高聚物形变温度曲线的测定

实验4高聚物形变～温度曲线的测定
测定高聚物的形变～温度曲线，是研究高聚物力学性质的一种重要手段。

从测得的形变～温度曲线上，可以确定出高聚物试样的玻璃化温度T g、流动温度T f、熔点T m等重要数据，这对于评价高聚物试样的使用性能、确定其适用的温度范围和为其选择合适的加工条件，都具有很大的实用价值。

另外，高聚物的许多结构因素（包括化学结构、相对分子质量、结晶、交联、增塑、老化，等等）的改变，都会在其形变～温度曲线上有所反映，因而该曲线也可以提供许多有关试样内部结构的信息。

一、实验目的
1. 掌握测定高聚物形变～温度曲线的方法。

2. 测定聚甲基丙烯酸甲酯的形变～温度曲线及其玻璃化温度T g 和流动温度T f 。

3. 通过形变～温度曲线的测定，加深理解线型非晶态高聚物所具有的几种力学状态和特征温度。

二、实验原理
对高聚物试样施加一定的外力作用，在等速升温的条件下，测定试样在不同温度时的相对形变量，用相对形变量对温度作图，即得到其形变～温度曲线（也称为热-机械曲线）。

在本实验中，所用外力形式是单向压力。

从力学角度讲，一条完整的线型非晶态高聚物的形变～温度曲线应该具有四个力学状态区域和四个特征温度（如图7-1所示）。

通常，由于测定条件的限制，四个特征温度中的脆化温度和分解温度没有测出，因而在曲线上显示不出这两个温度。

而四个力学状态区域的出现，则是由于高分子运动单元具有多重性，各种运动单元的运动需要大小不等的能量，使得宏观上高聚物在不同的温度范围内呈现出不同的力学特性，从而出现了玻璃态、粘弹态、高弹态、粘流态。

温度
g f
图4-1线型非晶态高聚物形变～温度曲线示意图
当温度较低时，高聚物中只有小于链段的小运动单元可以运动，链段及整个分子链都处于被“冻结”的状态（或者说外界所提供的能量还不足以使它们发生运动），高聚物的宏观形变量很小，表现出类似金属材料普弹性的力学性质，象无机玻璃似的，因而称之为玻璃态。

而当温度升高到一定范围时，分子热运动的能量大到足以使链段发生运动，但链段运动的阻力仍然相对较大，此时，高聚物处于粘弹态（粘弹态区域也称为玻璃化转变区），在宏观上表现出很强的粘弹性质。

当温度继续升高时，分子热运动能量越来越大，链段运动阻力相对越小，使得高聚物的宏观形变越容易进行；而另一方面，温度的升高也会使得高分子更加卷曲和收缩，不利于其向某一方向的形变继续发展，当这两方面的作用相互抵消时，曲线上便出现一个平台区域，处于此平台区的高聚物宏观形变量很大，表现出橡胶似
的高弹性，因而称之为高弹态。

当温度继续升高到足以使高聚物中整个分子链发生运动时，高聚物便进入粘流态，此时，整个分子链的质心位置相互之间可发生移动，在宏观上表现为可发生不可逆的形变（塑性形变），并且形变量随温度升高而急剧增大。

高聚物从玻璃态向高弹态转变时所对应的温度称为玻璃化温度（T g ）。

严格地讲，高聚物的玻璃化温度应是在一定条件下链段开始运动所需的最低温度。

由形变～温度曲线确定T g 的方法：在从玻璃态区和粘弹态区的曲线上引出的切线交点处作角平分线，上延到曲线所对应的温度就是玻璃化温度。

高聚物从高弹态向粘流态转变时所对应的温度是粘流温度（或流动温度，T f ），或者说，在一定条件下高聚物中整个分子链开始运动所需的最低温度就是粘流温度。

由形变～温度曲线确定T f 的方法与确定T g 的方法类似：在从高弹态区和粘流态区的曲线上引出的切线交点处作角平分线，上延到曲线所对应的温度就是粘流温度。

由于链段和整个分子链的运动都具有力学松弛特性，T g 和T f 会随着测试条件的改变而有不同的数值。

在本实验中，影响T g 、T f 的最主要因素是压力载荷的大小和升温速度的快慢。

当然还存在其它的影响因素，如操作误差等。

为了使实验结果具有可比性，应严格采用相同的测试条件。

底架螺丝 图4-2 简易型形变～温度曲线测定仪示意图 高聚物的组成和结构的变化（例如，相对分子质
量的大小及其分布情况，是否加有增塑剂，分子链的
结构，等等），都会使其形变～温度曲线也相应发生
变化。

因此，研究高聚物的形变～温度曲线有助于了
解高聚物的结构，并可用来估计在某一温度下高聚物
可以作为何种材料使用以及估计高聚物的加工条件。

测定高聚物形变～温度曲线的仪器种类很多，本
实验采用一种简易型的形变～温度曲线测定仪（如图
7-2所示）。

图中①为测定形变值用的百分表；砝码②
的质量载荷通过砝码托杆③和测定轴④、绝热玻璃杆
⑤、冲头⑥加到样品池⑦中的试样⑧上；砝码托架垂
直于测定轴，其作用是在不对试样加载时承托砝码质
量；测定轴定位架起限定测定轴位置的作用；用调压
变压器控制电炉对试样的加热速度；样品池的温度由
插入样品池底座的温度计⑨读出；隔热玻璃环⑩及石
棉板的作用是减少样品池向仪器底架的传热量。

仪器
底架平面必须保持水平，可调节底架螺丝来实现。

三、实验仪器和试剂
简易型形变～温度曲线测定仪 1 台
调压变压器 1 台
水银温度计（0～300℃） 1 支
游标卡尺 1 把
计时钟 1 只
架盘天平（1000g ，公用） 1 台
小水平仪（公用） 1 个
大号镊子 1 把
细砂纸 1 张
圆柱形有机玻璃试样 1 个
四、实验步骤
1. 用细砂纸将圆柱形有机玻璃试样两个平面磨至呈平行状（厚度差＜0.01mm ），用游标卡尺测量试样厚度三次，取其平均值。

2. 根据试样性质选用适当的质量载荷及冲头，本实验中采用的质量载荷约650 g ，冲头直径约为 8 mm 。

用游标卡尺测出所用的冲头直径；用架盘天平称出总质量载荷（它应包括压在试样上的所有质量）。

3. 按照图7-2中所示安装仪器。

先把小水平仪放在形变～温度曲线测定仪的底架上，通过调节底架螺丝调好水平；将石棉板放在底架上，再依次放上隔热玻璃环、样品池底座及样品池；把有机玻璃试样放入样品池内；将电炉套放在样品池底座的外围；然后依次向上安装冲头、绝热玻璃杆、测定轴、砝码托杆，并略微调整冲头位置及样品池位置，使所有杆件与试样及样品池都处于同一中心轴位置；将砝码托架的位置调节到砝码托杆的凸台之上，把所用的若干砝码放置在砝码托架上，再将小平台安装在砝码托杆上；安装好百分表，并大概调节好其起始零点位置（由指导教师告知应调节到的位置）；将砝码托架位置调到砝码托杆的凸台之下，使砝码质量压在试样上；将温度计插入样品池底座。

4. 接好电源。

调节调压变压器的输出电压，使电炉开始加热，并注意观察温度计示值和时间值之关系，使样品池的升温速度控制在 2 ℃/min 。

当温度升至80℃时，准确调节一次百分表的零点位置，并开始记录温度、时间及百分表的读值。

每升高4℃记录一组对应数据，直至230℃为止。

在此期间，应随时调节调压变压器的输出电压，以保证样品池的升温速度始终是 2 ℃/min 。

5. 关闭电源。

将百分表位置调高并取下百分表；迅速地从上到下拆卸砝码及各个杆件；趁热移开电炉，迅速用镊子从样品池中取出试样，并观察试样的软硬情况；趁热清除样品池中的粘附物。

6. 整理好实验用品，清理杂物。

五、实验数据及实验结果
1. 记录下列数据并计算所需数值：
冲头直径（φ ）：________ mm ； 总质量载荷（P ）：________ g ；
试样所受单向压力： ==2π4φ
σP g /mm 2 ＝ Pa ； 试样厚度（h ）： 、 、 mm ；
试样厚度的平均值： h ＝ mm 。

2. 将80～230℃的数据记录在下列形式的表格中（注意画表格时要留够38组数据的位置），并计算出各个温度下所对应的形变量（γ ）及相对形变量（ε ）。

%100×=
h γε No.
时间 温度/℃ 百分表读值 形变量γ 相对形变量ε ×100 1
2
3
·
·
3. 根据上述表中的数据，以相对形变量为纵坐标、以温度为横坐标，在坐标纸上画出有机玻璃试样的形变～温度曲线图，并从该图上用切线法求出T g 、T f 值：
T g＝℃；T f＝℃。

六、思考题及实验结果讨论
1. 从理论上讲，线型非晶态高聚物的形变～温度曲线的特征温度有哪几个？该曲线可分为哪几个区域？各区域所对应的分子运动是什么？
2. 影响线型非晶态高聚物的形变～温度曲线的因素有哪些？测定该曲线有什么实际意义？
3. 在本实验中，单向压力和升温速度对测定出的T g 、T f 值有什么影响？
4. 本实验所得结果是否令人满意？实验中出现了什么问题？其原因可能是什么？
注意事项：
1. 要将电炉的两个接线头分隔开，以免短路。

在接通电源后，不要用手触摸调压变压器的接线柱和电炉，以免触电或烫伤。

2. 安装形变～温度曲线测定仪的顺序是由下向上，而拆卸时是由上向下，并注意各杆件的连接顺序。

百分表托盘、砝码托架、测定轴定位架都已安装在同一螺纹轴上，其高低位置可调。

3. 百分表的测量轴位移量不能超过其表盘上的最大限量值，否则，很容易损坏百分表，在安装、测试及拆卸过程中一定要注意这一点。

另外，在调好百分表的位置之后，要拧紧其托盘的定位旋钮，以防止其下滑。

4. 实验完毕，取出试样时一定要趁热迅速地进行，否则，试样会很快地变硬而难以取出，此时应把样品池放回电炉中央再次加热使试样变软。

5. 拆卸装置时，要戴上手套或垫用其它隔热物品，以免烫伤。

参考文献
1复旦大学化学系高分子教研组编. 高分子实验技术. 上海：复旦大学出版社，1983.
2北京大学化学系高分子化学教研室编. 高分子物理实验. 北京：北京大学出版社，1983.
3金日光，华幼卿编. 高分子物理. 北京：化学工业出版社，1991.。