高分子材料概論第四章-高分子材料性能與表征要點課件

1第四章

高分子材料性能與表征學(xué)習(xí)目的要求了解和掌握高聚物的常用性能如黏流特性、機械強度、力學(xué)、電、及熱性能。1第四章

高分子材料性能與表征學(xué)習(xí)目的要求2

高分子材料用途廣泛的原因是其具有一定的機械強度，可以承受各種形式的外力作用，并且有像某些非金屬材料和金屬材料所具有的使用性能。因此，了解和掌握高分子材料常用性能的內(nèi)在規(guī)律，不僅是合理選用材料的依據(jù)，并且對設(shè)計和開發(fā)新型的高強度、高模量的高分子材料具有重要指導(dǎo)意義。2高分子材料用途廣泛的原因是其具有一定3§4-1高分子材料的流變特性

目的：掌握高聚物的粘流特性，合理控制成型加工過程。一、高聚物的流變性

●定義高聚物的流變性是指高聚物有流動和形變的性能。

●材料形變的類型tttttttttDDDDDD應(yīng)變與時間的關(guān)系應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系類型編號1

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9特點符合虎克定律的理想彈性體不符合虎克定律的理想彈性體能完全回復(fù)的非理想彈性體高彈體具有塑性的非理想彈性體非理想塑性體理想塑性體或稱賓漢流體具有黏彈性的非牛頓流體非牛頓黏性流體牛頓流體

分以下情況：①第1、2、3類屬于彈性形變（包括普彈和高彈）體；②第4、5、6、7類屬于同時具有黏性和彈性的黏彈體，其中第5、6類以塑性為主，第7類以黏性為主，高聚物材料多屬于此類；

③第8、9類屬于黏性液體。3§4-1高分子材料的流變特性目的：掌握高聚物的粘流特4●流體的類型流體的類型理想流體非理想流體＞1＜1n式中：D為剪切速率，為剪切力，η為粘度①當(dāng)n＝1：為第6種類型，為理想塑性體或賓漢流體(p55)。對應(yīng)的是高聚物溶液中的濃溶液，靜止時存在凝膠結(jié)構(gòu)，應(yīng)力超過后結(jié)構(gòu)破壞。②當(dāng)n＞1或n＜1：為第4、5種類型，屬于黏性體或非理想塑性體。高聚物多屬于此類固體，剪切力越大，物體越硬，對同一黏彈體，力作用時間長，剪切力越小。并且，當(dāng)剪切力大于破壞應(yīng)力時，材料為脆性固體；剪切力小于破壞應(yīng)力時，材料呈韌性破壞。理想粘性液體的流動符合牛頓定律，稱為牛頓流體高聚物不符合牛頓定律的流動，稱為非牛頓流體4●流體的類型流體的類型理想流體非理想流體＞1n式中：D為5非牛頓流體又可以分為以下幾類：

假塑性流體：

指流體粘度隨剪切速率增加而減小，稱剪切變稀。是由于高分子流體在剪應(yīng)力的作用下除發(fā)生真正的粘性流動外，還發(fā)生了高彈形變，大分子線團在外力作用下，沿外力方向發(fā)生取向，導(dǎo)致粘度下降。脹流性流體：

指流體粘度隨將切速率增加而增加，稱剪切增稠。一般認(rèn)為是在剪切力下可能形成新的聚集結(jié)構(gòu)，使粘度升高。5非牛頓流體又可以分為以下幾類：6液體的表觀黏度與切變速率的關(guān)系：右圖中線1為牛頓液體；線2為脹流性流體；線3為假塑性流體。D123η6液體的表觀黏度與切變速率的關(guān)系：D123η7有些流體的粘度變化會呈現(xiàn)可逆的依時性，有以下兩種情況：①在恒定的將切速率和剪切力作用下，一些流體的粘度隨時間的增加而降低，這種流體稱為觸變性流體。說明結(jié)構(gòu)不斷破壞，當(dāng)剪切作用停止一段時間，結(jié)構(gòu)又回復(fù)。（聚合物流體的觸變行為在涂料工業(yè)中有重要意義）②在恒定的剪切速率和剪切力作用下，一些流體的粘度隨時間的增加而增加，這種流體稱為震凝性流體。7有些流體的粘度變化會呈現(xiàn)可逆的依時性，有以下兩種情況：8

粘度是表示聚合物熔體流動性好壞的一項指標(biāo)，對于成型加工條件的選擇具有重要意義，粘度低，流動性好，聚合物熔體易于注滿模型空腔，反之亦然。二、影響聚合物熔體粘度的因素影響聚合物熔體粘度的因素高聚物分子鏈的結(jié)構(gòu)高聚物相對分子質(zhì)量溫度壓力8粘度是表示聚合物熔體流動性9

●高聚物分子鏈的結(jié)構(gòu)對流變性的影響規(guī)律：剛性鏈，黏度大，流動性?。蝗嵝枣?，容易流動。

●相對分子質(zhì)量及分布對高聚物流變性的影響

規(guī)律：①相對分子質(zhì)量越大，流動阻力越大，粘度越大，越難于流動。②

分布寬比分布窄的容易流動。原因是相對分子質(zhì)量小的部分制止了增塑劑的作用。9●高聚物分子鏈的結(jié)構(gòu)對流變性的影響10●溫度對高聚物流變性的影響

一般規(guī)律是溫度升高，鏈段活動能力增強，分子間相互作用力減弱，因此粘度降低，流動性增強。（1）剛性高分子的粘度對溫度敏感性較大，可通過升溫以降低粘度，使之易于成型加工。（2）柔性高分子的粘度對溫度敏感性較小，故不能靠增溫，而且溫度升高很大很可能使聚合物發(fā)生降解，從而降低制品質(zhì)量，并且使設(shè)備損耗增加，故常用提高剪切速率或剪切力來提高流動性。

10●溫度對高聚物流變性的影響11補充知識點：一、高聚物熔體流動中的彈性效應(yīng)高聚物熔體流動中的彈性效應(yīng)表現(xiàn)為能夠發(fā)生可回復(fù)性形變、法向應(yīng)力效應(yīng)、擠出物膨大現(xiàn)象、不穩(wěn)定流動等現(xiàn)象。

●可回復(fù)性切變形變即：高聚物熔體在流動時所發(fā)生的形變由兩部分組成，一是可回復(fù)性形變，二是由黏性流動產(chǎn)生的形變，其中前者所占的比例較大。

11補充知識點：一、高聚物熔體流動中的彈性效應(yīng)12●法向應(yīng)力效應(yīng)在攪動過程中，低分子液體的液面中間低，四周高；而高聚物熔體或溶液卻是中間高，而四周低。低分子液體高聚物熔體12●法向應(yīng)力效應(yīng)在攪動過程中，低分子液體的液面中間低，四周13

●擠出物膨大現(xiàn)象

出口膨脹與剪切速率的關(guān)系剪切速率（s－1）2.22.01.81.61.41.21.010－1100101102103100101102103出口膨脹，直徑之比表觀粘度（Pa·s）a-高聚物流體從d0變到d∞；b-管內(nèi)速度分布；c-遠離管口時速度的平面分布d0d0d∞d∞abcz13出口膨脹與剪切速率的關(guān)系剪切速率（s－1）2.22.14

▓實例熔融紡絲過程中的熔體噴出和形變情況低剪切速率剪切速率加大高剪切速率剪切的彈性回復(fù)張力延伸形變速率為零相關(guān)的解釋高分子鏈在管道內(nèi)處于高速剪切，鏈段被舒展開來，相當(dāng)于受到拉伸而使鏈段取向，熔體出現(xiàn)各向異性。當(dāng)熔體突然放大或從管道中流出而使高分子鏈突然“自由化”，至使在管道中形成高彈形變立即得以回復(fù)，分子鏈又恢復(fù)到大體無序的平衡狀態(tài)，鏈間距離增大，以至出現(xiàn)流束膨脹。14▓實例熔融紡絲過程中的熔體噴出和形變情況低剪切速率15

●不穩(wěn)定流動高聚物熔體在擠出時，如果切應(yīng)力超過一定極限時，熔體將出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，其現(xiàn)象是擠出物表面不光滑、不規(guī)范。波浪形鯊魚皮形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破碎形15●不穩(wěn)定流動波浪形鯊魚皮形竹節(jié)形螺旋形不規(guī)則破碎形16二、熔融黏度測定(p57)AA12354A－A熔融指數(shù)測定儀1-重錘；2-柱塞；3-塑化室4-溫度計；5-出料孔熔融黏度的測定方法毛細管黏度計法、熔融指數(shù)測定法、旋轉(zhuǎn)式黏度計法、落球式黏度計法。熔融指數(shù)測定儀如圖所示。原理：高聚物熔體試樣在規(guī)定的溫度、壓力下，在一定時間內(nèi)流過標(biāo)準(zhǔn)出料孔的重量，記為熔融指數(shù)MI，以g/10min表示。16二、熔融黏度測定(p57)AA12354A－A熔融指17

●常見的材料力學(xué)術(shù)語材料力學(xué)術(shù)語外力（externalforce）

內(nèi)力（）

應(yīng)力（stress）

應(yīng)變（strain）

形變（）

強度（strength）

泊松比（Poisson’sratio）

模量（module）

柔量（）

抗張強度（tensilestrength

）

抗彎強度（flexuralstrength

）

抗沖擊強度（impactstrength

）

硬度（hardness）

回彈性（resilience）

韌性（tenacity）

疲勞（fatiguelife）

§4-2高分子材料的機械強度17●常見的材料力學(xué)術(shù)語材料力學(xué)術(shù)語外力（externa18一、等速拉伸及應(yīng)力-應(yīng)變曲線

●拉伸的工業(yè)應(yīng)用為增加纖維的拉伸強度而進行單軸拉伸；為增加塑料薄膜的強度而進行雙軸拉伸。

●線型非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸過程高分子鏈的三種運動情況：

▲彈性形變（開始～A點）應(yīng)變隨應(yīng)力的增加而增大，服從虎克定律，具有普彈性能；運動單元為鍵長、鍵角。對應(yīng)為彈性伸長極限。

▲強迫高彈形變（A點～B點）

中間經(jīng)過屈服點Y，對應(yīng)的表示高聚物材料對抗永久形變的能力；形變能力300%～1000%，并且可逆；運動單元為鏈段。

▲黏流形變（B點后）形變?yōu)椴豢赡妫ㄓ谰眯巫儯?；運動單元為鏈段、大分子鏈。應(yīng)變應(yīng)力AYBA-彈性極限；Y-屈服點；B-斷裂點18一、等速拉伸及應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變應(yīng)力AYBA-彈性極限；19

▲可以作為工程塑料的高聚物△材料硬而脆剛性制品，不宜沖擊，能承受靜壓力

典型實例：酚醛塑料制品△材料硬而強高模量高抗張，斷裂伸長小或無屈服

典型實例：PVC硬制品△材料硬而韌高模量高抗張，斷裂伸長大，有屈服

典型實例：聚碳酸酯制品

●非晶高聚物的六種應(yīng)力-應(yīng)變曲線與使用的關(guān)系19▲可以作為工程塑料的高聚物△材料硬而脆剛性制品，不20

▲可以作為形變較大的材料

▲無使用價值的材料△材料軟而韌低模量低屈服，斷裂伸長率及強度大

典型實例：硫化橡膠、LDPE制品△材料軟而弱低模量低強度，斷裂伸長率中等

典型實例：未硫化天然橡膠△材料弱而脆一般為低聚物20▲可以作為形變較大的材料△材料軟而韌低模量低屈服，21

●未取向的晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

●不同溫度下的高聚物應(yīng)力-應(yīng)變曲線

OYNDBOY段YN段ND段DB段D點OY段YN段ND段D點DB段試樣形狀變化123456789非晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，材料處于硬玻璃態(tài)，無強迫高彈性3，4，5-溫度處于脆性溫度與玻璃化溫度之間，為軟玻璃態(tài)6，7，8-溫度處于玻璃化溫度與黏流溫度之間，為高彈態(tài)9-溫度處于黏流溫度以上，為黏流態(tài)21●未取向的晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線OYNDBOY段221234567晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，拉伸行為類似彈性固體3，4，5-溫度介于脆性溫度與玻璃溫度期間，為軟玻璃態(tài)6，7-溫度較高，低于熔點，拉伸行為類似非晶態(tài)橡膠三、影響強度的因素影響強度的因素低分子摻合物對強度的影響相對分子質(zhì)量對強度的影響交聯(lián)、結(jié)晶、取向?qū)姸鹊挠绊懱畛湮飳姸鹊挠绊懖牧现腥毕輰姸鹊挠绊?21234567晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1，223

●相對分子質(zhì)量及分布對強度的影響

規(guī)律：強度隨相對分子質(zhì)量的增大而增加，分布寬窄影響不大，但低聚物部分增加時，因低分子部分發(fā)生分子間斷裂而使強度下降。

●低分子摻合物對強度的影響

規(guī)律：低分子物質(zhì)的加入降低強度。

▓實例增塑劑的加入能降低強度，但對脆性高聚物而言，少量加入低分子物質(zhì)，能增加強度。

●交聯(lián)對強度的影響

規(guī)律：適度交聯(lián)增加強度，但過度交聯(lián)，在受外力時，會使應(yīng)力集中而降低強度。

▓實例橡膠的適度交聯(lián)。

●結(jié)晶對強度的影響

規(guī)律：結(jié)晶度增大，強度增加，但材料變硬而脆；大球晶增加斷裂伸長率，小球晶增加韌性、強度、模量等；纖維狀晶體強度大于折疊晶體強度。

▓實例緩慢降溫有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。

●取向?qū)姸鹊挠绊?/p>

規(guī)律：取向能增加取向方向上材料的強度。23●相對分子質(zhì)量及分布對強度的影響24

●填充物對強度的影響規(guī)律：適當(dāng)填充活性填料增加強度。實例橡膠填充炭黑；玻璃鋼填充玻璃纖維。

●材料中缺陷對強度的影響缺陷指向與危害：雜質(zhì)、不塑化樹脂粒、氣泡、降解物等造成微小裂紋，當(dāng)材料受到外力作用時，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使材料斷裂、破壞。局部放大24●填充物對強度的影響局部放大25§4-3高聚物的其他性能一、高聚物的電性能

高聚物具有體積電阻率高（1016～1020Ω·cm）、介電常數(shù)小（≤2）、介質(zhì)損耗低（＜10－4）等半導(dǎo)體特殊優(yōu)良的電性能，同時某些高聚物還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在電器方法應(yīng)用廣泛。

25§4-3高聚物的其他性能一、高聚物的電性能26

▲導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用電子導(dǎo)電高聚物導(dǎo)電材料電極材料電顯示材料化學(xué)反應(yīng)催化劑有機分子開關(guān)離子導(dǎo)電高聚物代替電解質(zhì)材料全固態(tài)電池氧化還原導(dǎo)電高聚物各種電極材料特種電極修飾材料26▲導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用電子導(dǎo)電高聚物導(dǎo)電27二、高聚物的光學(xué)性能

●光的折射與反射

▲透明高聚物的光學(xué)性質(zhì)

▲高聚物的光學(xué)應(yīng)用光的傳遞材料（鏡片、光導(dǎo)纖維等）；發(fā)光、反光裝飾材料（指示燈、反光鏡片等）高聚物的光學(xué)性能光的透過光的吸收光的折射光的反射光的偏振高聚物折射率光透過率，%高聚物折射率光透過率，%聚甲基丙烯酸甲酯醋酸纖維聚乙烯醇縮丁醛1.491.491.48948771聚苯乙烯酚醛樹脂1.601.60908527二、高聚物的光學(xué)性能高聚物的光學(xué)性能光的透過高聚物折射率28

●雙折射與偏振主要體現(xiàn)在