理学聚合物的粘弹性学习教案.pptx

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1、会计学1理学理学(lxu)聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性第一页，共35页。第十八讲第十八讲 聚合物的粘聚合物的粘弹性现象弹性现象(xinxing)主要(zhyo)内容：聚合物的粘弹性现象蠕变现象应力松弛现象本讲重点本讲重点(zhngdin)及要求：聚合物材料在受力情况下所产生及要求：聚合物材料在受力情况下所产生的蠕变和应力松弛的粘弹现象及分子运动机理。的蠕变和应力松弛的粘弹现象及分子运动机理。第1页/共35页第二页，共35页。普通普通(ptng)粘、粘、弹概念弹概念粘粘 同黏：象浆糊或胶同黏：象浆糊或胶水等所具有的、能使一个水等所具有的、能使一个物质附着物质附着(fzhu)在另在另一个物体上的性

2、质。一个物体上的性质。弹弹 由于物体由于物体(wt)的弹性作用使之射出去。的弹性作用使之射出去。弹簧弹簧 利用材料的弹性利用材料的弹性作用制得的零件，在外作用制得的零件，在外力作用下能发生形变力作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、（伸长、缩短、弯曲、扭转等），除去外力后扭转等），除去外力后又恢复原状。又恢复原状。7.1 7.1 聚合物的粘弹性现象聚合物的粘弹性现象第2页/共35页第三页，共35页。材料材料(cilio)的粘、弹基本的粘、弹基本概念概念Elastic having the tendency to go back to the normal or previous size or

3、shape after being pulled or pressed.Viscous thick and sticky,semi-fluid,that does not flow easily材料对外界作用力的不同(b tn)响应情况典典型型(dinxng)小分子固固体 弹弹性小分子液液体 粘粘性恒定力或形变恒定力或形变-静态静态变化力或形变变化力或形变-动态动态第3页/共35页第四页，共35页。形变形变(xngbin)对时间不存在对时间不存在依赖性依赖性虎克定律虎克定律虎克定律虎克定律(dngl(dngl)Hookes lawHookes law弹性模量弹性模量 E EElastic El

4、astic modulusmodulusIdeal elastic solid 理想(lxing)弹性体第4页/共35页第五页，共35页。外力外力(wil)除去后完全不除去后完全不回复回复牛顿定律牛顿定律牛顿定律牛顿定律NewtonNewtonNewtonNewton s laws laws laws law粘度粘度 ViscosityViscosityIdeal viscous liquid 理想粘性(zhn xn)液体第5页/共35页第六页，共35页。弹性与粘性弹性与粘性(zhn xn)比较比较弹性弹性粘性粘性能量储存能量储存能量耗散能量耗散形变形变(xngbin)回复回复永久形变永久形变

5、(xngbin)虎克固体虎克固体牛顿流体牛顿流体模量与时间无关模量与时间无关模量与时间有关模量与时间有关E(,T)E(,T,t)理想(lxing)弹性体的应力取决于 ，理想(lxing)粘性体的应力取决于 。第6页/共35页第七页，共35页。理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变瞬间达到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在瞬间达到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变随时间线性发展。外力作用下形变随时间线性发展。聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚两者的

6、关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物的这种性能称为粘弹性。合物的这种性能称为粘弹性。聚合物的力学性能随时间的变化聚合物的力学性能随时间的变化(binhu)(binhu)统统称为力学松弛。最基本的力学松弛现象包括蠕变、称为力学松弛。最基本的力学松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。应力松弛、滞后和力学损耗等。理想弹性体、理想粘性理想弹性体、理想粘性理想弹性体、理想粘性理想弹性体、理想粘性(zhn xn(zhn xn)液体液体液体液体和粘弹性和粘弹性和粘弹性和粘弹性第7页/共35页第八页，共35页。所有物质所有物质(wzh)均均具有粘弹二具有粘弹二性性第8页/共35页第九页，共35页

7、。高聚物粘弹性高聚物粘弹性 The viscoelasticity of polymers高聚物材料表现出弹性和粘性的结合在实际形变过程(guchng)中，粘性与弹性总是共存的聚合物受力时，应力同时依赖于形变和形变速率，即具备固、液二性，其力学行为介于理想弹性体和理想粘性体之间。第9页/共35页第十页，共35页。For polymers 对对高聚物高聚物非牛顿流体与弹性体有区别(qbi)第10页/共35页第十一页，共35页。Comparison理想理想(lxing)粘粘性体性体理想理想(lxing)弹弹性体性体交联高聚物交联高聚物线形线形(xin xn)高聚物高聚物第11页/共35页第十二页，

8、共35页。力学松弛力学松弛(sn ch)或粘弹现象或粘弹现象 高聚物力学性质随时间而变化的现象称为(chn wi)力学松弛或粘弹现象线性粘弹性 Linear viscoelasticity若粘弹性完全由符合(fh)虎克定律的理想弹性体和符合(fh)牛顿定律的理想粘性体所组合来描述，则称为线性粘弹性。粘弹性分类静静态粘弹性动动态粘弹性蠕变、应力松弛滞后、内耗第12页/共35页第十三页，共35页。Review of relaxation time （1）分子运动的多样性Varieties of molecular movements（2）分子运动与时间(shjin)的关系The relations

9、hip with time（3）分子运动与温度(wnd)的关系The relationship with temperature多种运动(yndng)单元多种运动方式Small molecules,=10-810-10sHigh molecules,=10-1104sTT分子运动三特点第13页/共35页第十四页，共35页。Creeping and Relaxation 蠕变和应力蠕变和应力(yngl)松弛松弛 蠕变蠕变(r bin)Creep deformation 在恒温下施加一定的恒定外力时，材料的形在恒温下施加一定的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学变随时间而逐渐增大的力学(l

10、 xu)(l xu)现象。现象。高聚物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性。第14页/共35页第十五页，共35页。理想弹性体和粘性理想弹性体和粘性(zhn xn)体的蠕变体的蠕变和蠕变回复和蠕变回复对理想(lxing)弹性体对理想(lxing)粘性体第15页/共35页第十六页，共35页。e e1 1t1t2t普弹形变示意图普弹形变示意图（i i）普弹形变（）普弹形变（11）：）：聚合物受力时，瞬时发聚合物受力时，瞬时发生的高分子链的键长、键角生的高分子链的键长、键角变化引起的形变，形变量较变化引起的形变，形变量较小，服从虎克定律，当外力小，服从虎克定律，当外力除去时，普弹形变立刻除去时，普弹形变立刻

11、(lk)(lk)完全回复。如右图：完全回复。如右图：高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料(cilio)(cilio)蠕变过程包括三个形变过程：蠕变过程包括三个形变过程：蠕变过程包括三个形变过程：蠕变过程包括三个形变过程：第16页/共35页第十七页，共35页。（iiii）高）高(滞）弹形变（滞）弹形变（22）：）：anelasticanelastic 聚合物受力时，高分子链通过链段运动聚合物受力时，高分子链通过链段运动(yndng)(yndng)产生产生的形变。形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成。形的形变。形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成。形变与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐

12、回复。如下变与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复。如下图：图：e e2 2t1t2t高弹形变示意图高弹形变示意图High elastic deformationHigh elastic deformation第17页/共35页第十八页，共35页。（iiiiii）粘性流动（）粘性流动（33）：）：受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动不能回受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动不能回复复(huf)(huf)，是不可逆形变。，是不可逆形变。e e3 3t1t2t粘性流动示意图粘性流动示意图Viscose flow第18页/共35页第十九页，共35页。当聚合物受力时，以上三种形

13、变当聚合物受力时，以上三种形变(xngbin)(xngbin)同时发生同时发生e e1e e2+e e3t2t1te eFor polymer deformationFor polymer deformation加力瞬间，键长、键角立即产生形变回复，形变直线(zhxin)上升通过链段运动，构象变化，使形变增大分子链之间发生质心位移第19页/共35页第二十页，共35页。作用作用(zuyng)时间问题时间问题(A)作用作用(zuyng)时间短时间短(t小），第二、三项趋于零小），第二、三项趋于零(B)作用作用(zuyng)时间长时间长(t大），第二、三大），第二、三项大于第一项，当项大于第一项，当

14、t，第二项，第二项 0/E2 第三项（第三项（0t/)表现为普弹(打碎熔体）表现为粘性（塑料雨衣变形）第20页/共35页第二十一页，共35页。e e1e e2e e3t0te eCreep recovery 蠕蠕变变(r bin)回复回复撤力一瞬间，键长、键角等次级运动立即回复，形变直线下降通过构象变化，使熵变造成的形变回复分子链间质心(zh xn)位移是永久的，留了下来第21页/共35页第二十二页，共35页。线形线形线形线形(xin xn(xin xn)和交联聚合物的蠕变全和交联聚合物的蠕变全和交联聚合物的蠕变全和交联聚合物的蠕变全过程过程过程过程形变随时间增加而增形变随时间增加而增大大(z

15、n d)，蠕变不，蠕变不能完全回复能完全回复形变随时间增加而增形变随时间增加而增大，趋于某一值，蠕大，趋于某一值，蠕变可以变可以(ky)完全回完全回复复第22页/共35页第二十三页，共35页。线形线形(xin xn)和交和交联聚合物的蠕变回复联聚合物的蠕变回复交联聚合物交联聚合物线形线形(xin xn)聚合物聚合物蠕变的本质(bnzh)：分子链的质心位移第23页/共35页第二十四页，共35页。通过蠕变曲线通过蠕变曲线通过蠕变曲线通过蠕变曲线(qxin),(qxin),可以计算材料的本体粘度可以计算材料的本体粘度可以计算材料的本体粘度可以计算材料的本体粘度 /t=0/=0(t2-t1)/3 t=

16、0/=0(t2-t1)/3 蠕变曲线蠕变曲线蠕变曲线蠕变曲线(qxin)(qxin)的另一种形式的另一种形式的另一种形式的另一种形式-lgD(t)-lgt-lgD(t)-lgt曲线曲线曲线曲线(qxin)(qxin)n n其它受力形式（剪切力、压力、扭力）其它受力形式（剪切力、压力、扭力）其它受力形式（剪切力、压力、扭力）其它受力形式（剪切力、压力、扭力）n n 同样可以产生同样可以产生同样可以产生同样可以产生(ch(ch nshng)nshng)蠕变蠕变蠕变蠕变 第24页/共35页第二十五页，共35页。蠕变与温度(wnd)、外力的关系 在聚合物在聚合物Tg以上以上(yshng)不远，链段能够

17、运动，但运动时不远，链段能够运动，但运动时受到内摩擦力又较大，只能缓慢运动，则可观察到较明显受到内摩擦力又较大，只能缓慢运动，则可观察到较明显的蠕变现象。的蠕变现象。第25页/共35页第二十六页，共35页。如何防止如何防止(fngzh)蠕变？蠕变？关键：减少链的质心(zh xn)位移链柔顺(rushn)性大好不好？链间作用力强好还是弱好？交联好不好？聚碳酸酯PC Polycarbonate聚甲醛聚甲醛 POM Polyformaldehyde 强好弱好好不好好不好第26页/共35页第二十七页，共35页。应力应力应力应力(yngl)(yngl)松弛松弛松弛松弛 在恒温下保持一定的恒定应变时，材料

18、的应力(yngl)随时间而逐渐减小的力学现象。第27页/共35页第二十八页，共35页。理想理想(lxing)弹性体和理想弹性体和理想(lxing)粘性体的应力松弛粘性体的应力松弛对理想(lxing)弹性体对理想(lxing)粘性体第28页/共35页第二十九页，共35页。交联和线形聚合物的应力交联和线形聚合物的应力交联和线形聚合物的应力交联和线形聚合物的应力(yngl)(yngl)松松松松弛弛弛弛交联聚合物交联聚合物线形线形(xin xn)聚合聚合物物不能产生不能产生(chnshng)质心质心位移，应力只能松位移，应力只能松弛到平衡值弛到平衡值高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松

19、弛的根本原因。E(t)=E1+E0(t)交联聚合物交联聚合物 t=0,(t)=1;t=,(t)=0第29页/共35页第三十页，共35页。应力应力(yngl)松弛的分松弛的分子原因子原因 试样所承受的应力逐渐消耗于克服链段及分试样所承受的应力逐渐消耗于克服链段及分子链运动的内摩擦阻力上。子链运动的内摩擦阻力上。具体说，在外力作用下，高分子链段不得不具体说，在外力作用下，高分子链段不得不顺着外力方向被迫舒展，因而产生内部应力，以顺着外力方向被迫舒展，因而产生内部应力，以与外力相抗衡。但是，通过链段热运动调整分子与外力相抗衡。但是，通过链段热运动调整分子构象，以致缠结点散开，分子链产生相对滑移，构象

20、，以致缠结点散开，分子链产生相对滑移，逐渐恢复其蜷曲的原状，内应力逐渐消除，与之逐渐恢复其蜷曲的原状，内应力逐渐消除，与之相平衡的外力当然也逐渐衰减，以维持恒定的形相平衡的外力当然也逐渐衰减，以维持恒定的形变。变。交联聚合物整个分子不能产生质心位移的运交联聚合物整个分子不能产生质心位移的运动，故应力只能动，故应力只能(zh nn)(zh nn)松弛到平衡值。松弛到平衡值。第30页/共35页第三十一页，共35页。应力松弛应力松弛(sn ch)与与 实验温度实验温度 的关系的关系玻璃(b l)态高弹态粘流态 研究应力松弛的意义：估测某些工程塑料零件中夹持金属嵌入物(如螺母)的应力，也可用来估测塑料

21、管道接头内环向应力阻止接头处漏水的期间以及测定塑料制品的剩余应力 可以研究聚合物，尤其(yuq)是橡胶的化学应力松弛。最后，由于应力松弛结果一般要比蠕变更容易用粘弹性理论来解释，故又常用于聚合物结构与性能关系的研究。t第31页/共35页第三十二页，共35页。习题习题(xt)有一个粘弹体，已知其有一个粘弹体，已知其和和E E分别为分别为5108Pas5108Pas和和108 Nm-2108 Nm-2，当起始，当起始应力为应力为10 Nm-210 Nm-2试求：试求：（1 1）达到松弛时间的残余应力为多少？松弛达到松弛时间的残余应力为多少？松弛10min10min时的残余应力为时的残余应力为多少？

22、多少？（2 2）当起始应力为当起始应力为109 Nm-2109 Nm-2时，到达时，到达(dod)(dod)松弛时间的形变率松弛时间的形变率为多少？最大平衡形变率为多少？为多少？最大平衡形变率为多少？解解:=/E=5x108pa.s/108N/m2=5s:=/E=5x108pa.s/108N/m2=5s(t)=(0)exp(-t/)(t)=(0)exp(-t/)当当t=,(t)=(0)/e=10 N/m2/e =3.679 N/m2t=,(t)=(0)/e=10 N/m2/e =3.679 N/m210 x3600=36000s10 x3600=36000s(t)=10 N/m2exp(-36

23、000/5)=0(t)=10 N/m2exp(-36000/5)=0(t)=()(1-exp(-t/)(t)=()(1-exp(-t/)()=(0)/E=109 N/m2/108 N/m2=10=1000%()=(0)/E=109 N/m2/108 N/m2=10=1000%(t)=()(1-1/e)=1000%(1-1/e)=632%(t)=()(1-1/e)=1000%(1-1/e)=632%第32页/共35页第三十三页，共35页。习题习题(xt)2 2、聚合物的蠕变行为可近似用下式表示、聚合物的蠕变行为可近似用下式表示(biosh)(biosh)：（t t）=（1-1-e-t/e-t/）

24、，若已知平衡应变值为），若已知平衡应变值为600%600%，而应变开始半小时后可达到，而应变开始半小时后可达到300%300%，试求：，试求：（1 1）聚合物的蠕变推迟时间；（）聚合物的蠕变推迟时间；（2 2）应变量达到）应变量达到400%400%时所需要的时间；时所需要的时间；（3 3）解释蠕变推迟时间的物意义。）解释蠕变推迟时间的物意义。解：解：(t)=(1-e-t/)(t)=(1-e-t/)=600%=600%，t=30min ,(30)=300%t=30min ,(30)=300%300%(30)=600%(1-e-30/)300%(30)=600%(1-e-30/)1/2=1-e-3

25、0/1/2=1-e-30/e-30/=0.5 -30/=-0.693 e-30/=0.5 -30/=-0.693=43.29min(3)=43.29min(3)400%(t)=600%(1-e-t/43.29)400%(t)=600%(1-e-t/43.29)2/3=1-e-t/43.29 e-t/43.29=1/3-t/43.29=-1.0986 2/3=1-e-t/43.29 e-t/43.29=1/3-t/43.29=-1.0986 t=47.56min(3)t=47.56min(3)为蠕变推池时间，当蠕变为蠕变推池时间，当蠕变（t t）达到蠕变平衡值的（）达到蠕变平衡值的（1-1/e1-1/e）倍时）倍时所用的时间即为所用的时间即为。越大，蠕变越慢，越大，蠕变越慢，越小，蠕变越快。越小，蠕变越快。(4)(4)第33页/共35页第三十四页，共35页。本讲小结本讲小结(xioji)静静态态(jngti)粘粘弹弹现现象象、线线性性粘粘弹弹性性、蠕蠕变变、蠕蠕变变推推迟迟时时间间、应应力力松松驰驰、粘弹性粘弹性第34页/共35页第三十五页，共35页。