高分子材料概论第四章--高分子材料性能与表征要点课件.ppt

1,第四章高分子材料性能与表征,学习目的要求了解和掌握高聚物的常用性能如黏流特性、机械强度、力学、电、及热性能。,2,高分子材料用途广泛的原因是其具有一定的机械强度，可以承受各种形式的外力作用，并且有像某些非金属材料和金属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内在规律，不仅是合理选用材料的依据，并且对设计和开发新型的高强度、高模量的高分子材料具有重要指导意义。,3,4-1高分子材料的流变特性,目的：掌握高聚物的粘流特性，合理控制成型加工过程。一、高聚物的流变性定义高聚物的流变性是指高聚物有流动和形变的性能。材料形变的类型,分以下情况：第1、2、3类属于弹性形变（包括普弹和高弹）体；第4、5、6、7类属于同时具有黏性和弹性的黏弹体，其中第5、6类以塑性为主，第7类以黏性为主，高聚物材料多属于此类；第8、9类属于黏性液体。,4,流体的类型,式中：D为剪切速率，为剪切力，为粘度,当n1：为第6种类型，为理想塑性体或宾汉流体(p55)。对应的是高聚物溶液中的浓溶液，静止时存在凝胶结构，应力超过后结构破坏。当n1或n1：为第4、5种类型，属于黏性体或非理想塑性体。高聚物多属于此类固体，剪切力越大，物体越硬，对同一黏弹体，力作用时间长，剪切力越小。并且，当剪切力大于破坏应力时，材料为脆性固体；剪切力小于破坏应力时，材料呈韧性破坏。理想粘性液体的流动符合牛顿定律，称为牛顿流体高聚物不符合牛顿定律的流动，称为非牛顿流体,5,非牛顿流体又可以分为以下几类：假塑性流体：指流体粘度随剪切速率增加而减小，称剪切变稀。是由于高分子流体在剪应力的作用下除发生真正的粘性流动外，还发生了高弹形变，大分子线团在外力作用下，沿外力方向发生取向，导致粘度下降。胀流性流体：指流体粘度随将切速率增加而增加，称剪切增稠。一般认为是在剪切力下可能形成新的聚集结构，使粘度升高。,6,液体的表观黏度与切变速率的关系：右图中 线1为牛顿液体；线2为胀流性流体；线3为假塑性流体。,7,有些流体的粘度变化会呈现可逆的依时性，有以下两种情况：在恒定的将切速率和剪切力作用下，一些流体的粘度随时间的增加而降低，这种流体称为触变性流体。说明结构不断破坏，当剪切作用停止一段时间，结构又回复。（聚合物流体的触变行为在涂料工业中有重要意义）在恒定的剪切速率和剪切力作用下，一些流体的粘度随时间的增加而增加，这种流体称为震凝性流体。,8,粘度是表示聚合物熔体流动性好坏的一项指标，对于成型加工条件的选择具有重要意义，粘度低，流动性好，聚合物熔体易于注满模型空腔，反之亦然。二、影响聚合物熔体粘度的因素,9,高聚物分子链的结构对流变性的影响 规律：刚性链，黏度大，流动性小；柔性链，容易流动。相对分子质量及分布对高聚物流变性的影响 规律：相对分子质量越大，流动阻力越大，粘度越 大，越难于流动。分布宽比分布窄的容易流动。原因是相对分子质量小的部分制止了增塑剂的作用。,10,温度对高聚物流变性的影响 一般规律是温度升高，链段活动能力增强，分子间相互作用力减弱，因此粘度降低，流动性增强。（1）刚性高分子的粘度对温度敏感性较大，可通过升温以降低粘度，使之易于成型加工。（2）柔性高分子的粘度对温度敏感性较小，故不能靠增温，而且温度升高很大很可能使聚合物发生降解，从而降低制品质量，并且使设备损耗增加，故常用提高剪切速率或剪切力来提高流动性。,11,补充知识点：,一、高聚物熔体流动中的弹性效应 高聚物熔体流动中的弹性效应表现为能够发生可回复性形变、法向应力效应、挤出物膨大现象、不稳定流动等现象。可回复性切变形变即：高聚物熔体在流动时所发生的形变由两部分组成，一是可回复性形变，二是由黏性流动产生的形变，其中前者所占的比例较大。,12,法向应力效应,低分子液体,高聚物熔体,13,挤出物膨大现象,14,实例熔融纺丝过程中的熔体喷出和形变情况,相关的解释高分子链在管道内处于高速剪切，链段被舒展开来，相当于受到拉伸而使链段取向，熔体出现各向异性。当熔体突然放大或从管道中流出而使高分子链突然“自由化”，至使在管道中形成高弹形变立即得以回复，分子链又恢复到大体无序的平衡状态，链间距离增大，以至出现流束膨胀。,15,不稳定流动高聚物熔体在挤出时，如果切应力超过一定极限时，熔体将出现不稳定流动，其现象是挤出物表面不光滑、不规范。,16,二、熔融黏度测定(p57),17,常见的材料力学术语,4-2高分子材料的机械强度,18,一、等速拉伸及应力-应变曲线拉伸的工业应用为增加纤维的拉伸强度而进行单轴拉伸；为增加塑料薄膜的强度而进行双轴拉伸。线型非晶态高聚物的应力-应变曲线拉伸过程高分子链的三种运动情况：弹性形变（开始A点）应变随应力的增加而增大，服从虎克定律，具有普弹性能；运动单元为键长、键角。对应为弹性伸长极限。强迫高弹形变（A点B点）中间经过屈服点Y，对应的表示高聚物材料对抗永久形变的能力；形变能力300%1000%，并且可逆；运动单元为链段。黏流形变（B点后）形变为不可逆（永久形变）；运动单元为链段、大分子链。,19,可以作为工程塑料的高聚物,非晶高聚物的六种应力-应变曲线与使用的关系,20,可以作为形变较大的材料无使用价值的材料,21,未取向的晶态高聚物的应力-应变曲线不同温度下的高聚物应力-应变曲线,1,2,3,4,5,6,7,8,9,非晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线,22,三、影响强度的因素,23,相对分子质量及分布对强度的影响规律：强度随相对分子质量的增大而增加，分布宽窄影响不大，但低聚物部分增加时，因低分子部分发生分子间断裂而使强度下降。低分子掺合物对强度的影响规律：低分子物质的加入降低强度。实例增塑剂的加入能降低强度，但对脆性高聚物而言，少量加入低分子物质，能增加强度。交联对强度的影响规律：适度交联增加强度，但过度交联，在受外力时，会使应力集中而降低强度。实例橡胶的适度交联。结晶对强度的影响规律：结晶度增大，强度增加，但材料变硬而脆；大球晶增加断裂伸长率，小球晶增加韧性、强度、模量等；纤维状晶体强度大于折叠晶体强度。实例缓慢降温有利形成大球晶，淬火有利形成小球晶。取向对强度的影响规律：取向能增加取向方向上材料的强度。,24,填充物对强度的影响规律：适当填充活性填料增加强度。实例橡胶填充炭黑；玻璃钢填充玻璃纤维。材料中缺陷对强度的影响缺陷指向与危害：杂质、不塑化树脂粒、气泡、降解物等造成微小裂纹，当材料受到外力作用时，在缺陷处产生应力集中，致使材料断裂、破坏。,局部放大,25,4-3高聚物的其他性能,一、高聚物的电性能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。,26,导电高聚物的应用,27,二、高聚物的光学性能光的折射与反射透明高聚物的光学性质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）,28,双折射与偏振主要体现在单向拉伸和双向拉伸后的高聚物材料的测试上。进而反映高聚物的内部结构情况。光散射主要反应在薄膜的性能测试上。三、高聚物的透气性能,29,四、高聚物的热物理性能部分高聚物材料室温下的线膨胀系数,30,4-4高分子材料的现代分析简介,一、光谱分析 红外光谱、紫外光谱、质磁共振谱、核磁共振谱、电子顺磁共振或电子自旋共振谱、X射线衍射、拉曼光谱二、热分析 热质量分析（TGA）、示差扫描量热法（DSC）、差热分析（DTA）、裂解气相色谱（PGC）、热机械分析（TMA）,