高分子材料(力学性能)

第五章：高分子材料的基本性能公共信箱：[e-mail]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：[e-mail]第五章高分子材料的基本性能•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物理性能化学性能第五章高分子材料的基本性能三种力学状态：粘流态：高弹态：玻璃态（结晶态）(硬、普弹形变)――塑料――强度、断裂（高弹性）――橡胶的力学性能（流动性）――融体（或溶液）――流变性基础：粘性弹性§5.1力学性能第五章高分子材料的基本性能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。第五章高分子材料的基本性能一、高聚物的流动性（流变性基础简介）1、特征1)粘度大；分子量越大，粘度越大；分布越宽，粘度越大；2)流动机理：分子重心相对位移，是由链段的相继跃迁实现的3)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？第五章高分子材料的基本性能4）是一假塑性流体：A、基本名词：剪切应力、剪切速率牛顿流体：η=τ/γ;η是一恒定值非牛顿流体：η随剪切应力（剪切速率）变。η为表观粘度―――ηa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，及带来的解缠第五章高分子材料的基本性能§5.1力学性能一、高聚物的流动性第五章高分子材料的基本性能B、幂律方程：τ＝Kγnn=1:牛顿流体（曲线2）n1：假塑性流体（曲线1）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）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、高聚物的流动性第五章高分子材料的基本性能1、第一牛顿区2、第二牛顿区§5.1力学性能一、高聚物的流动性第五章高分子材料的基本性能2、与结构的关系（η、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、高聚物的流动性第五章高分子材料的基本性能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（η、Tf、非牛顿性）链段活动能力，长链的卷曲缠结实际应用的指导意义：塑料成型生产、涂料第五章高分子材料的基本性能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第五章高分子材料的基本性能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？第五章高分子材料的基本性能二、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1/105•泊松比小＝0.5ΔV=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。第五章高分子材料的基本性能2、高弹性的本质：热力学(一、二）定律得：ΔV=0内能变化为0链段的取向与解取向，是一松弛过程熵弹性*解释特征4:ΔH=ΔU–TΔSΔH=–TΔS所以：形变过程中，有热效应（形变发展：ΔS0所以ΔH0，放热）§5.1力学性能二、橡胶的高弹性第五章高分子材料的基本性能3、σ～ε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.σ～λ关系第五章高分子材料的基本性能4、橡胶高弹性的结构要求*1）柔性好，柔性好的不一定具有高弹性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、橡胶的高弹性第五章高分子材料的基本性能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？第五章高分子材料的基本性能三、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σ，观察ε～t的变化•应力松弛：一定T、一定ε，观察σ～t的变化ε＝ε瞬时弹性＋ε高弹＋ε永久(交联－曲线2）1)蠕变、应力松弛现象§5.1力学性能t～τ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，出现规律反常时运用粘弹性来分析。第五章高分子材料的基本性能•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力学性能分子运动第五章高分子材料的基本性能三、粘弹性§5.1力学性能第五章高分子材料的基本性能应力周期性变化：σ＝σ0Sinωt应变：ε＝ε0Sin（ωt＋δ）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（弹性能）－－热能）－－－－力学损耗力学损耗因子*：tanδ--损耗模量--储能模量2、动态粘弹性（滞后）三、粘弹性§5.1力学性能第五章高分子材料的基本性能•影响因素*：1）结构：分子柔性、分子间作用力等-----τ2）时间：（1/ω－－t(观察））ω小－－t长：链段完全跟上ω大－－t短：链段完全跟不上硬，甚至脆ω适中～t：滞后明显tanδ有最大值3）温度：-----τT增大，τ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）第五章高分子材料的基本性能塑料的力学表征？比较PE/PP/PS/PA66/PVC/环氧树脂的力学特征高分子材料增强、增韧的主要途径？第五章高分子材料的基本性能四、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）第五章高分子材料的基本性能力学特征*：E-----软硬A------弹性S------韧脆ε---延性SOA-----回弹性强度（σB、σY)-----强弱1）非晶：曲线分析：•OA---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：（σBσY）韧性断裂：----小单元运动――在力的强迫作用下，链段运动1、拉伸过程(非晶、结晶高聚物）§5.1力学性能四屈服、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能屈服过程：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、结晶高聚物）§5.1力学性能四屈服、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能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。TTb时：σBσY－－－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、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能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、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能3)不同力学特征的应力～应变曲线•脆而硬：1PS、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•强而韧：3、4工程塑料（PC、PAABS等）、PVC•软而韧：5、6PE、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、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能4）温度、时间对曲线的影响•温度的影响（υ一定）：TTb曲线1、2TTg曲线3、4、5TTf曲线6、7、8TTf曲线9分子运动分析:•时间---1/υ（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第五章高分子材料的基本性能注意:•使用时υ趋于很小－－－长期强度，其远远小于所测值，例：PVC:σB(1000h）＝1/2σB（测）•Tb、Tg测定时，是在一定时间尺度下，（υ比较小，时间长）实际受力时（特别是在冲击力时）往往υ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、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能2、力学强度1）几种主要强度•抗张强度：σB＝F/S•抗弯强度：•抗冲击强度（韧性）σi=W/bd（kJ/m2)σ=1.5Pl0/(bd2)E=ΔPl03/(4bd3δ0)弯曲形变较小时的载荷与挠度§5.1力学性能四屈服、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能2）理论强度》实际强度，σ实=（1/100～1/1000)σ理而模量接近原因：缺陷(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γ，外能H:Hγ,稳定；Hγ,裂缝发展2、力学强度§5.1力学性能四屈服、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能2、力学强度§5.1力学性能四屈服、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能链断裂净频率：寿命：2、力学强度§5.1力学性能四屈服、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能第五章高分子材料的基本性能3、强度与结构的关系1）分子量：越大，σ越大，屈服σ、E不变-----韧而强（MMC）2）F分越大，σB、σY越大，ε减小，E增大-----强而硬过大，脆性断裂3)交联适度σB增大，σY不变，ε减小，E增大，σi增大-----强而硬过度交联，σB大幅度减小-------------------------脆4）结晶σY越大随结晶度增大，σB、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、强度与断裂第五章高分子材料的基本性能§5.1力学性能四屈服、强度与断裂3、强度与结构的关系第五章高分子材料的基本性能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：PVC5）取向：平行取向方向，强