高聚物的物理性能省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能7.3高聚物其它性能高聚物其它性能第第7 7章章 高聚物物理性能高聚物物理性能第第1页页 知识目标：知识目标：掌握高聚物物理状态及其特征、高聚物各种特征温度及其掌握高聚物物理状态及其特征、高聚物各种特征温度及其影响原因和应用，高聚物力学性能、高弹性特征；影响原因和应用，高聚物力学性能、高弹性特征；了解高聚物分子运动单元多重性和运动过程对温度、时间了解高聚物分子运动单元多重性和运动过程对温度、时间依赖性，高聚物力学性能影响原因；依赖性，高聚物力学性能影响原因；了解高聚物粘流特征、粘弹性（力学松弛）、电性能、光了解高聚物粘流特征、粘弹性（力学松弛）、电性能、光学性能、透气性能、热性能等及其应用。学性能、透气性能、热性能等及其应用。本章学习目标本章学习目标第第2页页本章学习目标本章学习目标能力目标能力目标能依据高聚物形变能依据高聚物形变-温度曲线类型正确判断高聚物使用状态及温度曲线类型正确判断高聚物使用状态及其使用温度范围；其使用温度范围；能依据应力能依据应力-应变曲线类型区分高分子材料力学特征和应用场应变曲线类型区分高分子材料力学特征和应用场所；所；能正确分析高聚物材料使用过程出现力学松弛（如蠕变、应能正确分析高聚物材料使用过程出现力学松弛（如蠕变、应力松弛、内耗等）原因，并能实际情况加以防止或利用。力松弛、内耗等）原因，并能实际情况加以防止或利用。素质目标素质目标培养学生学生综合分析问题和处理问题能力；培养学生学生综合分析问题和处理问题能力；培养学生用科学理论指导工作实践习惯、较高专业思维能力培养学生用科学理论指导工作实践习惯、较高专业思维能力和养成良好职业习性。和养成良好职业习性。第第3页页7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变 高分子热运动是联络高聚物结构与性能桥梁，与低分子热运高分子热运动是联络高聚物结构与性能桥梁，与低分子热运动相比，是极其复杂。动相比，是极其复杂。1、高分子运动单元多重性、高分子运动单元多重性（1）整个大分子链运动（布朗运动）整个大分子链运动（布朗运动）以整个分子链为整体，作振动、转动和移动。造成分子链质以整个分子链为整体，作振动、转动和移动。造成分子链质量中心相对位移。量中心相对位移。宏观表现：聚合物溶液或熔体流动、材料永久变形等宏观表现：聚合物溶液或熔体流动、材料永久变形等（2）链段运动（内旋转）链段运动（内旋转）是区分于小分子运动特殊运动形式。是区分于小分子运动特殊运动形式。运动结果可使大分子有着强烈伸展或卷曲倾向，是大分子链运动结果可使大分子有着强烈伸展或卷曲倾向，是大分子链含有柔性根本原因。含有柔性根本原因。聚合物许多独特征能都与链段运动相关。聚合物许多独特征能都与链段运动相关。7.1.1 7.1.1 高聚物分子热运动特点高聚物分子热运动特点高聚物分子热运动特点高聚物分子热运动特点第第4页页（3 3）链节、侧基、支链运动（微布朗运动）链节、侧基、支链运动（微布朗运动）链节运动包含碳链聚合物中曲柄运动、杂链聚物中官能团链节运动包含碳链聚合物中曲柄运动、杂链聚物中官能团化学键运动等。化学键运动等。侧基和支链运动是相对于主链摆动、转动以及本身内旋转。侧基和支链运动是相对于主链摆动、转动以及本身内旋转。这些运动对材料低温力学性能有影响。这些运动对材料低温力学性能有影响。7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变u C8曲柄运动曲柄运动12345678109028特点：需要能量低，键长、键角不变。影响高分子材料低特点：需要能量低，键长、键角不变。影响高分子材料低温性能。温性能。第第5页页u链段运动链段运动分子链中间部分分子链中间部分链段内旋转链段内旋转分子链近链端部分分子链近链端部分链段内旋转链段内旋转分子链侧链部分链分子链侧链部分链段内旋转段内旋转7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变2、高分子运动对时间依赖性、高分子运动对时间依赖性图图7-1 7-1 高分子在外力作用下分子运动过程高分子在外力作用下分子运动过程第第6页页 即高聚物从一个平衡状态经过分子热运动过渡到新平衡状即高聚物从一个平衡状态经过分子热运动过渡到新平衡状态需要克服内摩擦力，总是有一个时间过程态需要克服内摩擦力，总是有一个时间过程 这个克服内摩擦力过程称为这个克服内摩擦力过程称为“松弛过程松弛过程”，所需时间称为，所需时间称为“松弛时间松弛时间”。刚性越大高分子链，松弛时间越长。刚性越大高分子链，松弛时间越长。3、高分子运动对温度依赖性、高分子运动对温度依赖性 温度升高对高分子热运动是有利，可加紧松弛过程，减短松弛温度升高对高分子热运动是有利，可加紧松弛过程，减短松弛时间。时间。可见，升温与延长时间对于高分子运动是等效。可见，升温与延长时间对于高分子运动是等效。7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变2、高分子运动对时间依赖性、高分子运动对时间依赖性第第7页页7.1.2 7.1.2 高聚物物理状态高聚物物理状态高聚物物理状态高聚物物理状态7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变1、线型非晶态高聚物物理状态、线型非晶态高聚物物理状态（1）非晶态高聚物温度非晶态高聚物温度-形变曲线形变曲线 非晶态高聚物三种物理状态：玻璃态；高弹态；黏流态非晶态高聚物三种物理状态：玻璃态；高弹态；黏流态图图7-2 7-2 非晶态高聚物温度非晶态高聚物温度-形变曲线形变曲线AA玻璃态；玻璃态；B B，DD过渡区；过渡区；CC高弹态；高弹态；EE粘流态；粘流态；T Tb b脆化温度；脆化温度；T Tg g玻璃化温度；玻璃化温度；T Tf f粘流温度粘流温度第第8页页u 玻璃态玻璃态 力力力力学学学学特特特特征征征征：弹弹性性模模量量大大（10109 910101010PaPa），外外力力作作用用下下发发生生普弹形变，即普弹形变，即形变小，且形变可逆。结构类似玻璃。形变小，且形变可逆。结构类似玻璃。原因：原因：原因：原因：在区域在区域I I，温度低，分子链与链段运动被冻结，只，温度低，分子链与链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等局部运动。有侧基、链节、链长、键角等局部运动。原原原原因因因因：在在高高弹弹区区，T TT Tg g，伴伴随随TT，链链段段运运动动被被“解解冻冻”，当当受受到到外外力力拉拉伸伸时时，高高分分子子链链能能够够经经过过链链段段运运动动来来改改变变构构象象以以适适应应外外力力作作用用，分分子子链链从从卷卷曲曲状状态态被被拉拉直直；外外力力解解除除后后，被被拉拉直直分分子子链链又又经经过过链链段段运运动动自自动动恢恢复复到到卷卷曲状态。曲状态。7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变u 高弹态高弹态 力学特征：力学特征：力学特征：力学特征：弹性模量较小弹性模量较小(105 5107 7Pa)，外力作用下发生，外力作用下发生高弹形变（形变量高弹形变（形变量100%1000%），含有高弹性行为。），含有高弹性行为。第第9页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变uu 粘流态粘流态粘流态粘流态力学特征：力学特征：力学特征：力学特征：弹性模量激剧下降弹性模量激剧下降(102 2104 4Pa)，外力作用下，外力作用下发生塑性形变（即永久形变）。发生塑性形变（即永久形变）。原因：原因：原因：原因：当当TTf f，链段与高分子整链均被，链段与高分子整链均被“解冻解冻”，在外力在外力作用下，作用下，伴随伴随T，链段运动猛烈，造成分子链发生相对位移，链段运动猛烈，造成分子链发生相对位移，形变不可逆。形变不可逆。p 由玻璃态向高弹态发生突变区域叫玻璃化转变区，玻璃态由玻璃态向高弹态发生突变区域叫玻璃化转变区，玻璃态与高弹态转变温度称为玻璃化转变温度，以与高弹态转变温度称为玻璃化转变温度，以Tg g表示。表示。p 高弹态向粘流态发生突变区域称为粘弹态转变区，二者转高弹态向粘流态发生突变区域称为粘弹态转变区，二者转变温度称为粘流温度，以变温度称为粘流温度，以Tf f表示。表示。p 交联聚合物因为分子链间有化学键连接，不能发生相对位交联聚合物因为分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。移，不出现粘流态。第第10页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变p 无定形塑料在玻璃态下使用、橡胶则在高弹态下使用、而无定形塑料在玻璃态下使用、橡胶则在高弹态下使用、而高聚物材料成型加工则普通需在粘流态下进行。高聚物材料成型加工则普通需在粘流态下进行。p三种物理状态比较与应用见表三种物理状态比较与应用见表7-1物理状态物理状态运动单元运动单元力学行为力学行为特征特征形变机理形变机理应用应用使用温度使用温度范围范围玻璃态玻璃态侧基、支链、侧基、支链、链节链节普弹形变普弹形变键长、键角微变键长、键角微变塑料、纤维塑料、纤维T Tb bT Tg g高弹态高弹态链段链段高弹形变高弹形变链段内旋转链段内旋转橡胶橡胶T Tg gT Tf f粘流态粘流态链段、整个链段、整个大分子链大分子链塑性形变塑性形变链段、整链发生链段、整链发生相对位移相对位移黏合剂、涂黏合剂、涂料料T Tf fT Td d表表7-1 线型非晶态高聚物物理状态对比表线型非晶态高聚物物理状态对比表第第11页页 相对分子质量对温度相对分子质量对温度-形变曲线形状有较大影响；分子量越大，形变曲线形状有较大影响；分子量越大，T Tf f越高，高弹平台亦越宽。越高，高弹平台亦越宽。结论，橡胶材料需要有较高分子量，方便加宽使用温度范围，结论，橡胶材料需要有较高分子量，方便加宽使用温度范围，提升耐热性。提升耐热性。7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变图图7-3 7-3 聚苯乙烯形变聚苯乙烯形变-温度曲线温度曲线相对分子质量依次为：相对分子质量依次为：1 1360360；2 2440440；3 3500500；4 411401140；5 530003000；6 64000040000；7 71 1；8 8550000550000；9 9638000638000（2）线型非晶态高聚物物理状态与平均相对分子质量关系）线型非晶态高聚物物理状态与平均相对分子质量关系第第12页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变2、结晶态高聚物物理状态、结晶态高聚物物理状态（1）结晶态高聚物形变）结晶态高聚物形变-温度曲线温度曲线 12形变%TgTmTfT/图图7-4 7-4 结晶高聚物形变结晶高聚物形变-温度曲线温度曲线 1-1-相对分子质量较小相对分子质量较小2-2-相对分子质量很大相对分子质量很大u 当当高高聚聚物物分分子子量量较较小小时时，TmTg，其其从从结结晶晶态态直直接接进进入入粘流态（见粘流态（见1 1）。）。两种力学状态：两种力学状态：结晶态和熔融态；一个转折点结晶态和熔融态；一个转折点熔点熔点Tm。p 结晶态：结晶态：力学特征：力学特征：力学特征：力学特征：类似于玻璃态，类似于玻璃态，原因：原因：原因：原因：低温时，晶态高聚物高分低温时，晶态高聚物高分子链段因为受晶格能限制难以运子链段因为受晶格能限制难以运动，所以形变很小。动，所以形变很小。高分子热运动克服了晶格能，整个高分子链运动起来，进入高分子热运动克服了晶格能，整个高分子链运动起来，进入了粘流态。所以高聚物熔点了粘流态。所以高聚物熔点Tm又是粘流温度又是粘流温度p 熔融态：熔融态：第第13页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变结论：结论：结晶态高聚物可用作塑料与纤维，其使用上限温度为结晶态高聚物可用作塑料与纤维，其使用上限温度为Tm，普，普通不宜用作橡胶。通不宜用作橡胶。结晶高聚物分子量不宜过高，不然对成型加工不利。结晶高聚物分子量不宜过高，不然对成型加工不利。u 当高聚物分子量较高时，当高聚物分子量较高时，TmTg，其在晶区熔融后，先进，其在晶区熔融后，先进入高弹态，再进入粘流态（见入高弹态，再进入粘流态（见2）表表7-2 7-2 结晶高聚物物理状态对比表结晶高聚物物理状态对比表温度范围温度范围物理状态物理状态性能性能v普通相对分子质量相对分子质量很大相对分子质量很大T TT Tg g结晶态结晶态玻璃态玻璃态硬塑料硬塑料T Tg gT TT Tm m结晶态结晶态高弹态高弹态韧塑料（皮革态）韧塑料（皮革态）T TT Tm m粘流态粘流态粘流态粘流态加工状态加工状态结晶高聚物物理状态特征、与材料应用关系见表结晶高聚物物理状态特征、与材料应用关系见表7-2。第第14页页7.1.3 高聚物玻璃化转变高聚物玻璃化转变7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变 高聚物玻璃化转变即为非晶态高聚物从玻璃态向高弹态转变，高聚物玻璃化转变即为非晶态高聚物从玻璃态向高弹态转变，对晶态高聚物是指非晶态部分这种转变对晶态高聚物是指非晶态部分这种转变。1、玻璃化温度（、玻璃化温度（Tg）u 高聚物从玻璃态向高弹态转变温度即为高聚物从玻璃态向高弹态转变温度即为Tg。u Tg是高聚物分子链开始运动或冻结温度。是高聚物分子链开始运动或冻结温度。u Tg是非晶态高聚物作为塑料使用最高温度；是作为橡胶是非晶态高聚物作为塑料使用最高温度；是作为橡胶使用最低温度。使用最低温度。2、影响玻璃化温度原因、影响玻璃化温度原因（1）主链结构影响）主链结构影响 规律：对主链柔性有影响原因，都影响规律：对主链柔性有影响原因，都影响Tg。柔性。柔性，Tg。第第15页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变（2）侧基影响）侧基影响 规律：极性侧基极性规律：极性侧基极性，分子间作用力，分子间作用力，其，其Tg 。非极性侧基体积效应非极性侧基体积效应，分子链柔性，分子链柔性，其，其Tg。对称双取代侧基，可提升分子链柔顺性，使对称双取代侧基，可提升分子链柔顺性，使Tg。（3）相对分子质量影响）相对分子质量影响 规律：高聚物平均相对分子质量规律：高聚物平均相对分子质量，Tg；但当平均相对；但当平均相对 分子质量增加到一定程度时，玻璃化温度趋于某一定值。分子质量增加到一定程度时，玻璃化温度趋于某一定值。（4）共聚影响）共聚影响 规律：共聚能够调整高聚物玻璃化温度。其共聚物规律：共聚能够调整高聚物玻璃化温度。其共聚物Tg介介 于两种（各种）均聚物之间。于两种（各种）均聚物之间。第第16页页双组分共聚物玻璃化温度计算：双组分共聚物玻璃化温度计算：7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变（4）共聚影响）共聚影响（5）交联影响）交联影响 规律：交联度越大，规律：交联度越大，Tg增加愈大增加愈大。或或（6）增塑剂影响）增塑剂影响规律：伴随增塑剂加入量增加，玻璃化温度下降。通常，规律：伴随增塑剂加入量增加，玻璃化温度下降。通常，极性增塑剂加入到极性高聚物之中，非极性增塑剂加入极性增塑剂加入到极性高聚物之中，非极性增塑剂加入 到非极性高聚物之中。到非极性高聚物之中。（7）外界条件影响）外界条件影响外力作用时间与大小：外力越大和作用时间越长，外力作用时间与大小：外力越大和作用时间越长，Tg。升温速度：升温速度越快，升温速度：升温速度越快，Tg越高。越高。第第17页页图图7-5 7-5 结晶物质熔融过程体积（或比热容）随温度改变曲线结晶物质熔融过程体积（或比热容）随温度改变曲线7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变7.1.4 结晶高聚物熔融与熔点结晶高聚物熔融与熔点 物质从结晶态转变为液态过程称为熔融。物质从结晶态转变为液态过程称为熔融。1、结晶高聚物熔融过程、结晶高聚物熔融过程l 熔点特点：熔点特点：第第18页页（1 1）结晶高聚物熔融与低分子晶体一样，也是一个热力学相）结晶高聚物熔融与低分子晶体一样，也是一个热力学相变过程变过程（2 2）高聚物熔融是一个边熔融边升温过程，所以，结晶高聚）高聚物熔融是一个边熔融边升温过程，所以，结晶高聚物含有一个熔融范围物含有一个熔融范围称为融限。称为融限。（3 3）高聚物熔融与结晶温度相关。其熔点随结晶温度升高而）高聚物熔融与结晶温度相关。其熔点随结晶温度升高而升高，熔限随结晶温度升高而变窄。升高，熔限随结晶温度升高而变窄。7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变2、熔点、熔点Tmu 使用价值：晶态高聚物用于塑料和纤维时最高使用温度，使用价值：晶态高聚物用于塑料和纤维时最高使用温度，又是它们耐热温度和成型加工最低温度。又是它们耐热温度和成型加工最低温度。u 平衡状态下晶体完全消失温度。平衡状态下晶体完全消失温度。第第19页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变3、影响熔点原因、影响熔点原因（1）结晶温度影响）结晶温度影响 结晶结晶T，Tm也也，熔限越窄；反之，则，熔限越窄；反之，则Tm，熔限越宽。，熔限越宽。（2）高分子结构影响）高分子结构影响u 分子间作用力分子间作用力 规律：在高分子主链或侧基上引入极性基团使分子间作规律：在高分子主链或侧基上引入极性基团使分子间作 用力用力，则，则Tm u分子链柔性分子链柔性 规律：分子链柔性规律：分子链柔性，则，则Tm。（3）稀释剂对熔点影响）稀释剂对熔点影响 在结晶性聚合物中加入稀释剂，如增塑剂或溶剂，也能使熔在结晶性聚合物中加入稀释剂，如增塑剂或溶剂，也能使熔点降低，其降低程度与稀释剂性质与用量相关。点降低，其降低程度与稀释剂性质与用量相关。第第20页页图图7-7 7-7 各类流体流动曲线各类流体流动曲线aa牛顿流体；牛顿流体；bb膨胀性流体；膨胀性流体；cc假塑性流体；假塑性流体；dd宾汉流体宾汉流体7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变7.1.5 高聚物粘流态高聚物粘流态 绝大多数高聚物成型加工都是在熔融状态（粘流态）下进绝大多数高聚物成型加工都是在熔融状态（粘流态）下进行。行。高分子流动不是简单整个高分子高分子流动不是简单整个高分子链迁移，而是经过链段相继迁移链迁移，而是经过链段相继迁移来实现，类似于蚯蚓蠕动。来实现，类似于蚯蚓蠕动。1、高聚物熔体流动特点、高聚物熔体流动特点(1)熔体粘度大，流动性差熔体粘度大，流动性差(2)熔体属非牛顿型流体熔体属非牛顿型流体u 牛顿型流体：低分子液体牛顿型流体：低分子液体和高分子稀溶液和高分子稀溶液 第第21页页u 假塑性流体：大多数高聚物熔体及浓溶液假塑性流体：大多数高聚物熔体及浓溶液 u 膨胀性流体：高浓度聚氯乙烯悬浮溶液，玉米粉、膨胀性流体：高浓度聚氯乙烯悬浮溶液，玉米粉、糖溶液及湿沙等高浓度粉末悬浮液糖溶液及湿沙等高浓度粉末悬浮液u 宾汉型流体：聚氯乙烯糊凝胶体、牙膏等宾汉型流体：聚氯乙烯糊凝胶体、牙膏等(3)(3)熔体流动伴有高弹形变熔体流动伴有高弹形变 即高聚物流动中会发生部分是可逆形变。即高聚物流动中会发生部分是可逆形变。高弹形变恢复过程也是一个松弛过程，恢复快慢与高分子高弹形变恢复过程也是一个松弛过程，恢复快慢与高分子链柔顺性及温度相关。链柔顺性及温度相关。后果：高聚物在挤出成型中，其型材截面实际尺寸比口模尺后果：高聚物在挤出成型中，其型材截面实际尺寸比口模尺寸要大。寸要大。7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变第第22页页7.1 7.1 高聚物物理状态及热转变高聚物物理状态及热转变2、黏流温度、黏流温度Tf(1)定义及其应用定义及其应用 非晶态高聚物熔化后发生黏性流动温度。非晶态高聚物熔化后发生黏性流动温度。使用价值：非晶态高聚物成型加工最低温度，橡胶使用最使用价值：非晶态高聚物成型加工最低温度，橡胶使用最高温度。高温度。(2)影响黏流温度原因影响黏流温度原因u 高分子结构影响高分子结构影响 凡是能提升高分子链柔顺性结构原因均可使粘流温度下凡是能提升高分子链柔顺性结构原因均可使粘流温度下降降：柔性柔性、刚性、刚性，Tf；u 平均相对分子质量影响平均相对分子质量影响 平均相对分子质量平均相对分子质量，内摩擦力，内摩擦力，Tf 。u 外界原因影响外界原因影响 增加外力大小及其作用时间，有利粘性流动，会使增加外力大小及其作用时间，有利粘性流动，会使Tf。加入增塑剂可使加入增塑剂可使Tf。第第23页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能 聚合物力学性能指是其受力后响应聚合物力学性能指是其受力后响应，如形变大小、形变可逆性，如形变大小、形变可逆性及抗破损性能等及抗破损性能等。1、应变与应力、应变与应力 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生改变称材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生改变称应变或应变或形变形变，通常以单位长度（面积、体积）所发生改变来表征。，通常以单位长度（面积、体积）所发生改变来表征。材料在外力作用下发生形变同时，在其内部还会产生反抗外材料在外力作用下发生形变同时，在其内部还会产生反抗外力附加内力，以使材料保持原状，当形变到达平衡时，材料单力附加内力，以使材料保持原状，当形变到达平衡时，材料单位面积上附加内力称为位面积上附加内力称为应力应力，其数值与单位面积上所受外力相，其数值与单位面积上所受外力相等。等。材料受力方式不一样，发生形变方式亦不一样，材料受力方材料受力方式不一样，发生形变方式亦不一样，材料受力方式主要有以下三种基本类型：式主要有以下三种基本类型：7.2.1 表征力学性能基本指标表征力学性能基本指标第第24页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能（1）简单拉伸（简单拉伸（drawing)：材料受到一对材料受到一对垂直于材料截面垂直于材料截面、大小相等大小相等、方向相反方向相反并在并在同一直线同一直线上外力作用。上外力作用。材料在拉伸作用下产生形变称为材料在拉伸作用下产生形变称为拉伸应变，也称相对伸长率（拉伸应变，也称相对伸长率（e）。）。u 拉伸应力：拉伸应力：=F/A0 （A0为材料起始截面为材料起始截面积）积）u 拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）e e=（l-l0）/l0=D Dl/l0简单拉伸示意图简单拉伸示意图A0l0lD D lAFF第第25页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能（2）简单剪切）简单剪切(shearing)A0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图u 剪切应变剪切应变 =tg u 剪切应力剪切应力 s=F/A0u 材料经压缩以后，体积由材料经压缩以后，体积由V0缩小为缩小为V，则压缩应变：，则压缩应变：V=（V0-V）/V0=D DV/V0u 材料受到均匀压力压缩时发生体积材料受到均匀压力压缩时发生体积形变称形变称压缩应变（压缩应变（V）。）。（3）均匀压缩（均匀压缩（pressurizing)材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角正切值定义线上两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角正切值定义为为剪切应变（剪切应变（）。）。A0均匀压缩示意图均匀压缩示意图第第26页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能 2、弹性模量（亦称刚度）、弹性模量（亦称刚度）（1）定义）定义 指在弹性形变范围内单位应变所需应力大小。它表征高分子指在弹性形变范围内单位应变所需应力大小。它表征高分子材料抵抗形变能力大小，材料抵抗形变能力大小，弹性模量越大，越不轻易变形，材料弹性模量越大，越不轻易变形，材料刚性越大。刚性越大。（2）类型）类型 对于不一样受力方式，对应模量分别为对于不一样受力方式，对应模量分别为杨氏模量杨氏模量、剪切模量剪切模量和和体积模量，体积模量，能够表示为：能够表示为：u 杨氏模量（杨氏模量（Pa或或MPa）u 剪切模量（剪切模量（Pa或或MPa）u 体积模量（体积模量（N或或kN）第第27页页 式中：式中：称为泊松比，是反应高分子材料性质主要参数。称为泊松比，是反应高分子材料性质主要参数。普通材料普通材料=0.20.5，应变时若体积无改变（如：橡胶拉伸），则应变时若体积无改变（如：橡胶拉伸），则=0.5，7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能（3）三种模量关系）三种模量关系 对于各向同性材料而言，经过数学推导可得出上述三种模对于各向同性材料而言，经过数学推导可得出上述三种模量之间关系以下：量之间关系以下：E=2G（1+）=3B（1-2）3、硬度、硬度 硬度是衡量材料表面抵抗机械压力能力指标，可用以反硬度是衡量材料表面抵抗机械压力能力指标，可用以反应材料承受应力而不发生形状改变能力。应材料承受应力而不发生形状改变能力。4、机械强度、机械强度 机械强度是指在一定条件下，高分子材料所能承受最大应力，机械强度是指在一定条件下，高分子材料所能承受最大应力，单位为单位为MPa，是衡量高分子材料抵抗外力破坏能力。，是衡量高分子材料抵抗外力破坏能力。第第28页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能 依据外力作用方式不一样，主要有以下三种：依据外力作用方式不一样，主要有以下三种：（1）抗张强度（）抗张强度（t）衡量材料抵抗拉伸破坏能力，也称拉伸衡量材料抵抗拉伸破坏能力，也称拉伸强度。强度。t测定：测定：在要求试验温度、湿度和试验在要求试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。试样断裂前所受最荷，直至试样被拉断。试样断裂前所受最大负荷大负荷P与试样横截面积之比与试样横截面积之比：t =P/b d厚度厚度d宽度宽度bPP（2）抗弯抗弯强度（强度（f）也称挠曲强度或弯曲强度。也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度测定是在要求试验条件下，对标准试样施加一静抗弯强度测定是在要求试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。止弯曲力矩，直至试样断裂。第第29页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能Pdbl0/2l0/2抗弯强度测定试验示意图抗弯强度测定试验示意图 设试验过程中最大负荷为设试验过程中最大负荷为P，则，则抗弯强度抗弯强度 f为：为：f =1.5Pl0/bd2 冲击强度也称抗冲强度冲击强度也称抗冲强度,是衡量材料是衡量材料韧性一个指标。定义为试样受冲击负韧性一个指标。定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收能量。荷时单位截面积所吸收能量。（3）冲击强度（）冲击强度（i）测定时基本方法与抗弯强度测定测定时基本方法与抗弯强度测定相同，但其作用力是运动。相同，但其作用力是运动。试样断裂时吸收能量等于断裂时试样断裂时吸收能量等于断裂时冲击头所做功冲击头所做功W，则冲击强度为：，则冲击强度为：i=W/bdPbl0/2l0/2d冲击头以一定速度冲击头以一定速度对试样实施冲击对试样实施冲击冲击强度测定试验示意图冲击强度测定试验示意图第第30页页应变应力AYBA-弹性极限；Y-屈服点；B-断裂点7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能（1）线型非晶态高聚物经典应力线型非晶态高聚物经典应力-应变曲线应变曲线拉伸时高分子链三种运动情况：拉伸时高分子链三种运动情况：u 弹性形变（开始弹性形变（开始A点）点）应变随应力增加而增大，服从应变随应力增加而增大，服从虎克定律，含有普弹性能；虎克定律，含有普弹性能；7.2.2 高聚物力学性能高聚物力学性能1、线型非晶态高聚物应力、线型非晶态高聚物应力-应变曲线应变曲线运动单元为键长、键角。对应运动单元为键长、键角。对应 为弹性伸长极限。为弹性伸长极限。u 强迫高弹形变（强迫高弹形变（A点点B点）点）中间经过屈服点中间经过屈服点Y，对应，对应 表示高聚物材料反抗永久形变能表示高聚物材料反抗永久形变能力；形变量力；形变量300%1000%，而且可逆；运动单元为链段。，而且可逆；运动单元为链段。u 黏流形变（黏流形变（B点后）点后）形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、大分子链。形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、大分子链。第第31页页（2 2）非晶态高聚物六种应力）非晶态高聚物六种应力-应变曲线与使用关系应变曲线与使用关系u能够作为工程塑料高聚物能够作为工程塑料高聚物u材料硬而脆刚性制品，不宜冲击，材料硬而脆刚性制品，不宜冲击，能承受静压力；能承受静压力；经典实例：酚醛塑料制品经典实例：酚醛塑料制品u材料硬而强高模量高抗张，断裂伸材料硬而强高模量高抗张，断裂伸 长小或无屈服长小或无屈服 经典实例：经典实例：PVCPVC硬制品硬制品u材料硬而韧高模量高抗张，断裂伸材料硬而韧高模量高抗张，断裂伸 长大，有屈服长大，有屈服 经典实例：聚碳酸酯经典实例：聚碳酸酯制品制品7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能第第32页页u 能够作为形变较大材料能够作为形变较大材料u材料软而韧材料软而韧低模量低屈服，断裂伸低模量低屈服，断裂伸 长率及强度大长率及强度大经典实例：硫化橡胶、经典实例：硫化橡胶、LDPELDPE制品制品u材料软而弱材料软而弱低模量低强度，断裂伸低模量低强度，断裂伸 长率中等长率中等经典实例：未硫化天然橡胶经典实例：未硫化天然橡胶u材料弱而脆材料弱而脆普通为低聚物v 无使用价值材料无使用价值材料7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能第第33页页OYNDBOY段段 YN段段ND段段DB段段D点点OY段段YN段段ND段段D点点DB段段试样形状改变试样形状改变7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能2、未取向晶态高聚物应力未取向晶态高聚物应力-应变曲线应变曲线讨论：讨论：u 玻璃态和晶态高聚物拉伸过程相类似，只是产生高弹玻璃态和晶态高聚物拉伸过程相类似，只是产生高弹形变温度范围不一样；形变温度范围不一样；u 在玻璃态高聚物中拉伸只使分子链发生取向，而在晶在玻璃态高聚物中拉伸只使分子链发生取向，而在晶态高聚物中拉伸伴伴随聚集态改变，包含结晶熔化、取向、态高聚物中拉伸伴伴随聚集态改变，包含结晶熔化、取向、再结晶等再结晶等 第第34页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能3、高聚物力学性能影响原因、高聚物力学性能影响原因（1）内在原因）内在原因u 高聚物相对分子质量及分布高聚物相对分子质量及分布 p 相对分子质量增大，高聚物强度显著增加，但增高到相对分子质量增大，高聚物强度显著增加，但增高到一定程度后，影响不大，强度逐步趋于一极限值。一定程度后，影响不大，强度逐步趋于一极限值。p 相对分子质量分布对力学性能影响不大，主要考虑低相对分子质量分布对力学性能影响不大，主要考虑低聚物部分，低聚物部分增多，就会造成受力时分子间断聚物部分，低聚物部分增多，就会造成受力时分子间断裂而使强度下降。裂而使强度下降。u 高分子链支化与交联高分子链支化与交联p 高分子链支化程度增加，其拉伸强度降低。高分子链支化程度增加，其拉伸强度降低。p 高聚物适度交联，能够有效地增加分子链间作用力，高聚物适度交联，能够有效地增加分子链间作用力，有利于强度提升。有利于强度提升。p 过分交联，在受外力时，会使应力集中反而强度降低。过分交联，在受外力时，会使应力集中反而强度降低。第第35页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能u 高聚物结晶与取向高聚物结晶与取向 p 结晶度影响结晶度影响 结晶度增加，高聚物屈服应力、强度、模量和硬度等都结晶度增加，高聚物屈服应力、强度、模量和硬度等都有提升，而断裂伸长率和冲击韧性则下降，结晶使高聚物变有提升，而断裂伸长率和冲击韧性则下降，结晶使高聚物变硬变脆。硬变脆。p 晶粒尺寸和晶体结构影响晶粒尺寸和晶体结构影响 大球晶使断裂伸长率和韧性降低；均匀小球晶能使材料大球晶使断裂伸长率和韧性降低；均匀小球晶能使材料强度、伸长率、模量和韧性等得到提升。纤维状晶体强度大强度、伸长率、模量和韧性等得到提升。纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。于折叠晶体强度。p 取向对强度影响取向对强度影响 取向使材料力学性能产生各向异性能，增加取向方向上取向使材料力学性能产生各向异性能，增加取向方向上材料强度。材料强度。第第36页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能（2）外在原因）外在原因u 低分子填充物低分子填充物 惰性填料往往使高聚物材料强度降低。如加入碳酸钙惰性填料往往使高聚物材料强度降低。如加入碳酸钙 适当填充活性填料能够增加材料强度。如橡胶填充炭黑、适当填充活性填料能够增加材料强度。如橡胶填充炭黑、玻璃钢填充玻璃纤维等。玻璃钢填充玻璃纤维等。u 增塑剂增塑剂 增塑剂加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少许加入增塑剂加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少许加入低分子物质，能增加强度。低分子物质，能增加强度。u 材料本身缺点（杂质、气泡、降解物等造成微小裂纹）材料本身缺点（杂质、气泡、降解物等造成微小裂纹）当材料受到外力作用时，在缺点处产生应力集中，致使材当材料受到外力作用时，在缺点处产生应力集中，致使材料断裂、破坏，使强度降低。料断裂、破坏，使强度降低。3、高聚物增强路径、高聚物增强路径 在高聚物中添加增强材料，能够有目标地提升高聚物力学性在高聚物中添加增强材料，能够有目标地提升高聚物力学性能。如炭黑增强橡胶、纤维增强塑料、橡胶增强塑料等。能。如炭黑增强橡胶、纤维增强塑料、橡胶增强塑料等。第第37页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能 处于高弹态高聚物展现出含有高度弹性形变能力，这种独特处于高弹态高聚物展现出含有高度弹性形变能力，这种独特力学性能称为高弹性。力学性能称为高弹性。常见高弹态材料如橡胶和类橡胶等。常见高弹态材料如橡胶和类橡胶等。1、高弹性主要特征、高弹性主要特征（1）弹性模量小，弹性形变大）弹性模量小，弹性形变大（2）弹性模量与温度成正比。）弹性模量与温度成正比。高弹态高聚物弹性模量随温度高弹态高聚物弹性模量随温度而而，金属材料则相反。，金属材料则相反。（3）形变时有显著热效应）形变时有显著热效应 高弹态材料拉伸时放热，材料本身温度会高弹态材料拉伸时放热，材料本身温度会；而压缩时吸热，；而压缩时吸热，材料本身温度会材料本身温度会。而普通金属材料则相反。而普通金属材料则相反。（4）形变与时间相关）形变与时间相关 通常，高弹态材料形变总是落后于外力，即通常，高弹态材料形变总是落后于外力，即形变需要时间形变需要时间。7.2.3 7.2.3 高聚物高弹性高聚物高弹性高聚物高弹性高聚物高弹性第第38页页7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能2、高弹性与高分子链结构关系、高弹性与高分子链结构关系（1）高分子链柔性与高弹性关系）高分子链柔性与高弹性关系 只有在常温下不易结晶、且由柔性链组成高聚物，才可能只有在常温下不易结晶、且由柔性链组成高聚物，才可能成为含有高弹性橡胶。成为含有高弹性橡胶。（2）交联与高弹性关系）交联与高弹性关系硫化交联是橡胶克服塑形形变、提升弹性必须工序，但交硫化交联是橡胶克服塑形形变、提升弹性必须工序，但交联程度直接影响高聚物高弹性。联程度直接影响高聚物高弹性。3、热塑性弹性体、热塑性弹性体 热塑性弹性体（热塑性弹性体（TPE）是一个兼有塑料和橡胶特征，在常）是一个兼有塑料和橡胶特征，在常温下显示橡胶高弹性、高温下又能塑化成型高分子材料，又温下显示橡胶高弹性、高温下又能塑化成型高分子材料，又称为第三代橡胶。称为第三代橡胶。第第39页页图图7-12 7-12 不一样材料在恒定应力下形不一样材料在恒定应力下形变变-时间曲线时间曲线7.2 7.2 高聚物力学性能高聚物力学性能1、粘弹性、粘弹性 高分子材料同时展现弹性和高分子材料同时展现弹性和粘性性质，称粘弹性（见图粘性性质，称粘弹性（见图7-12），即高聚物材料形变与时），即高聚物材料形变与时间相关，二者关系介于理想弹间相关，二者关系介于理想弹性体和理想粘性体之间。性体和理想粘性体之间。它是高分子材料又一主要特征。它是高分子材料又一主要特征。7.2.4 高聚物粘弹性高聚物粘弹性2、高聚物粘弹现象（力学松弛）、高聚物粘弹现象（力学松弛）分为静态与动态两种。分为静态与动态两种。u 静态粘弹性：应力或应变完全恒定时表现出粘弹现象称静静态粘弹性：应力或应变完全恒定时