高分子物理高分子的力学性能.pptx

引引 言言 高聚物作为材料使用时，总是要求高聚物具有必高聚物作为材料使用时，总是要求高聚物具有必要的力学性能，可以说，对于其大部分应用而言，要的力学性能，可以说，对于其大部分应用而言，力力学性能比高聚物的其他物理性能显得更为重要。学性能比高聚物的其他物理性能显得更为重要。第第1页/共共72页引引 言言 随着高分子材料的大量应用，人们迫切需要随着高分子材料的大量应用，人们迫切需要了解了解和掌握聚合物的力学性质的一般规律和特点及其与结和掌握聚合物的力学性质的一般规律和特点及其与结构之间的关系构之间的关系，以恰当选择所需要的高分子材料，正，以恰当选择所需要的高分子材料，正确地控制加工的条件以获得所需的力学性能，并合理确地控制加工的条件以获得所需的力学性能，并合理使用。使用。第第2页/共共72页引引 言言 高分子材料具有所有已知材料中高分子材料具有所有已知材料中可变性范围最宽可变性范围最宽的力学性质的力学性质，包括从液体、软橡胶态到刚性固体。然，包括从液体、软橡胶态到刚性固体。然而，与金属材料相比，而，与金属材料相比，高分子材料对温度和时间的依高分子材料对温度和时间的依赖型要强烈得多赖型要强烈得多，表现为高分子材料的粘弹性。高分，表现为高分子材料的粘弹性。高分子材料的这种力学行为显得复杂而有趣，为不同的应子材料的这种力学行为显得复杂而有趣，为不同的应用提供了广阔的选择余地。用提供了广阔的选择余地。第第3页/共共72页 内容提要内容提要内容提要内容提要 1.玻璃态和结晶态聚合物的力学性质玻璃态和结晶态聚合物的力学性质 2.高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 3.聚合物的力学松弛粘弹性聚合物的力学松弛粘弹性 第第4页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 一、一、描述力学性质的基本物理量描述力学性质的基本物理量 1.应力与应变应力与应变 （1）应力：）应力：单位面积上的附加内力，其值与单位面积单位面积上的附加内力，其值与单位面积上所受的外力相等。上所受的外力相等。（2）应变：）应变：当材料受到外力时，其几何形状和尺寸将当材料受到外力时，其几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为应变。发生变化，这种变化称为应变。第第5页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质根据材料受力的方式，将各向同性材料分为三类：根据材料受力的方式，将各向同性材料分为三类：a.拉伸应力和拉伸应变拉伸应力和拉伸应变 b.剪切应力和剪切应变剪切应力和剪切应变 c.围压力围压力和压缩应变和压缩应变 第第6页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 2.弹性模量弹性模量 对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律：律：弹性模量弹性模量=应力应力/应变应变 上述三种类型的弹性模量相应地为：上述三种类型的弹性模量相应地为：（1）杨氏模量：杨氏模量：E=/（2）剪切模量：剪切模量：G=s/（3）体积模量：体积模量：B=PV0/V 第第7页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 3.机械强度机械强度 机械强度是材料力学性能的重要指标，它是指材机械强度是材料力学性能的重要指标，它是指材料抵抗外力破坏的能力。料抵抗外力破坏的能力。机械强度的测试是参照国际机械强度的测试是参照国际标准和本国标准进行。标准和本国标准进行。第第8页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 二、二、几种常用力学性能的指标几种常用力学性能的指标 1.拉伸强度拉伸强度 拉伸强度是在规定的试验温度、湿度和试验速度拉伸强度是在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样被下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止。拉断为止。第第9页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质第第10页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 弯曲强度是在规定试验条件下，对标准试样施力。弯曲强度是在规定试验条件下，对标准试样施力。静弯曲力矩直到试样折断为止静弯曲力矩直到试样折断为止。2.弯曲强度（挠曲强度）弯曲强度（挠曲强度）第第11页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 冲冲击击强强度度是是衡衡量量材材料料韧韧性性的的一一种种强强度度指指标标，表表征征材材料料抵抵抗抗冲冲击击载载荷荷破破坏坏的的能能力力。通通常常定定义义为为试试样样受受冲冲击载荷而折断时单位载面积所吸收的能量。击载荷而折断时单位载面积所吸收的能量。3.冲击强度冲击强度 第第12页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质第第13页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 硬硬度度是是衡衡量量材材料料表表面面抵抵抗抗机机械械压压力力的的能能力力的的一一种种指指标标。常常见见的的硬硬度度有有布布氏氏、洛洛氏氏、和和邵邵氏氏等等名名称称，通通常布氏硬度最为常见。常布氏硬度最为常见。4.硬度硬度 第第14页/共共72页 三、三、屈服现象屈服现象 1.应力与应变曲线应力与应变曲线 图图79 玻璃态和结晶态高聚物的应力玻璃态和结晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质第第15页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1）B点点以以前前是是弹弹性性部部分分，应应力力与与应应变变成成正正比比，去去除除应应力力，材材料料可可恢恢复复原原样样，不不产产生生永永久久形形变变，由由直直线线的斜率可求出材料的弹性模量。的斜率可求出材料的弹性模量。第第16页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）B点点以以后后，材材料料呈呈现现塑塑性性行行为为，去去除除应应力力，材材料料无无法法复复原原，留留有有永永久久形形变变。B点点为为屈屈服服点点，对对应应的的应力称为应力称为屈服应力或屈服强度屈服应力或屈服强度。第第17页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 屈屈服服点点之之后后，应应力力有有所所下下降降，在在较较小小的的负负荷荷下下即即可可产产生生形形变变，称称为为应应变变软软化化。之之后后应应力力几几乎乎不不变变的的情情况况下下应应变变有有很很大大程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。第第18页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 四、四、几类高聚物的拉伸行为几类高聚物的拉伸行为 1.玻璃态高聚物的拉伸玻璃态高聚物的拉伸 第第19页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1）当当TTg是，应力与应变成正比，最后应变不是，应力与应变成正比，最后应变不到到10%就发生断裂的（就发生断裂的（曲线曲线），称为），称为脆性断裂脆性断裂。第第20页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）当温度稍升高些，但仍在当温度稍升高些，但仍在Tg以下，以下，曲线曲线上出现了一上出现了一个屈服点个屈服点B，过了，过了B点，应力反而下降，试样应变增大，继续拉点，应力反而下降，试样应变增大，继续拉伸，试样将发生断裂，总的应变不超过伸，试样将发生断裂，总的应变不超过20%，称为，称为韧性断裂。韧性断裂。第第21页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （3）当温度升高到当温度升高到Tg以下几十度范围内，如以下几十度范围内，如曲线曲线，过了，过了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，点断裂，C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率。第第22页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （4）当温度升至当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大以上，试样进入高弹态，在应力不大时，就可发生高弹形变，如时，就可发生高弹形变，如曲线曲线，无屈服点，而呈现一段，无屈服点，而呈现一段较长的平台，直到试样断裂前，曲线又出现急剧的上升。较长的平台，直到试样断裂前，曲线又出现急剧的上升。第第23页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 2.结晶态高聚物的拉伸结晶态高聚物的拉伸 第第24页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1）应力随应变线性增加，试样被均匀的拉长，应力随应变线性增加，试样被均匀的拉长，伸长率可达百分之几到十几。伸长率可达百分之几到十几。第第25页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）到到B点后，被拉伸的试样出现一个或几个点后，被拉伸的试样出现一个或几个“细颈细颈”，细颈部长不断扩展，直到整个试样完全细变为止，在这，细颈部长不断扩展，直到整个试样完全细变为止，在这个阶段，应力变化不大，而应变增加幅度很大。个阶段，应力变化不大，而应变增加幅度很大。第第26页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （3）变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂。第第27页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质比较玻璃态高聚物的拉伸与结晶态高聚物的拉伸相同点与区别比较玻璃态高聚物的拉伸与结晶态高聚物的拉伸相同点与区别 （1）相相同同点点：两两种种拉拉伸伸过过程程都都经经历历弹弹性性变变形形，屈屈服服（“成成颈颈”），发发展展大大形形变变，应应变变硬硬化化。断断裂裂前前的的大大形变在室温时都不能自发恢复，加热后才能恢复原状态。形变在室温时都不能自发恢复，加热后才能恢复原状态。第第28页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）不相同点：不相同点：冷拉温度范围不同冷拉温度范围不同a.玻璃态高聚物拉伸温度区间是：玻璃态高聚物拉伸温度区间是：TbTgb.结晶态高聚物拉伸温度区间是：结晶态高聚物拉伸温度区间是：TgTm第第29页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 本质差别本质差别 a.玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变 b.结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。第第30页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 五、五、高聚物的强度与破坏高聚物的强度与破坏 1.脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂 （1）应力应力-应变曲线：应变曲线：如果材料只发生普弹形变，在如果材料只发生普弹形变，在屈服之前就发生断裂，则这种断裂为脆性断裂；如果材屈服之前就发生断裂，则这种断裂为脆性断裂；如果材料发生屈服或高弹形变后才断裂，则为料发生屈服或高弹形变后才断裂，则为韧性断裂韧性断裂。第第31页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）断断裂裂能能量量：以以冲冲击击强强度度为为2KJ/M2作作为为临临界界指指标标。一一般般刻刻痕痕试试样样的的冲冲击击强强度度小小于于这这一一数数值值为为脆脆性性断断裂裂，大大于于这这一一数数值值时时为为韧韧性性断断裂裂。但但这这一一指指标标并并不不是是绝绝对对的的，例例如如玻玻璃璃纤纤维维增增强强的的聚聚酯酯塑塑料料，甚甚至至在在脆脆性性破破坏坏时时也也有有很高的冲击强度。很高的冲击强度。第第32页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 2.高聚物的理论强度高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子内的化学键，分子间的范德华力与氢键。内的化学键，分子间的范德华力与氢键。第第33页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质第第34页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 3.影响聚合物实际强度的因素影响聚合物实际强度的因素 影响聚合物实际强度的因素是比较多，也比较复影响聚合物实际强度的因素是比较多，也比较复杂，杂，但总的来说可分为两类：但总的来说可分为两类：1.与材料本身有关：与材料本身有关：聚合物的结构、分子量及其分布、支聚合物的结构、分子量及其分布、支化与交联、结晶与取向、增塑与共混等；化与交联、结晶与取向、增塑与共混等；2.与外界条件有关：与外界条件有关：温度与湿度、氧化与老化、光照等；温度与湿度、氧化与老化、光照等；第第35页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1）高聚物的结构高聚物的结构 极性聚合物比非极性聚合物有更大的分子间作用力，极性聚合物比非极性聚合物有更大的分子间作用力，因此在高分子链上引入极性基团将使材料的强度提高。因此在高分子链上引入极性基团将使材料的强度提高。（a）极性和氢键极性和氢键第第36页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 例例如如：PE的的拉拉伸伸强强度度15-16MPa，而而PVC的的拉拉伸伸强强度度为为50MPa。但但是是，从从材材料料的的韧韧性性考考虑虑，如如果果极极性性基基团团过过密密或或取取代代基基体体积积过过大大，不不利利于于分分子子运运动动，虽虽然然能能使强度增大，但可能导致材料变脆。使强度增大，但可能导致材料变脆。第第37页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 在高分子主链或侧基上引入刚性基团，将使材料在高分子主链或侧基上引入刚性基团，将使材料的模量升高，因此这类材料通常有较高的拉伸与弯曲的模量升高，因此这类材料通常有较高的拉伸与弯曲强度，但冲击强度有所下降。强度，但冲击强度有所下降。（b）链的刚性链的刚性 第第38页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 随着支化度的增加，使分子间距增加，分子间作用随着支化度的增加，使分子间距增加，分子间作用力下降，因此材料的拉伸强度下降，但冲击强度增加。力下降，因此材料的拉伸强度下降，但冲击强度增加。（3）支化支化 第第39页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 适度的交联可有效增加分子链间的联系，使分子适度的交联可有效增加分子链间的联系，使分子不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增大。例如：生大的形变，强度增大。例如：PE交联后，拉伸强度交联后，拉伸强度可提高一倍，冲击强度可提高可提高一倍，冲击强度可提高3-4倍。倍。（4）交联交联 第第40页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继续增大。续增大。（5）分子量分子量 第第41页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 随着结晶度的增加，拉伸强度也会增加，但如果随着结晶度的增加，拉伸强度也会增加，但如果结晶度过大，就会使冲击强度下降，导致材料变脆。结晶度过大，就会使冲击强度下降，导致材料变脆。（5）结晶与取向结晶与取向 取向可使材料的强度大幅度提高，在取向可使材料的强度大幅度提高，在合成纤维、合成纤维、薄膜、板材薄膜、板材的生产中，常利用取向来提高强度。的生产中，常利用取向来提高强度。第第42页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）材料缺陷材料缺陷 一般认为高分子材料的实际强度与理论强度的巨一般认为高分子材料的实际强度与理论强度的巨大差距主要起因于大差距主要起因于材料内部的应力分布不均匀材料内部的应力分布不均匀，在材，在材料的缺陷部分的应力要远远超过应力的平均值，造成料的缺陷部分的应力要远远超过应力的平均值，造成应力集中现象应力集中现象。第第43页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 缺陷就是应力集中物，如缺陷就是应力集中物，如裂缝，空隙，银纹，缺裂缝，空隙，银纹，缺口，杂质口，杂质等。材料的破坏就是从这些弱点开始。各种等。材料的破坏就是从这些弱点开始。各种材料缺陷存在在聚合物成型加工中是相当普通。材料缺陷存在在聚合物成型加工中是相当普通。第第44页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （3）添加剂添加剂 增增塑塑剂剂的的加加入入对对聚聚合合物物起起了了稀稀释释作作用用，使使分分子子间间相相互互作作用用力力减减弱弱，因因而而会会使使材材料料的的拉拉伸伸强强度度下下降降，冲冲击强度提高。击强度提高。（a）增塑剂增塑剂 第第45页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 固体填料和聚合物是不相容的，因此在聚合物中固体填料和聚合物是不相容的，因此在聚合物中加入填料将形成多相复合材料。加入填料的目的是：加入填料将形成多相复合材料。加入填料的目的是：（2）填料（粉状、纤维状）填料（粉状、纤维状）通过加入廉价填料以降低成本，这类填料一般只起通过加入廉价填料以降低成本，这类填料一般只起稀释作用，称为惰性填料，它将使材料的强度降低。稀释作用，称为惰性填料，它将使材料的强度降低。第第46页/共共72页7.1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 提提高高材材料料的的强强度度，这这类类填填料料称称为为活活性性填填料料，这这时时不不把把降降低低成成本本作作为为追追求求目目标标。复复合合材材料料的的强强度度同同填填料料本本身身的的强度有关，也与填料与聚合物的亲和程度有关。强度有关，也与填料与聚合物的亲和程度有关。第第47页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 一、一、橡胶的使用温度范围橡胶的使用温度范围 高弹态是高聚物特有的一种力学状态，由于橡胶的高弹态是高聚物特有的一种力学状态，由于橡胶的应用日益广泛，对其性能提出了越来越多的要求，其中应用日益广泛，对其性能提出了越来越多的要求，其中扩大使用温度范围就是一个重要方面。扩大使用温度范围就是一个重要方面。第第48页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 1.改善其高温耐老化性能，提高耐热性；改善其高温耐老化性能，提高耐热性；2.另一方面则需设法降低其另一方面则需设法降低其Tg，改善其耐寒性，改善其耐寒性。第第49页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 1.改善高温耐老化性能，提高耐热性改善高温耐老化性能，提高耐热性 橡橡胶胶经经过过硫硫化化后后，具具有有交交联联网网状状结结构构，其其耐耐热热性性按按说说应应是是很很好好的的，但但实实际际上上，无无论论天天然然橡橡胶胶还还是是合合成成橡橡胶胶，在在高高温温下下很很快快会会发发生生臭臭氧氧龟龟裂裂、氧氧化化裂裂解解、交交联联以以及及其其他因素的破坏他因素的破坏，很少能在，很少能在120以上长期使用以上长期使用。第第50页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 例例如如：硫硫化化天天然然橡橡胶胶在在102经经8小小时时后后，扯扯断断强强度度损损失失25%，丁丁腈腈橡橡胶胶在在121以以上上浸浸入入燃燃料料油油中中，很很快快就就会会出出现现表表面面龟龟裂裂。因因此此为为了了提提高高橡橡胶胶的的耐耐热热性性，必必须须从改变橡胶的从改变橡胶的化学结构化学结构和选择合适的和选择合适的配方配方来解决来解决。第第51页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 2.降低降低Tg，避免结晶，改善耐寒性，避免结晶，改善耐寒性 Tg是橡胶类高聚物使用的最低温度，耐寒性差的原是橡胶类高聚物使用的最低温度，耐寒性差的原因是由于因是由于在低温下橡胶会发生玻璃化转变或发生结晶，在低温下橡胶会发生玻璃化转变或发生结晶，从而导致橡胶变硬变脆而丧失弹性。从而导致橡胶变硬变脆而丧失弹性。第第52页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 （1）增塑法增塑法 加入增塑剂可降低聚合物的加入增塑剂可降低聚合物的Tg和提高耐寒性，如：氯和提高耐寒性，如：氯丁胶丁胶Tg=-45，用癸二酸二丁酯（，用癸二酸二丁酯（Tg=-80）增塑，使）增塑，使Tg降至降至-62，因此，因此增塑效应不仅取决于增塑剂的化学结构增塑效应不仅取决于增塑剂的化学结构和浓度，而且还与增塑剂本身的和浓度，而且还与增塑剂本身的Tg有关有关，增塑剂的，增塑剂的Tg愈低，愈低，则增塑后的聚合物的则增塑后的聚合物的Tg也愈低。也愈低。第第53页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 加入增塑剂虽然可以降低加入增塑剂虽然可以降低Tg，但它也使分子链的活，但它也使分子链的活动性增加，这动性增加，这为形成结晶结构创造了有利条件为形成结晶结构创造了有利条件，因此选，因此选用增塑法来降低用增塑法来降低Tg必须考虑结晶速度增大和结晶形成的必须考虑结晶速度增大和结晶形成的可能性。可能性。第第54页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 （2）共聚法共聚法 共聚法也能降低聚合物的共聚法也能降低聚合物的Tg，如：，如：PS的主链上带有体的主链上带有体积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，积庞大的苯基，聚丙烯腈有强极性腈基存在，Tg都在室温都在室温以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯以上，只能作为塑料和纤维使用，如果用丁二烯分别与苯乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使乙烯和丙烯腈共聚可得丁苯橡胶和丁腈橡胶，使Tg下降。下降。例如：丁苯例如：丁苯30，Tg=-53，丁腈，丁腈26，Tg=-42。第第55页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 二、二、橡胶的主要特点橡胶的主要特点 橡橡胶胶的的弹弹性性形形变变为为高高弹弹形形变变，其其形形变变量量很很大大，可可达达1001000%，弹弹性性模模量量小小，一一般般为为105107Pa；而而普普弹弹形形变变（如如塑塑料料），其其形形变变量量较较小小，为为0.010.1%，但但弹弹性性模模量大，可达量大，可达10101011Pa。1.弹性模量很小，而形变量很大弹性模量很小，而形变量很大 第第56页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 橡胶受到外力压缩成拉伸时，形变总是随时间而橡胶受到外力压缩成拉伸时，形变总是随时间而发展，最后达到最大形变发展，最后达到最大形变 这种现象成为这种现象成为蠕变蠕变。2.形变需要时间形变需要时间 第第57页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 拉紧的橡皮带会逐渐变松，这种应力随时间而下拉紧的橡皮带会逐渐变松，这种应力随时间而下降或消失的现象称为降或消失的现象称为应力松弛应力松弛。蠕变和应力松弛统称。蠕变和应力松弛统称为为力学松弛力学松弛。第第58页/共共72页7.2 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 橡胶在拉长或回缩时会放热或吸热，这种现象称橡胶在拉长或回缩时会放热或吸热，这种现象称为为热弹效应热弹效应。3.形变时有热效应形变时有热效应 第第59页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 材料在外力作用下要产生相应的响应材料在外力作用下要产生相应的响应应变。理应变。理想的想的弹性体弹性体服从虎克定律：服从虎克定律：F=kx，在外力作用下，平，在外力作用下，平衡形变瞬间完成，与时间无关；而理想的衡形变瞬间完成，与时间无关；而理想的粘性体粘性体，在，在外力作用下，形变随时间变化。外力作用下，形变随时间变化。第第60页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 高分子材料的形变性质也与时间有关，它介于高分子材料的形变性质也与时间有关，它介于理想弹性体理想弹性体和理想粘性体和理想粘性体之间，因此，高分子材料常被称为粘弹性材料。之间，因此，高分子材料常被称为粘弹性材料。第第61页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 高分子材料的力学性质随时间的变化称为力学松弛。高分子材料的力学性质随时间的变化称为力学松弛。常观察的力学松弛现象有常观察的力学松弛现象有蠕变，应力松弛，滞后和力蠕变，应力松弛，滞后和力学损耗学损耗等。等。第第62页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 蠕变是指在一定温度和较小的恒定外力（拉力，压力或扭蠕变是指在一定温度和较小的恒定外力（拉力，压力或扭力等）作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。力等）作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。1.蠕变蠕变 第第63页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 蠕变与温度高低和外力大小有关蠕变与温度高低和外力大小有关:第第64页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 （1）当温度低，外力较小，蠕变也很小而且很慢，当温度低，外力较小，蠕变也很小而且很慢，在短时间不易觉察。在短时间不易觉察。（2）当温度过高，外力过大，形变发展过快，也感当温度过高，外力过大，形变发展过快，也感觉不出蠕变现象。觉不出蠕变现象。第第65页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 （3）只只有有在在适适当当外外力力作作用用下下，温温度度在在Tg以以上上附附近近不不远远。链链段段在在外外力力的的下下可可以以运运动动，但但运运动动时时受受到到的的内内摩摩擦擦力力又又较较大，只能缓慢运动，则可观察到较明显的蠕变现象。大，只能缓慢运动，则可观察到较明显的蠕变现象。第第66页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 对于不同的高分子材料，其蠕变现象也不相同，了解对于不同的高分子材料，其蠕变现象也不相同，了解这种差异，对材料的实际应用是十分重要的。这种差异，对材料的实际应用是十分重要的。（1）刚性高聚物：刚性高聚物：PA，POM，ABS，蠕变很小，可，蠕变很小，可广泛应用与工程塑料。广泛应用与工程塑料。第第67页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 （2）硬硬PVC，有良好的抗腐蚀性，常用于化工管道，有良好的抗腐蚀性，常用于化工管道，但它易发生蠕变，使用时应增加支架来防止蠕变。但它易发生蠕变，使用时应增加支架来防止蠕变。（3）PTFE自润滑化好，但由于其蠕变现象严重，不自润滑化好，但由于其蠕变现象严重，不能做成机械零件，可做密封材料。能做成机械零件，可做密封材料。（4）橡胶橡胶硫化交联，产生硫桥，来防止蠕变。硫化交联，产生硫桥，来防止蠕变。第第68页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 在恒定温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部的应力随在恒定温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部的应力随时间而逐渐衰减的现象时间而逐渐衰减的现象。2.应力松弛应力松弛第第69页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 （1）当当温温度度升升高高时时，远远远远大大于于Tg，如如果果常常温温下下的的橡橡胶胶，其其链链段段运运动动时时受受到到的的内内摩摩擦擦力力很很小小，应应力力很很快快就就松弛掉了，甚至可以快到几乎觉不到的地步。松弛掉了，甚至可以快到几乎觉不到的地步。应力松弛与温度的关系：应力松弛与温度的关系：第第70页/共共72页7.3 聚合物的力学松弛聚合物的力学松弛 （2）当当温温度度太太低低，远远远远小小于于Tg，如如常常温温下下的的塑塑料料，其其链链段段受受到到的的应应力力很很大大，内内摩摩擦擦力力也也很很大大，这这样样是是链链段段运运动动的的能能力力很很弱弱，因因此此，应力松弛很慢，也不易察觉到。应力松弛很慢，也不易察觉到。（3）只有在只有在Tg附近的几十度范围内，应力松弛现象才比较明显。附近的几十度范围内，应力松弛现象才比较明显。第第71页/共共72页感感谢您的您的观看。看。第第72页/共共72页