第2章 有机高分子材料的性能、应用和制备

第2章 有机高分子材料的性能、应用和制备

2.1引论

在前一章中我们集中论述了高分子材料的结构特点和结构模型，在本章中将对高分子材料的特性、应用和制备方法作一个简要的论述。我们首先讨论高分子材料的力学和热机械力学性能。然后再着重讨论制备方法和应用的有关问题。

2.2应力应变性能

有机材料的力学性能描述许多都延续了对金属材料适用的特性参数，如弹性模量、抗拉强度、冲击强度和疲劳强度等，对许多有机高分子材料用简单的拉伸实验就可描述以上这些常用的性能特征。但对绝大多数有机高分子材料而言，它们对延伸速率、温度和环境的化学条件（如水、氧、有机溶剂等）特别敏感。鉴于这样的情况，对有机高分子材料而言，适当改变一下测试手段和测试方法是完全有必要的，特别是对如橡胶这类高聚物。

对高分子聚合物应力-应变曲线有三种类型，如图2.1所示。

图16高分子聚合物应力-应变曲线

图2.1类型的高分子聚合物应力-应变曲线

曲线A 表示的是脆断型的高分子材料应力应变曲线，它只有弹性变形，在弹性区就发生脆断。曲线B 表示的是和金属韧性断裂差不多的断裂方式，这类高分子材料在拉伸初期有一定的弹性变形，然后是屈服和塑性变形，最终断裂。曲线C 所表示的是另一类只是弹性变形的高分子材料，这些类似橡胶弹性（很大的塑性变形量发生在应力不大的区域内）的

10 应变

应力（M P a ）

20

30

40

50

60 0

1 2 3 4 5 6 7

8

A

B

C

高分子材料被称为弹性体。

高分子材料在许多性能方面和金属都不一样，比如拿弹性模量来说，高分子材料可低到7Mpa 但对一些刚性好的高分子材料也可高达35000MPa ；而金属的弹性模量的典型值在48000到410000MPa 之间，比高分子材料高很多。高分子材料的最大抗拉强度在240MPa ，而金属约为4100MPa 。金属材料的延伸率一般在100%以下，而高分子材料最大延伸率可达1000%。

表2.1中给出一些常见的高分子材料室温下的有关力学性能。

另外，高分子材料的力学性能对温度十分敏感，图2.2是有机玻璃在不同温度下的拉伸曲线示意图。图中有几点值得注意，随温度增加：（1）弹性模量降低；（2）抗拉强度减低；（3）韧性增强。在4℃下有机玻璃是脆性断裂，然而在60℃是就变成了韧性断裂。

形变速率对力学性能也有很大影响，形变速率越低，则它和温度升高有同样的效应。

表2.1 常用高分子材料的性能

材料

比重 g/cm 3

弹性模量 102MPa 抗拉强度

MPa 断裂延伸率

% 聚乙烯 0.917-0.932 1.7-2.8 9.0-14.5 100-650 聚乙烯 （高密度） 0.952-0.965

10.6-10.9

22-31

10-1200

聚氯乙烯 1.30-1.58 24-41 6.0-7.5 40-80 聚四氟乙烯 2.14-2.20 4.0-5.5 14-34 200-400 聚丙烯 0.90-0.91 11-16 31-41 100-600 聚苯乙烯 1.04-1.05 23-33 36-52 1.0-2.5 有机玻璃 1.17-1.20 22-31 48-76 2-10 酚醛塑料 1.24-1.32 28-48 34-62 1.5-2.0 尼龙66 1.13-1.15 76-83 60-300 聚酯(PET) 1.34-1.39 28-41 59-72 50-300 聚碳酸酯

1.20

24

66

110

对有机高分子材料的变形机制的了解有利于我们对它的力学性能的掌握。在这个问题上，有两个值得注重的模型。其中之一就是半晶态模型，我们将立即在下一节进行讨论。这些材料的强度是主要的考虑因素。另一个模型就是弹性体的特别的力学性能，这将在稍后讨论。

应力（M P a ）

10 0

20 30

40

50 60 70 80 4℃

20℃

30℃ 40℃

50℃

60℃

图17 有机玻璃在不同温度下的拉伸曲线6

图2.2 有机玻璃在不同温度下的拉伸曲线示意图

2.3半晶态高分子材料的形变

许多半晶态高分子材料具有球晶结构，球晶是由辐射状的晶片和非晶区组成，晶片是由折叠链分子构成。

形变过程中，晶片和非晶过渡区的形变模型如图2.3所示，它分几个不同的形变过程。在形变初期，在非晶区的调整下，晶片带相互关联并滑移；在第二阶段中，晶片带发生转动，晶片中的折叠链向应力方向取向；在继续的过程中晶片开始解体，各个小片和非晶区内的纽链相连；在最后一个形变过程中，晶片和非晶区的纽链都沿应力方向取向。因此相当大的形变在高分子材料中形成一种取向性很强的结构。当然，在此过程中，晶球发生相应的形变。

半晶态的高分子材料的特性在变形中经历了一个较大的变化过程，在图中所示的各个阶段，如果遇上阻碍，那么形变抗力都将加大。比如，如果分子链缠结，则会干扰链的运动，因此有机物得到强化。分子链的缠结可以是由射线照射产生，当一个有机高分子材料暴露于射线时，射线将某些分子链折断并重组，这就是分子链缠结的一个原因。

尽管分子键（即范德瓦尔斯键）比共价键弱得多，但是它们是分子链形变运动的主要限制力，事实上，有机高分子材料的的机械性能主要决定于这种弱键的大小。

结晶度对有机高分子材料的力学性能有较大的影响，其主要原因就是它对范德瓦尔斯键有较大影响。在结晶区，分子排列长程有序，原子结构紧密，因此，范德瓦尔斯力作用大大加强；然而，在非晶区内，情况恰恰相反，由于原子排列杂乱无章，原子间距大，范德瓦尔斯键大大削弱。因此，结晶度的提高对高分子材料的力学性能有增进和加强的作用。有关化学组成、分子链的支链大小等对结晶度的影响等，我们在前面的讲授中已经提及，在此不再赘述。

(a)

(b)