)6COOH聚氨基己酸酯（尼龙6）聚氨酯OHOCNCOn(CH2)6NHO(CH2)4HOCOO OHnCCH3CH3O聚碳酸酯重要的杂链化合物第二节 高分子材料的分类 S Si iO O n nC CH H3 3C CH H3 3典型的元素有机聚合物有机硅-聚甲基硅氧烷第二节 高分子材料的分类三 按用途分涂料粘合剂复合材料纤维塑料橡胶123456 实际上，按用途分才是真正

22、把高分子材料从材料的角度进行分类的一种方法。第二节 高分子材料的分类功能高分子材料功能高分子材料高分子信息转换材料高分子透明材料高分子模拟酶医用、药用高分子材料高分子记忆材料生物降解高分子材料 功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存、生物性能等等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料。按用途分又分为功能高分子材料普通高分子材料第二节 高分子材料的分类四 按受热后形态变化分类 热塑性高分子在受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转变理论上

23、可重复无穷多次。或者说，热塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等均为热塑性高分子。热塑性高分子： 热固性高分子在受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。换言之，热固性高分子是不可再生的。 能通过加入固化剂使流体状转变为固体状的高分子，也称为热固性高分子。典型的热固性高分子如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。热固性高分子：第三节 高分子材料的相关概念、术语1234通用塑料：工程塑料：热塑性塑料： 指产量大、价格便宜、力学性能一般、主要作为非结构材料使用的一类塑料。 指可以作为结构材料使用，具有优异的力学

24、性能、耐热性能、耐磨性能和良好的尺寸稳定性的一类塑料。 指在特定的温度范围内，具有可反复加热软化、冷却硬化特性的塑料品种。热固性塑料： 指在特定的温度下加热或通过固化剂可发生交联反应，变成既不熔融，也不溶解的塑料制品的塑料品种。第三节 高分子材料的相关概念、术语5 实际应用中常常指的是用化学合成方法生产出的一种与天然树脂类似的高分子化合物，是一种新型的合成材料、如果一合成树脂为基料，加上各种助剂，记过加工，即可制成具有一定特性的可塑材料，通常称为“塑料”。6 有合成的高分子化合物制成的纤维。如聚酯纤维（涤纶）、聚酰胺纤维（棉纶）、聚丙烯晴纤维（晴纶）.7 以天然高聚物为原料，经过化学处理与机械

25、加工制成的纤维。其中以含有纤维素的物质如棉短绒、木材为原料的，称为纤维素纤维；以蛋白质为预料的，称为蛋白质纤维。8 在一定温度下，熔融状态的高聚物在一定负荷下，10min内从规定直径和长度的标准毛细管中流出的质量，也称熔体指数。合成树脂合成纤维人造纤维熔体流动速率第三节 高分子材料的相关概念、术语生胶再生胶硫化塑化9101112 天然的或合成的高分子化合物经过化学处理或加工制成浓缩胶乳或干胶，前者直接用于乳胶制品，后者即为橡胶制品中的生胶。 用过的硫化橡胶经过化学、热、机械加工处理后所制得的，具有一定的可塑性，可重新硫化的橡胶材料，再生胶可部分代替生胶使用。 胶料在一定条件下，橡胶大分子由线型

26、机构转变成网状结构的交联过程。 指塑料在加工设备内经过加热达到流动状态经具有良好的可塑性。第三节 高分子材料的相关概念、术语13141516微孔高分子材料：复合材料：门尼粘度： 指内部具有大量微小气孔的 一类高分子材料，以树脂为基体的称为泡沫塑料；以生胶或胶乳为基体的称为泡沫橡胶，俗称为海绵橡胶。 由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，得到的具有复合效应的多相固态材料。 指胶料在模腔内对粘度计转子转动所产生的剪切阻力。捻度： 指将拉细的纤维或几根纤维相互抱合在一起，在特定的加捻机上进行，这种工艺过程叫加捻。加捻的程度叫捻度，即纤维每米长度上的捻回数，捻形的方向有你

27、S形和Z形之分。第三节 高分子材料的相关概念、术语17 将高聚物加热熔融制成熔体，并经喷丝头喷成细流，在空气或水中冷却而凝固成纤维的方法称为熔融纺丝。18 将高聚物溶于溶剂中以制得粘稠的纺丝液，由喷丝头喷成细流，通过凝固介质使之凝固而形成纤维，这种方法称为溶液纺丝。19 它是溶液纺丝的一种，因为凝固介质为液体，故称为湿法纺丝。从喷丝头小孔中压出的粘液细流，在液体中通过，这时细流中的成纤高聚物便凝固成细丝。20 也是溶液纺丝的一种，因为介质为干态的气相介质，称为干法纺丝。粘液细流被引入通有热空气的通道中，溶剂快速挥发，而粘液细流脱去溶剂后很快变成细丝。熔融纺丝溶液纺丝湿法纺丝干法纺丝第三节 高分

28、子材料的相关概念、术语21222324聚合物共混：界面：疲劳破坏： 指两种或两种以上聚合物经混合制成宏观均匀的材料过程，是聚合物改姓最为简便而且有效的方法。 指基体与增强剂或填料之间化学成分有显著的变化，构成彼此结合的、能其负载传递作用的微小区域。 指材料在交变负载的作用下，独渐形成裂缝，并不断扩大引起的低应力破坏。、线密度： 表示纤维粗细的程度，1000m长纤维质量的克数作为线密度的单位，名称”特克丝”，单位符号为tex。第四节 高分子材料的性能 高分子材料的力学性能一一 高分子材料的物理性能2 高分子材料的化学性能三三4 四四二二 高分子溶液 高分子材料应用如此广泛的一个很重要的原因，是高

29、分子材料具有其它材料所不可比拟的性能。 第四节 高分子材料的性能一 高分子材料的力学性能1 基本指标基本指标 2 高弹性能高弹性能 3 粘弹性粘弹性 5 力学强度力学强度 4 力学屈服力学屈服 6 摩擦与磨损摩擦与磨损 7 疲劳强度疲劳强度 8 蠕变蠕变9 应力驰豫应力驰豫应力与应变应力与应变弹性模量弹性模量硬度硬度 强度强度拉伸强度拉伸强度弯曲强度弯曲强度 冲击强度冲击强度 动态粘弹性动态粘弹性静态粘弹性静态粘弹性 对大多数高分材料来说，力学性能是最总有的性能指标。聚合物的力学性能是有结构特性所决定的。 第四节 高分子材料的性能1 力学性能的基本指标：力学性能的基本指标：应力与应变 应力：应

30、力： 物体由于外因物体由于外因(受力、湿度变化等受力、湿度变化等)而变形时，在而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。应变：应变： 物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可

31、在该点处到一单元体，比较变形前后单元体应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。大小和形状的变化。 材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材料的力学材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材料的力学性能。材料的力学性能通常都是通过实验来认识的，最基本的实验是材料的性能。材料的力学性能通常都是通过实验来认识的，最基本的实验是材料的轴向拉伸和压缩实验。常温静载下的轴向拉伸试验是材料力学中最基本、应轴向拉伸和压缩实验。常温静载下的轴向拉伸试验是材料力学中最基本、应用最广泛的试验。通过拉伸试验，可以较全面地测定材料的力学性能指标。用最广泛的试验。通过

32、拉伸试验，可以较全面地测定材料的力学性能指标。第四节 高分子材料的性能1 力学性能的基本指标：力学性能的基本指标：应力与应变 应力与应变是相辅相成的，有应力就有应变；有应变，就有应力，应力与应应力与应变是相辅相成的，有应力就有应变；有应变，就有应力，应力与应变间的关系，完全由材料决定，反映了材料所固有的力学性质。不同的材料会反变间的关系，完全由材料决定，反映了材料所固有的力学性质。不同的材料会反映出不同的应力应变关系。材料的力学性能和应力应变关系要通过实验得到。映出不同的应力应变关系。材料的力学性能和应力应变关系要通过实验得到。 万能材料实验拉力机万能材料实验拉力机几种常见材料的应力应变曲线几

33、种常见材料的应力应变曲线第四节 高分子材料的性能1 力学性能的基本指标（力学性能的基本指标（2）：）：弹性模量弹性模量：弹性模量： 弹性模量简称模量，是单位应变所需应力的大小，是材料抵抗形变弹性模量简称模量，是单位应变所需应力的大小，是材料抵抗形变的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易变形程度的一种表征。相应的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易变形程度的一种表征。相应的三种形变对应的模量分别为拉伸模量（的三种形变对应的模量分别为拉伸模量（E，也称杨氏模量），剪切模，也称杨氏模量），剪切模量（量（G），弯曲模量；压缩模量。），弯曲模量；压缩模量。 1 力学性能的基本指标（力学性能的基本指标（3

34、）：）：硬度硬度：硬度： 硬度是衡量材料抵抗压力的一种指标。实验方法不同名称各异。硬硬度是衡量材料抵抗压力的一种指标。实验方法不同名称各异。硬度的大小与材料的拉伸强度与弹性模量有关。分邵氏硬度；巴氏硬度；度的大小与材料的拉伸强度与弹性模量有关。分邵氏硬度；巴氏硬度；布式硬度和洛氏硬度。布式硬度和洛氏硬度。1 力学性能的基本指标：力学性能的基本指标：应力与应变第四节 高分子材料的性能1 力学性能的基本指标（力学性能的基本指标（4）：）：强度 拉伸强度：拉伸强度： 屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与横切面积之比）屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与横切面积之比）称为拉伸强度。一般用称

35、为拉伸强度。一般用MPa为单位为单位 弯曲强度：弯曲强度： 也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对标准试样施加也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，然后根据最大载荷和最大尺寸，按照公式计算静弯曲力矩，直到试样折断为止，然后根据最大载荷和最大尺寸，按照公式计算弯曲强度。弯曲强度。 冲击强度：冲击强度： 曾称抗冲强度，是衡量材料韧性的一种强度指标。定义为试样曾称抗冲强度，是衡量材料韧性的一种强度指标。定义为试样受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量。受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量。第四节 高分子材料的性能2 高弹性能高弹性能 高弹性能是高分子材

36、料极其重要的性能，其中橡胶一高弹性能作为主要特征。聚合物高弹性能是高分子材料极其重要的性能，其中橡胶一高弹性能作为主要特征。聚合物在高弹态都能表现出一定程度的高弹性，但并非都可以作为橡胶材料使用，作为橡胶材料必在高弹态都能表现出一定程度的高弹性，但并非都可以作为橡胶材料使用，作为橡胶材料必须具有一下特点：须具有一下特点：弹性模量小，形变大，一般材料的形变量为弹性模量小，形变大，一般材料的形变量为1%左右，而橡胶的高弹形变很大，可以拉左右，而橡胶的高弹形变很大，可以拉 伸伸510倍，弹性模量只有一般材料的万分之一左右。倍，弹性模量只有一般材料的万分之一左右。弹性模量与绝对温度成正比，一般材料的温

37、度随温度的提高而下降。弹性模量与绝对温度成正比，一般材料的温度随温度的提高而下降。 形变时有热效应，伸长时吸热，回缩时放热。形变时有热效应，伸长时吸热，回缩时放热。 在一定条件下，高弹形变表现出明显的松弛现象。在一定条件下，高弹形变表现出明显的松弛现象。第四节 高分子材料的性能3 粘弹性粘弹性 聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质上是聚合物的力聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质上是聚合物的力学松弛行为。在玻璃化转变温度以上，非晶态线形聚合物的粘弹性最为明显。对学松弛行为。在玻璃化转变温度以上，非晶态线形聚合物的粘弹性最为明显。对理想的粘性液体即牛顿流体，其应力

38、应变行为遵从牛顿定律；对虎克体，其应力理想的粘性液体即牛顿流体，其应力应变行为遵从牛顿定律；对虎克体，其应力应变行为遵从虎克定律。应变行为遵从虎克定律。 静态粘弹性静态粘弹性 高聚物的静态粘弹性指在固定应力（或应变）下形变（或应力）随时间的高聚物的静态粘弹性指在固定应力（或应变）下形变（或应力）随时间的延长而发展的性质。典型的表现是蠕变与应力松弛。延长而发展的性质。典型的表现是蠕变与应力松弛。 动态粘弹性动态粘弹性 高聚物的动态粘弹性指在应力周期性变化下的力学行为，也称动态力学性高聚物的动态粘弹性指在应力周期性变化下的力学行为，也称动态力学性质。质。蠕变：蠕变：指在一定温度、一定应力作用下材料

39、的指在一定温度、一定应力作用下材料的形变形变随时间而增加的现象。随时间而增加的现象。应力松弛：应力松弛：在温度、应力一定的条件下，材料的内在温度、应力一定的条件下，材料的内应力应力随时间延长而杜渐随时间延长而杜渐减小的现象。减小的现象。 第四节 高分子材料的性能4 聚合物的力学屈服聚合物的力学屈服典型晶态典型晶态聚合物的应力应变曲聚合物的应力应变曲线线NYDBAO应应力力应变应变YN段为屈服段，缩颈（应变变大，应力下降）段为屈服段，缩颈（应变变大，应力下降）Y点为屈服点，屈服点对应的应力称为屈服强度点为屈服点，屈服点对应的应力称为屈服强度或屈服应力，一般来讲，屈服应力是聚合物作为或屈服应力，一

40、般来讲，屈服应力是聚合物作为结构材料使用的最大应力。结构材料使用的最大应力。 非晶态聚合物在非晶态聚合物在Tg之下，晶态聚合物在之下，晶态聚合物在Tm 之下，之下，一般都有明显的拉伸屈服现象，屈服的本质是高弹形一般都有明显的拉伸屈服现象，屈服的本质是高弹形变，从分子机理而言是大分子链构象改变的结果，对变，从分子机理而言是大分子链构象改变的结果，对结晶聚合物还包括晶粒的取向、滑移、片晶的破裂、结晶聚合物还包括晶粒的取向、滑移、片晶的破裂、熔化、重结晶等过程。熔化、重结晶等过程。 屈服前就断裂的玻璃态聚合物表现为脆性，屈服后断裂屈服前就断裂的玻璃态聚合物表现为脆性，屈服后断裂的玻璃态聚合物表现为韧

41、性的玻璃态聚合物表现为韧性第四节 高分子材料的性能5 聚合物的摩擦与磨耗聚合物的摩擦与磨耗 摩擦与磨耗在高分子材料的性能指标中没有明显的定量理论，但也属摩擦与磨耗在高分子材料的性能指标中没有明显的定量理论，但也属于聚合物重要的力学性能指标。于聚合物重要的力学性能指标。 摩擦与磨耗是同一现象的两个方面。聚合物的摩擦机理与金属材料的摩擦与磨耗是同一现象的两个方面。聚合物的摩擦机理与金属材料的并不一样，这是因为聚合物在摩擦过程中要发生粘弹形变。并不一样，这是因为聚合物在摩擦过程中要发生粘弹形变。 对于两种硬度差别较大的材料，如聚合物和金属，进行相对滑动时，对于两种硬度差别较大的材料，如聚合物和金属，

42、进行相对滑动时，较硬的材料的凸凹不平处嵌入软质材料表面，形成凹槽。当嵌入的尖端较硬的材料的凸凹不平处嵌入软质材料表面，形成凹槽。当嵌入的尖端移动时，凹处或者复原，或者软质材料被刮落下来。粘合或嵌入的形变移动时，凹处或者复原，或者软质材料被刮落下来。粘合或嵌入的形变均可因剪切而使材料从软质的表面磨去，这称为磨耗。均可因剪切而使材料从软质的表面磨去，这称为磨耗。 摩擦可用摩擦系数表示；磨耗可用摩擦可用摩擦系数表示；磨耗可用 临界临界PV 值表示，值表示，P 摩擦压力，摩擦压力，V 摩摩擦速度，擦速度，PV值越高，材料越耐磨。值越高，材料越耐磨。 第四节 高分子材料的性能6 聚合物的疲劳强度聚合物的

43、疲劳强度概念：概念： 疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。力称为疲劳强度或疲劳极限。 聚合物在周期性交变应力作用下在低于静态强度的应力下破裂，这种聚合物在周期性交变应力作用下在低于静态强度的应力下破裂，这种现象称为疲劳现象。同样的疲劳现象也可在应力作用下由裂纹发展引起。现象称为疲劳现象。同样的疲劳现象也可在应力作用下由裂纹发展引起。在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合物的分子量的增加而提在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合物的分子量的增加而提高。高。 疲劳强度和静强度的比值，对

44、大多数热塑性聚合物为疲劳强度和静强度的比值，对大多数热塑性聚合物为1/4，增强材料稍，增强材料稍大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可达到大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可达到0.40.5。一般来。一般来讲，这个比值随着分子量及温度的提高而增加。讲，这个比值随着分子量及温度的提高而增加。第四节 高分子材料的性能7 聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象1、蠕变、蠕变 在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。学松弛现象。如挂东西的塑料

45、绳慢慢变长。e e1e e2+e e3e e1e e2e e3t2t1te e应用：应用：蠕变影响了蠕变影响了材料的尺寸稳定性。材料的尺寸稳定性。例如，精密的机械零例如，精密的机械零件必须采用蠕变小的件必须采用蠕变小的工程塑料制造；相反工程塑料制造；相反聚四氟乙烯的蠕变性聚四氟乙烯的蠕变性很大，利用这一特点很大，利用这一特点可以用作很好的密封可以用作很好的密封材料（即用于密封水材料（即用于密封水管接口等的管接口等的“生料生料带带”）第四节 高分子材料的性能 2、应力松弛、应力松弛 所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚

46、合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。也就衰减的现象。例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。也就是说，是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。实现同样的形变量，所需的力越来越少。实际意义：实际意义： 成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不及完全松弛，或多或成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残存的内应力在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛，少会被冻结在制品内。这种残存的内应力在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛，从而引起制品翘曲、变

47、形甚至应力开裂。消除的办法是退火或溶胀（如纤维热定形时从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。消除的办法是退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽）以加速应力松弛过程。吹入水蒸汽）以加速应力松弛过程。7 聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象第四节 高分子材料的性能例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而受到的是一个交变力例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而受到的是一个交变力（图（图7-58）。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是一会儿大一会儿小的变化。形变总是落后于）。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是一会儿大一会儿小的变化

48、。形变总是落后于应力的变化，这种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，应力的变化，这种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，链段的运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差链段的运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差。相位差越大，说明链段运动。相位差越大，说明链段运动越困难。越困难。当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应力和应变的关系就会呈现当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应力和应变的关系就会呈现出滞后现象。出滞后现象。所谓滞后现象，是指应变随时间的变化一直跟不上应力随时

49、间的变化的现象。所谓滞后现象，是指应变随时间的变化一直跟不上应力随时间的变化的现象。7 聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象 3、滞后现象、滞后现象第四节 高分子材料的性能v 轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？么达到烫手的程度？ 高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。

50、这样不断循环，那些未释放的弹性储部分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。v 这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为内耗。这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为内耗。8 聚合物的内耗聚合物的内耗第四节 高分子材料的性能总论高聚物具有体积电阻率高（10161020cm）、介电常数小（2）、介质损耗低（104）等绝缘体、半导体特殊优良的电性能，同时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在电器方法应用广泛。1 高聚物的电性能高聚物的电性能二 高

51、分子材料的其它物理性能第四节 高分子材料的性能高聚物的介电性高聚物的介电性定义定义高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出对静电能的储蓄的损耗的性质。影响高聚物介电性的因素高聚物的极性高聚物的极化介电性的表示方法介电常数介电损耗高聚物的极性类别高聚物的极性类别强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂、氨基树脂等）高聚物的极性类别非极性高聚物（PE、PP、PTFE等）弱极性高聚物（PS、PIP等）极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等）介电常数（储存电能）e；介电损耗（消耗电能）tg第四节 高分子材料的性能高聚物的极化（高聚物的极化（polarization）l非极性高分子：

52、感应极化(电子云位移）（电导损耗：小）l极性高分子： 取向极化（分子电场中取向）（极化损耗：大，与电场频率、温度有关）（温度，分子链运动，极化程度；交联，取向，介电性；枝化，分子间作用力，取向，介电性）l非均向高分子：界面极化（界面极性不同，电场引起电荷聚集）第四节 高分子材料的性能高聚物的极化形式高聚物的极化形式极化形式极化机理特点适用对象电子极化电子云的变形极快，10121015s；无能量损耗；不依赖温度和频率所有高聚物原子极化各原子之间的相对位移稍快， 1012s；损耗微量能量；不依赖温度所有高聚物偶极极化极性分子（或偶极子）沿电场方向转动，从优取向慢， 109s以上；损耗较大能量；依赖

53、温度和频率极性高聚物界面极化载流子在界面处聚集产生的极化极慢，几分之一秒至几分钟、几小时共混、复合材料高聚物在电场中极化示意图第四节 高分子材料的性能高聚物的介电常数（高聚物的介电常数（dielectric constant）定义定义000QQQCCe显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q越大，介电常数越大常见高聚物的介电常数常见高聚物的介电常数高聚物计算值实验值高聚物计算值实验值聚乙烯（外推到无定型）聚丙烯（无定型）聚氯化苯乙烯聚四氟乙烯（无定型）聚氯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯聚-氯代丙烯酸甲酯2.202.152.552.822.03.202.943.452.32.22.552

54、.62.12.252.6/3.73.4聚-氯代丙烯酸乙酯聚甲基丙烯酸乙酯聚丙烯腈聚甲醛聚苯醚聚对苯二甲酸乙二酯(无定型)聚碳酸酯聚已二酰已二胺3.202.803.262.952.653.403.004.143.12.7/3.43.13.12.62.9/3.22.6/3.04.0第四节 高分子材料的性能高聚物的介电损耗（高聚物的介电损耗（dielectric loss）定义定义是电介质在交变电场的作用下，将一部分电能转变为热能而损耗的现象。一般用损耗角的正切值表示。 tanee量每周期内介电储存的能量每周期内介电损耗的能CVIWVVIIcab高聚物介电损耗示意图式中分子为实验测得的介电常数；分母

55、为高聚物将电能转变为热能损耗的程度。电流与电压相位角90- = 介电损耗的原因介电损耗的原因对非极性高聚物对非极性高聚物在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流，载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热能，属于欧姆损耗。 对极性高聚物对极性高聚物在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性不利于高频绝缘，而有利于高频焊接第四节 高分子材料的性能部分高聚物的介电损耗部分高聚物的介电损耗高聚物介电损耗（tan）60Hz103Hz106H

56、z高密度聚乙烯低密度聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚碳酸酯聚已内酰胺聚已二酰已二胺聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚偏乙烯ABS聚甲醛0.00020.00050.00050.00010.00030.00020.00090.014 0.040.010 0.060.04 0.060.08 0.150.007 0.020.004 0.0340.0040.0020.00050.0002 0.00080.0001 0.00030.00020.00210.02 0.040.011 0.060.03 0.050.07 0.160.009 0.0170.002 0.0120.00030.00050.0001 0.00

57、050.0001 0.00040.00020.0100.03 0.040.03 0.040.02 0.030.04 0.1400.006 0.0190.007 0.0260.004第四节 高分子材料的性能影响高聚物介电性的因素影响高聚物介电性的因素:影响高聚物介电性的因素高聚物的分子结构交变电场的频率温度湿度增塑剂规律：规律：与T一定，极性、极性基团密度，介电常数与介电损耗。高聚物分子结构对介电性的影响高聚物分子结构对介电性的影响频率对高聚物介电性的影响频率对高聚物介电性的影响随频率增加而降低。随频率增加存在极大值，并且，频率较高和较低时为零。 e e(T1)(T1)(T1)(T1)(T1)(

58、T1)T1T2T3第四节 高分子材料的性能温度对高聚物介电性的影响温度对高聚物介电性的影响 对非极性高聚物，温度对电性能影响不大（介电常数稍微下降）；对极性高聚物，随温度的升高而出现峰值。2.002.052.102.302.352.400204060801001234温度（）介电常数非极性高聚物的介电常数与温度的关系1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE50607080901003579121000Hz1000Hz60Hz60HzPVAC的介电性能与温度的关系温度（）湿度对高聚物介电性的影响湿度对高聚物介电性的影响介电性介电常数（50Hz）介电损耗（50Hz）相对湿度酚醛树脂聚氯乙

59、烯（电缆料）31.7%63%97%9.7110.415.87.407.508.0031.7%63%97%0.3420.3580.4480.1110.1130.136湿度，介电常数与介电损耗第四节 高分子材料的性能增塑剂对高聚物介电性的影响增塑剂对高聚物介电性的影响规律：规律：对极性高聚物，随增塑剂量的增加，介电常数和介电损耗增大。实例实例PVC20406080100T()05101520406080100T()00.51.01.503915200391520增塑剂加入量对PVC介电性能的影响高聚物的导电性高聚物的导电性高聚物的导电类型高聚物的导电类型电子导电离子导电氧化还原导电第四节 高分子材

60、料的性能导电高聚物的应用导电高聚物的应用导电高聚物的应用电子导电高聚物导电材料（涂料）电极材料电显示材料化学反应催化剂有机分子开关离子导电高聚物代替电解质材料全固态电池氧化还原导电高聚物各种电极材料特种电极修饰材料第四节 高分子材料的性能高聚物的绝缘电阻高聚物的绝缘电阻高聚物绝缘电阻的表示形式表面电阻率体积电阻率dSRVV平等电极blRSS环状电极12ln2DDRSS高聚物的静电现象（高聚物的静电现象（electrostatic effect）高聚物静电现象的产生高聚物静电现象的产生主要产生于高聚物与成型加工设备之间的摩擦、拉幅、拉丝等过程。AAABBB电中性两相电荷带电|接触或 摩擦分离第四