第7章 高分子材料的热学性能

线膨胀系数 ×105/K-1
9.0
6.3
7.6
8.0
22.0
3.0 ~ 7.0 （与取向有
关）
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热膨胀的物理本质
➢固体的热膨胀与原子的非简谐振动 （非线性振动）有关。
➢晶格振动相邻质点间作用力是非线性 的
➢原子间作用势能曲线也是不对称的 ➢导致温度升高，振动中心平衡位置 向右移动，原子间距衡位置向右移 动，原子间距增大，产生膨胀
线膨胀系数：
L
1 L
dL dT
体膨胀系数：
V
1 V
dV dT
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平均线性膨胀系数
L1
L0
•
1
L •
1
T1 T0 L0 T L0
平均体膨胀系数
V
1 V0
V T
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9
对于各向同性材料，体积膨胀系数αV和线膨胀系 数αL之间具有如下关系：
V
1 V V T
P
3 L
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2 提高高聚物的结晶性 聚合物的结构规整，其耐热性可以大大提高 (CH2CHX)n型高聚物中，X若为较小基团或 极性基团，即使是无规立构的也容易结晶
在高分子主链或侧链中引入强极性基团，或使 分子间产生氢键，都将有利于高聚物结晶
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3 进行交联 •高聚物交联后由于分子链间存在化学键，使分子链 的运动受阻，刚性提高，整体结构刚性增大，于是耐 热性就得到提高
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➢ 高分子材料热传导是通过分子（原子）相互碰撞的声 子导热，热导率较低
➢ 结晶度影响很大，结晶度高热导率高 ➢ 分子内热导率高于分子间热导率，增加分子量有利于
提高热导率 ➢ 取向高分子，取向方向热导率高于垂直于取向的方向 ➢ 导电共轭高分子的热导率是普通非共轭高分子的20-
30倍，将导电高分子与普通高分子共混可提高材料热 导率
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3
平均比热容：单位质量的材料从温度T1到T2所 吸收的热量的平均值
Q1 C均 T2 T1 m
T1~T2范围愈大，精度愈差
T2无限接近T1时
Q 1
C真 T m
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Cp和Cv
➢比定压热容(Cp)
cp
Q T
p
1 m
H T
p
1 m
➢比定容热容(Cv)
交联：高分子链间生成化学键，引起分子量增加。适度交联， 可以改善高聚物的耐热性和力学性能，但交联过度，会使聚合 物变硬变脆。
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提高高聚物热稳定性的途径
（1）在高分子链中避免弱键
C
CCC > CCC > CCC > C > C > C > C
C
C
F
H
C
ClLeabharlann Baidu
聚合物分解温度的高低顺序为：聚乙烯 > 支化聚乙 烯 > 聚异丁烯 > 聚甲基丙烯酸甲酯。
dT/dx为x方向上的温度梯度
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对于非稳态热传导，温度随时间变化，物体内单位面 积上温度随时间的变化率为
dT d 2T dt c p dx2
热扩散率或导温系数
c p
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二、热传导的微观机理
气体导热——质点间直接碰撞； 金属导热——自由电子间碰撞； 固体导热——晶格振动（格波，并且
Cp,m
高聚物
900 聚乙烯
Cp,m 2100
448 聚丙烯
1880
443 聚苯乙烯 1360
502 聚四氟乙烯 1050
➢金属与陶瓷比热容相差不大，高分子材料比热容最 高，但由于其熔点较低，故在高温环境中应用有限
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7
7.2 热膨胀
一 热膨胀的概念及热膨胀系数
热膨胀：物体的体积或长度随温度升高而增大的现象
比 容 υ
图7-4 膨胀计示意图
比容 自由体积υf υ
占有体积υ0
Tg
温度 度
图7-5典型的比容-温度曲线
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2．示差扫描量热（DSC）法
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影响玻璃化温度Tg的因素 （1）化学结构 （2）共聚和交联 （3）分子量 （4）增塑剂
(5)外界条件的影响
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2.示差扫描量热法(DSC) 在加热或冷却过程中，将试样和参比物的温差 保持为零，测量补充的热量与温度或时间的关系 功率补偿DSC和热流式DSC
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图7-11 高聚物典型的DTA曲线
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典型的半结晶聚合物的DSC 曲线：
1. 与样品热容成比例的初始偏移
2. 无热效应时DSC 曲线的基线
3. 无定形部分的玻璃化转变
4. 冷结晶峰
12
4
5. 结晶部分的熔融峰
3
6. 在空气下开始氧化降解
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（1）结晶高聚物的熔点Tm的测定
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（2）比热容的测定
dH ( dt )B
mB c pB
d
dt
cp
mB c pB m
dH dt
格波分为声频支和光频支两类
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热性能的物理本质：晶格热振动
弹性波（格波）：包括振动频率低的声频支 振动频率高的光频支
声频支—相邻原子具有相同的振动方向，两种原子的 质量不同，振幅不同，两原子间有相对运动。
光频支—相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小， 频率很高的振动。
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7.3 热传导
一、材料的热传导 当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会
从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导
傅里叶定律： Q A dT t
dx
它只适用于稳定传热的条件，即ΔQ/Δt是常数
λ为导热系数，它的物理意义是指单位温度梯度下，单位时 间内通过单位垂直面积的热量，单位为J/(m·S·k)。
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表7-2 典型高聚物的热膨胀系数（20 ℃）
高聚物 软钢 黄铜 聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚丙烯
低密度聚乙 烯
线膨胀系数 ×105/K-1 1.1 1.9 6.6 6.0 ~ 8.0 11.0
20.0 ~ 22.0
高聚物
尼龙66 聚碳酸酯 聚甲基丙烯酸甲酯 缩醛共聚物 天然橡胶
尼龙66+30%玻璃 纤维
实际上固体材料的热膨胀系数通常随温度升高而加大
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常见工程材料的热膨胀性能
➢ 金属材料热膨胀系数介于陶瓷和高分子之间，最 高的是钾、锌、铅、镁、铝等低熔点金属，最低 的是钨、钼、铬等高熔点金属
➢ 陶瓷材料是热膨胀系数最低的，由于结构复杂热 膨胀系数差别很大
➢ 高分子材料具有最高的热膨胀系数，结晶高聚物 和取向高聚物的热膨胀系数具有各向异性
高分子主链中的碳原子被氧原子取代时，热稳定性降低
高分子链中C-Cl键较弱，受热易脱出HCl，热稳定 性随氯含量的增加而降低
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（2）在高分子主链中避免一长串连接的亚甲基— CH2—，并尽量引入较大比例的环状结构，可增加高 聚物的热稳定性
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（3）合成“梯形”、“螺形”和“片状”结构的高聚物
熔点Tm 可以用来表示晶态高聚物的耐热温度
最常用的是膨胀计法测出比容随温度的变化并作出
其关系曲线，曲线突跃点的温度即为Tm。
（1）分子间作用力
（2）高分子链的柔性
（3）稀释效应
1 Tm
1 Tm0
R H u
Vm,u Vm,l
(1 112 )
（4）外力作用
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玻璃化转变温度Tg 1．膨胀计法
VTm为熔点温度时的体积；V0为0K时的体积； 立方和六方金属，C为0.06~0.076
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影响材料热膨胀系数的因素
1 化学成分 成分相同的材料，结构不同，热膨胀系数也不同
2 键强度 键强度高的材料，有低的热膨胀系数
3 晶体结构 结构紧密的晶体热膨胀系数都较大，而非晶态
结构比较松散的材料，有较小的热膨胀系数
cv
Q T v
1 m
E T
p
1 m
式中：Q为热量，E为内能，H为焓
cp cv
cp cv V2VmT /
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高分子材料的热容随温度的变化
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表7-1 一些工程材料的比热容
陶瓷 氧化铝 氧化镁 熔融氧化硅 钙钠玻璃
Cp,m
金属
775 铝 940 铁 740 镍 840 316不锈钢
30
软化温度Ts
（1）马丁耐热温度： （2）维卡耐热温度： （3）弯曲负荷热变形温度：
粘流温度Tf 热分解温度Td 脆化温度Tb
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7.5 高分子材料的耐热性
塑料：一般指它的Tg（非晶态）或Tm（晶态）的 高低。 橡胶：一般是指它的Tf。 加工：一般是指氧化分解温度Tos或Td。
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（4）测定多组分体系的组成
多组分体系中某一组分i的含量xi
xi
C
' pi
/ Cpi
对于相容、非晶相多组分体系
1 W1 W2 Tg Tg1 Tg 2
对于不相容并含有可结晶组分的多组分体系
x H 'm / H m
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热膨胀与其他性能的关系 1 热膨胀和热容的关系
热膨胀系数与热容 密切相关并有着相 似的规律
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2 热膨胀和结合能、熔点的关系
➢结合力越强的材料，热膨胀系数越小 ➢结合能大的熔点较高， 通常熔点高、膨胀系数小
格留乃申晶体热膨胀极限方程：
Tm (VTm V0 ) /V0 C
耐热性主要是指在升高温度过程中大分子能否发 生链段运动或整个分子的运动。
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提高高聚物耐热性的途径
增加高分子链的刚性、使高聚物能够结晶以及进行交联 1 增加高分子链的刚性 在高分子主链中尽量减少单键，引入能形成氢键的极 性基团、共轭双键、三键，以及苯环、杂环结构，对 提高聚合物的耐热性极为有效
2
7.1 热 容
一、热容的基本概念
1、热容 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K
时所吸收的热量(Q)称做该材料的热容，单位为J/K
热容表达式为：
CT
Q T T
质量不同热容不同，温度不同热容也不同 比热容：单位质量材料的热容（J/(kg.K)) 摩尔热容：1mol材料的热容 (J/(mol.K))
辐射传热中，容积热容相当于提高辐射温度所需能量
E 16n3T 3 CV ,m T c
r
16 3
n2T
3lr
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三种工程材料的热导率
➢ 金属材料的热导率最高，陶瓷材料次之，高分子 材料的热导率最低
➢ 金属存在声子导热和自由电子导热，电导率越高 金属热导率也愈高
➢ 陶瓷、玻璃材料以声子导热为主，热导率低于金 属
•对于酚醛树脂而言，其耐热性取决于温度和耐受时间 4 高聚物与纤维的复合
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7.6 高分子材料的热稳定性
高分子材料的热稳定性主要是指高分子材料在受热 情况下，由于发生化学变化从而引起材料性能的变坏。 高温下高聚物可以发生降解和交联
降解：高分子主链的断裂，导致分子量下降，材料的物理力学性能变坏。
(dH dt)B
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（3） 材料结晶度的测定
Xc
H f
H
o f
100%
①取100密结晶度的试样，用DSC（DTA）测其熔
融热，即△Hof。
②取一组已知结晶度的试样，用DSC（DTA）测定
其熔融热，作结晶度对熔融热的关系图，外推到结晶
度为100%时，对应的熔融热△Hof。 ③采用一个模拟物的熔融热来代表△Hof。
第7章 高分子材料的热学性能
本章内容
热学性能：包括热容，热膨胀和热传导等。 本章讨论热学性能的物理概念、物理本质、影响因素、 测量方法及在高分子材料研究中的应用。
热容、热膨胀、热传导 高聚物的形变-温度曲线 高分子材料的耐热性 高分子材料的热稳定性 热分析在高分子材料研究中的应用
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O CN
N
N NC
O
+_
C:C
C:C
（4）合成元素有机高分子，在高分子链中引入其他 元素。
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7.7 热分析在高分子材料研究中的应用
常用热分析方法有：差热分析、示差扫描量热分析、 热重分析 （1）差热分析（DTA）： 在程序温度控制下，测量试样和参照物的温度差 随温度（T）或时间(t)的变化关系．
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7.4 高聚物的形变-温度曲线
形 玻璃态 高弹态 变
粘流态
Tg
Tf 温
度
图7-2线形非晶态聚合物的形变－温度曲线
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log E
tan δ
Tβ Tγ
Tδ
Tg
Tm
图7-3 结晶高分子和非晶高分子的E-T曲线与tanδ-T曲线的典型例子
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二、 高分子材料的各种特征温度及其测定方法
20
1. 声子和声子热导
晶格振动中的能量是量子化的，声频波的“量子”称
为“声子” ，能量是hυ
理想气体的导热公式：
1
C
v
l
3
固体热导率公式： 1 C(v)l(v)dv 3
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2 光子热导
固体具有能量→辐射出电磁波→（热辐射）光子的导热 其辐射能量与温度的四次方成正比
ET 4n3T 4 /c