聚合物温度―形变曲线的测定

聚合物温度—形变曲线的测定一.实验目的：•1．掌握测定聚合物温度－形变曲线的方法。•2．测定聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的玻璃化温度Tg；粘流温度Tf，加深对线型非晶聚合物的三种力学状态理论的认识。•3．掌握等速升温控制和用于形变测量的差动变压器。二.实验原理•聚合物试样上施加恒定荷载，在一定范围内改变温度，试样形变随温度的变化以形变或相对形变对温度作图，所得的曲线，通常称为温度—形变曲线，又称为热机械曲线。聚合物的许多结构因素的改变，都会在其温度—形变曲线上有明显的反映，因而测定温度－形变曲线，可以提供许多关于试样内部结构的信息，了解聚合物分子运动与力学性能的关系，并可分析聚合物的结构形态.可以得到聚合物的特性转变温度，如：玻璃化温度Tg，粘流温度Tf，和熔点等，对于评价被测试样的使用性能、确定适用温度范围和选样加工条件很有实用意义。•高分子运动单元具有多重性，它们的运动又具有温度依赖性，所以在不同的温度下，外力恒定时，聚合物链段可以呈现完全不同的力学特征。•对于线型非晶聚合物有三种不同的力学状态：玻璃态，高弹态，粘流态。•温度足够低时，高分子链和链段的运动被“冻结”，外力的作用只能引起高分子键长和键角的变化，因此聚合物的弹性模量大，形变－应力的关系服从虎克定律，其机械性能与玻璃相似，表现出硬而脆的物理机械性质，这时聚合物处于玻璃态，在玻璃态温度区间内，聚合物的这种力学性质变化不大，因而在温度—形变曲线上玻璃区是接近横坐标的斜率很小的一段直线(见图1)•随着温度的上升，分子热运动能量逐渐增加，到达玻璃化转变温度Tg后，分子运动能量已经能够克服链段运动所需克服的位垒，链段首先开始运动，这时聚合物的弹性模量骤降，形变量大增，表现为柔软而富于弹性的高弹体，聚合物进入高弹态，温度－形变曲线急剧向上弯曲，随后基本维持在一“平台”上。•温度进一步升高至粘流温度Tf，整个高分子链能够在外力作用下发生滑移，聚合物进入粘流态，成为可以流动的粘液，产生不可逆的永久形变，在温度－形变曲线上表现为形变急剧增加，曲线向上弯曲。•玻璃态与高弹态之间的转变温度就是玻璃化温度Tg，高弹态与粘流态之间的转变温度就是粘流温度Tf。前者是塑料的使用温度上限，橡胶类材料的使用温度下限，后者是成型加工温度的下限。•本实验使用RJY-1型热机械分析仪进行测量。仪器包括炉体，温度控制和测量系统，以及形变测量系统三个组成部分。温度控制采用可变电压式等速升温装置，它由两个自耦式调压变压器(简称调压器)和一个微型同步电机经过简单的装配即成，其原理如图3所示。三.仪器和试剂•1．RJY-1型热机械分析仪，上海天平仪器厂生产，或者自制全自动温度—形变仪。•2．聚甲基丙烯酸甲酯试样。四.准备工作•1.正确连接好全部测量线路，经检查后，接通形变仪和记录仪电源器，预热至仪器稳定。•2.降下炉子，细心清理样品台和压杆触头，彻底清除上次测量留下的残渣。放下记录仪和记录笔。五.实验步骤•1.截取厚度约1mm的聚甲基丙烯酸甲酯薄片一小块为试样，试样两端面要平行，用游标卡尺测量试样高度。将试样安放在炉内样品台上，让压杆触头压在试样的中央，旋动差动变压器支架的螺丝，调节记录仪形变测量笔的零点.•2.取出试样，观察记录仪形变记录笔的平衡点移动，这时平衡点应接近满刻度为宜。移动量不足或过大时，须重新调整形变仪灵敏度。•3.重新放好试样，关闭炉子，将记录形变笔调至零点右侧附近。•4.根据升温速度3-5°C的要求，适当选择等速升温装置两个调压器的电压，然后接通电源开始升温。•5.放下记录笔开始自动记录温度和形变，直至温度升到200°C(测量其它试样时应另行确定)，切断升温装置电源，抬起记录笔，打开炉子，启动微型风扇降温。•6.待炉子冷却后，清理样品台和压杆触头，改变测量条件，重复上述步骤2－7，进行二次测量。•7.切断全部电源，折下压杆和砝码，清除试样残渣，用台秤称量压杆和砝码的质量，用游标卡尺测量压杆触头的直径，然后把仪器复原。•8.测量双笔记录仪两记录笔的间距，记下记录仪的走纸速度。六.数据处理•1．从温度形变曲线上求得聚甲基丙烯酸甲酯Tg、Tf•2．计算平均升温速度•3．根据压杆和砝码的重量以及压杆触头的截面积计算压杆所受的压缩应力(MPa)七．注意事项•1．接通电源后，按SELE键3秒钟后出现roff，然后键入^键3秒钟出现RUN，然后再按一下SELE键，炉子开始升温。•2．如果没有走纸记录仪，可于炉子开始升温后于40°C开始每隔2°C记录数据，直至200°C为止。•5思考问题及讨论•1线型非晶聚合物的三种力学状态是什么？•2Tg、Tf随测定的方法和条件改变的一般规律是什么？