高分子材料物性介绍

Purposeofthisintroduction:•1.了解材料的基本性能参数•2.熟悉材料的特性•3.判断材料类别•4.更好地服务客户Contents:•1.基本物性(Basicconcept)•2.机械力学性能(Mechanical)•3.热性能(Thermal)•4.电性能(Electrical)•5.耐燃性能(Flamability)•6.光学性能(Optical)1.基本物性Physical(1)密度(比重)•密度：所谓密度，就是23C下单位体积物质的质量，其国际单位为g/cm3，常用单位有g/ml，kg/L，1000kg/m3等。•比重：是物体的密度与相同温度下水的密度的比值。一般地,密度=比重*0.99756。•测定方法：GB1033-70塑料相对密度测试方法ASTMD792•比重和密度常被用来计算面积因子,即指定厚度的每公斤产品的面积(平方米).•面积因子=1/(比重*厚度)m2/kgkg/m3m(2)颜色Color•颜色：聚合物本身一般都是无色透明或白色的，但是可以通过添加色母料或色粉将材料染成各种颜色。•DE1-1•DE1-40101810.5mm•DE1-40112670.3mm(3)吸水性WaterAbsorption•吸水率：是指规定尺寸的试样浸入规定温度（一般为25±2℃）的蒸馏水中，经过24h测定其吸水量，计算单位面积的吸水量和吸水率。•塑料材料的吸水率与其结构中的极性基团有关。一般地，聚合物分子结构中含有的酯键，醚键，酰胺键等强极性基团的比例越高，就越容易吸水。因此这些材料都应该妥善贮存在干燥的地方，并且在使用前一定要经过干燥，把含水率降低到允许的范围之内，以免过多的水分在成型加工过程中导致材料劣化。•PC:0.28~0.35%;PC/PBT:0.48%;FRPP-GK170.06%•PEI:0.25%;PI:2.9%;PET:0.8%;PA:3%•测试方法：GB1034-70ASTMD570(4)摩擦系数Friction•摩擦系数、磨耗：两个互相接触的物体，彼此间有相对位移或相对位移趋势时，互相间产生的阻碍位移的机械作用力即为摩擦力，表示材料的摩擦特性的参数就是摩擦系数和磨耗值。•摩擦力：按照下式计算：F=σμ式中，σ---正压力（有动态的和静态的），单位为牛顿（N）μ---摩擦系数（静态时用μs表示，动态时用μk表示）。•磨耗值：是指在规定的试验条件（载荷、速度、温度、湿度）下，经过一定时间或距离摩擦后，材料所损失的重量。•测试方法：可参照GB3960-83•注意:摩擦系数和磨耗值大小不是常数，而是依赖于负荷、接触面积、表面结构、滑动速度、温度及使用润滑剂等的情况。•布氏硬度：在规定的负荷下，将标准钢球压入试样，保持一定时间后，以试样上压痕直径或压狠深度来计算单位面积上承受的力。单位以Pa（1Pa=1N*m-2）表示。•以压痕直径计算时：•以压痕深度计算时：式中，P---所加载荷(N)D---钢球直径(m)d---压痕直径(m)h---压痕深度(m)•该方法适用于热固性塑料或硬质塑料。(4)硬度•洛氏硬度：洛氏硬度有两种标示方法：洛氏硬度标尺和洛氏α硬度。•洛氏硬度标尺：一定直径的钢球，在载荷从初负荷增加为主负荷，然后再返回初负荷时钢球压痕深度的增量，适用于较硬的塑料，分为R、M、L标尺。•洛氏α硬度：一定直径的钢球，在规定的负荷的作用下，压入试样的深度。•邵氏硬度(Shore)：使用邵氏硬度计，在规定负荷的标准压痕器作用下，经严格规定的时间，以压痕器的压针压入试样的深度表示。邵氏硬度分为邵氏A和邵氏B。邵氏A适用于较软的塑料，邵氏B适用于较硬的塑料。（参看GB2411-80）•巴克尔氏硬度：以特定压头在标准弹簧的压力作用下压入试样，以压痕的深浅来表示试样的硬度，适用于测定纤维增强塑料及其制品的硬度，也可用于非增强硬质塑料。（参看GB3854-83）铅笔硬度PencilHardness•铅笔硬度：主要以铅笔的硬度标号来测定材料表面/涂膜硬度,即使用一组规定铅芯尺寸,形状和硬度的铅笔划过材料表面/涂膜,判断材料表面/涂膜抗击被犁破或划伤的能力,该方法操作简便,结果直观,但可能因不同操作人员或不同品牌不同批次的铅笔而有一定的误差.具体测试方法:把削好的铅笔插入小车的斜孔(45度)内,拧紧固定的螺丝,使小车基本保持水平.把小车放在制备好的试样上,两手指捏住车轮的中心,以0.5MM/S的速度向前推行,使笔尖划涂膜的表面,根据不同硬度的铅笔来判定涂膜的硬度,一般将划5次中至少有4次不能犁破表面/涂膜的最硬铅笔的硬度作为材料表面/涂膜的铅笔硬度值.笔尖重负：1±0.05Kg,铅笔规格：B6～H6,可用三菱或中华系列铅笔.具体判定方法根据GB/T6739-1996标准的规定进行.•测试方法：ASTMD3363,JIS,GB/T6739-1996???•问题:对于HCPET薄膜,表面硬度可以达到4H吗?硬度高的材料一定耐磨吗?(6)面积因子AreaFactor•这是为了应用操作中方便的一种计算方法，可以根据使用者的习惯自行定义。常用的为密度的倒数，单位则可以多种多样，如m3/kg，m2/kg/mm，ft2/lb/mil等。2.机械力学性能(Mechanical)(1)应力与应变•应力和应变：当材料受到外力作用，而所处的条件使它不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸将发发生变化，这种变化就称为应变。材料发生宏观的变形时，其内部分子间以及分子内各原子间的相对位置和距离就要发生变化，产生了原子间及分子之间的附加的内力，抵抗着外力，并力图恢复到变化前的状态，达到平衡时，附加内力与外力相等，方向相反。定义：单位面积上的附加内力为应力。显然，其大小与单位面积上受到的外力相等。•在国际单位制中，应力的单位为N/m2，又称Pa。常见的应力单位还有达因/厘米2（0.1Pa），公斤/厘米2（9.807X104Pa），和psi磅/英寸2（6.895X103Pa）。(2)刚度(Stiffness)•刚度：所谓刚度，是指材料或构件在外力作用下抵抗变形的能力。刚度是个整体概念，应该与硬度区别开来。硬度系材料表面抵抗变形或破坏的能力。它们之间是既有联系又有区别的。•一般地，刚性越好的材料，硬度也会越高，材料就会比较脆，韧性就较差。•拉伸断裂延长率(Enlongationatbreak%)•PC120%PET20%PMMA3%(3)模量(Modules)•模量：对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称之为弹性模量：可见，弹性模量是材料发生单位应变时的应力，它表征材料抵抗变形能力的大小，模量越大，越不容易变形，表示材料的刚度也就越大。•弹性模量有三种基本类型：杨氏模量、剪切模量和体积模量，分别代表材料在发生拉伸应变、剪切应变和受到均匀流体静态压缩时发生的应变时的模量。•由于应变是无量纲的量，因此弹性模量的单位与应力的单位相同,也是N/m2,即Pa。(4)强度(Strength)•强度：所谓强度，就是指材料或构件在外力作用下抵抗破坏的能力。一般把材料或构件受到拉伸、弯曲、扭转或冲击后，抵抗破坏的能力分别称之为拉伸强度、弯曲强度、扭转强度和冲击强度。•拉伸强度：是在规定的实验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止，断裂前试样承受的最大载荷P与试样的宽度b和厚度d的乘积的比值：•必须注意的是，试样宽度和厚度在拉伸过程中是随试样的伸长而逐渐减小的，由于达到最大载荷时的b、d值的测量很不方便，工程上一般采用起始尺寸来计算拉伸强度。由于整个拉伸过程中，聚合物的应力和应变的关系并非线性的，只有当变形很小时，高聚物在可视为虎克弹性体，因此拉伸模量（即杨氏模量）通常由拉伸起始阶段的应力与应变比例来计算：式中P是变形较小时的载荷。(ASTMD882)•类似地，如果向试样施加的是单向压缩载荷，则测得的是压缩强度和压缩模量(ASTMD695)。理论上，虎克定律仍然适用于压缩的情况，所得的压缩模量应与拉伸模量相等，但实际上压缩模量通常稍大于拉伸模量，而拉伸模量与压缩强度的相对大小则因材料的性质而异。•一般地，塑性材料善于抵抗拉力，而脆性材料善于抵抗压力。•测试方法：ASTMD882•抗撕裂强度：如果向试样施加剪切力，测得的就是试样的抗撕裂强度及模量。一般适用于较薄的试样，如薄板，薄膜等。•测试方法：初始(initial)ASTMD1004拓展(propagation)ASTMD1922•弯曲强度：亦称挠曲强度，是在规定试验条件下，对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，取试验过程中的最大载荷，并按下式计算弯曲强度：•弯曲模量为：式中叫做挠度，是试样着力处的位移。•弯曲试验也可以让试样一端固定，在另一端施加载荷，或者采用圆形截面的试样。•冲击强度：是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力，通常定义为试样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量:式中W是冲断试样所消耗的功。•冲击强度的测试方法很多，应用较广的有摆锤式冲击试验，落重式冲击试验和高速拉伸等三类。摆锤式冲击试验是让重锤摆动冲击标准试样，测量摆锤冲断试样消耗的功，试样的安放方式有简支梁式和悬臂梁式，前者（Sharpy）试样两端支承着，摆锤冲击式样的中部；后者（Izod）试样一端固定，摆锤冲击自由端。试样可用带缺口的和无缺口的两种。采用带缺口的试样，目的是使缺口处试样的截面积大为减小，受冲击时，试样断裂一定发生在这一薄弱处，所有的冲击能量都能在局部的地方被吸收，从而提高实验的准确性。这种情况下，计算冲击强度时，试样的厚度d指的是缺口处试样的剩余厚度。•冲击强度的单位比较混乱，一般常用的为KJ/m2。•测试方法：ASTMD256(5)抗折弯性•对材料在反复弯曲情况下的耐久性的一种评价指标,是耐疲劳性能的一种,也是材料韧性的一种表示方法.一般适用于较薄的试样,以反复折弯的周期(次数)表示,与试样厚度有关.Mechanicalproperties:3.热性能(Thermal)(1)特征温度•如果取一块非晶态高聚物试样，对它施加一恒定的力，观察试样发生的形变与温度之间的关系，就会得到上面的曲线，通常称之为温度-形变曲线或热机械曲线。当温度较低时，试样呈刚性固体状，在外力作用下只发生非常小的形变，形变与受力的大小成正比，当外力除去后形变能立刻回复，这种力学性质称虎克型弹性，又称普弹性，非晶态高聚物处于具有普弹性的状态，称为玻璃态；当温度上升到一定范围后，试样的形变明显增加，并在随后的温度区间达到某一相对稳定的形变，在这个区域中，试样变成柔软的弹性体，温度继续升高时，形变基本上保持不变，此时材料所处的状态称为高弹态；温度再进一步升高，则形变量又逐渐加大，试样最后完全变成粘性的流体，称为粘流态。•玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃态转变，对应的转变温度即玻璃化转变温度，简称玻璃化温度，通常用Tg表示；而高弹态与粘流态之间的转变温度称为粘流温度，用Tf表示。•如果是结晶高聚物,则会表现出如无机晶体样的特征熔点(Tm),但是熔融平台没有无机晶体那样平滑,这是由高聚物的长链分子特征决定的.当高聚物熔体冷却时,类似地也会有一个结晶温度(Tc)和结晶平台.•PC:Tg153℃,HDT@1.8MPa145℃,RTI125~130℃•PRPP:HDT@66psi(0.455Mpa)120℃,RTI115℃•PEI:Tg217℃,HDT(ASTMD163783)210℃•TorayT60:RTI105℃•PMMA:Tg105℃•测试方法：DSC差示扫描量热法(2)热膨胀系数(coefficientthermalexpansion)•热膨胀系数：温度升高1℃时，材料长度变化的百分率，称为线膨胀系数。材料在某一温度区间的线膨胀特性，称为平均线膨胀系数。可按下式计算：α=ΔL/(L*Δt)(℃-1)式中，ΔL---试样在膨胀时，长度变化的算术平均值（mm）；L---试样在室温时的长度（mm）；Δt---试验温差（℃）•PC:5