力学松弛粘弹性

Tg
⑸蠕变与温度高低及外力大小有关 • 温度过低（在 T g 以下）或外力太小， 蠕变很小，而且很慢，在短时间内不 易观察到 • 温度过高（在 T g 以上很多）或外力 过大，形变发展很快，也不易观察到 蠕变 • 温度在 T g 以上不多，链段在外力下 可以运动，但运动时受的内摩擦又较 大，则可观察到蠕变
• 可以看出： • 主链含芳杂环的刚性链高聚物，具有
较好的抗蠕变性能，所以成为广泛应 用的工程塑料，可用来代替金属材料 加工成机械零件。 • 蠕变较严重的材料，使用时需采取必 要的补救措施。
• 例1：硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，
但易蠕变，所以使用时必须增加支架。 • 例2：PTFE是塑料中摩擦系数最小的， 所以有很好的自润滑性能，但蠕变严 重，所以不能作机械零件，却是很好 的密封材料。 • 例3：橡胶采用硫化交联的办法来防止 由蠕变产生分子间滑移造成不可逆的 形变。
• 例如：汽车每小时走60km，相当于在
轮胎某处受到每分钟300次周期性外力 的作用（假设汽车轮胎直径为1m，周 长则为3.14×1，速度为1000m/1min ＝1000/3.14＝300r/1min），把轮胎 的应力和形变随时间的变化记录下来， 可以得到下面两条波形曲线：
松弛时间
• 示意图
2
t1
t2
t
• ⑶粘性流动 3 • 分子间无交联的线形高聚物，则会产
生分子间的相对滑移，它与时间成线 性关系，外力除去后，粘性形变不能 恢复，是不可逆形变 应力 3 t 3 本体粘度
• 示意图

3
t
t1
t2
• 高聚物受到外力作用时，三种形变是
一起发生的，材料总形变为
3-3 应力松弛
• 定义：对于一个线性粘弹体来说，
在应变保持不变的情况下，应力随 时间的增加而逐渐衰减，这一现象 叫应力松弛。（Stress Relax）
• 例如：拉伸一块未交联的橡胶到一
定长度，并保持长度不变，随着时 间的增加，这块橡胶的回弹力会逐 渐减小，这是因为里面的应力在慢 慢减小，最后变为0。因此用未交 联的橡胶来做传动带是不行的。
• ⑺应用
各种高聚物在室温时的蠕变现象很不相同， 了解这种差别对于系列实际应用十分重要
（ ％）
2.0 1.5 1.0 0.5
1000
8
7 6 5
4
2 1
3
2000
t 小时
1——PSF 2——聚苯醚 3——PC 4——改性聚苯醚 5——ABS（耐热） 6——POM 7——尼龙 8——ABS
23℃时几种高聚物蠕变性能wk.baidu.com
普弹形变
1 G1
应力 普弹形变模量
• 示意图
1
t1
t2
t
• ⑵高弹形变
2
是分子链通过链段运动逐渐伸展的过 程，形变量比普弹形变大得多，形变 与时间成指数关系，外力除去高弹形 变逐渐恢复。 应力 t 2 ( 1e ) 高弹形变 高弹形变模量 G 2
2 G2
力学松弛粘弹性
3-1 高聚物的力学松弛现象
• 力学松弛——高聚物的力学性能随时
间的变化统称力学松弛 • 最基本的有：蠕变 应力松弛 滞后 力学损耗
• ①理想弹性体受外力后，平衡形变瞬
时达到，应变正比于应力，形变与时 间无关 • ②理想粘性体受外力后，形变是随时 间线性发展的，应变速率正比于应力 • ③高聚物的形变与时间有关，这种关 系介于理想弹性体和理想粘性体之间， 也就是说，应变和应变速率同时与应 力有关，因此高分子材料常称为粘弹 性材料。
• ⑹不同种类高聚物蠕变行为不同 • 线形非晶态高聚物 • 如果 T 时作试验只能看到蠕变的
g
• •
起始部分，要观察到全部曲线要几个 月甚至几年 如果 Tg 时作实验，只能看到蠕变 的最后部分 在 T g 附近作试验可在较短的时间内 观察到全部曲线
• 交联高聚物的蠕变 •
无粘性流动部分 晶态高聚物的蠕变 不仅与温度有关，而且由于再结晶等 情况，使蠕变比预期的要大
Tg
• （4）只有交联高聚物应力松弛不会减
到零（因为不会产生分子间滑移）， 而线形高聚物的应力松弛可减到零
3-4 滞后现象（Delay ）
• 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。
t 1 2 3 1 2
( 1 e) t GG
3
3
• 由于 是不可逆形变，所以对于线形
高聚物来讲，外力除去后，总会留下 一部分不可恢复的形变。
⑷三种形变的相对比例依具体条件不同 而不同
T Tg
T Tg T Tg
时，主要是 1 时，主要是 1 和 2 3 都较显著 时， 1 ， 2 ，
形变 线性高聚物 理想粘性体
t
理想弹性体 交联高聚物
G
时间
3-2 蠕变
• 蠕变：在一定的温度和恒定的外力作用
下（拉力，压力，扭力等），材料的形 变随时间的增加而逐渐增大的现象。 • 蠕变过程包括下面三种形变： 普弹形变、高弹形变、粘性流动
• ⑴普弹形变
1
高分子材料受到外力作用时，分子链 内部键长和键角立刻发生变化，形变 量很小，外力除去后，普弹形变立刻 完全恢复，与时间无关。
T Tg
• （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，也就不易觉察到
T Tg
• （3）如果温度接近
（附近几十 度），应力松弛可以较明显地被观察 到，如软PVC丝，用它来缚物，开始扎 得很紧，后来就会慢慢变松，就是应 力松弛比较明显的例子
0e
t

起始应力 松弛时间
• 应力松弛和蠕变是一个问题的两个方
面，都反映了高聚物内部分子的三种 运动情况：当高聚物一开始被拉长时， 其中分子处于不平衡的构象，要逐渐 过渡到平衡的构象，也就是链段要顺 着外力的方向来运动以减少或消除内 部应力。
• （1）如果
，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