第四章 聚合物的力学性能_1
第四篇 聚合物材料的动态力学分析DMTA
（1）扭摆法
由振幅A可求得对数减量Δ ：
ln A1 ln A2 ln A2 ln A3 ...... ln A A1 A ln 2 ..... ln n A2 A3 An1
式中：A1、A2、A3……An、An+1分别为个相应振幅的宽 度。 剪切模量G’由曲线求得，与1/P2成正比； 损耗模量G”和内耗角正切tgδ计算：
E" tg E'
—损耗因子
2、聚合物力学性质与温度、频率、时间的关系
聚合物的性质与温度有关，与施加于材料上外力 作用的时间有关，与外力作用的频率有关。 为了了解聚合物的动态力学性能，我们有必要进 行宽广的温度范围对性能的测定，简称温度谱； 在宽广的频率范围内进行测定，简称频率谱。
动态力学曲线
动态力学曲线
频率谱—在恒温、恒应力下，测量 动态模量及损耗随频率变化的试验 ，用于研究材料力学性能与速率的 依赖性。图14-4是典型非晶态聚合 物频率谱图。 当外力作用频率ω» 链段运动最可 几频率ω0时，E’很高，E”和tanδ 都很小；当ω« ω0时，材料表现出 理想的高弹态，E’很小，E”和 tanδ都很小；当ω=ω0时链段运 动有不自由到自由，即玻璃化转变 ，此时E’急剧变化，E”和tanδ都 达到峰值。
图14-4 lgE’、lgE”和tanδ对lgω关系
通过测定聚合物的DMA谱图，可以了解到材料在 外力作用下动态模量和阻尼随温度和频率变化的 情况，所测的动力学参数有效地反映了材料分子 运动的变化，而分子运动是与聚合物的结构和宏 观性能紧密联系在一起的，所以动态力学分析把 了解到的分子运动作为桥梁，进而达到掌握材料 的结构与性能的关系。
（二）强迫共振法
指强迫试样在一定频率范围内的恒幅力作用下发生振 动，测定共振曲线，从共振曲线上的共振频率与共振 峰宽度得到储能模量与损耗因子的方法。 A 共振峰宽度：共振曲线上 2 处所对应的两个频率之 差 f r f2 f1；有时也取最大振幅的一半时两频率之 差。 2 f 或 f 储能模量正比于 r r ( fr为共振频率) ； tan f r f r 损耗因子： A
聚合物材料测试方法
与应力的单位相同，都是N/m2（帕斯卡）。
三、材料强度——材料抵抗外力破坏的能力
拉伸强度——材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张 强度。
在规定的的温度、湿度和拉伸速度下，对标准 尺寸的哑铃状试样施加拉伸载荷。当材料被拉断时， 试样所承受的最大载荷P与试样的横截面积（宽度 与厚度的乘积）之比即为材料的拉伸强度：
聚合物结构的分析表征——
链结构——红外光谱、紫外光谱、荧光光 谱、拉曼光谱、电子能谱、核磁共振、顺 磁共振、X射线衍射（广角）、电子衍射、 中子散射……；
聚集态结构——X射线衍射（小角）、固 体小角激光光散射、电子衍射、电子显微 镜、光学显微镜、原子力显微镜、热分 析……。
聚合物性能的测定——
σt = P/bd 由于在拉伸过程中试样的宽度和厚度不断变化， 所以一般采用试样起始的尺寸来计算拉伸强度。
2. 弯曲强度——材料抵抗弯曲破坏的能力 在规定的试验条件下对标准试样施加一个弯曲力
矩，直到试样断裂：
测定试验过程中的最大载荷P，并按照下式计算弯曲强度：
f
P lo / 2 1.5 Plo
A0 F
F
剪切应变： γs = S/d = tgθ —— 剪切角的正切剪
切应力：
τs = F/A。
剪切应力的单位也是N/m2（ 帕斯卡）。
3. 均匀压缩 —— 材料受到均匀围压力的作用
材料的压缩应力就是所受到的围压力P；受力 后材料的体积发生变化，由原来的Vo减小为Vo-ΔV， 压缩应变为：
Δ=ΔV/ Vo
屈服点——Y σY：屈服应力 εY：屈服伸长率
断裂点——B σB：断裂应力 εB：断裂伸长率
第四章 聚合物流变学基础
三、非牛顿流体的剪切速率
由非牛顿流体的幂律方程，可得到毛细管中非牛 顿流体的剪切速率γ ，积分后可得到毛细管中非牛顿流 体的速度分布 v(r) 和体积流量 qv 。
第四节 聚合物熔体的拉伸粘度
一、拉伸流动
聚合物熔体在流动中受外力拉伸时产生的收敛流动 称为拉伸流动。在拉伸流动中，流体的速度梯度方向平 行于流动方向。
5. 二次流动
当聚合物流体在一椭圆形截面的管 子中流动时，除了轴向流动外，有可 能出现对称于椭圆两轴线的环流。它 是由第二法向应力差所引起，与大分 子链被拉伸的程度相关。
6. 应力过冲与应力松弛
对聚合物流体突然加上一个剪切 速率，其剪切应力先趋向一个最大 值，然后再减小至它的稳定值。 在稳定情况下突然停止流动，聚 合物流体的应力不会立即等于零， 而是有一个应力松弛过程。
第一节 聚合物熔体的流动
一、流动类型
1. 层流和湍流
聚合物成型时，高粘度熔体呈现层流状态，Re 1。 熔体经小浇口注射进入模腔，出现弹性湍流。
2. 稳定流动与不稳定流动
稳定流动：流体的流动状况以及影响流体流动的因素 均不随时间而变化。 不稳定流动：流体的流动状况以及影响流体流动的因 素均随时间而变化。
第二节 聚合物熔体剪切粘度 的影响因素
一、剪切速率的影响
聚合物熔体的粘度随剪切速率的增加而下降。对剪 切速率敏感性大的塑料，可采用提高剪切速率的方法来 降低熔体粘度。
二、温度的影响
聚合物熔体的粘度随温度的升高而下降。对粘流活
化能大的塑料，可采用提高温度的方法来提高成型加工 的流动性。
三、压力的影响
3. 入口效应
聚合物加工各章重点
第一章：聚合物的加工性质（只限定义和常识，没有太深的内容）聚合物特有的加工性质：良好的可模塑性（Mouldability) 材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。
可模塑性主要取决于材料的流变性、热性质和其它物理力学性质等，在热固性聚合物的情况下还与聚合物的化学反应性有关。
影响因素：温度、模具的结构尺寸、压力可挤压性(Extrudability) 指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形变的能力。
与粘度（剪切粘度和拉伸粘度）密切相关，粘度高或粘度低，可挤压性都差。
可纺性(Spinnability) 聚合物材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。
主要取决于材料的流变性质，熔体粘度、熔体强度以及熔体的热稳定性和化学稳定性等可延性(Stretchability) 无定形或半结晶固体聚合物在一个方向或二个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。
线型聚合物的可延性来自于大分子的长链结构和柔性，在形变过程中在拉伸的同时变细或变薄、变窄。
第二章：聚合物的流变性质（重点），包括：拉伸黏度的定义与特点、与拉伸应力关系，与剪切流动区别及对制品成型的影响等）两个与聚合物加工有关的基本流变性能是材料的：①粘性②弹性拉伸粘度与拉伸应力的关系：A类(如低密度聚乙烯、聚异丁烯、聚苯乙烯) 由于熔体中有局部弱点，在拉伸过程中形变趋于均匀化，又由于应变硬化，因而η随γ增大而增大;B类(如有机玻璃、ABS、尼龙、聚甲醛、聚酯)η与γ无关;C类(如高密度聚乙烯、聚丙烯) 因局部弱点在拉伸过程中引起熔体的局部破裂，所以η随γ减小。
剪切流动与拉伸流动的区别①剪切流动：层与层之间的滑移，（一层内质点间的相对位移不变）拉伸流动：一个平面内质点间的距离被拉长。
②随剪切速率或拉伸速率的变化趋势不同，对假塑性流体，剪切粘度随γ增加而下降，而拉伸粘度的变化要复杂的多，可能降低、不变或升高。
拉伸流动中实际的影响因素很多，与高分子的结构有关。
③数值大小不同一般来讲，对高分子体系，大应力下，拉伸粘度比剪切粘度要大100倍左右（小分子3倍）因此，拉伸流动比例即使占的比例很小，其影响也很大。
聚合物的屈服与断裂
强迫高弹形变产生的原因或玻璃态下链段的运动是如何发生的？
松弛时间与应力的关系：?＝?0
exp?? ?
?
E－??
kT
??? ?
E－链段运动活化能
?－材料常数
? 由上式可见， ? 越大， 越小，即外力降低了链段在外
力作用方向上的运动活化能，因而缩短了沿力场方向的松
弛时间，当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中 屈服点后产生 的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度
升到其Tg附近，该形变则可完全回复，因此它在 本质上
仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变又称塑性形变
讨论玻璃态聚合物的强迫高弹形变和橡胶高弹形变的异同：
.
.
..
?1 ? ?2 ? ?3 ? ?4
即增加应变速率与
降低温度的效应是
等效的。
(3) 环境压力
研究发现，对许多非晶聚合 物，如PS、PMMA 等，其脆韧转变行为还与环境压力有关。
右图可见，PS在低环境压力 （常压）下呈脆性断裂特点， 强度与断裂伸长率都很低。随 着环境压力升高，材料强度增 高，伸长率变大，出现典型屈 服现象，材料发生脆-韧转变。
作用时间同一数量级时，链段开始由蜷曲变为伸展，产生
强迫高弹变形。
也就是在外力的作用下，非晶聚合物中本来被冻结的链段 被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大的形变。但由于聚 合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形变也
就得不到回复，只有当温度升至 Tg附近，使链段运动解冻，形
变才能复原。
强迫高弹形变的定义
Point of elastic limit 弹性极限点
聚合物共混原理第四章聚合物间的增容作用
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35
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3
什么叫增容作用？
增容有两方面含义：
1. 使得聚合物之间易于相互分散，得到宏观均匀 的共混物；
2. 改善聚合物之间相界面的性能，增加相间的粘 合力，使得共混物具有长期稳定的性能。
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4
4.1 增容作用的类型及物理本质（或增容原理）
4.1.1 增容作用的类型
按增容机理看，增容作用可分为两类：
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* 王琪、刘长生，湖北化工， 2001 No.03
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4.5.3 PA6/ABS
PA6/ABS（60/40）共混物中加入2phr.的反应增容剂 （主干含羧基，支链为PMMA），经247℃熔融混炼， 共混物的伸长率比未增容的同样共混物高出6倍多， 冲击强度提高了1倍 。
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第四章 聚合物间的增容作用
本节主要内容：
4.1 增容作用的类型及物理本质（或增容原理） 4.2 常用的增容方法 4.3 增容剂的类型以及制备方法 4.4 增容剂增强机理及其与共混体系的相形态的关系 4.5 增容剂在聚合物共混体系中的应用举例
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1
前面第三章讲到了P-P之间的相容性及其分类、研究了 相容性的判据、判定相容性好坏的方法、以及相容性 与P-P形态结构的关系。 如何实现相容性的提高，实现增容效果？
(Ⅱ) 一般而言，嵌段共混物的增容效果要大于相同成分的 接枝共聚物，即：A－b－B优于A－g－B。这是由于接枝共 聚物的结构所致：长主链短支链。
(Ⅲ) 两嵌段共聚物（A－B）的增容效果大于三嵌段共聚 物（A－B－A或者B－A－B）的增容效果。这是由于中 间嵌段的构象运动受到较大抑制所致 。
第四章 聚合物成型加工过程的物理和化学变化
聚合物熔体中晶核数与熔体温度和加热时 停留时间的关系
.
（三）应力作用的影响
聚合物在纺丝、薄膜拉伸、注射、挤出、 模压和压延等成型加工过程中受到高应力作用 时，有加速结晶作用的倾向。这是应力作用下 聚合物熔体取向产生了诱发成核作用所致。
.
应力对结晶速度和结晶度的影响
剪切力、拉伸力的作用使分子取向，形成 有序排列，结晶速度提高，结晶度提高；
第四章 聚合物成型加工过程 的物理和化学变化
在成型加工过程中聚合物会发生一些物理化学变化，这 些变化有时是有利的，有时是有害的，如：
结晶：定型，增强；内应力，翘曲 取向: 增强；各向异性 降解：塑化；性能变差 交联：硫化，增强性能；有些不能再加工 因此了解这些变化的特点以及加工条件对它们的影响， 有利于进行产品开发，利用和控制这些变化，对聚合物的加工 和应用有实际意义。
温度高，晶粒大，制品发脆，力学性能差； 同时冷却速度慢，生产周期长，冷却程度不均 匀，制品易变形。
.
2. tc<<tg，骤冷过程，冷却速度快 a 链段重排困难——结晶度不高
结晶温度低——结晶不完善。 b 骤冷甚至不结晶，体积松散，收缩性大。 c 厚制品，各处冷却温度速度不同，微晶生成，
内应力大。 如PP、PE、POM结晶能力强但Tg低，制品的
.
第一节 成型加工过程中 聚合物的结晶
塑料成型、薄膜拉伸及纤维纺丝过程中常 出现聚合物结晶现象，但结晶速度慢、结晶具有 不完全性和结晶聚合物没有清晰的熔点是大多数 聚合物结晶的基本特点。
聚合物加工过程，熔体冷却结晶时，通常 生成球晶，在高应力作用下的熔体还能生成纤维 状晶体。
.
一、聚合物晶体的形态
缺点：wc低，透明性降低，韧性降低， 收缩率提高，易龟裂。
5. 高聚物的力学性能
L
L
N
H
（1）温度
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
（2）应变速率
(1)
(3)
应力
(2)
(4)
应变
强迫高弹形变的定义
处于玻璃态的非晶聚合物在拉伸过程中屈服点后产生
的较大应变，移去外力后形变不能回复。若将试样温度
升到其 Tg 附近，该形变则可完全回复，因此它在本质上 仍属高弹形变，并非粘流形变，是由高分子的链段运动 所引起的。 这种形变称为强迫高弹形变。
Stress
Yield stress
(4)断裂强度 (5)断裂伸长率 (6)断裂韧性
Strain
以应力应变曲线测定的韧性
d
量纲=Pam/m=N/m2 m/m= J/m3
材料在屈服点之前发生的断裂称为脆性断裂 brittle fracture ； 在屈服点后发生的断裂称为韧性断裂 ductile fracture 。
5.1.2细颈
1）细颈的形成原因
本质：剪切力作用下发生塑性流动 A0 F F
F
F
Fn F α F 正应力 0 A0 切向力 A Fs
A0 斜截面面积 A sin
F
法向力 Fn＝F·sinα
Fs＝F·cosα
A
法应力： n Fn 0 sin 2 切应力： S FS 0 sin cos 1 0 sin 2
A
plastic deformation 塑性形变
Strain hardening 应变硬化
A E A
O
A y
B
图 非晶态聚合物在玻璃态的应力-应变曲线
高分子材料与工程专业英语课文
UNIT 22 Mechanical Properties of Polymers聚合物的力学性能The mechanical properties of polymers are of interest in all applications where polymers are used as structural materials. Mechanical behavior involves the deformation of a material under the influence of applied forces.聚合物的力学性能感兴趣的所有应用中聚合物被用作结构材料。
机械行为涉及材料形变的影响下，施加的力。
The most important and most characteristic mechanical properties are called moduli. A modulus is the ratio between the applied stress and the corresponding deformation. The re-ciprocals of the moduli are called compliances. The nature of the modulus depends on the na-ture of the deformation. The three most important elementary modes of deformation and the moduli (and compliances) derived from them are given in Table 22.1, where the definitions of the elastic parameters are also given. ® Other very important, but more complicated, de-formations are bending and torsion. From the bending or flexural deformation the tensile modulus can be derived. The torsion is determined by the rigidity.最重要和最具特色的机械特性被称为模。
高分子物理思考题
《高分子物理》课程习题思考题（王经武执笔，第六次修订）第一章高分子链的结构（Ⅰ）一．解释名词、概念1．高分子的构型2.全同立构高分子3.间同立构高分子4.等规度5.平均（数均）序列长度 6.高分子的构象7.高分子的柔顺性8.链段9.静态柔顺性10.动态柔顺性11.H pq 二．线型聚异戊二烯可能有哪些构型?三．聚合物有哪些层次的结构?哪些属于化学结构？哪些属于物理结构？四．为什么说柔顺性是高分子材料独具的特性？五．通常情况下PS是一种刚性很好的塑料，而丁二烯与苯乙烯的无规共聚物（B:S=75:25）和三嵌段共聚物SBS（B:S=75:25）是相当好的橡胶材料，从结构上分析其原因。
六．若聚丙烯的等规度不高，能否用改变构象的方法提高其等规度？为什么？七．天然橡胶和古塔玻胶在结构上有何不同？画出示性结构式。
八．有些维尼纶的湿强度低、缩水性大，根本原因是什么？九．高分子最基本的构象有哪些？在不同条件下可能呈现的典型的构象有哪些?十．链段的组成、大小有什么特点？第一章高分子链的结构（Ⅱ）一．解释名词、概念1.等效自由连接链2.高斯链3.高分子末端距分布函数二．已知两种聚合物都是PE，如何鉴别哪一种是HDPE，哪一种是LDPE？举出三种方法并说明其依据。
三．假设一种线型聚乙烯高分子链的聚合度为2000，键角为109.5º，C-C键长为1.54Å，求：（1）若按自由连接链处理，＝？（2）若按自由旋转链处理，＝？（3）若在无扰条件下的溶液中测得高分子链的=6.76nl2，该高分子链中含有多少个链段？链段的平均长度是多少？（4）计算/，/，/，并说明三个比值的物理意义。
四．求：（1）聚合度为5×104的线型聚乙烯的均方末端距（作为自由旋转链），用两种方法计算；（2）求这种聚乙烯的最可几末端距；（3）末端距为10 Å、100 Å的几率。
五．试分析纤维素的分子链为什么是刚性的。
§1.2 聚合物的热力学性能
聚合物的热力学性能
θf是塑料成型加工的最低温度，
通过加入增塑剂可降低聚合物
粘流温度。 粘流温度有关因素： 与聚合物结构有关； 与其相对分子质量有关； 一般相对分子质量越高，粘流温度也越高。
§1.2
聚合物的热力学性能
塑料成型加工中，其加工温度的选择: 首先要进行塑料熔融指数及粘度的测定，粘度 值小、熔融指数大的塑料，其加工温度相对要低 一些，但这种材料制成的产品强度不高。 ——高度交联的体型聚合物(热固性树脂)，由 于其分子运动阻力大，一般温度对其力学状态的 改变较小，因此通常不存在粘流态甚至高弹态。
温度较低，分子运动能量很低，链段处于被冻 结的状态，只有较小的单元：侧基、支链和小链 节能运动，所以，不能实现构象的转变。
§1.2
聚合物的热力学性能
高聚物玻璃态的力学性质： 受到外力时，只能使主链的 键长和键角有微小的改变。 宏观表现为高聚物受力后形变小，且可逆的； 弹性模量较高，聚合物处于刚性状态； ——物体受力的变形符合虎克定律，即应力与 应变成正比，并在瞬时达到平衡。 聚合物处于玻璃态时硬而不脆，可做结构件使 用，但使用温度不低于脆化温度θb，否则会发生 断裂，使塑料失去使用价值。
§1运动 对聚合物的韧性有很大影响。 4.晶态聚合物的晶区内分子运动。
§1.2
聚合物的热力学性能
二、聚合物的热力学性能 1.非晶态高聚物的热力学性能 固体聚合物分类： 晶态聚合物 非晶态聚合物。 热力学曲线： 描述高聚物在恒定应力作用下形变随温度改变 而变化的关系曲线。
§1.2
聚合物的热力学性能
当结晶度达到40％时，微晶体 彼此衔接，形成贯穿整个材料的 连续结晶相。 此时，结晶相承受的应力比非 结晶相大得多，使材料变得坚硬，宏观上将觉察 不到它有明显的玻璃化转变。
高聚物的力学性能
4.3 高弹性
1. 高弹性的特点
高弹态是高聚物所特有的，是基于链段运动的一种力学状态， 可以通过高聚物在一定条件下，通过玻璃化转变而达到。
处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能——高弹性。 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能。
橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的特征表现在：
①弹性形变大，可高达1000%，而金属材料的普弹形变不超过1%。
高聚物作为结构材料，在实际应用时，往往受到交变力的作用。例 如轮胎，传动皮带，齿轮，消振器等，它们都是在交变力作用的场 合使用的。 以轮胎为例，车在行进中，它上面某一部分一会儿着地，一会 离地，受到的是一定频率的外力，它的形变也是一会大，一会小， 交替地变化。
滞后现象：高聚物在交变力作用下，形变落后于应力变化的现象 原因解释：链段在运动时要受到内摩擦力的作用，当外力变化时 链段的运动还跟不上外力的变化，形变落后于应力。链段运动愈 困难，愈是跟不上外力的变化。
应力松弛行为与温度有大的依赖性。在玻璃化转变区尤为明显。
（1）如果 T Tg ，如常温下的橡胶，链段易运动，受到的内摩擦 力很小，分子很快顺着外力方向调整，内应力很快消失（松弛了）， 甚至可以快到觉察不到的程度。
（2）如果
，如常温下的塑料，虽然链段受到很大的应力，
但由于内摩擦力很大，链段运动能力很小，所以应力松弛极慢，也
t1
t2
t
普弹形变示意图
（ii）高弹形变（e2）：
聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，形变量比普弹 形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间有关。当外力除去后，高弹 形变逐渐回复。如下图：
e2
t1
t2
t
高弹形变示意图
（iii）粘性流动（e3）：
中山大学 塑料胶体 考试题答案
思考题答案第三章1.（1）溶胀：溶剂小分子渗透进入聚合物内部，使之体积膨胀。
（出现溶胀的原因：聚合物分子和溶剂小分子运动速度差别悬殊，小分子扩散快，进入到大分子内部。
）无限溶胀和有限溶胀。
（2）溶解：溶质分子分散到了溶剂分子当中，以分子状态存在。
形成的溶液是处于热力学平衡状态的真溶液。
（3）聚合物的溶解过程：非结晶线形结构的聚合物，先溶胀，再溶解；结晶聚合物，先熔融，再溶解对于交联聚合物，只溶胀，不溶解。
2.溶度参数：2/11)(VE∆=δ，内聚能密度的平方根。
表示：高分子与溶剂分子之间的相互作用能力大小的参数。
两溶度参数越相近越容易溶解。
如何测定溶度参数：线性聚合物：取使溶液特性粘度为极大值的溶剂的溶度参数；（将不同系列的溶剂溶解了高分子后，粘度最大的的溶剂的溶度参数即为聚合物的溶度参数）交联聚合物：取平衡溶胀度最大的溶剂的溶度参数为聚合物的溶度参数；（溶胀在一系列溶剂中，用溶胀度最大的溶剂的溶度参数作为它的溶度参数）3.非晶态高聚物：先溶胀，再溶解。
非极性晶态高聚物：先熔融，再溶解。
极性晶态高聚物：由于高聚物的极性基团与溶剂之间的强相互作用而放热，破坏了晶体结构，然后按非晶态高聚物一样，先溶胀，后溶解。
低交联度的高聚物：只溶胀，不溶解。
4.溶剂选择原则：极性相近原则；溶剂化原则；溶度参数相近原则（仅对非极性聚合物有效，对极性无效）。
5. θ温度：对每一种溶剂，均能找到使高分子与高分子，和高分子与溶剂，和溶剂与溶剂这些作用力达到平衡的温度，此温度即为θ温度；θ溶剂：在一定温度下，使高分子与高分子，和高分子与溶剂，和溶剂与溶剂这些作用力达到平衡的溶剂。
6.哈金斯参数，又叫相互作用参数，表示高分子与溶剂混合时相互作用能的变化大小。
和溶液性质和温度关系：在θ溶剂下，当x1=1/2时，随着T↑，x1↓。
第四章1.高聚物的转变：聚合物有运动单元的多重性，当T、频率变化，不同的运动单元开始运动，聚合物的力学性能、电学性能等发生变化。
聚合物的动态力学性能
实验七 聚合物的动态力学性能1. 实验目的要求1.1 掌握使用DMA Q800型动态力学分析仪测定聚合物的复合模量、储能模量和损耗模量的原理及方法。
1.2 能够通过数据分析，了解聚合物的结构特性。
2. 实验原理当样品受到变化着的外力作用时，产生相应的应变。
在这种外力作用下，对样品的应力-应变关系随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学分析。
动态力学分析是研究聚合物结构和性能的重要手段，它能得到聚合物的储能模量（E '），损耗模量（E ''）和力学损耗（tan δ），这些物理量是决定聚合物使用特性的重要参数。
同时，动态力学分析对聚合物分子运动状态的反映十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其它条件的变化的特性可得聚合物结构和性能的许多信息，如阻尼特性、相结构及相转变、分子松弛过程、聚合反应动力学等等。
本实验采用DMA Q800型动态力学分析仪分析聚合物在一定频率下，动态力学性能随温度的变化。
如果在试样上加一个正弦应力σ，频率为ω，振幅为0σ，则应变ε也可以以正弦方式改变，应力与应变之间有一相位差δ，可分别表示为：0sin t εεω=0sin()t σσωδ=+式中0σ和0ε分别为应力和应变的幅值，将应力表达式展开：00cos sin()sin cos t t σσδωδσδω=++应力波可分解为两部分，一部分与应力同相位，峰值为0cos σδ，与储存的弹性能有关，另一部分与应变有90°的相位差，峰值为0sin σδ，与能量的损耗有关。
定义储能模量（E '），损耗模量（E ''）和力学损耗（tan δ）：00(/)cos E σεδ'= 00(/)sin E σεδ''=sin tan cos E E δδδ''=='复数模量可表示为：*E E iE '''=+其绝对值为：E =在交变应力作用下，样品在每一周期内所损耗的机械能可通过下式计算：320()()W t d t E φεσπε''∆==∆与E''成正比，因此，样品损耗机械能的能力高低可以用E''或tanδ值的大小来W衡量。
[化学]聚合物改性-4章
![[化学]聚合物改性-4章](https://img.taocdn.com/s3/m/defe033971fe910ef02df857.png)
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共混体系中，两相界面分的清，相间作用力弱， 体系的力学强度不好。因而改善界面状况，形 成一定宽度的界面层是至关重要的。
对于一般机械共混的情况：
选混溶性好、分子量分布宽（含低分子量物） 表面张力较小的聚合物共混。
采用增容技术 添加接枝共聚物、嵌段共聚物等， 降低两相之间界面能、促进相的分散、强化相 间粘结。
增大剪切应力、剪切速率，进而提高两相间相 互分散的程度，减少微区尺寸。
h
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2.相界面的效应
⑴力的传递效应 连续相的外力通过相界面传给 分散相，分散相受力变形后，又通过界面将力 传给连续相。
⑵光学效应 制备特殊光学效果的材料。如 PS/PMMA共混，制具有珍珠光泽的材料。
⑶诱导效应 诱导结晶，避免形成较大的球晶。
h
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3.界面自由能与共混过程的动态平衡 P36
破碎 和 凝聚 动态平衡
两熔体界面能相近就易于形成相互浸润的 情况，利于扩散。
h
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4.4形态结构的研究方法
1.光学显微镜法
聚合物共混体系中，分散相尺寸大于1µm时，利用光 学显微镜可直接观察到微区的形态结构和尺寸大小。 折射率差较大时（大于0.01），可看到图像的明暗不同。 相差显微镜: 折射率差在0.004也可产生反差，看到图 像。 偏光显微镜：对于有结晶成分的，可观察含有结晶晶 区的形态，对于取向程度相差较大的，也可观察其形 态。
h
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1.相界面的形态
界面层内两相
的分子链共存， 在这里互相扩散、 渗透，形成相间 过渡区。
h
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⑴界面层的宽度
即两种大分子链段在界面相互扩散的程度。 取决于两种聚合物的 溶度参数 相近易扩散，界面层宽； 界面张力 相近，界面张力小，利于相互润湿和扩散 分子量 分子量相近，相互扩散，分子量差别大，单 向扩散倾向大 共混工艺 剪切强度、温度等。
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3 Pl0 Ef 4bd 3
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3．冲击强度
表征材料韧性，表示抵
抗冲击载荷破坏的能力。
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冲击强度
试样受冲击载荷而折断时单位面积所吸收的能量。
E i A
摆锤式冲击实验：简支梁；悬臂梁。
单位
KJ/m2 ; J/m
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பைடு நூலகம்
4．硬度
衡量材料表面抵抗机械压力的能力。
与材料的抗张强度和弹性模量有关。 硬度实验方法很多，加荷方式有动载法和静载法两 类。 有布氏、洛氏和邵氏等名称。
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布氏硬度：
实验是以平稳的载荷将直径D 一定的硬刚球压入试样表面， 保持一定时间使材料充分变形， 并测量压入深度h， 计算试样表面凹痕的表面积， 以单位面积上承受的载荷 （公斤/毫米2）为材料的布氏硬度。
B： E/3～∞
G： E/2～E/3 E、G、B和V这四个参数中只有两个是独立的；只 要知道两个参数，就足以描述各向同性材料的弹性 力学行为了。
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五．几种常用的力学性能指标
1．拉伸强度
Pm t A0
Pm：断裂前试样承受的最大载荷；
A0：试样的起始横截面积。
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各向同性材料： E 2G(1 ) 3B(1 2 ) 理想不可压缩物体变形时，体积不变：
V 0, B , v 0.5, E 3G V0
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大多数材料泊松比在0.2到0.5之间；橡胶和小分子 液体的泊松比接近0.5。 v： 0～0.5
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拉伸模量（即杨氏模量）：拉伸初始阶段的应力与 应变比例
d E d
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2．弯曲强度
亦称绕曲强度
是在规定实验条件下，对标
准样品施加静弯曲力矩，直
到试样断裂为止，取实验过 程中的最大载荷，并按下式 计算弯曲强度（三点弯曲）
Pm l 0 f 1.5 2 bd
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二．模量与柔量
1．模量 对于理想的弹性固体，应力与应变的关系服从虎克 定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模 量，简称模量。
应力 弹性模量＝ 应变
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弹性模量表征材料抵抗变形能力，模量越大，愈不
容易变形，表示材料刚度越大。
弹性模量的单位与应力的单位相同。
杨氏模量
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（2）应力
材料发生宏观变形时，产生附加内力以抵抗外力。
定义单位面积上的附加内力为应力。 平衡时，其值与单位面积上所受的外力相等。
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2．三种不同形变模式下的应力与应变
（1）简单拉伸
ε：拉伸应变；l0：材料的起始长度；I： 材料变形后的长 度
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真应力。
F A
在某一时刻长度从li变到li+dli，则真应变为：
dli l ln l0 l l0 i
l
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（2）简单剪切
材料受到的力F是与截面A0相平行的大小相等、方向相反
的两个力。
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偏斜角θ的正切定义为切应变，
F A0 E l l0
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剪切模量
F s A0 F G tan A0 tan
体积模量
P B V V0
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2.柔量
有时，用模量的倒数比用模量来得方便。
定义模量的倒数为柔量，柔量越大，越容易变形。
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定义
拉伸应变：
l l 0 l l0 l0
(%)
拉伸应力：
F A0
这种拉伸应变和拉伸应力的定义在工程上被广泛运用， 因而称为习用应变和习用应力习用应变有时也称为相对伸 长或伸长率。
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真应力和真应变：
计算应力应该用真实的截面积A代替A0，得到的应力称为
授课:徐世爱
第四章 聚合物的力学性能
对于大部分应用而言，力学性能比高聚物 的其它性能显得更为重要。 高聚物材料具有所有已知材料中可变性范
围最宽的力学性能。
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第一节 描述力学性能的基本物理量
一．应力与应变
1．一般描述
（1）应变 材料在外力作用下，发生的几何形状和尺寸的变化。
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tan
当切应变足够小时，
材料的剪切应力为：
F s A0
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（3）均匀压缩
在均匀（流体静力）压缩的情况下，材料受到的是围压力
P，发生体积形变，使材料从起始体积V0缩小为V0-ΔV
材料的均匀压缩应变Δ定义为单位体积的体积减小
V V0
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拉伸柔量
1 D E 1 J G
剪切柔量
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三．泊松比
在拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单 位长度的增加之比值。用表示：
m m0 t l l0
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四．三种模量之间的关系