高分子材料(力学性能).ppt

1、第五章：高分子材料的基本性能,公共信箱： 密码：111111,目的：掌握高分子材料的基本性能的普遍规律 -核心 能够运用结构及分子运动基本理论进行分析,作业信箱：,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,基本内容,三种力学状态： 粘流态： 高弹态： 玻璃态（结晶态）,粘弹性,：,5.1 力学性能,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。,一、高聚物的流动性（流变性基础简介）,1、特征 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

2、的相继跃迁实 现的 伴有高弹形变具有粘弹性 现象：出口膨大、爬杆效应、融体破裂,5.1 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？,4）是一假塑性流体：,A、基本名词：剪切应力、剪切速率,随剪切速率（剪切应力的增加， 表观粘度下降的流体）,5.1 力学性能,一、高聚物的流动性,？,B、假塑性原因,大分子延剪切力方向的取向，及带来的解缠,5.1 力学性能,一、高聚物的流动性,B、幂律方程： K n,n=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

3、） 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,一、高聚物的流动性,1、第一牛顿区 2、第二牛顿区,5.1 力学性能,一、高聚物的流动性,2、与结构的关系 （、 Tf 、非牛顿性 ）,1）分子量： 分子量越大，粘度越大， Tf 越高， 非牛顿性越大,2）分布： 一般越宽： 低剪切下：粘度越大， 高剪切下：粘度越小 Tf 越低， 非牛顿性越大,因为：缠结,解缠能力,5.1 力学性能,一、高聚物的流动性,3）柔性： 柔性越大，Tf 越低， 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,4）分子间作用力： 越大： Tf 越高，粘度越高， 粘

4、度对温度的敏感性大,5.1 力学性能,一、高聚物的流动性,2、与结构的关系 （、 Tf 、非牛顿性 ）,链段活动能力，长链的卷曲,实际应用的指导意义：塑料成型生产、涂料,3、表征 粘度： （ 测定：） 熔融指数： 在恒定的压力、温度下，单位时间内流过特定毛细孔（1mm2 )聚合物的重量。,5.1 力学性能,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,力学性能,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？,二、橡胶的高弹性,链段运动的体现，高分子特有,1、高弹性的特点： E（模量）小，为钢材的1/

5、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,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。,2、高弹性的本质：,链段的取向与解取向， 是一松弛过程,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,二、橡胶的高弹性,3、的关系,特征3： E与T成正比,5.1 力学性能,二、橡胶的高弹性,3. 关系,4、橡胶高弹性的结构要求* 1） 柔性好，柔性好的不一定具有

6、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,二、橡胶的高弹性,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？,三、粘弹性,既具有弹性，又具有粘性,明显的松弛过程时间依赖性,1、静态粘弹性：（非交变）,蠕变：一定T、一定， 观察t的变化,应力松弛：一定T、一定 ， 观察t的变化, 瞬时弹性 高弹 永久,(交联曲线2）,1) 蠕变、应力松弛现象,5.1 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

7、反常时运用粘弹性来分析。,原因：链段运动，调节构象来适应外力,力不变，调节结果：形 变增大蠕变,形变不变，调节结果: 内力减小，相对的外力变小应力松弛,3）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参数,理想粘壶理想弹簧,Maxwell模型 描述应力松弛,Kelvin 模型 描述蠕变,串联,并联,2）原因：,三、粘弹性,5.1 力学性能,三、粘弹性,5.1 力学性能,应力周期性变化： 0 Sin t 应变： 0 Sin（ t ） 落后一相位角,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 （机械能（弹

8、性能）热能） 力学损耗,力学损耗因子*： tan ,-损耗模量 -储能模量,2、动态粘弹性 （滞后）,三、粘弹性,5.1 力学性能,影响因素*： 1）结构：分子柔性、分子间作用力等- 2）时间： （1/ t (观察） 小t长： 链段完全跟上 大t短 ：链段完全跟不上 硬 ，甚至脆 适中t：滞后明显 tan 有最大值,3）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， 意义大 （例：) 理论意义：是分子运动研究的重要手段,三、粘弹性,5.1 力学性能,？,DDV(动态黏弹谱仪）,塑料的力学表征？ 比较PE/PP/PS/PA66

9、/PVC/环氧树脂的力学特征 高分子材料增强、增韧的主要途径？,四、屈服、强度与断裂 （玻璃、结晶态）,1、拉伸过程 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 3、与结构的关系 4、增强与增韧,（5、其它力学性能 ）,5.1 力学性能,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？（银纹、断裂、屈服、应力增强问题） 不同力学要求如何选材？ 如何增强？如何增韧？（如：对于PS，对于橡胶材料、PVC）,力学特征*： E -软硬 A-弹性 S -韧脆 -延性 SOA -回弹性 强度（B、Y )-强弱,1）非晶： 曲线分析： OA-

10、普弹 斜率E Y：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 Y ） 韧性断裂：,-小单元运动,1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,屈服过程：剪切形变（45。结构滑移） 银纹化过程 裂缝,B 屈服: 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。 运动单元高度取向（m 不为零）,强 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 (非晶、结晶

11、高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,C 断裂: 脆性断裂：没有屈服，断裂面光滑； 韧性断裂：出现屈服后的断裂，断裂面粗糙。 T Tb 时： B Y 脆性断裂,1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,2) 结晶高聚物的应力应变曲线,细颈现象明显 运动单元是微晶、链段（非晶区）在较大力作用下的取向， （不可恢复） 应变硬化现象明显 存在脆性断裂问题,1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,3) 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

12、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 曲线 例,注意： 相比较而言 在不同条件（T、拉伸速度）下, 曲线会有变化,1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,4）温度、时间对曲线的影响,温度的影响（一定）： T Tf 曲线9,分子运动分析:,时间-1/（T一定）： 分析：单元运动 （时温等效原理） #,1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,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,注意: 使用

13、时趋于很小长期强度，其远远小于所测值 ， 例：PVC: B(1000h）1/2B （测） Tb、Tg测定时，是在一定时间尺度下， （ 比较小，时间长） 实际受力时（特别是在冲击力时）往往很高， 例：PVC 的Tb= - 50度，T使 - 30 -15度,1、拉伸过程 (非晶、结晶高聚物）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,2、力学强度,1）几种主要强度,抗张强度： BF/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 四 屈服、强度与断裂,2） 理论强度 实际强度，实=（1/1001/1000 )理 而模量接近 原因：缺陷

14、(裂缝、结构的不均一性）,3）强度理论： 应力集中：,Griffith表面能理论 （脆性材料）,分子热涨落理论：,要点：裂缝发展产生新的表面，需要能量 ， 外能H: H , 裂缝发展,2、力学强度,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,2、力学强度,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,链断裂净频率：,寿命：,2、力学强度,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,3、强度与结构的关系,1） 分子量：越大，越大， 屈服、E不变 -韧而强 （M MC）,2）F分越大， B 、 Y越大， 减小，E增大-强而硬 过大，脆性断裂,3) 交联 适度 B增大， Y不变， 减小， E增大，i增大 -强而硬

15、 过度交联， B大幅度减小 - - - - -脆,4）结晶 Y越大 随结晶度增大， B、 E增大，-强而硬 球晶大小、多少小而密强度、抗冲击好,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,3、强度与结构的关系,6) 缺陷（裂纹、气泡、内应力、银纹等） 应力集中，强度大幅度下降,7）增塑剂：分子间作用力下降 例：PVC,5）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,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,3、强度与结构的关系,4、增强与增韧,1）增强: A、结晶、取向、交联 B、活性粉末增强， 作用：吸附相当物理交联 传递应力均匀分布

16、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,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,分子运动、聚集态结构、复合、合金化,C：纤维增强,4、增强与增韧,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,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 黏附作用，传递应力； 短纤维起作用,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,4、增强与增韧,增韧-S 增大 橡胶增韧 共聚、共混 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 四 屈服、强度与断裂,4、增强与增韧,纤维增韧 （主要对于热固性树脂）,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,4、增强与增韧,5、其它力学性能,1） 疲劳 : 在周期性交变应力作用下，在低于静态强度 的应力下断裂。,疲劳强度：a = u - k log N,热塑性： a = c 金属： a = 1/3 u,疲劳极限（ C ）： a C 时，N 趋于 ，不断裂。 一般用 N107时，断的最大应力表示,5.1 力学性能 四 屈服、强度与断裂,2）摩擦与磨损,A、摩擦特性： F= L -Amontons公式 （粘合机理 金属：接触面积与载荷成正比） 高分子：接触面积与 L 2/3成正比 = K L n-1 2/3 n 1,摩擦系数与载荷有关 与滑动速度