《高分子物理Cha》PPT課件.ppt

第七章 聚合物的粘彈性,聚合物的粘彈性,本章教學(xué)內(nèi)容、要求及目的,教學(xué)內(nèi)容： 聚合物粘彈性現(xiàn)象、力學(xué)模型及數(shù)學(xué)描述；時(shí)溫等效原理；粘彈性的研究方法。 重點(diǎn)和要求： 聚合物材料在受力情況下所產(chǎn)生的各種粘彈現(xiàn)象、分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理、力學(xué)模型及數(shù)學(xué)描述；時(shí)溫等效原理及其應(yīng)用 教學(xué)目的： 了解和掌握聚合物的粘彈性行為，指導(dǎo)我們?cè)诓牧鲜褂煤图庸み^(guò)程中如何利用粘彈性、如何避免粘彈性、如何預(yù)測(cè)材料的壽命。,聚合物的粘彈性現(xiàn)象,主要內(nèi)容： 聚合物的粘彈性現(xiàn)象 蠕變現(xiàn)象 應(yīng)力松弛現(xiàn)象,本講重點(diǎn)及要求：聚合物材料在受力情況下所產(chǎn)生的蠕變和應(yīng)力松弛的粘彈現(xiàn)象及分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理。,普通粘、彈概念,粘 同黏：象糨糊或膠水等所具有的、能使一個(gè)物質(zhì)附著在另一個(gè)物體上的性質(zhì)。,彈 由于物體的彈性作用使之射出去。 彈簧 利用材料的彈性作用制得的零件，在外力作用下能發(fā)生形變（伸長(zhǎng)、縮短、彎曲、扭轉(zhuǎn)等），除去外力后又恢復(fù)原狀。,7.1 材料的粘、彈基本概念,Elastic having the tendency to go back to the normal or previous size or shape after being pulled or pressed.,Viscous thick and sticky, semi-fluid, that does not flow easily,材料對(duì)外界作用力的不同響應(yīng)情況,典型,小分子固體 彈性,小分子液體 粘性,恒定力或形變-靜態(tài),變化力或形變-動(dòng)態(tài),形變對(duì)時(shí)間不存在依賴性,虎克定律 Hookes law,Ideal elastic solid 理想彈性體,外力除去后完全不回復(fù),牛頓定律 Newtons law,Ideal viscous liquid 理想粘性液體,彈性與粘性比較,彈性 粘性 能量?jī)?chǔ)存 能量耗散 形變回復(fù) 永久形變 虎克固體 牛頓流體 模量與時(shí)間無(wú)關(guān) 模量與時(shí)間有關(guān) E(,T) E(,T,t),理想彈性體的應(yīng)力取決于 ，理想粘性體的應(yīng)力取決于 。,理想彈性體（如彈簧）在外力作用下平衡形變瞬間達(dá)到，與時(shí)間無(wú)關(guān)；理想粘性流體（如水）在外力作用下形變隨時(shí)間線性發(fā)展。 聚合物的形變與時(shí)間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，兩者的關(guān)系介乎理想彈性體和理想粘性體之間，聚合物的這種性能稱為粘彈性。 聚合物的力學(xué)性能隨時(shí)間的變化統(tǒng)稱為力學(xué)松弛。最基本的力學(xué)松弛現(xiàn)象包括蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和力學(xué)損耗等。,理想彈性體、理想粘性液體和粘彈性,所有物質(zhì)均具有粘彈二性,高聚物粘彈性 The viscoelasticity of polymers,For polymers 對(duì)高聚物,非牛頓流體,與彈性體有區(qū)別,Comparison,理想粘性體,理想彈性體,交聯(lián)高聚物,線形高聚物,力學(xué)松弛或粘彈現(xiàn)象,高聚物力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象稱為力學(xué)松弛或粘彈現(xiàn)象,線性粘彈性 Linear viscoelasticity 若粘彈性完全由符合虎克定律的理想彈性體和符合牛頓定律的理想粘性體所組合來(lái)描述，則稱為線性粘彈性。,粘彈性分類,靜態(tài)粘彈性,動(dòng)態(tài)粘彈性,蠕變、應(yīng)力松弛,滯后、內(nèi)耗,Review of relaxation time ,（1） 分子運(yùn)動(dòng)的多樣性Varieties of molecular movements,（2） 分子運(yùn)動(dòng)與時(shí)間的關(guān)系 The relationship with time,（3） 分子運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系 The relationship with temperature,多種運(yùn)動(dòng)單元,多種運(yùn)動(dòng)方式,Small molecules, =10-810-10s,High molecules, =10-110-4s,T,T,分子運(yùn)動(dòng)三特點(diǎn),Time dependence,在一定的溫度和外力作用下，高聚物分子從一種平衡態(tài)過(guò)渡到另一種平衡態(tài)需要一定的時(shí)間。,Temperature dependence 分子運(yùn)動(dòng)的溫度依賴性,Eyrig Equation,E - 松弛所需的活化能 activation energy,T,T,7.2 Creeping and Relaxation 蠕變和應(yīng)力松弛,7.2.1 蠕變 Creep deformation,在恒溫下施加一定的恒定外力時(shí)，材料的形變隨時(shí)間而逐漸增大的力學(xué)現(xiàn)象。,高聚物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性。,理想彈性體和粘性體的蠕變和蠕變回復(fù),對(duì)理想彈性體,對(duì)理想粘性體,（i）普彈形變（e1）： 聚合物受力時(shí)，瞬時(shí)發(fā)生的高分子鏈的鍵長(zhǎng)、鍵角變化引起的形變，形變量較小，服從虎克定律，當(dāng)外力除去時(shí)，普彈形變立刻完全回復(fù)。如右圖：,高分子材料蠕變過(guò)程包括三個(gè)形變過(guò)程：,（ii）高(滯）彈形變（e2）：anelastic 聚合物受力時(shí)，高分子鏈通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的形變，形變量比普彈形變大得多，但不是瞬間完成，形變與時(shí)間相關(guān)。當(dāng)外力除去后，高彈形變逐漸回復(fù)。如下圖：,High elastic deformation,（iii）粘性流動(dòng)（e3）： 受力時(shí)發(fā)生分子鏈的相對(duì)位移，外力除去后粘性流動(dòng)不能回復(fù)，是不可逆形變。,Viscose flow,當(dāng)聚合物受力時(shí)，以上三種形變同時(shí)發(fā)生,For polymer deformation,加力瞬間，鍵長(zhǎng)、鍵角立即產(chǎn)生形變回復(fù)，形變直線上升 通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)，構(gòu)象變化，使形變?cè)龃?分子鏈之間發(fā)生質(zhì)心位移,作用時(shí)間問(wèn)題,(A) 作用時(shí)間短(t?。?，第二、三項(xiàng)趨于零,(B) 作用時(shí)間長(zhǎng)(t大），第二、三項(xiàng)大于第一項(xiàng)，當(dāng)t，第二項(xiàng) 0 / E2 第三項(xiàng)（0t/),表現(xiàn)為普彈(打碎熔體）,表現(xiàn)為粘性（塑料雨衣變形）,Creep recovery 蠕變回復(fù),撤力一瞬間，鍵長(zhǎng)、鍵角等次級(jí)運(yùn)動(dòng)立即回復(fù)，形變直線下降 通過(guò)構(gòu)象變化，使熵變?cè)斐傻男巫兓貜?fù) 分子鏈間質(zhì)心位移是永久的，留了下來(lái),線形和交聯(lián)聚合物的蠕變?nèi)^(guò)程,形變隨時(shí)間增加而增大，蠕變不能完全回復(fù),形變隨時(shí)間增加而增大，趨于某一值，蠕變可以完全回復(fù),線形和交聯(lián)聚合物的蠕變回復(fù),交聯(lián)聚合物,線形聚合物,蠕變的本質(zhì)：分子鏈的質(zhì)心位移,如何防止蠕變？,關(guān)鍵：減少鏈的質(zhì)心位移,鏈柔順性大好不好？,鏈間作用力強(qiáng)好還是弱好？,交聯(lián)好不好？,聚碳酸酯PC Polycarbonate,聚甲醛 POM Polyformaldehyde,強(qiáng)好,弱好,好,不好,好,不好,7.2.2 Stress Relaxation 應(yīng)力松弛,在恒溫下保持一定的恒定應(yīng)變時(shí)，材料的應(yīng)力隨時(shí)間而逐漸減小的力學(xué)現(xiàn)象。,理想彈性體和理想粘性體的應(yīng)力松弛,對(duì)理想彈性體,對(duì)理想粘性體,交聯(lián)和線形聚合物的應(yīng)力松弛,交聯(lián)聚合物,線形聚合物,不能產(chǎn)生質(zhì)心位移，應(yīng)力只能松弛到平衡值,高分子鏈的構(gòu)象重排和分子鏈滑移是導(dǎo)致材料蠕變和應(yīng)力松弛的根本原因。,7.3 Linear viscoelasticity 線性粘彈性,可以用 Hookes solid 和 Newton Liquid 線性組合進(jìn)行描述的粘彈性行為稱為線性粘彈性。, 唯象理論：只考慮現(xiàn)象，不考慮分子運(yùn)動(dòng),組合方式,串聯(lián),并聯(lián),理想彈性體 - Spring 彈簧,Hookes law,理想粘性體 - Dashpot 粘壺,Newtons law,7.3.1 Maxwell element,應(yīng)力等 應(yīng)變加,特點(diǎn),1,2,Maxwell element 受力分析,t=0,t 增大,Kinetic equation 運(yùn)動(dòng)方程,1,2,3,4,5,蠕變分析 Creep Analysis,Newton liquid,即Maxwell element 描述的是理想粘性體的蠕變響應(yīng),5,6,7,應(yīng)力松弛過(guò)程, 總形變固定所以,Discussion,時(shí)間無(wú)窮大時(shí)，應(yīng)力趨于零，模量趨于零。 松弛時(shí)間的概念 = / E,14,14,14”,Relaxation time 松弛時(shí)間,Whats the meaning of = / E ?, Pa *s,單位 Unit,E Pa, s,松弛時(shí)間 是一個(gè)特征時(shí)間,物理含義,When t =,應(yīng)力松弛到初始應(yīng)力的0.368倍時(shí)所需的時(shí)間稱為松弛時(shí)間。,當(dāng)應(yīng)力松弛過(guò)程完成63.2%所需的時(shí)間稱為松弛時(shí)間