高分子材料概述.ppt

第二章 高分子材料概述,主要内容,第一节 材料和高分子材料,1,第二节 高分子材料分类,2,第三节 高分子材料的相关概念、术语,3,第四节 高分子材料的性能,4,2,第五节 高分子材料的研究方法,第一节 材料和高分子材料,材料、能源和信息作为科学技术的三大支柱促进了社会的迅速发展。其中材料是工业发展的基础，是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要 标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史就是一部材料的发展史。,人类社会发展史回顾,第一节 材料和高分子材料,金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,材料分为三大类,每一次材料的重大发现和制造、使用都推动了人类社会向更新更高的阶段，材料是现代社会经济的先导，是社会新的飞跃的标志。,第一节 材料和高分子材料,材料人类社会文明大厦的基石,金属材料长盛不衰 金属材料与人类文明 从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星储氢合金 古老的陶瓷旧貌换新颜 从一个古老的材料王国到现代无机材料的再度辉煌。威力无比的先进结构陶瓷到奇妙无穷的功能陶瓷。年轻的高分子材料千姿百态 20世纪新兴的材料王国现代生活的高分子材料 功能高分子各显神通 先进的复合材料巧夺天工 新型功能材料人类文明进步的阶梯 生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能材料,第一节 材料和高分子材料,材料科学技术几个活跃领域,1生物材料:包括生物医用材料和仿生材料2智能材料:如压电陶瓷和形状记忆合金。3环境材料;4 纳米材料5功能高分子材料:吸水性高分子、导电高分子、发光有机高分子、高分子形状记忆、高分子电解质、高分子压电、有机非线性光学材料、可降解高分子及高分子液晶等。6计算机模拟与材料设计:通过计算机模拟来预测材料的结构、性能及其间的关系，从而达到材料设计，形成了一门“计算材料科学”。,第一节 材料和高分子材料,现代生活中的高分子材料普通塑料,第一节 材料和高分子材料,现代生活中的高分子材料工程塑料,第一节 材料和高分子材料,现代生活中的高分子材料橡胶,第一节 材料和高分子材料,现代生活中的高分子材料纤维,第一节 材料和高分子材料,高分子材料在高科技领域应用也很广泛,第一节 材料和高分子材料,高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。1868年，英国科学家Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。1893年，法国人De Chardonnet发明粘胶纤维。1907年，第一个合成高分子酚醛树脂诞生。1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。1953年获诺贝尔化学奖。,高分子材料发展简史,研究对象之二橡胶的发展,橡树之泪,第一节 材料和高分子材料,1935年，Carothers发明尼龙66，1938年工业化。1839年，30年代，许多烯烃类加聚物被开发出来，PVC（19271937）,PMMA（19271931）,PS（19341937）,PVAc（1936）,LDPE（1939）。40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。丁苯橡胶（1937）,丁腈橡胶（1937）,丁基橡胶（1940）,有机氟材料（1943）,涤纶树脂（19401950）,ABS（1947）。,高分子材料发展简史,ABS树脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是Acrylonitrile Butadiene Styrene的首字母缩写）是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料。,第一节 材料和高分子材料,50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。1963年，Ziegler和Natta分享诺贝尔化学奖。1956年，美国人Szwarc发明活性阴离子聚合，开创了高分子结构设计的先河。50年后期至60年代，大量高分子工程材料问世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亚胺（1962）。,高分子材料发展简史,第一节 材料和高分子材料,60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。特种高分子：高模量高强度、耐高低温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。80年代后，新结构的聚合物有：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。,高分子材料发展简史,为表彰在导电高分子的发展方面所作的贡献，2000年，日本科学家白川英树（H.Shirakawa）、美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）分享诺贝尔化学奖。,From fossil fuel based polymer introductions,Slide based on,1881年3月23日生于德国莱因兰法耳次州的沃尔姆斯；1907年毕业于施特拉斯堡大学，获博士学位。同年聘为卡尔斯鲁厄工业大学副教授。1912年于苏黎世工业大学任为化学教授。1920年，发表“论聚合反应”的论文，提出高分子的概念；1932年，出版划时代的巨著高分子有机化合物 1953年获诺贝尔化学奖；1965年9月8日在弗赖堡逝世，终年84岁。,第一节 材料和高分子材料,施陶丁格尔小传(Hermann Staudinger)(18811965),Karl Ziegler(1903-1979),Giulio Natta(1898-1973),K.Ziegler（德国）,G.Natta（意大利）（1963年诺贝尔奖得主）,第一节 材料和高分子材料,50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。,Ziegler和Natta创造了聚烯烃塑料的新纪元,第一节 材料和高分子材料,P.J.Paul John Flory(19101985)美国高分子科学家。1934年在俄亥俄州州立大学获物理化学博士学位，后任职于杜邦公司，进行高分子基础理论研究。1948年在康奈尔大学任教授。1957年任梅隆科学研究所执行所长。1961年任斯坦福大学化学系教授，1975年退休。1953年当选为美国科学院院士。弗洛里在高分子物理化学方面的贡献，几乎遍及各个领域。他是实验家又是理论家，是高分子科学理论的主要开拓者和奠基人之一。,（1974年诺贝尔奖）,for his fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules,第一节 材料和高分子材料,（2000年诺贝尔奖得主）,H.Shirakawa白川英树(日本),Alan G.MacDiarmid(美国),Alan J.Heeger(美国)：对导电聚合物的发现和发展。,2005 Nobel Chemistry Prize:Grubbs,Schrock,A France Scientist in IndustryContribution:MAO catalysts,第一节 材料和高分子材料,我国近代高分子科学的发展,我国高分子研究起步于50年代初，唐敖庆于1951年，发表 了首篇高分子科学论文。长春应化所1950年开始合成橡胶工作（王佛松，沈之荃）；冯新德50年代在北京大学开设高分子化学专业。何炳林50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究。钱人元于1952年在应化所建立了高分子物理研究组，开展了高分子溶 液性质研究。钱保功50年代初在应化所开始了高聚物粘弹性和辐射化学的研究。徐僖先生50年初成都工学院（四川大学）开创了塑料工程专业。王葆仁先生1952年上海有机所建立了PMMA、PA6研究组,第一节 材料和高分子材料,高分子材料的应用,高分子材料遍及各行各业，各个领域：包装、农林牧渔、建筑、电子电气，交通运输、家庭日用、机械、化工、纺织、医疗卫生、玩具、文教办公、家具等等。,农用塑料：薄膜 灌溉用管。建筑工业：给排水管PVC、HDPE 塑料门窗 涂料油漆 复合地板、家具人造木材、地板 PVC天花板。包装工业：塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等 中空容器：PET、PE、PP等 泡沫塑料：PE、PU等。汽车工业：塑料件、仪表盘、保险机、油箱内饰件、坐垫等。军工工业：飞机和火箭固体燃料（低聚物）、复合纤维等。,第一节 材料和高分子材料,电气工业：绝缘材料（导热性、电阻率）等、导电高分子；电子：通讯光纤、电缆、电线、光盘、手机、电话；家用电器：外壳、内胆（电视、电脑、空调）等。医疗卫生中的应用：人工心脏、人工脏器、人工肾（PU）、人工肌肉、输液管、人工肌肉、输液管、血袋、注射器、可溶缝合线等。防腐工程：耐腐蚀性，防腐结构材料。如水管阀门（PTFE）：230260长期工个 作，适合温度高腐蚀严重的产品。功能高分子：离子交换树脂、高分子分离膜、高吸水性树脂、光刻胶、感光树脂、医 用高分子、液晶高分子、高导电高分子、电致发光高分子等。,高分子材料的应用,第二节 高分子材料的分类,天然高分子材料,改性的天然高分子材料,合成高分子材料,一 按来源分,改性合成高分子材料,为了获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能，除基本组分聚合物之外，还要添加各种添加剂，因此严格地说，高分子化合物与高分子材料的涵义是不同的。,第二节 高分子材料的分类,碳链聚合物：指高分子化合物的的主链完全由碳原子组成，绝大部分聚烯烃及其衍生物都属于此类。,杂链聚合物：杂链聚合物是指大分子主链中除了碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。常见的杂环聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚硫橡胶、聚砜等。,元素有机聚合物：指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、硫、磷等原子组成。典型的例子是有机硅橡胶。,二 按主链结构分,材料的组成及各成分之间的配比从根本上保证了制品的性能，作为主要成分的高分子化合物对制品的性能起主宰作用。,第二节 高分子材料的分类,重要的碳链化合物,第二节 高分子材料的分类,重要的杂链化合物,第二节 高分子材料的分类,典型的元素有机聚合物,有机硅-聚甲基硅氧烷,第二节 高分子材料的分类,三 按用途分,涂料,粘合剂,复合材料,纤维,塑料,橡胶,实际上，按用途分才是真正把高分子材料从材料的角度进行分类的一种方法。,第二节 高分子材料的分类,功能高分子材料,高分子信息转换材料,高分子透明材料,高分子模拟酶,医用、药用高分子材料,高分子记忆材料,生物降解高分子材料,功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存、生物性能等等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料。,按用途分又分为,功能高分子材料,普通高分子材料,第二节 高分子材料的分类,四 按受热后形态变化分类,热塑性高分子在受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转变理论上可重复无穷多次。或者说，热塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等均为热塑性高分子。,热塑性高分子：,热固性高分子在受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。换言之，热固性高分子是不可再生的。能通过加入固化剂使流体状转变为固体状的高分子，也称为热固性高分子。典型的热固性高分子如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。,热固性高分子：,第三节 高分子材料的相关概念、术语,1,2,3,4,通用塑料：,工程塑料：,热塑性塑料：,指产量大、价格便宜、力学性能一般、主要作为非结构材料使用的一类塑料。,指可以作为结构材料使用，具有优异的力学性能、耐热性能、耐磨性能和良好的尺寸稳定性的一类塑料。,指在特定的温度范围内，具有可反复加热软化、冷却硬化特性的塑料品种。,热固性塑料：,指在特定的温度下加热或通过固化剂可发生交联反应，变成既不熔融，也不溶解的塑料制品的塑料品种。,第三节 高分子材料的相关概念、术语,合成树脂,合成纤维,人造纤维,熔体流动速率,第三节 高分子材料的相关概念、术语,生胶,再生胶,硫化,塑化,9,10,11,12,天然的或合成的高分子化合物经过化学处理或加工制成浓缩胶乳或干胶，前者直接用于乳胶制品，后者即为橡胶制品中的生胶。,用过的硫化橡胶经过化学、热、机械加工处理后所制得的，具有一定的可塑性，可重新硫化的橡胶材料，再生胶可部分代替生胶使用。,胶料在一定条件下，橡胶大分子由线型机构转变成网状结构的交联过程。,指塑料在加工设备内经过加热达到流动状态经具有良好的可塑性。,第三节 高分子材料的相关概念、术语,13,14,15,16,微孔高分子材料：,复合材料：,门尼粘度：,指内部具有大量微小气孔的 一类高分子材料，以树脂为基体的称为泡沫塑料；以生胶或胶乳为基体的称为泡沫橡胶，俗称为海绵橡胶。,由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质，用适当的工艺方法组合起来，得到的具有复合效应的多相固态材料。,指胶料在模腔内对粘度计转子转动所产生的剪切阻力。,捻度：,指将拉细的纤维或几根纤维相互抱合在一起，在特定的加捻机上进行，这种工艺过程叫加捻。加捻的程度叫捻度，即纤维每米长度上的捻回数，捻形的方向有你S形和Z形之分。,第三节 高分子材料的相关概念、术语,熔融纺丝,溶液纺丝,湿法纺丝,干法纺丝,第三节 高分子材料的相关概念、术语,21,22,23,24,聚合物共混：,界面：,疲劳破坏：,指两种或两种以上聚合物经混合制成宏观均匀的材料过程，是聚合物改姓最为简便而且有效的方法。,指基体与增强剂或填料之间化学成分有显著的变化，构成彼此结合的、能其负载传递作用的微小区域。,指材料在交变负载的作用下，独渐形成裂缝，并不断扩大引起的低应力破坏。、,线密度：,表示纤维粗细的程度，1000m长纤维质量的克数作为线密度的单位，名称”特克丝”，单位符号为tex。,第四节 高分子材料的性能,高分子材料的力学性能,一,高分子材料的物理性能,2,高分子材料的化学性能,三,4,二,高分子溶液,主要内容,高分子材料应用如此广泛的一个很重要的原因，是高分子材料具有其它材料所不可比拟的性能。,第四节 高分子材料的性能,一 高分子材料的力学性能,1 基本指标,2 高弹性能,3 粘弹性,5 力学强度,4 力学屈服,6 摩擦与磨损,7 疲劳强度,8 蠕变,9 应力驰豫,应力与应变,弹性模量,硬度,强度,拉伸强度,弯曲强度,冲击强度,动态粘弹性,静态粘弹性,对大多数高分材料来说，力学性能是最总有的性能指标。聚合物的力学性能是有结构特性所决定的。,第四节 高分子材料的性能,1 力学性能的基本指标：应力与应变,应力：物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。,应变：物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。,材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材料的力学性能。材料的力学性能通常都是通过实验来认识的，最基本的实验是材料的轴向拉伸和压缩实验。常温静载下的轴向拉伸试验是材料力学中最基本、应用最广泛的试验。通过拉伸试验，可以较全面地测定材料的力学性能指标。,第四节 高分子材料的性能,1 力学性能的基本指标：应力与应变,应力与应变是相辅相成的，有应力就有应变；有应变，就有应力，应力与应变间的关系，完全由材料决定，反映了材料所固有的力学性质。不同的材料会反映出不同的应力应变关系。材料的力学性能和应力应变关系要通过实验得到。,万能材料实验拉力机,几种常见材料的应力应变曲线,第四节 高分子材料的性能,1 力学性能的基本指标（2）：弹性模量,弹性模量：,弹性模量简称模量，是单位应变所需应力的大小，是材料抵抗形变的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易变形程度的一种表征。相应的三种形变对应的模量分别为拉伸模量（E，也称杨氏模量），剪切模量（G），弯曲模量；压缩模量。,1 力学性能的基本指标（3）：硬度,硬度：,硬度是衡量材料抵抗压力的一种指标。实验方法不同名称各异。硬度的大小与材料的拉伸强度与弹性模量有关。分邵氏硬度；巴氏硬度；布式硬度和洛氏硬度。,应力-应变曲线的类型Types of stress-strain curve,1 力学性能的基本指标：应力与应变,第四节 高分子材料的性能,1 力学性能的基本指标（4）：强度,拉伸强度：屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与横切面积之比）称为拉伸强度。一般用MPa为单位,弯曲强度：也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，然后根据最大载荷和最大尺寸，按照公式计算弯曲强度。,冲击强度：曾称抗冲强度，是衡量材料韧性的一种强度指标。定义为试样受冲击载荷破裂时单位面积所吸收的能量。,第四节 高分子材料的性能,2 高弹性能,高弹性能是高分子材料极其重要的性能，其中橡胶一高弹性能作为主要特征。聚合物在高弹态都能表现出一定程度的高弹性，但并非都可以作为橡胶材料使用，作为橡胶材料必须具有一下特点：,弹性模量小，形变大，一般材料的形变量为1%左右，而橡胶的高弹形变很大，可以拉 伸510倍，弹性模量只有一般材料的万分之一左右。,弹性模量与绝对温度成正比，一般材料的温度随温度的提高而下降。,形变时有热效应，伸长时吸热，回缩时放热。,在一定条件下，高弹形变表现出明显的松弛现象。,第四节 高分子材料的性能,3 粘弹性,聚合物的粘弹性是指聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质上是聚合物的力学松弛行为。在玻璃化转变温度以上，非晶态线形聚合物的粘弹性最为明显。对理想的粘性液体即牛顿流体，其应力应变行为遵从牛顿定律；对虎克体，其应力应变行为遵从虎克定律。,静态粘弹性 高聚物的静态粘弹性指在固定应力（或应变）下形变（或应力）随时间的延长而发展的性质。典型的表现是蠕变与应力松弛。,动态粘弹性 高聚物的动态粘弹性指在应力周期性变化下的力学行为，也称动态力学性质。,蠕变：指在一定温度、一定应力作用下材料的形变随时间而增加的现象。,应力松弛：在温度、应力一定的条件下，材料的内应力随时间延长而杜渐减小的现象。,第四节 高分子材料的性能,4 聚合物的力学屈服,典型晶态聚合物的应力应变曲线,YN段为屈服段，缩颈（应变变大，应力下降）,Y点为屈服点，屈服点对应的应力称为屈服强度或屈服应力，一般来讲，屈服应力是聚合物作为结构材料使用的最大应力。,非晶态聚合物在Tg之下，晶态聚合物在Tm 之下，一般都有明显的拉伸屈服现象，屈服的本质是高弹形变，从分子机理而言是大分子链构象改变的结果，对结晶聚合物还包括晶粒的取向、滑移、片晶的破裂、熔化、重结晶等过程。,屈服前就断裂的玻璃态聚合物表现为脆性，屈服后断裂的玻璃态聚合物表现为韧性,第四节 高分子材料的性能,5 聚合物的摩擦与磨耗,摩擦与磨耗在高分子材料的性能指标中没有明显的定量理论，但也属于聚合物重要的力学性能指标。,摩擦与磨耗是同一现象的两个方面。聚合物的摩擦机理与金属材料的并不一样，这是因为聚合物在摩擦过程中要发生粘弹形变。,对于两种硬度差别较大的材料，如聚合物和金属，进行相对滑动时，较硬的材料的凸凹不平处嵌入软质材料表面，形成凹槽。当嵌入的尖端移动时，凹处或者复原，或者软质材料被刮落下来。粘合或嵌入的形变均可因剪切而使材料从软质的表面磨去，这称为磨耗。摩擦可用摩擦系数表示；磨耗可用 临界PV 值表示，P 摩擦压力，V 摩擦速度，PV值越高，材料越耐磨。,第四节 高分子材料的性能,6 聚合物的疲劳强度,概念：疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。,聚合物在周期性交变应力作用下在低于静态强度的应力下破裂，这种现象称为疲劳现象。同样的疲劳现象也可在应力作用下由裂纹发展引起。在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合物的分子量的增加而提高。,疲劳强度和静强度的比值，对大多数热塑性聚合物为1/4，增强材料稍大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可达到0.40.5。一般来讲，这个比值随着分子量及温度的提高而增加。,第四节 高分子材料的性能,7 聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象,1、蠕变 在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。,应用：蠕变影响了材料的尺寸稳定性。例如，精密的机械零件必须采用蠕变小的工程塑料制造；相反聚四氟乙烯的蠕变性很大，利用这一特点可以用作很好的密封材料（即用于密封水管接口等的“生料带”）,第四节 高分子材料的性能,2、应力松弛 所谓应力松弛，就是在固定的温度和形变下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。,实际意义：成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。这种残存的内应力在制品的存放和使用过程中会慢慢发生松弛，从而引起制品翘曲、变形甚至应力开裂。消除的办法是退火或溶胀（如纤维热定形时吹入水蒸汽）以加速应力松弛过程。,7 聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象,第四节 高分子材料的性能,例如，自行车行驶时橡胶轮胎的某一部分一会儿着地，一会儿离地，因而受到的是一个交变力（图7-58）。在这个交变力作用下，轮胎的形变也是一会儿大一会儿小的变化。形变总是落后于应力的变化，这种滞后现象的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的作用。当外力变化时，链段的运动跟不上外力的变化，所以落后于应力，有一个相位差。相位差越大，说明链段运动越困难。,当外力不是静力，而是交变力（即应力大小呈周期性变化）时，应力和应变的关系就会呈现出滞后现象。所谓滞后现象，是指应变随时间的变化一直跟不上应力随时间的变化的现象。,7 聚合物的蠕变、应力松弛与滞后现象,3、滞后现象,第四节 高分子材料的性能,轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为内耗。,8 聚合物的内耗,第四节 高分子材料的性能,总论高聚物具有体积电阻率高（10161020cm）、介电常数小（2）、介质损耗低（104）等绝缘体、半导体特殊优良的电性能，同时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在电器方法应用广泛。,1 高聚物的电性能,二 高分子材料的其它物理性能,第四节 高分子材料的性能,高聚物的介电性,定义,高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出对静电能的储蓄的损耗的性质。,高聚物的极性类别,介电常数（储存电能）；介电损耗（消耗电能）tg,第四节 高分子材料的性能,高聚物的极化（polarization）,非极性高分子：感应极化(电子云位移）（电导损耗：小）极性高分子：取向极化（分子电场中取向）（极化损耗：大，与电场频率、温度有关）（温度，分子链运动，极化程度；交联，取向，介电性；枝化，分子间作用力，取向，介电性）非均向高分子：界面极化（界面极性不同，电场引起电荷聚集）,第四节 高分子材料的性能,高聚物的极化形式,高聚物在电场中极化示意图,第四节 高分子材料的性能,高聚物的介电常数（dielectric constant）,定义,显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q越大，介电常数越大,常见高聚物的介电常数,第四节 高分子材料的性能,高聚物的介电损耗（dielectric loss）,定义,是电介质在交变电场的作用下，将一部分电能转变为热能而损耗的现象。一般用损耗角的正切值表示。,高聚物介电损耗示意图,式中分子为实验测得的介电常数；分母为高聚物将电能转变为热能损耗的程度。电流与电压相位角90-=,介电损耗的原因,对非极性高聚物在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流，载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热能，属于欧姆损耗。,对极性高聚物在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性,不利于高频绝缘，而有利于高频焊接,第四节 高分子材料的性能,部分高聚物的介电损耗,第四节 高分子材料的性能,影响高聚物介电性的因素:,规律：与T一定，极性、极性基团密度，介电常数与介电损耗。,高聚物分子结构对介电性的影响,频率对高聚物介电性的影响,随频率增加而降低。随频率增加存在极大值，并且，频率较高和较低时为零。,T1T2T3,第四节 高分子材料的性能,温度对高聚物介电性的影响,对非极性高聚物，温度对电性能影响不大（介电常数稍微下降）；对极性高聚物，随温度的升高而出现峰值。,湿度对高聚物介电性的影响,湿度，介电常数与介电损耗,第四节 高分子材料的性能,增塑剂对高聚物介电性的影响,规律：对极性高聚物，随增塑剂量的增加，介电常数和介电损耗增大。,实例PVC,高聚物的导电性,高聚物的导电类型,第四节 高分子材料的性能,导电高聚物的应用,第四节 高分子材料的性能,高聚物的绝缘电阻,高聚物的静电现象（electrostatic effect）,高聚物静电现象的产生,主要产生于高聚物与成型加工设备之间的摩擦、拉幅、拉丝等过程。,第四节 高分子材料的性能,静电的利与弊 静电的有利之处静电喷涂、静电印刷、静电照像、静电吸尘等。静电的不利之处影响外观、相互黏结、电器准确性、静电火花、磁带杂音、吸尘等。,高聚物的其他电性能,第四节 高分子材料的性能,部分高聚物材料室温下的线膨胀系数：,2 高聚物的热物理性能,耐热性（HDT）:维卡耐热温度马丁耐热温度热变形温度,第四节 高分子材料的性能,3 高聚物的光性能,光的折射与反射,透明高聚物的光学性质：透光率，雾度（光折射的关系）,高聚物的光学应用,光的传递材料（镜片、光导纤维等）；发光、反光装饰材料（指示灯、反光镜片等）,第四节 高分子材料的性能,4 高聚物的渗透性,第四节 高分子材料的性能,常用高聚物的渗透系数,引起高聚物性能变坏的类型,发硬、变脆是交联的结果,发黏、变色、强度下降、破坏是降解、取代基脱除的结果,第四节 高分子材料的性能,某些高聚物对各种因素影响的抵抗能力情况,是指高聚物在使用或储存过程中，由于受到环境的光、热、氧、潮、霉、化学试剂等的作用，引起高聚物性能变坏的反应。,高聚物的老化,三 高分子的化学性能,第四节 高分子材料的性能,高聚物的降解,指在化学因素或物理因素作用下高聚物分子的聚合度降低的过程。,降解对高聚物性能的直接影响：,引起高聚物材料性能改变，如弹性消失、强度降低、黏性增加等。,高聚物降解反应的利用与克服,在高聚物有效使用过程中要防止降解,克服,第四节 高分子材料的性能,高分子材料的耐化学腐蚀和耐酸碱性能,高分子耐溶剂性有时又叫抗试剂性，就是指高分子材料在化学试剂作用下，抗拒化学试剂的能力，不发生开裂、银纹、溶胀等。高分子材料耐溶剂性能良好，在溶剂侵蚀下仍能保持其机械物理性能。,高分子耐酸碱能力常被称为耐腐蚀能力，主要指抗耐酸能力。,第四节 高分子材料的性能,高分子材料的燃烧性能,大多数高分子材料是可以燃烧的，其燃烧过程是一种复杂的自由基链式反应，首先热降解产生碳氢物片段，再与氧气反应产生自由基，然后开始链式反应，最终生成有毒的挥发物质。,为了防止高分子材料的燃烧，在使用时通常加入阻燃剂，使其具有良好的阻燃性能，阻燃剂大多数是无机物和含卤素、磷原子的有机物。衡量高分子的阻燃性氧指数：1635垂直燃烧试验：V-0；V-1；V-2；HB,第四节 高分子材料的性能,四 高分子溶液,一、高聚物的溶解,非晶态高聚物的溶解,条件：足够量的溶剂、一定量的非晶态高聚物,溶解过程与运动单元：,运动单元：溶剂分子部分链段,运动单元：溶剂分子大部分链段少部分高分子链,运动单元：溶剂分子所有链段所有高分子链,溶胀,无限溶胀,溶解过程的关键步骤是溶胀（swelling）。其中无限溶胀就是溶解，而有限溶胀是不溶解。,第四节 高分子材料的性能,结晶高聚物的溶解,非极性结晶高聚物的溶解,条件：足够量的溶剂，一定量的非极性结晶高聚物，并且加热到熔点附近。溶解过程：加热使结晶熔化，再溶胀、溶解。,极性溶解高聚物的溶解,条件：足够量的强极性溶剂，一定量的极性结晶高聚物，不用加热。溶解过程：通过溶剂化作用溶解,第四节 高分子材料的性能,高聚物溶液的一般特性,聚电解质（polyelectrolyte）溶液,定义：含有可离解基团的一类高聚物所组形成的液体。,应用：,高吸水树脂尿不湿,第四节 高分子材料的性能,高聚物的增塑,为了改进某些聚合物的使用性能和成型性能，常常在聚合物中加入高沸点的小分子液体，这种作用称为增塑，小分子液体称为增塑剂。增塑后的聚合物Tg和脆化温度降低了，可以在较低的温度下成型和使用，其制品的柔韧性、冲击强度、断裂伸长率有所提高。,高分子增塑体系属于高分子浓溶液的范畴,高聚物的熔融纺丝,在纤维工业中，有些聚合物，如：聚丙烯晴、聚乙烯醇、聚氯乙烯等，它们的分解温度比较低，无法通过升温使之处于流动状态，因此只能配成浓溶液，再进行纺丝。,熔融纺丝也属于高分子溶液的范畴,第五节 高分子材料的研究方法,高分子材料结构的测定方法,高分子材料的结构是材料物理性能和力学性能的基础，所以人们了解高分子材料的微观结构、亚微观结构、宏观结构等不同层次的形态和聚集态是必不可少的。,高分子链结构的测定,高分子链的结构测定包括分析鉴别聚合物、定量测定和定性分析聚合物的链结构、研究高聚物的反应、高聚物的支化结构和取向结构等。常用的研究仪器有：大角X射线衍射法，电子衍射法、中心散射法、裂解色谱-质谱法、紫外吸收光谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、微波分光法、荧光光谱、电子能谱法等。,高分子聚集态结构的测定,高分子聚集态结构的测定主要包括高分子结晶状态、溶液中聚合物的状态、共混物和共混物的片层结构等。常用仪器有：小角X射线散射法、电子衍射法、核磁共振吸收、红外吸收光谱、示差扫描量热仪、电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜等。,高分子链的整体结构测定,高分子链整体结构测定包括四部分：分子量的测定；分子量分布的测定；支化度的测定；交联度的测定。分子量的测定可采用溶液光散射法、凝胶渗透色谱法（GPC）、粘度法、扩散法、超速离心法、渗透压法、沸点升高法、端基滴定法等。,第五节 高分子材料的研究方法,分子量分布采用凝胶渗透色谱法（GPC）、熔体流动行为法、分级测定法、超速离心法等。支化度的测定采用化学法、公文光谱法、凝胶渗透色谱法（GPC）、粘度法等。交联度的测定采用溶胀法、力学测量法等。,高分子材料性能的测定方法,力学性能测定,高分子材料的力学性能主要是测定材料的强度和模量、变形。采用的实验方法有拉伸压缩、剪切、弯曲、冲击、蠕变、应力松弛等。相应的试验仪器包括：万能实验机、应力松弛仪、蠕变仪、冲击试验机、动态粘弹谱仪、高低频疲劳试验机等。,物理性能测定,高分子材料的物理性能主要包括电性能、密度、透光性、透气性、吸收性、吸音性等。电性能的测定采用的仪器有：高阻计、电容电桥介电性能测定仪、高压电击穿试验机等；采用比重计和密度梯度法测定材料的密度；采用透光计测透光性；用吸湿计测定吸湿性、吸音计测定吸音性。,第五节 高分子材料的研究方法,热性能测定,高分子材料的热性能主要有材料的导热系数、比热容、热膨胀系数、耐热性、玻璃化温度、分解温度等。测定的仪器有：高低温导热系数测定仪、差示扫描量热仪（DSC）、量热计、线膨胀和体积膨胀测定仪、热失重仪（TG）、差热分析仪（DTA）等。,流变性能测定,高分子材料的流变性能主要是测定粘度、粘度和切变速度的关系、剪切力和切变速率的关系。采用的仪器有：旋转粘度计、熔体流动速率仪、毛细管流变仪。,化性能测定,高分子材料的老化和燃烧性能可以划到高分子材料的化学性能中，老化主要研究热老化、自然老化，一般采用热老化箱、模拟自然的人工气候老化箱；燃烧性能主要指标有氧指数的测定，一般采用氧指数仪测定。,Thank You!,