聚合物的粘弹性（应力松弛）

高分子材料加工技术

专业英语高分子物理

聚合物的粘弹性（应力松弛）

PolymerViscoelasticity聚合物粘弹性Thestudyofpolymerviscoelasticitytreatstheinterrelationshipsamongelasticity,flow,andmolecularmotion.Inreality,noliquidexhibitspureNewtonianviscosity,andnosolidexhibitspureelasticbehavior,althoughitisconvenienttoassumesoforsomesimpleproblems.Rather,allmotionofrealbodiesincludessomeelementsofbothflowandelasticity.Becauseofthelong-chainnatureofpolymericmaterials,theirviscoelasticcharacteristicscometotheforefront.Thisisespeciallytruewhenthetimesformolecularmotionareofthesameorderofmagnitudeasanimposedmechanicalmotion.1PhenomenaofViscoelasticity粘弹性现象TimeStrainPolymer聚合物Idealviscousmaterial牛顿流体Idealelasticmaterial虎克弹性体PhenomenaofViscoelasticity粘弹性现象聚合物的粘弹性是指聚合物的力学性能与时间和温度有强烈的依赖性，使其同时具有粘性液体和弹性固体的行为蠕变指在一定的温度和较小的恒定外力下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象Creep蠕变0t

1

2+

3

2

1

3CreepRetractionThreekindsofdeformation三种形变Hookianelasticdeformation普弹形变t1t2t

1应力杨氏模量键长、键角等的运动，可瞬间恢复Rubberelasticdeformation 高弹形变Retardedelasticdeformation 推迟弹性形变t1t2t

2

’分子链从一个松弛的平衡态构象变到一个紧张的平衡态构象所需的时间高弹模量推迟时间链段运动，可逐渐恢复Threekindsofdeformation三种形变t1t2t

2本体粘度Plasticdeformation 塑性形变Viscousflow 粘性流动分子间滑移，不可恢复Threekindsofdeformation三种形变T<Tg

1Tg<T<Tf

1+

2T>Tf

1+

2+

3Threekindsofdeformation三种形变在恒定的温度和形变下，维持此形变所需的应力随时间增加而逐渐衰减StressRelaxation应力松弛0t

0LinearpolymerCrosslinkedpolymer松弛时间未交联高分子应力最终衰减至零交联高分子应力衰减至某一平衡值因分子链结构的各向异性，应力发生由不均匀分布到均匀分布的演变过程该过程是通过分子链的变形、移动、重排而实现的，需要一定时间由于高分子粘度大，该过程可能较长未交联高分子：分子链通过移动、重排，可将应力衰减至零交联高分子：因分子链形成网络，应力只能衰减到与网络变形相应的平衡值(橡胶平衡应力)在交变周期性应力或应变作用下，材料的形变或应力随时间的变化。应变与应力响应不同步，造成变形能量损耗DynamicalMechanicalBehavior

动态力学行为0牛顿（理想）粘流体Newtonianfluid虎克（理想）弹性体0Hookeansolid在交变力作用下，形变落后于应力变化的现象Hysteresis

滞后00黏弹体外力变化的角频率形变落后于应力的相位差:损耗角滞后所导致的能量损耗Mechanicalloss

力学损耗Hysteresisloss

滞后损耗，内耗外力对高分子体系做功

AOABF高分子体系对外界做功

AOCBF损耗的功

AOABC损耗角内耗的大小与高分子的结构、温度、频率等有关OCBAF

W在正交应力作用下，每一循环过程中消耗的功，称为力学损耗，又称内耗内耗以热的形式放出，使高分子温度升高硫化橡胶的拉伸与回复Hysteresisloop

滞后圈OCBA

Stretchingandretractioncurveofavulcanizedrubbershowinghysteresisbehavior拉伸（OAB）：外力对高分子体系做功，一方面用来改变分子链的构象，另一方面用来提供链段运动时克服内摩擦阻力所需的能量所以，应变达不到与应力相对应的平衡值回缩（BCO）：高分子体系对外界做功，一方面使分子链重新蜷曲，回复到起始状态，另一方面用来克服链段间的内摩擦阻力所以，应变大于与其应力相对应的平衡应变值链构象的改变不损耗功，所损耗的功全部用于克服内摩擦阻力而转化为热Hysteresisloop滞后圈DF内耗大的橡胶，吸收冲击能量较大，回弹性就较差Mechanicalloss

力学损耗内耗的大小与高聚物本身的结构有关顺丁橡胶内耗较小，因为分子链上没有取代基，链段运动的内摩擦阻力较小丁苯橡胶和丁腈橡胶内耗较大，因为丁苯橡胶有庞大的侧苯基，而丁腈橡胶有强极性的侧基，链段运动的内摩擦阻力较大丁基橡胶的侧甲基数目很多，内耗就更大Mechanicalloss

力学损耗内耗受温度影响较大

Tg以下，高聚物受外力作用后形变很小，只有键长、键角变化，速度很快，几乎跟得上应力变化，内耗很小TTgTfTan

温度升高，高分子向高弹态过渡。链段开始运动，而体系粘度还很大，链段运动时受到摩擦阻力比较大，高弹形变显著落后于应力的变化，内耗也大温度继续升高，高分子向粘流态过渡。由于分之间互相滑移，内耗急剧增加温度进一步升高，链段运动比较自由，内耗变小因此，在玻璃化转变区域出现内耗峰Mechanicalloss

力学损耗内耗与频率的关系频率很低时，高分子的链段运动完全跟得上外力的变化，内耗很小

高聚物呈现橡胶的高弹性频率很高时，链段运动完全跟不上外力的变化，内耗也很小

高分子呈刚性，呈现玻璃态的力学性质

在中间区域，链段运动跟不上外力的变化，内耗在一定的频率范围出现极大值

在这个区域内，材料的粘弹性表现得很明显Tan

lg

粘弹区橡胶态玻璃态Time-temperatureSuperpositionPrinciple时温等效原理Time-temperatureSuperpositionPrinciple时温等效原理Withviscoelasticmaterials,timeandtemperatureareequivalenttotheextentthatdataatonetemperaturecanb