聚合物材料测试方法-课件

聚合物材料测试方法聚合物材料的合成、加工与应用——聚合物结构的表征——了解聚合物的微观结构、亚微观结构和宏观结构。聚合物性能的测定——评价和应用新材料、控制产品的质量、研究聚合物结构与性能的关系。聚合物分子运动的测定——分子运动方式不同会导致聚合物所处的力学状态发生改变——转变。每种聚合物都有其特定的转变。研究聚合物的松弛与转变可以帮助人们了解聚合物的结构，建立结构与性能之间的关系聚合物结构的分析表征——链结构——红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、拉曼光谱、电子能谱、核磁共振、顺磁共振、X射线衍射（广角）、电子衍射、中子散射……；聚集态结构——X射线衍射（小角）、固体小角激光光散射、电子衍射、电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜、热分析……。聚合物性能的测定——力学性能——拉伸、弯曲、剪切、压缩试验、冲击试验、蠕变曲线、应力松弛曲线、高低频疲劳试验……；流变性能——旋转流变仪、毛细管流变仪、熔体流动速率测定仪……；热性能——导热系数测定仪、示差扫描量热仪、膨胀系数测定仪、热变形温度测定仪……；电性能——表面电阻和体积电阻、介电常数、介电损耗角正切、高压电击穿试验……；研究聚合物的分子运动——通过热力学性能的变化研究分子运动——示差扫描量热仪；通过力学性质变化研究分子运动——静态与动态热机械分析仪；通过电磁性质变化研究分子运动——介电松弛与核磁共振；通过体积变化研究分子运动——热膨胀计本门课程教学内容第一章聚合物材料力学性能测定第二章聚合物分子量与分子量分布测定第三章聚合物流变性能测定第四章波谱分析在聚合物材料中的应用第五章热分析在聚合物材料中的应用第六章显微分析技术在聚合物中的应用课程说明教材与参考书《聚合物研究方法》——张美珍主编，轻工出版社《高分子物理》——何曼君主编，复旦大学出版社教学方法以课堂讲授为主，结合观摩仪器使用成绩评定作业及平时表现30%；期末考试70%。第一章聚合物力学性能测定§1-1描述力学性能的基本物理量§1-2聚合物拉伸试验§1-3聚合物弯曲试验§1-4聚合物冲击试验§1-1描述力学性能的基本物理量一、应力与应变应变——当材料受到外力作用而它所处的环境又使其不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸就会发生变化，这种变化就称为“应变”。应力——当材料产生宏观变形时，材料内部分子间或者原子间原来的引力平衡受到了破坏，因而会产生一种附加的内力来抵抗外力、恢复平衡。当到达新的平衡时附加内力和外力大小相等，方向相反。单位面积上的附加内力称为“应力”。1、简单拉伸——材料受到一对垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直线上的外力作用拉伸应变：ε=L-Lo/Lo=ΔL/Lo也称为伸长率，无量纲。拉伸应力：σ=F/AoAo是材料的起始截面积；应力的单位是N/m2，称为“帕斯卡”。简单拉伸示意图A0l0lDlAFF2.简单剪切——材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应变。剪切应变：γs=S/d=tgθ——剪切角的正切剪切应力：τs=F/A。剪切应力的单位也是N/m2（帕斯卡）。A0FF3.均匀压缩——材料受到均匀围压力的作用材料的压缩应力就是所受到的围压力P；受力后材料的体积发生变化，由原来的Vo减小为Vo-ΔV，压缩应变为：Δ=ΔV/Vo4、弯曲——对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯曲。主要有两种形式：F一点弯曲三点弯曲5、扭转——对材料施加扭转力矩FF简单拉伸时：杨氏模量E=σ/ε=（F/Ao）/（ΔL/Lo）简单剪切时：剪切模量G=τs/γs=（F/Ao）/tgθ均匀压缩时：体积模量B=P/Δ=PVo/ΔV由于应变是无量纲的物理量，所以模量的单位与应力的单位相同，都是N/m2（帕斯卡）。二、弹性模量——在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。是材料刚性的一种表征，代表材料抵抗变形的能力。三、材料强度——材料抵抗外力破坏的能力拉伸强度——材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张强度。在规定的的温度、湿度和拉伸速度下，对标准尺寸的哑铃状试样施加拉伸载荷。当材料被拉断时，试样所承受的最大载荷P与试样的横截面积（宽度与厚度的乘积）之比即为材料的拉伸强度：σt=P/bd由于在拉伸过程中试样的宽度和厚度不断变化，所以一般采用试样起始的尺寸来计算拉伸强度。2.弯曲强度——材料抵抗弯曲破坏的能力在规定的试验条件下对标准试样施加一个弯曲力矩，直到试样断裂：测定试验过程中的最大载荷P，并按照下式计算弯曲强度：225.16/2/2bdPlbdlPoof3.冲击强度——材料抵抗冲击载荷破坏的能力，反映材料的韧性指标。通常定义为试样在冲击载荷作用下破坏时单位面积吸收的能量。)/(2mJbdWI冲击强度的试验方法有许多种，包括摆锤式冲击试验、落球式冲击试验、高速拉伸试验等。设W为试样断裂所消耗的功，可以有两种表示材料抵抗冲击载荷破坏的强度：冲击韧性：4、硬度——表征材料表面抵抗外力变形的能力由一种较硬的材料做为压头，在一定的试验条件下将压头压入试样中，以压痕的深度计算材料的硬度。塑料球压痕硬度布氏硬度洛氏硬度四、应力—应变曲线对聚合物进行拉伸试验，以试样的应力值对试样的形变值作图所得到的曲线。通常以应力为纵坐标、应变为横坐标。屈服点——YσY：屈服应力εY：屈服伸长率断裂点——BσB：断裂应力εB：断裂伸长率§1-2聚合物拉伸试验拉伸试验测定的力学性能拉伸强度、断裂强度、屈服强度、定伸强度、断裂伸长率、应力—应变曲线、弹性模量。拉伸试验所适用的聚合物材料热塑性塑料、热固性塑料、橡胶材料拉伸试验对试样的要求4类哑铃状试样符号名称尺寸符号名称尺寸L试样总长150W顶部宽度20H夹具间距离115d厚度4C平行部分长度60b平行部分宽度10G标距50R半径60I型试样——硬质塑料II型试样——软质塑料符号名称尺寸符号名称尺寸L试样总长115W顶部宽度25H夹具间距离80d厚度2C平行部分长度33b平行部分宽度6G标距25R半径14/25III型试样——热固性塑料（填充和纤维增强塑料）符号名称尺寸符号名称尺寸L试样总长110b平行部分宽度25W端部宽度45d1端部厚度6.5C平行部分长度9.5R1表面半径75d平行部分厚度3.2R2侧面半径75IV型试样——热固性增强塑料板符号名称尺寸符号名称尺寸L试样总长250W宽度25/50H夹具间距离170do厚度2-10L2加强片长度50d1加强片厚度3-10G标距100拉伸试验中的术语拉伸强度——拉伸试样至断裂为止所承爱受的最大拉伸应力断裂强度——拉伸试样断裂时所对应的拉伸应力屈服强度——在拉伸应力-应变曲线上屈服点处的拉伸应力定伸强度——应力-应变曲线偏离直线后达规定应变百分数时的拉伸应力断裂伸长率——试样断裂时标线间距离增加量与初始标距之比，以百分数表示拉伸弹性模量——应力-应变曲线上直线部分的斜率拉伸试验机机械式拉伸试验机——历史悠久，使用简单，价格低廉。但加载速度不稳，测量精度较差，不具有数据记录和处理功能。电子式拉伸试验机——结构简单，用途单一，数据处理能力有限，控制测量精度也相对较低，但价格很低廉。电子万能材料试验机——试验量程和拉伸速度可调，控制精度和控制范围很高很宽。可按需要增配不同吨位的传感器、夹具和附件实现一机多用，完成拉、压、弯、剪、剥离、撕裂、摩擦系数、扭转等功能。试验步骤准备试样——做标距、测量尺寸；用夹具夹持试样选定试验量程和拉伸速度，进行试验记录试验数据计算试验结果bdFt100ootLLL§1-3聚合物弯曲试验弯曲试验测定的力学性能弯曲强度、弯曲弹性模量弯曲试验所适用的聚合物材料热塑性塑料和热固性塑料弯曲试验对试样的要求矩形试样dbl0/2l0/2试样长度（L）宽度（b）厚度（d）大试样1201510小试样5564板材10×d15d板材试样厚度为1~10mm时，以原厚为试样厚度；厚度大于10mm时，应从一面加工成10mm。试样形状和尺寸试验机——电子万能材料试验机试验步骤准备试样——做标距、测量尺寸；根据试样种类选择量程；根据试样厚度选择跨度、速度和压头；安放试样于支座上；开动试验机，加载并记录试验数据在规定挠度之前断裂，记录断裂负荷或最大负荷在规定挠度时未断裂，记录达规定挠度时的负荷计算试验结果223bdPLf334bdDPLEfDD§1-4聚合物冲击试验冲击试验测定的力学性能冲击强度冲击试验所适用的聚合物材料热塑性塑料和热固性塑料冲击试验方法简支梁冲击和悬臂梁冲击简支梁冲击强度试样的两端有支撑，摆锤冲击试样的中部LdbLdbbkdkr试样Lbddkbkr无缺口大试样1201510———有缺口大试样12015101/3d2≤0.2无缺口小试样5564———有缺口小试样55641/3d0.8≤0.1试样形状和尺寸简支梁冲击试验步骤准备试样——测量尺寸；根据试样断裂能选择摆锤；检查试验机零点和支座；将试样水平放置于支座上，试样中心或缺口位置与锤刃对准，缺口背对锤刃；平稳释放摆锤，从表盘读取试样断裂能；计算试验结果bdAnnbdAkk23悬臂梁冲击强度夹具夹具试样摆锤试样一端固定一端自由摆锤冲击试样自由端45o试样长度63.5V型缺口角度45o试样厚度12.7缺口剩余厚度10.16试样宽度4~12.7缺口底部曲率半径0.25模塑试样推荐厚度为12.7mm，板材加工试样推荐厚度为6~12.7mm。试样形状和尺寸试验步骤准备试样——测量尺寸；根据试样断裂能选择摆锤；检查试验机零点和支座；将试样垂直夹持在支架上，缺口对向锤刃；平稳释放摆锤，从表盘读取试样断裂能；计算试验结果)/(2mJbdAkn相关标准GB1040-92塑料拉伸试验GB1043-93塑料简支梁冲击试验GB1843-96塑料悬臂梁冲击试验GB9341-2000塑料弯曲试验ASTMD-256-05塑料悬臂梁冲击试验第二章分子量和分子量分布的测定§2-1数均分子量的测定§2-2重均分子量的测定§2-3粘均分子量的测定§2-4凝胶渗透色谱（GPC）一、端基分析法使用端基分析法测定聚合物分子量的条件：1）聚合物必须是已知化学结构的线型或支链型大分子；2）大分子链端带有可供定量分析的基团；3）每个分子链上所含的基团数量是一定的；§2-1数均分子量的测定1)精确称量出试样重量W；2)测出重量为W的试样中端基的摩尔数nt；2)根据每个大分子链所带有的端基数X，得到试样的摩尔数3)计算出聚合物的分子量XnNttnnXWNWM端基分析法测定聚合物分子量的程序：端基分析法测定聚合物分子量的特点：1）端基分析法测定的是数均分子量；2）方法适用于一些缩聚产物（尼龙、聚酯）分子量的测定；3）当聚合物分子量较高时实验误差比较大，其测量分子量的上限为二万左右；依据——溶液的依数性；沸点升高值（ΔTb）与溶质的性质无关。但是与溶质的摩尔分数成正比，即与溶质的分子量成反比。二、沸点升高法PTPAPoATbT’b1对于理想溶液AABBvbvbBbMWMWHRTHRTXT//22DDD若溶剂种类一定而且重量取1000克，可以简化为：C——溶液浓度（g/kg）；MB——溶质分子量；Kb——沸点升高常数（℃/重量摩尔浓度）；BbbMCkTD实验方法：1）在不同溶液浓度条件下测定沸点升高值ΔTb；2）以(ΔTb/C)对C作图，并将曲线外推至C→0，得到外推值（ΔTb/C）c→0；3）以外推值（ΔTb/C）c—0计算聚合物分子量MB=Kb/（ΔTb/C）c—0；对于高分子溶液：只有当溶液浓度非常稀时，高分子溶液才表现出与理想溶液相同的行为。因此必须采取外推至极稀浓度的方法进行处理。沸点升高法测定聚合物分子量的特点：1）测定的分子量是数均分子量；2）测量方法受到分子量大小的限制，测定的上限是一万；3）对溶剂有一定要求——沸点下聚合物不分解；4）测量时必须达到热力学平衡；三、渗透压法对于理想溶液：P