聚合物材料测试方法

平稳释放摆锤，从表盘读取试样断裂能；
计算试验结果
n
An bd
k
3Ak 2bd
38
悬臂梁冲击强度
试样一端固定一端自由 摆锤冲击试样自由端
摆锤
试 样
夹
夹
具
具
39
试样形状和尺寸
45o
试样长度 试样厚度 试样宽度
63.5 12.7 4~12.7
V型缺口角度 缺口剩余厚度 缺口底部曲率半径
45o 10.16 0.25
配不同吨位的传感器、夹具和附件实现一机多用，
完成拉、压、弯、剪、剥离、撕裂、摩擦系数、
扭转等功能 。
27
28
29
试验步骤
准备试样——做标距、测量尺寸； 用夹具夹持试样 选定试验量程和拉伸速度，进行试验 记录试验数据 计算试验结果
t
F bd
t
L
Lo Lo
100
30
§1-3 聚合物弯曲试验
符号 W d b R
名称 顶部宽度
厚度 平行部分宽度
半径
尺寸 25 2 6 14/25
23
III型试样——热固性塑料（填充和纤维增强塑料）
符号
名称
L
试样总长
W 端部宽度
C 平行部分长度
d 平行部分厚度
尺寸 110 45 9.5 3.2
符号
名称
b 平行部分宽度
d1 端部厚度
R1 表面半径
R2 侧面半径
有缺口大试样 120
无缺口小试样 55
有缺口小试样 55
L
b
d
15 10
15 10
6
4
6
4
dk — 1/3d — 1/3d
d
d
bk
r
—
—
2 ≤0.2
—
—
0.8 ≤0.317
简支梁冲击试验步骤
准备试样——测量尺寸；
根据试样断裂能选择摆锤；
检查试验机零点和支座；
将试样水平放置于支座上，试样中心或缺口 位置与锤刃对准，缺口背对锤刃；
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 2
lo / 2 bd 2 / 6
1.5
Plo bd 2
17
3. 冲击强度——材料抵抗冲击载荷破坏的能力，反 映材料的韧性指标。通常定义为试样在冲击载荷 作用下破坏时单位面积吸收的能量 。
冲击强度的试验方法有许多种，包括摆锤式 冲击试验、落球式冲击试验、高速拉伸试验等。 设W为试样断裂所消耗的功，可以有两种表示材 料抵抗冲击载荷破坏的强度：
GB1040-92 塑料拉伸试验 GB1043-93 塑料简支梁冲击试验 GB1843-96 塑料悬臂梁冲击试验 GB9341-2000塑料弯曲试验 ASTM D-256-05 塑料悬臂梁冲击试验
42
第二章 分子量和分子量分布的测定
§2-1 数均分子量的测定 §2-2 重均分子量的测定 §2-3 粘均分子量的测定 §2-4 凝胶渗透色谱（GPC）
43
§2-1 数均分子量的测定
一、端基分析法
使用端基分析法测定聚合物分子量的条件： 1）聚合物必须是已知化学结构的线型或支链型
大分子； 2）大分子链端带有可供定量分析的基团； 3）每个分子链上所含的基团数量是一定的；
44
端基分析法测定聚合物分子量的程序：
1) 精确称量出试样重量W；
2) 测出重量为W的试样中端基的摩尔数nt；
4
研究聚合物的分子运动——
通过热力学性能的变化研究分子运动——示差扫 描量热仪；
通过力学性质变化研究分子运动——静态与动态 热机械分析仪；
通过电磁性质变化研究分子运动——介电松弛与 核磁共振；
通过体积变化研究分子运动——热膨胀计
5
本门课程教学内容
第一章 聚合物材料力学性能测定 第二章 聚合物分子量与分子量分布测定 第三章 聚合物流变性能测定 第四章 波谱分析在聚合物材料中的应用 第五章 热分析在聚合物材料中的应用 第六章 显微分析技术在聚合物中的应用
尺寸 25 6.5 75 75
24
IV型试样——热固性增强塑料板
符号 L H L2 G
名称 试样总长 夹具间距离 加强片长度
标距
尺寸 250 170 50 100
符号 W do d1
名称 宽度 厚度 加强片厚度
尺寸 25/50 2-10 3-10
25
拉伸试验中的术语
拉伸强度——拉伸试样至断裂为止所承爱受的最 大拉伸应力
46
二、沸点升高法
P
依据——溶液的依数性； 1
沸 点 升 高 值 （ ΔTb ） 与溶质的性质无关。但是 与溶质的摩尔分数成正比，PoA
聚合物材料测试方法
1
聚合物材料的合成、加工与应用——
聚合物结构的表征——了解聚合物的微观结构、 亚微观结构和宏观结构。
聚合物性能的测定——评价和应用新材料、控制 产品的质量、研究聚合物结构与性能的关系。
聚合物分子运动的测定——分子运动方式不同会 导致聚合物所处的力学状态发生改变——转变。 每种聚合物都有其特定的转变。研究聚合物的松 弛与转变可以帮助人们了解聚合物的结构，建立 结构与性能之间的关系
断裂强度——拉伸试样断裂时所对应的拉伸应力 屈服强度——在拉伸应力-应变曲线上屈服点处的
拉伸应力 定伸强度——应力-应变曲线偏离直线后达规定应
变百分数时的拉伸应力 断裂伸长率——试样断裂时标线间距离增加量与
初始标距之比，以百分数表示 拉伸弹性模量——应力-应变曲线上直线部分的斜
率
26
拉伸试验机
简单剪切时： 剪切模量 G =τs/γs = （F/Ao）/ tgθ
均匀压缩时： 体积模量 B = P/Δ = PVo/ΔV 由于应变是无量纲的物理量，所以模量的单位
与应力的单位相同，都是N/m2（帕斯卡）。
14
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。
DPL3 E f DD4bd 3
34
§1-4 聚合物冲击试验
冲击试验测定的力学性能 冲击强度
冲击试验所适用的聚合物材料 热塑性塑料和热固性塑料
冲击试验方法 简支梁冲击和悬臂梁冲击
35
简支梁冲击强度
试样的两端有支撑，摆锤冲 击试样的中部
36
试样形状和尺寸
b
L
r bk
dk b
试样
L
无缺口大试样 120
机械式拉伸试验机——历史悠久，使用简单，价 格低廉。但加载速度不稳，测量精度较差，不具 有数据记录和处理功能。
电子式拉伸试验机——结构简单，用途单一，数 据处理能力有限，控制测量精度也相对较低，但 价格很低廉。
电子万能材料试验机——试验量程和拉伸速度可
调，控制精度和控制范围很高很宽。可按需要增
8
§1-1 描述力学性能的基本物理量
一、应力与应变
应变——当材料受到外力作用而它所处的环境又使 其不能产生惯性移动时，它的几何形状和 尺寸就会发生变化，这种变化就称为“应 变”。
应力——当材料产生宏观变形时，材料内部分子间 或者原子间原来的引力平衡受到了破坏， 因而会产生一种附加的内力来抵抗外力、 恢复平衡。当到达新的平衡时附加内力和 外力大小相等，方向相反。单位面积上的 附加内力称为“应力”。
21
I型试样——硬质塑料
符号
名称
L
试样总长
H 夹具间距离
C 平行部分长度
G
标距
尺寸 150 115 60 50
符号
名称
W 顶部宽度
d
厚度
b 平行部分宽度
R
半径
尺寸 20 4 10 60 22
II型试样——软质塑料
符号
名称
L
试样总长
H 夹具间距离
C 平行部分长度
G
标距
尺寸 115 80 33 25
9
1、简单拉伸 ——材料受到一对垂直于材料截面、大 小相等、方向相反并在同一直线上的外力作用
拉伸应变：
ε=L-Lo/Lo=ΔL/Lo 也称为伸长率，无量纲。
拉伸应力：
σ= F/Ao Ao是材料的起始截面积； 应力的单位是 N/m2，称 为“帕斯卡”。
F
A0
A
l0 l
Dl
F
简单拉伸示意图 10
2. 简单剪切 ——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。其偏斜角的正切值定义为剪切应变。
2) 根据每个大分子链所带有的端基数X，得到试样
的摩尔数
N nt X
3) 计算出聚合物的分子量
Mn
W N
XW nt
45
端基分析法测定聚合物分子量的特点：
1）端基分析法测定的是数均分子量； 2）方法适用于一些缩聚产物（尼龙、聚酯）分
子量的测定； 3）当聚合物分子量较高时实验误差比较大，其
测量分子量的上限为二万左右；
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：
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。
15
16
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
拉伸试验所适用的聚合物材料热塑性塑料热固性塑料橡胶材料拉伸试验对试样的要求4类哑铃状试样拉伸试验中的术语拉伸强度拉伸试样至断裂为止所承爱受的最大拉伸应力断裂强度拉伸试样断裂时所对应的拉伸应力屈服强度在拉伸应力应变曲线上屈服点处的拉伸应力定伸强度应力应变曲线偏离直线后达规定应变百分数时的拉伸应力断裂伸长率试样断裂时标线间距离增加量与初始标距之比以百分数表示拉伸弹性模量应力应变曲线上直线部分的斜率拉伸试验机机械式拉伸试验机历史悠久使用简单价格低廉
弯曲试验测定的力学性能 弯曲强度、弯曲弹性模量
弯曲试验所适用的聚合物材料 热塑性塑料和热固性塑料
弯曲试验对试样的要求 矩形试样
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试样形状和尺寸
d
试样 大试样 小试样 板材
l0/2
l0/2
长度（L） 120 55
10Байду номын сангаасd
宽度（b） 15 6 15
b
厚度（d） 10 4 d
板材试样厚度为1~10mm时，以原厚为试样厚度； 厚度大于10mm时，应从一面加工成10mm。
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
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§1-2 聚合物拉伸试验
拉伸试验测定的力学性能 拉伸强度、断裂强度、屈服强度、定伸强度、断 裂伸长率、应力—应变曲线、弹性模量。
拉伸试验所适用的聚合物材料 热塑性塑料、热固性塑料、橡胶材料
拉伸试验对试样的要求 4类哑铃状试样
冲击韧性：
I
W bd
(J / m2)
18
4、硬度——表征材料表面抵抗外力变形的能力 由一种较硬的材料做为压头，在一定的试验条
件下将压头压入试样中，以压痕的深度计算材料 的硬度。
塑料球压痕硬度 布氏硬度 洛氏硬度
19
四、应力—应变曲线
对聚合物进行拉伸试验，以试样的应力值对试样 的形变值作图所得到的曲线。通常以应力为纵坐标、 应变为横坐标。
32
试验机——电子万能材料试验机
33
试验步骤
准备试样——做标距、测量尺寸；
根据试样种类选择量程；
根据试样厚度选择跨度、速度和压头；
安放试样于支座上；
开动试验机，加载并记录试验数据
在规定挠度之前断裂，记录断裂负荷或最大负荷
在规定挠度时未断裂，记录达规定挠度时的负荷
计算试验结果
f
3PL 2bd 2
2
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……。
3
聚合物性能的测定——
Δ=ΔV/ Vo
12
4、弯曲——对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯 曲。主要有两种形式：
F
一点弯曲
三点弯曲
5、扭转——对材料施加扭转力矩
F
F
13
二、弹性模量——在弹性形变范围内单位应变所
需应力的大小。是材料刚性的一种表征，代表材料 抵抗变形的能力。
简单拉伸时： 杨氏模量 E = σ/ε= （F/Ao）/（ΔL/Lo）
模塑试样推荐厚度为12.7mm，板材加工试样推荐厚 度为6~12.7mm。
40
试验步骤
准备试样——测量尺寸； 根据试样断裂能选择摆锤； 检查试验机零点和支座； 将试样垂直夹持在支架上，缺口对向锤刃； 平稳释放摆锤，从表盘读取试样断裂能； 计算试验结果
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bd
n
Ak
(J / m )
2
相关标准
6
课程说明
教材与参考书
《聚合物研究方法》——张美珍主编，轻工出版社 《高分子物理》——何曼君主编，复旦大学出版社
▪ 教学方法
以课堂讲授为主，结合观摩仪器使用
▪ 成绩评定
作业及平时表现30 %； 期末考试 70 %。
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第一章 聚合物力学性能测定
§1-1描述力学性能的基本物理量 §1-2 聚合物拉伸试验 §1-3 聚合物弯曲试验 §1-4 聚合物冲击试验
力学性能——拉伸、弯曲、剪切、压缩试验、冲 击试验、蠕变曲线、应力松弛曲线、高低频疲劳 试验……；
流变性能——旋转流变仪、毛细管流变仪、熔体 流动速率测定仪…… ；
热性能——导热系数测定仪、示差扫描量热仪、 膨胀系数测定仪、热变形温度测定仪…… ；
电性能——表面电阻和体积电阻、介电常数、介 电损耗角正切、高压电击穿试验…… ；
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）。
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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：