5-高聚物的力学性能(下)
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●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。
§5高聚物的力学性能
特例:以橡胶为改性剂,提高高聚物材料抗冲击性能。
对橡胶的要求:玻璃化温度必须远低于使用温度;橡胶不溶于刚性高聚物而形成二相;两种高聚物溶解行为上相似,有利于相互黏着。
若三条件达不到,加入第三组分。
效果:原脆性高聚物的冲击强度提高5~10倍。
●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。
§5高聚物的力学性能
特例:以橡胶为改性剂,提高高聚物材料抗冲击性能。
对橡胶的要求:玻璃化温度必须远低于使用温度;橡胶不溶于刚性高聚物而形成二相;两种高聚物溶解行为上相似,有利于相互黏着。
若三条件达不到,加入第三组分。
效果:原脆性高聚物的冲击强度提高5~10倍。
高聚物结构与性能的关系1.高聚物的结构根据研究单元的不同分类,聚合物的结构可分为两类:一类是聚合物的链结构,即分子内的结构,即研究分子链中原子或基团之间的几何排列;另一种是聚合物的分子聚集结构,即分子间结构,它研究每单位体积内许多分子链的几何排列。
对于高分子材料而言,链结构只是间接影响其性能,而分子聚集结构是直接影响其性能的因素。
1.1聚合物链结构高聚物的链结构包括近程结构和远程结构。
近程结构是指结构单元的化学组成、立体异构、连接顺序、以及支化、交联等;远程结构是指高分子链的构象、分子量等。
聚合物链结构是决定聚合物基本性能的主要因素。
由于不同的链结构,各种聚合物的性能完全不同。
例如,聚乙烯柔软易结晶,而聚苯乙烯坚硬易碎,不能结晶;等规聚丙烯在室温下为固态结晶,无规聚丙烯在室温下为粘性液体。
1.2高聚物的聚集态结构聚合物的分子聚集结构包括结晶态、非晶态、液晶态、取向态等;聚合物的分子聚集结构是在加工成型过程中形成的,是决定聚合物产品使用性能的主要因素。
即使具有相同链结构的同一聚合物具有不同的加工条件,其模制产品的使用性能也会非常不同。
例如,晶体取向度直接影响纤维和薄膜的机械性能;不同的晶体尺寸和形态会影响塑料制品的冲击强度、开裂性能和透明度。
因此对高聚物材料来说,链结构只是间接影响其性能,而分子聚集态结构才是直接影响其性能的因素。
研究高聚物分子聚集态结构的意义就在于了解高聚物分子聚集态结构的特征,形成条件及其与材料性能之间的关系,以便人为地控制加工成型条件得到具有预定结构和性能的材料,同时为高聚物材料的物理改性和材料设计建立科学基础。
2.高聚物结构与力学性能的关系2.1链结构与力学性能的关系不同的聚合物,具有不同的分子结构,必然会表现出不同的材料性质。
聚集乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、环氧树脂和聚二甲基硅氧烷(硅橡胶)等等都是不同分子结构的高聚物,它们或是晶态高聚物,或是非晶态高聚物,或是橡胶,或是不溶不熔的热固性树脂,这些都是一般人都知道的常识。
1.玻璃态
T<Tg
(2)力学特征:形变量小(0.01 ~1%),模量高(109 ~1010Pa)。
形变与时间无关,呈普弹性。
(1)运动单元:键长、键角的改变或小尺寸单元的运动。
T d
T f
T g
2.玻璃化转变区(1)链段运动逐渐开始
(2)形变量ε增大,模量E降低。
T d
T f
T g
3.高弹态
T g ~T f
(1)运动单元:链段运动
(2)力学特征:高弹态
形变量大,100-1000﹪
模量小,105-107Pa T d
T f
T
g
4.粘流转变区
(2)形变量加大,模量降低,宏观上表现为流动
(1)整链分子逐渐开始运动,
T d
T f
T g
5.粘流态
T f ~T d
(2)力学特征:形变量更大
模量更低
流动
(3)T 与平均分子量有关
(1)运动单元:整链分子产生相对位移T d
T f
T g
T f
图5-9 高聚物的比容-压力曲线图5-10 高聚物的tanδ-lgν曲线
33。
第五章 高聚物的物理性能第一节 高聚物的物理状态高聚物的聚集态结构,根据链结构的规整性和能否结晶可分为两类: 结晶性高聚物(有规则排列)非结晶性高聚物(无规则排列)链段运动——使高聚物具有高弹性高聚物热运动具有两重性整个分子链运动——使高聚物象液体一样具有粘流性热-机械曲线——形变-温度曲线:表示高聚物材料在一定负荷下,形变大小与温度的关系曲线。
按高聚物的结构可以分为:线型非晶高聚物形变-温度曲线结晶态高聚物形变-温度曲线 其他类型的形变-温度曲线三种一、线型非晶态高聚物的物理状态1.形变-温度曲线A B C D ET b T g 温度(℃) T fT b -脆化温度;T g -玻璃化温度;T f -粘流温度可分为五个区A 区(玻璃态):内部结构类似玻璃,大分子不能运动,链段也不能运形变(%)动,在除去外力后,形变马上消失而恢复原状,可逆形变称为普弹性形变。
C 区(高弹态或橡胶态):除了普弹形变外,主要发生了大分子的链段位移(取向)运动。
但整个大分子间并未发生相对位移,形变也可以消除,所以是可逆的弹性形变。
E 区(粘流态或塑化态):当施加负荷时,高聚物象粘性液体一样,发生分子粘性流动,大分子能运动,链段也能运动,形变不能自动全部消除,这种不可逆特性,称为可塑性。
B 区和D 区:为过渡区。
其性质介于前后两种状态之间。
玻璃态物理力学三态高弹态 (是一般非晶态高聚物所共有的)粘流态2.非晶态高聚物三种物理状态的力学行为特征和形变机理3.三态之间的转变随温度的变化而逐渐变化过程 玻璃态 ⇔高弹态⇔ 粘流态 4.注意问题1/ T g 是大分子链段能运动的最低温度,高弹态的出现是链段运动的产物。
2/ T g 与柔性的关系:柔性大,T g 低,反之。
刚性大,T g 高。
3/ T g 与T f 的使用价值T g 是塑料、纤维的最高使用温度T f 是橡胶的最低使用温度,也是高聚物成型加工温度。
5.线型非晶态高聚物的物理力学状态与相对分子质量的关系不同相对分子质量的聚苯乙烯的热-机械曲线二、结晶态高聚物的物理状态晶态高聚物的形变-温度曲线 1-一般相对分子质量 2-相对分子质量很大1/ 结晶态高聚物按成型工艺条件的不同可以处于晶态和非晶态。