最新塑料包装材料——树脂的结构与性能幻灯片.ppt

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1、 一、聚合物分子间的作用力一、聚合物分子间的作用力 1、主价力是指构成化学键的力，如共价键、主价力是指构成化学键的力，如共价键、离子键、金属键等。离子键、金属键等。 2、次价力是使分子聚集在一起的分子间作用、次价力是使分子聚集在一起的分子间作用力，通常包括范德华力（静电力、诱导力、色力，通常包括范德华力（静电力、诱导力、色散力）和氢键。散力）和氢键。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能树脂的结构与性能树脂的结构与性能塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 聚合物是由许多单

2、个的高分子链聚集而成，因而其结构有聚合物是由许多单个的高分子链聚集而成，因而其结构有两方面的含义：（两方面的含义：（1）单个高分子链的结构；（）单个高分子链的结构；（2）许多高分子）许多高分子链聚在一起表现出来的聚集态结构。可分为以下几个层次：链聚在一起表现出来的聚集态结构。可分为以下几个层次：一级结构一级结构近程结构近程结构结构单元的化学组成、连接顺序、结构单元的化学组成、连接顺序、立体构型，以及支化、交联等立体构型，以及支化、交联等二级结构二级结构远程结构远程结构高分子链的形态（构象）以及高分子链的形态（构象）以及高分子的大小（分子量）高分子的大小（分子量）链结构链结构聚集态结构聚集态结构

3、三级结构三级结构晶态、非晶态、取向态、液晶态及织态等。晶态、非晶态、取向态、液晶态及织态等。聚合物的结构聚合物的结构聚合物的结构聚合物的结构塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 高分子的二级结构：高分子的二级结构：（1）高分子的大小（即分子量）高分子的大小（即分子量）（2）高分子链的形态（构象）高分子链的形态（构象）高分子的链结构与高分子的柔顺性高分子的链结构与高分子的柔顺性 高分子链中的单键可内旋转，每个键的空间高分子链中的单键可内旋转，每个键的空间位置受其键角的限制，但是离第一个键越远，位置受其键角的限制，但是离第一个键越远，其空间位置的任意性越大，两者空间位

4、置的相其空间位置的任意性越大，两者空间位置的相互关系越小，可以想象从第互关系越小，可以想象从第i+1个键起，其空个键起，其空间位置的取向与第一个键完全无关，因此高分间位置的取向与第一个键完全无关，因此高分子链可看作是由多个包含子链可看作是由多个包含i个键的段落自由连接个键的段落自由连接组成，这种段落称为组成，这种段落称为链段链段。 ii+1I. 高分子的链结构高分子的链结构塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 构象构象：由于单键（由于单键（键）的内旋转，而产生的分子在键）的内旋转，而产生的分子在空间的不同形态。它是不稳定的，分子热运动即能使空间的不同形态。它是不稳

5、定的，分子热运动即能使其构象发生改变。其构象发生改变。 构型构型：分子中由化学键所固定的原子在空间的排列。分子中由化学键所固定的原子在空间的排列。它是稳定的，要改变构型必需经化学键的断裂、重组。它是稳定的，要改变构型必需经化学键的断裂、重组。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 高分子链的运动是以链段为单元的，是蠕动。高分子链的运动是以链段为单元的，是蠕动。 高分子链在分子内旋转作用下可采取各种可能的形态，如高分子链在分子内旋转作用下可采取各种可能的形态，如取不同的构象，如伸直链、无规线团、折叠链、螺旋链等。取不同的构象，如伸直链、无规线团、折叠链、螺旋链等。 高

6、分子链的构象高分子链的构象塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能高分子的聚集态结构高分子的聚集态结构 高分子的聚集态结构也称三级结构，或超分子结构，它高分子的聚集态结构也称三级结构，或超分子结构，它是指聚合物内是指聚合物内分子链的排列与堆砌结构分子链的排列与堆砌结构。 虽然高分子的链结构对高分子材料性能有显著影响，但由虽然高分子的链结构对高分子材料性能有显著影响，但由于聚合物是由许多高分子链聚集而成，有时即使相同链结构的于聚合物是由许多高分子链聚集而成，有时即使相同链结构的同一种聚合物，在不同加工成型条件下，也会产生不同的聚集同一种聚合物，在不同加工成型条件下，也会

7、产生不同的聚集态，所得制品的性能也会截然不同，因此态，所得制品的性能也会截然不同，因此聚合物的聚集态结构聚合物的聚集态结构对聚合物材料性能的影响比高分子链结构更直接、更重要对聚合物材料性能的影响比高分子链结构更直接、更重要。 塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 研究掌握聚合物的聚集态结构与性能的关系，对选择合适的研究掌握聚合物的聚集态结构与性能的关系，对选择合适的加工成型条件、改进材料的性能，制备具有预期性能的聚合物加工成型条件、改进材料的性能，制备具有预期性能的聚合物材料具有重要意义。材料具有重要意义。 聚合物的聚集态结构主要包括聚合物的聚集态结构主要包括晶态

8、结构晶态结构、非晶态结构非晶态结构、液液晶态结构晶态结构和和取向态结构取向态结构。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能晶体：固体物质内部质点的有序排列晶体：固体物质内部质点的有序排列 高高 分子链取比较伸展的构象分子链取比较伸展的构象 聚聚 物物 分子链主链中心轴互相平行分子链主链中心轴互相平行 晶晶 体体 结晶结构中的单元体是晶胞结晶结构中的单元体是晶胞聚合物的晶态结构聚合物的晶态结构塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能a=7.36b=4.92c=2.53AAA聚乙烯（聚乙烯（PE）的晶胞）的晶胞 塑塑 料料 包包 装装 材材 料料

9、树脂的结构与性能树脂的结构与性能 根据根据结晶条件结晶条件不同，又可形成多种形态的晶体：单晶、球不同，又可形成多种形态的晶体：单晶、球晶、伸直链晶片、纤维状晶片和串晶等。晶、伸直链晶片、纤维状晶片和串晶等。I. 结晶形态结晶形态（1）单晶）单晶 具有一定几何外形的薄片具有一定几何外形的薄片状晶体。一般聚合物的单晶只状晶体。一般聚合物的单晶只能从能从极稀溶液极稀溶液（质量浓度小于（质量浓度小于0.01wt%)中中缓慢结晶缓慢结晶而成。而成。单晶单晶塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚乙烯单晶的电镜照片聚乙烯单晶的电镜照片塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构

10、与性能树脂的结构与性能（2）球晶）球晶 聚合物最常见的结晶形态，为圆球聚合物最常见的结晶形态，为圆球状晶体，尺寸较大，一般是由结晶性聚状晶体，尺寸较大，一般是由结晶性聚合物从合物从浓溶液中析出或由熔体冷却浓溶液中析出或由熔体冷却时形时形成的。球晶在成的。球晶在正交偏光显微镜正交偏光显微镜下可观察下可观察到其特有的黑十字消光或带同心圆的黑到其特有的黑十字消光或带同心圆的黑十字消光图象。十字消光图象。球晶的黑十字消光现象球晶的黑十字消光现象塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（3）伸直链晶片）伸直链晶片 由完全伸展的分子链平行规整排列而成的小片状晶体，晶由完全伸展的分

11、子链平行规整排列而成的小片状晶体，晶体中分子链体中分子链平行于平行于晶面方向，晶片厚度基本与伸展的分子链长晶面方向，晶片厚度基本与伸展的分子链长度相当。这种晶体主要形成于度相当。这种晶体主要形成于极高压力极高压力下。下。（4）纤维状晶和串晶）纤维状晶和串晶 纤维状晶纤维状晶是在是在流动场的作用流动场的作用下使高分子链的构象发生畸变，下使高分子链的构象发生畸变，成为沿流动方向平行排列的伸展状态，在适当的条件下结晶而成为沿流动方向平行排列的伸展状态，在适当的条件下结晶而成。分子链取向与纤维轴平行。成。分子链取向与纤维轴平行。 聚合物聚合物串晶串晶是一种类似于串珠式的多晶体。是一种类似于串珠式的多晶

12、体。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能串晶串晶塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能II. 聚合物的晶态结构模型聚合物的晶态结构模型 聚合物晶态结构模型有：聚合物晶态结构模型有： 缨状胶束模型缨状胶束模型：认为结晶：认为结晶聚合物中聚合物中晶区晶区与与非晶区非晶区互相互相穿插，穿插，同时存在同时存在。在晶区分。在晶区分子链相互平行排列成规整的子链相互平行排列成规整的结构，而在非晶区分子链的结构，而在非晶区分子链的堆砌完全无序。该模型也称堆砌完全无序。该模型也称两相结构模型两相结构模型。两相结构模型两相结构模型塑塑 料料 包包 装装 材

13、材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 折叠链模型折叠链模型：聚合物晶体中，高分：聚合物晶体中，高分子链以折叠的形式堆砌起来的。子链以折叠的形式堆砌起来的。 伸展的分子倾向于相互聚集在一起伸展的分子倾向于相互聚集在一起形成链束，分子链规整排列的有序链形成链束，分子链规整排列的有序链束构成聚合物结晶的基本单元。这些束构成聚合物结晶的基本单元。这些规整的有序链束表面能自发地折叠成规整的有序链束表面能自发地折叠成带状结构，进一步堆砌成晶片。带状结构，进一步堆砌成晶片。 特点特点：聚合物中晶区与非晶区同时存：聚合物中晶区与非晶区同时存在，同一条高分子链可以是一部分结在，同一条高分子链可以是一部分结晶

14、，一部分不结晶；并且同一高分子晶，一部分不结晶；并且同一高分子链可以穿透不同的晶区和非晶区。链可以穿透不同的晶区和非晶区。折叠链模型折叠链模型塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 插线板模型插线板模型：晶片表面：晶片表面上的分子链无规聚集形上的分子链无规聚集形成松散的非晶区，晶片成松散的非晶区，晶片中相邻排列的两段分子中相邻排列的两段分子链可能是同一分子链中链可能是同一分子链中非邻近的链段或是不同非邻近的链段或是不同分子链的链段，形成多分子链的链段，形成多层晶片时一根分子链可层晶片时一根分子链可以从一个晶片穿过非晶以从一个晶片穿过非晶区进入另一个晶片，也区进入另一

15、个晶片，也可回到原来的晶片。可回到原来的晶片。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能III. 聚合物结晶过程的特点聚合物结晶过程的特点 聚合物结晶是高分子链从无序转变为有序的过程，有三个聚合物结晶是高分子链从无序转变为有序的过程，有三个特点：特点：（1）结晶必须在玻璃化温度）结晶必须在玻璃化温度Tg与熔点与熔点Tm之间的温度范围内之间的温度范围内进行。进行。 聚合物结晶过程与小分子化合物相似，要经历聚合物结晶过程与小分子化合物相似，要经历晶核形成晶核形成和和晶粒生长晶粒生长两过程。温度高于熔点两过程。温度高于熔点Tm，高分子处于熔融状态，高分子处于熔融状态，晶核不易

16、形成；低于晶核不易形成；低于Tg，高分子链运动困难，难以进行规整，高分子链运动困难，难以进行规整排列，晶核也不能生成，晶粒难以生长。排列，晶核也不能生成，晶粒难以生长。 塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 结晶温度不同，结晶速度也不同，在某一温度时出现最大值，结晶温度不同，结晶速度也不同，在某一温度时出现最大值，出现最大结晶速度的结晶温度可由以下经验关系式估算：出现最大结晶速度的结晶温度可由以下经验关系式估算： Tmax = 0.63 Tm + 0.37 Tg - 18.5（2）同一聚合物在同一结晶温度下，结晶速度随结晶过程而变）同一聚合物在同一结晶温度下，结晶

17、速度随结晶过程而变化化。 一般最初结晶速度较慢，中间有加速过程，最后结晶速度一般最初结晶速度较慢，中间有加速过程，最后结晶速度又减慢。又减慢。（3）结晶聚合物结晶不完善，没有精确的熔点，存在熔限）结晶聚合物结晶不完善，没有精确的熔点，存在熔限。 熔限大小与结晶温度有关。结晶温度低，熔限宽，反之则熔限大小与结晶温度有关。结晶温度低，熔限宽，反之则窄。这是由于结晶温度较低时，高分子链的流动性较差，形成窄。这是由于结晶温度较低时，高分子链的流动性较差，形成的晶体不完善，且各晶体的完善程度差别大，因而熔限宽。的晶体不完善，且各晶体的完善程度差别大，因而熔限宽。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结

18、构与性能树脂的结构与性能IV. 聚合物结晶过程的影响因素聚合物结晶过程的影响因素（1）分子链结构）分子链结构 聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡聚合物的结晶能力与分子链结构密切相关，凡分子结分子结构对称构对称（如聚乙烯）、（如聚乙烯）、规整性好规整性好（如有规立构聚丙烯）、（如有规立构聚丙烯）、分子链相互作用强分子链相互作用强（如能产生氢键或带强极性基团，如聚（如能产生氢键或带强极性基团，如聚酰胺等）的聚合物易结晶。酰胺等）的聚合物易结晶。 分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子链结构越分子链的结构还会影响结晶速度，一般分子链结构越简单、对称性越高、取代基空间位阻越小、立体规整性越简单、

19、对称性越高、取代基空间位阻越小、立体规整性越好，结晶速度越快。好，结晶速度越快。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（2）温度）温度：温度对结晶速度的影响极大，有时温度相差甚：温度对结晶速度的影响极大，有时温度相差甚微，但结晶速度常数可相差上千倍微，但结晶速度常数可相差上千倍（3）应力）应力：应力能使分子链沿外力方向有序排列，可提高：应力能使分子链沿外力方向有序排列，可提高结晶速度。结晶速度。（4）分子量）分子量：对：对同一聚合物同一聚合物而言，分子量对结晶速度有显而言，分子量对结晶速度有显著影响。在相同条件下，一般分子量低结晶速度快，著影响。在相同条件下，一般分

20、子量低结晶速度快，（5）杂质）杂质：杂质影响较复杂，有的可阻碍结晶的进行，有：杂质影响较复杂，有的可阻碍结晶的进行，有的则能加速结晶。能促进结晶的物质在结晶过程中往往起的则能加速结晶。能促进结晶的物质在结晶过程中往往起成核作用（晶核），称为成核剂。成核作用（晶核），称为成核剂。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能V. 结晶对聚合物性能的影响结晶对聚合物性能的影响 结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增强了分子结晶使高分子链规整排列，堆砌紧密，因而增强了分子链间的作用力，使聚合物的密度、强度、硬度、耐热性、链间的作用力，使聚合物的密度、强度、硬度、耐热性、耐溶剂性

21、、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料耐溶剂性、耐化学腐蚀性等性能得以提高，从而改善塑料的使用性能。的使用性能。 但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降，但结晶使高弹性、断裂伸长率、抗冲击强度等性能下降，对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。如结晶对以弹性、韧性为主要使用性能的材料是不利的。如结晶会使橡胶失去弹性，发生爆裂。会使橡胶失去弹性，发生爆裂。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的非晶态结构聚合物的非晶态结构 非晶态结构是一个比晶态更为普遍存在的聚集形态，不非晶态结构是一个比晶态更为普遍存在的聚集形态，不仅有大量完全非晶态的聚合物

22、，而且即使在晶态聚合物中仅有大量完全非晶态的聚合物，而且即使在晶态聚合物中也存在非晶区。也存在非晶区。 非晶态结构包括玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）非晶态结构包括玻璃态、橡胶态、粘流态（或熔融态）及结晶聚合物中的非晶区。及结晶聚合物中的非晶区。 由于对非晶态结构的研究比对晶态结构的研究要困难的由于对非晶态结构的研究比对晶态结构的研究要困难的多，因而对非晶态结构的认识还较粗浅。目前主要有两种多，因而对非晶态结构的认识还较粗浅。目前主要有两种理论模型，即理论模型，即两相球粒模型两相球粒模型和和无规线团模型无规线团模型，两者尚存争，两者尚存争议，无定论。议，无定论。塑塑 料料 包包 装装 材材

23、料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的液晶态聚合物的液晶态 液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序液晶态是晶态向液态转化的中间态，既具有晶态的有序性（导致各向异性），又具有液态的连续性和流动性性（导致各向异性），又具有液态的连续性和流动性。 根据形成条件的不同分为：根据形成条件的不同分为： 热致性液晶热致性液晶：受热熔融形成各向异性熔体；：受热熔融形成各向异性熔体； 溶致性液晶溶致性液晶：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。：溶于某种溶剂而形成各向异性的溶液。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（1）高分子液晶形成条件）高分子液晶形成条件 聚合物要形

24、成液晶，必须满足以下条件：聚合物要形成液晶，必须满足以下条件： （i）分子链具有刚性或一定刚性，并且分子的长度与宽度分子链具有刚性或一定刚性，并且分子的长度与宽度之比之比R1，即分子是棒状或接近于棒状的构象。，即分子是棒状或接近于棒状的构象。（ii）分子链上含有苯环或氢键等结构；分子链上含有苯环或氢键等结构；（iii）若形成胆甾型液晶还必须含有不对称碳原子。若形成胆甾型液晶还必须含有不对称碳原子。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（2）高分子液晶的分类）高分子液晶的分类 高分子液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列型和高分子液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列

25、型和胆甾型。胆甾型。近晶型近晶型（i）近晶型）近晶型：棒状分子通过垂直于分子：棒状分子通过垂直于分子长轴方向的强相互作用，互相平行排列长轴方向的强相互作用，互相平行排列成层状结构，分子轴垂直于层面。棒状成层状结构，分子轴垂直于层面。棒状分子只能在层内活动。分子只能在层内活动。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能向列型向列型（ii）向列型）向列型：棒状分子虽然也平行排列，但长短不一，不：棒状分子虽然也平行排列，但长短不一，不分层次，只有一维有序性，在外力作用下发生流动时，棒状分层次，只有一维有序性，在外力作用下发生流动时，棒状分子易沿流动方向取向，并可流动取向中互相

26、穿越。分子易沿流动方向取向，并可流动取向中互相穿越。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（iii）胆甾型）胆甾型：棒状分子分层平行排列，：棒状分子分层平行排列，在每个单层内分子排列与向列型相似，在每个单层内分子排列与向列型相似，相邻两层中分子长轴依次有规则地扭转相邻两层中分子长轴依次有规则地扭转一定角度，分子长轴在旋转一定角度，分子长轴在旋转3600后复原。后复原。 两个取向相同的分子层之间的距两个取向相同的分子层之间的距离称为胆甾型液晶的离称为胆甾型液晶的螺距螺距。胆甾型胆甾型塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的取向态聚合物

27、的取向态 取向取向(orientation)：在外力作用下，分子链沿外力方向平：在外力作用下，分子链沿外力方向平行排列。行排列。 聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的取向现象包括分子链、链段的取向以及结晶聚合物的晶片等沿外力方向的择优排列。聚合物的晶片等沿外力方向的择优排列。 未取向的聚合物材料是各向同性的，即各个方向上的性未取向的聚合物材料是各向同性的，即各个方向上的性能相同。而取向后的聚合物材料，在取向方向上的力学性能相同。而取向后的聚合物材料，在取向方向上的力学性能得到加强，而与取向垂直的方向上，力学性能可能被减能得到加强，而与取向垂直的方向上，力学性能可能被减弱。即取

28、向聚合物材料是各向异性的，即方向不同，性能弱。即取向聚合物材料是各向异性的，即方向不同，性能不同。不同。 塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能无定形无定形 取向未结晶取向未结晶 结晶未取向结晶未取向 结晶取向结晶取向塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的取向一般有两种方式：聚合物的取向一般有两种方式：单轴取向单轴取向：在一个轴向上施以外力，使分子链沿一个：在一个轴向上施以外力，使分子链沿一个方向取向。方向取向。 如纤维纺丝：如纤维纺丝：再如薄膜的单轴拉伸再如薄膜的单轴拉伸塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结

29、构与性能双轴取向双轴取向：一般在两个垂直方向施加外力。如薄膜双轴拉：一般在两个垂直方向施加外力。如薄膜双轴拉伸，使分子链取向平行薄膜平面的任意方向。在薄膜平面伸，使分子链取向平行薄膜平面的任意方向。在薄膜平面的各方向的性能相近，但薄膜平面与平面之间易剥离。的各方向的性能相近，但薄膜平面与平面之间易剥离。薄膜的双轴拉伸取向：薄膜的双轴拉伸取向：塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的共混聚合物的共混 所谓所谓共混聚合物共混聚合物(polymer blend)是通过简单的工艺过程是通过简单的工艺过程把两种或两种以上的均聚物或共聚物或不同分子量、不同把两种或两种以上

30、的均聚物或共聚物或不同分子量、不同分子量分布的同种聚合物混合而成的聚合物材料，也称分子量分布的同种聚合物混合而成的聚合物材料，也称聚聚合物合金合物合金。 通过共混可以获得原单一组分没有的一些新的综合性通过共混可以获得原单一组分没有的一些新的综合性能，并且可通过混合组分的调配（调节各组分的相对含量）能，并且可通过混合组分的调配（调节各组分的相对含量）来获得适应所需性能的材料。来获得适应所需性能的材料。 共混与共聚的作用相类似，共混是通过物理的方法把不共混与共聚的作用相类似，共混是通过物理的方法把不同性能的聚合物混合在一起；而共聚则是通过化学的方法同性能的聚合物混合在一起；而共聚则是通过化学的方法

31、把不同性能的聚合物链段连在一起。把不同性能的聚合物链段连在一起。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能通过共混可带来多方面的好处：通过共混可带来多方面的好处：（1）改善高分子材料的机械性能；）改善高分子材料的机械性能；（2）提高耐老化性能；）提高耐老化性能；（3）改善材料的加工性能；）改善材料的加工性能；（4）有利于废弃聚合物的再利用。）有利于废弃聚合物的再利用。 共混与共聚相比，工艺简单，但共混时存在相容性问题，若共混与共聚相比，工艺简单，但共混时存在相容性问题，若两种聚合物共混时相容性差，混合程度（相互的分散程度）很差，两种聚合物共混时相容性差，混合程度（相互的

32、分散程度）很差，易出现宏观的相分离，达不到共混的目的，无实用价值。易出现宏观的相分离，达不到共混的目的，无实用价值。通过加入相容剂（增容剂）来提高聚合物共混的相容性。通过加入相容剂（增容剂）来提高聚合物共混的相容性。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的力学性能聚合物的力学性能 聚合物的力学性能指的是其受力后的响应聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，如形变大小、形，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等，这些响应可用一些基本的指标来变的可逆性及抗破损性能等，这些响应可用一些基本的指标来表征。表征。表征力学性能的基本指标表征力学性能的基本指标（1）应变与应力

33、）应变与应力 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称应变应变或或形变形变，通常以，通常以单位单位长度（面积、体积）所发生的变化长度（面积、体积）所发生的变化来表征。来表征。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力抗外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平衡就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力

34、与内力达到平衡时，内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的内力定义时，内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的内力定义为为应力应力。 材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主要有以下三种基本类型：主要有以下三种基本类型：（i）简单拉伸（）简单拉伸（drawing)： 材料受到一对材料受到一对垂直于材料截面垂直于材料截面、大小相等大小相等、方向相反方向相反并在并在同同一直线一直线上的外力作用。上的外力作用。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能拉伸应力拉伸应力 = F / A0 （A0为材料的起始截

35、面积）为材料的起始截面积）拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）e e = （l - l0）/l0 = D Dl / l0简单拉伸示意图简单拉伸示意图A0l0lD D lAFF 材料在拉伸作用下产生的形变称为材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变拉伸应变，也称，也称相对相对伸长率伸长率（e e）。）。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（ii）简单剪切）简单剪切(shearing) 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值直线上的两个外力作用，使

36、材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应变（定义为剪切应变（ ）。）。A0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图 剪切应变剪切应变 = tg 剪切应力剪切应力 s = F / A0塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（iii）均匀压缩）均匀压缩（pressurizing)材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称压缩应变压缩应变（ V）。）。A0材料经压缩以后，体积由材料经压缩以后，体积由V0缩小为缩小为V，则压缩应变：，则压缩应变： V = （V0 - V）/ V0 = D DV / V0塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结

37、构与性能树脂的结构与性能材料受力方式除以上三种基本类型外，还有弯曲和扭转。材料受力方式除以上三种基本类型外，还有弯曲和扭转。（iv）弯曲）弯曲（bending) 对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯曲。主要有两种形对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯曲。主要有两种形式：式：F一点弯曲一点弯曲（1-point bending）F三点弯曲三点弯曲（3-point bending）塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（v）扭转）扭转（torsion）：对材料施加扭转力矩。）：对材料施加扭转力矩。FF（2）弹性模量）弹性模量 是指在弹性形变范围内是指在弹性形变范围内单位应变所

38、需应力的大小单位应变所需应力的大小。是材料。是材料刚性的一种表征。分别对应于以上三种材料受力和形变的基本刚性的一种表征。分别对应于以上三种材料受力和形变的基本类型的模量如下：类型的模量如下： 拉伸模量拉伸模量（杨氏模量）（杨氏模量）E：E = / e e 剪切模量剪切模量（刚性模量）（刚性模量）G：G = s / 体积模量体积模量（本体模量）（本体模量）B：B = p / V塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（3）硬度）硬度：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标。：是衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标。（4）机械强度）机械强度 当材料所受的外力超过材料的

39、承受能力时，材料就发生破当材料所受的外力超过材料的承受能力时，材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力。件下材料所能承受的最大应力。 根据外力作用方式不同，主要有以下三种：根据外力作用方式不同，主要有以下三种： （i）抗张强度）抗张强度 衡量材料抵抗衡量材料抵抗拉伸拉伸破坏的能力，也称破坏的能力，也称拉伸强度拉伸强度。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能厚度厚度d宽度宽度b 在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向在规定试验温度、湿度和实验速度下，

40、在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。施加拉伸负荷，直至试样被拉断。PP 试样断裂前所受的最大负荷试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张与试样横截面积之比为抗张强度强度 t： t = P / b d塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（ii）抗弯强度）抗弯强度 也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。 设试验过程中最大的负荷为设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度，则抗弯强度

41、f为：为： f = 1.5Pl0 / bd2 Pdbl0/2l0/2抗弯强度测定试验示意图抗弯强度测定试验示意图塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能（iii）冲击强度）冲击强度（impact stength)（ i） 冲击强度也称抗冲强度冲击强度也称抗冲强度, 定义为试样受冲击负荷时单位截定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种指标。测定时基本面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。 试样断裂时吸收的能量等于断裂时

42、冲击头所做的功试样断裂时吸收的能量等于断裂时冲击头所做的功W，因此冲，因此冲击强度为：击强度为： i = W / bd冲击强度测定试验示意图冲击强度测定试验示意图冲击头，以一定速度对试样冲击头，以一定速度对试样实施冲击实施冲击Pbl0/2l0/2d塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能聚合物的力学状态及其转变聚合物的力学状态及其转变 聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为相态聚合物的物理状态从热力学和动力学不同角度可分为相态和聚集态。和聚集态。 相态是热力学概念，由自由焓、温度、压力和体积等热力相态是热力学概念，由自由焓、温度、压力和体积等热力学参数决定。相

43、态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变学参数决定。相态转变伴随着热力学参数的突变。相态的转变仅与热力学参数有关，而与过程无关，也称仅与热力学参数有关，而与过程无关，也称热力学状态热力学状态。 聚集态是动力学概念，是根据物体对外场（外部作用）特聚集态是动力学概念，是根据物体对外场（外部作用）特别是外力场的响应特性进行划分，所以也常称为别是外力场的响应特性进行划分，所以也常称为力学状态力学状态。力。力学状态涉及松弛过程，与时间因素密切相关。学状态涉及松弛过程，与时间因素密切相关。 聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同，表现出的聚合物在不同外力条件下所处的力学状态不同，表现出的力学性能也不同。

44、力学性能也不同。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能非晶态聚合物的力学三态及其转变非晶态聚合物的力学三态及其转变 若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的聚合物试样的温度温度-形变曲线形变曲线（或称（或称热热-机械曲线机械曲线）。）。 非晶态聚合物典型的热非晶态聚合物典型的热-机械曲线如下图，存在两个斜机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，

45、分机械曲线分为三个区域，分别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运别对应于三种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。动特征各有不同。形形变变温度温度IIIIII塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 在区域在区域I，温度低，链段运动被冻结，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有的形变小，具有虎克弹性行为虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状除去后，

46、形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为态与无机玻璃相似，称为玻璃态玻璃态。玻璃态玻璃态温度温度形变形变IIIIII塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 随着温度的升高，链段运动逐渐随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻解冻”，形变逐渐增，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，大，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展链段运动得以充分发展，形，形变发生突变，进入区域变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，

47、形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称状的性能称高弹性高弹性，相应的力学状态称，相应的力学状态称高弹态高弹态。温度温度形变形变IIIIII玻璃态玻璃态高弹态高弹态塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 由玻璃态向高弹态发生由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫突变的区域叫玻璃化转变区玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的玻璃态开始向高弹态转变的温度称为温度称为玻璃化转变温度玻璃化转变温度（glass temperature)，以，以Tg表示。表示。形变形变温度温度IIIIII玻璃态玻璃态

48、高弹态高弹态玻璃化转变区玻璃化转变区Tg粘流态粘流态粘弹态转变区粘弹态转变区Tf交联聚合物交联聚合物MaMbMb Ma 当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分整个分子链质量中心发生相对位移子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状态称为种力学状态称为粘流态粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度粘流温度，以，以Tf表示，其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。分子量越大，表示，其间的形变突变区域称为粘弹态

49、转变区。分子量越大，Tf越高。交越高。交联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。联聚合物由于分子链间有化学键连接，不能发生相对位移，不出现粘流态。 玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能晶态聚合物的力学状态及其转变晶态聚合物的力学状态及其转变 在轻度结晶的聚合物中，少量的晶区起类似交联点的作用，在轻度结晶的聚合物中，少量的晶区起类似交联点的作用，当温度升高时，其中非晶区由玻璃态转变为高弹态，可以观察当温度升高时，其中非晶区由玻璃态转变为高弹态，可以观察到到

50、Tg的存在，但晶区的链段由于受晶格能的限制难以运动，使的存在，但晶区的链段由于受晶格能的限制难以运动，使其形变受到限制，整个材料表现为由于非晶区的高弹态而具有其形变受到限制，整个材料表现为由于非晶区的高弹态而具有一定的韧性，由于晶区的存在具有一定的硬度一定的韧性，由于晶区的存在具有一定的硬度,象皮革。象皮革。形变形变温度温度Tg塑塑 料料 包包 装装 材材 料料树脂的结构与性能树脂的结构与性能 由于晶区限制了形变，因此在晶区熔融之前，聚合物由于晶区限制了形变，因此在晶区熔融之前，聚合物整体表现不出高弹态。能否观察到高弹态取决于非晶区的整体表现不出高弹态。能否观察到高弹态取决于非晶区的Tf是否大