聚合物的粘彈性

第7章

聚合物的粘彈性TheViscoelasticityofPolymers【掌握內(nèi)容】

1．基本概念：蠕變，應(yīng)力松弛，動(dòng)態(tài)粘彈性,滯后與阻尼，Boltzmann疊加原理，時(shí)-溫等效原理，松弛(遲后)時(shí)間及其松弛(遲后)時(shí)間譜。2.高分子材料(包括高分子固體，熔體及濃溶液)的力學(xué)行為特性，粘彈性本質(zhì)。3．描述聚合物粘彈性的力學(xué)模型及所描述的聚合物的力學(xué)過程?！臼煜?nèi)容】1.Maxwell模型與Voigt(或Kelvin)模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。2.WLF方程及應(yīng)用。3.粘彈性的研究方法。

高聚物粘彈性

聚合物受力時(shí)，應(yīng)力同時(shí)依賴于應(yīng)變

和應(yīng)變速率，即具備固、液二性，其力學(xué)行為介于理想彈性體和理想粘性體之間。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。7.1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描述，則稱為線性粘彈性Linearviscoelasticity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7.1.1靜態(tài)粘彈性(1)

蠕變Creepdeformation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)定性和長期負(fù)載能力線形和交聯(lián)聚合物的蠕變?nèi)^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)et線形聚合物交聯(lián)聚合物(2)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。交聯(lián)和線形聚合物的應(yīng)力松弛不能產(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。交聯(lián)聚合物線形聚合物7.1.2動(dòng)態(tài)粘彈性

交變應(yīng)力（應(yīng)力大小呈周期性變化）或交變應(yīng)變滯后：是在交變應(yīng)力的作用力下，應(yīng)變隨時(shí)間的變化一直跟不上應(yīng)力隨時(shí)間的變化現(xiàn)象。內(nèi)耗：存在滯后現(xiàn)象時(shí)，每一次拉伸-回縮循環(huán)中所消耗的功，消耗的功轉(zhuǎn)為熱量被釋放。滯后現(xiàn)象受到外力時(shí),鏈段通過熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到新平衡需要時(shí)間(受到內(nèi)摩擦力的作用),由此引起應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象.外力作用的頻率與溫度對(duì)滯后現(xiàn)象有很大的影響.產(chǎn)生滯后原因次級(jí)運(yùn)動(dòng)Tg

和Tm轉(zhuǎn)變定認(rèn)為a轉(zhuǎn)變,其它的轉(zhuǎn)變(松弛)過程按溫度從高到低,依次叫b、g、d...,統(tǒng)稱為次級(jí)松弛tandTabgd7.3黏彈性的力學(xué)模型用理想彈簧和理想黏壺，以各種不同方式組合起來，可模擬高聚物的力學(xué)松弛過程。理想彈簧Hooke’slaw理想黏壺Newton’slaw7.3.1Maxwell模型-模擬線性高聚物的應(yīng)力松弛過程由一個(gè)理想彈簧和黏壺串聯(lián)而成，σ＝σ1＝σ2，

ε＝ε1＋

ε2Maxwell模型的運(yùn)動(dòng)方程Maxwell模型的缺點(diǎn)（1）無法描述聚合物的蠕變。Maxwell模型描述的是理想粘性體的蠕變響應(yīng)。（2）只能描述線型聚合物的應(yīng)力松弛,對(duì)交聯(lián)聚合物的應(yīng)力松弛不適用，因?yàn)榻宦?lián)聚合物的應(yīng)力不可能松弛到零。7.3.2Kelvin模型-模擬交聯(lián)高聚物蠕變過程由一個(gè)理想彈簧和黏壺并聯(lián)而成，當(dāng)拉力作用在模型上，由于黏壺的存在，彈簧不能立刻被拉開，只能隨著黏壺一起慢慢被拉開，因此形變是逐漸發(fā)展的，若外力除去，由于彈簧的回復(fù)力，使整個(gè)模型的形變也慢慢回復(fù)。Kelvin模型的缺點(diǎn)（1）無法描述聚合物的應(yīng)力松弛。Kelvinelement

描述的是理想彈性體的應(yīng)力松弛響應(yīng)。（2）不能反映線形聚合物的蠕變，因?yàn)榫€形聚合物蠕變中有鏈的質(zhì)心位移，形變不能完全回復(fù)。7.3.3四元件模型-模擬線性高聚物蠕變過程形變由三個(gè)部分組成：（1）普彈形變由一個(gè)彈簧E1來模擬（2）高彈形變由彈簧E2和黏壺η2并聯(lián)模擬（3）黏性流動(dòng)由黏壺η3來模擬7.4波爾茲曼疊加原理

Basiccontent基本內(nèi)容（1）先前載荷歷史對(duì)聚合物材料形變性能有影響；即試樣的形變是負(fù)荷歷史的函數(shù)（2）多個(gè)載荷共同作用于聚合物時(shí)，其最終形變性能與個(gè)別載荷作用有關(guān)系；即每一項(xiàng)負(fù)荷步驟是獨(dú)立的，彼此可以疊加7.4粘彈性的時(shí)溫等效原理

升高溫度與延長時(shí)間能夠達(dá)到同一個(gè)結(jié)果?！獣r(shí)溫等效觀察某種力學(xué)響應(yīng)或力學(xué)松弛現(xiàn)象低溫下長時(shí)間觀察高溫下短時(shí)間觀察