聚合物的高弹性和黏弹性ppt课件
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⑤粘弹性比较明显：形变与时间有关，橡胶受到外力（应力恒定）压缩或拉伸时，形变 总是随时间而发展，最后达到最大形变，这种现象叫蠕变。
14
“形变与时间有关”的原因：
橡胶是长链分子，整个分子的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力。
高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。
整个分子链从一种平衡状态过度到与外力相适应的平衡状态，可能需要几分钟，几小 时甚至几年。
l T,V
物理意义：外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化，一方面使橡胶的 熵随伸长而变化。
或者说：橡胶的张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。
17
( S ) [ ( G )] [ ( G )] ( f) lT , V l T l,P T , V l T T ,P l, V T l, V
也就是说在一般情况下形变总是落后于外力，所以橡胶形变需要时间。
15
2-2 平衡态高弹形变的热力学分析
平衡态形变（可逆）
高弹形变
假设橡胶被拉伸时发生高弹形变，除去外力后可完全回复原状，即变形是可逆的，
所以可用热力学第一定律和第二定律来进行分析。 非平衡态形变（不可逆）
16
f (u) T(S)
l T,V
4
线性粘弹性： 力学行为可用两者的线性组合来表达。 非线性粘弹性：应变或应变速率较大，或有其他非线性因素时，其力学行为更加复杂。
5
二、
高聚物力学性能的特点
1 高聚物材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡 皮到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力的反应相差很大，高聚物力学性质的 这种多样性，为不同的应用提供了广阔的选择余地。
3
普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，键角变化引起 的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态， 晶态，高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性
高弹性：所谓高弹性是区别于普弹性而言的，一般金属的普弹形变只有千分之几,但高聚物的 高弹形变可达30％～1000％ 。小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引 起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性）
第一节 概述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性
1
一、
形变性能 Deformation
弹性 Elasticity
第一节 概述 普弹性 高弹性 High elasticity
粘性 Viscosity
粘弹性 viscoelasticity
线性粘弹性
Linear viscoelasticity
静态 Static
以在一般使用温度下均呈高弹态 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能——高弹性 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能
11
高弹性的本质
在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小； 当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再
回复卷曲状态，因而形变可逆。 因此，高弹性是一种熵弹性。 金属、陶瓷等的弹性本质是能弹性。
T0
f (ul)T,VT(T f)l,V
f T(TS)l,V19
f T(说明TS：)l,V
橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引起熵的变化。
就是说，在外力作用下，橡胶分子链由原来蜷曲无序的状态变为伸直有序状态。
熵由大变小，由无序变有序；终态是不稳定体系，当外力除去以后，就会自发地恢复 到初态。
也就是说，橡皮由拉伸态恢复到原来状态是熵增过程（自发过程），也就解释了高弹 形变为什么是可回复的。
1011~1
2达因 cm2
106~7
达因 cm2
13
如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时 吸热。
④快速拉伸时，橡胶自身温度上升(放热)；反之，压缩时，橡胶自身温度降低(吸热)。这 种现象称为高夫－米尔(Gough－Joule)效应。但普通材料与之相反，而且热效应极小。
2 高聚物力学性能的最大特点：
高弹性
粘弹性
6
举例： PS制品很脆，一敲就碎（脆性） 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性） 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基本恢复原状（弹性） 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）
7
（1）高聚物的高弹性——
链柔顺性
构象的改变
它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改变： 形变时构象熵减小，恢复时增加。 内能在高弹性形变中不起主要作用 （内能却是普弹形变的主要起因）。
f (u) T(f)
l T,V
Tl,V
这就是橡胶热力学方程式
实验时用 当纵坐标，T为横坐标，作 图：
f f ~T
18
f
77% 33% 11% 4%
固定拉伸时的张力－温度曲线
T (K )
截距为
；斜率(为
u
)
。
( f )
发现各直线外推到 l T时,V 均通过原点，即截距为0， T l ,V
动态 Dynamic
非线性粘弹性 Non-Linear viscoelasticity
应力松弛 蠕变 滞后 力学损耗
2
弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来表示，即：应力与应变成正 比关系，比例常数是固体的模量，其倒数为柔量。应变与时间无关。
粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛 顿定律来描述：应力与应变速率成正比。
许多不同的构象
极大的分子量
8
（2）高聚物的粘弹性——
弹性材料
描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑 应力 四个参数。
应变
Biblioteka Baidu
粘性流体
时间
温度
9
第二节 高弹性 2-1 高弹性的特点 2-2 平衡态高弹性热力学分析 2-3 橡胶的使用温度
10
2-1 高弹性的特点
高聚物所特有的 基于链段运动的一种力学状态 在Tg以上的非晶态聚合物处于高弹态，典型的代表是各种橡胶，因为其Tg≈-60-(-20)℃，所
12
高弹性有如下特征：
①弹性形变很大，可高达1000%，
而金属材料的普弹形变不超过1%
②弹性模量小，
，而金属材料的弹性模量达
。
③聚合物发生高弹形变时，弹性模量与温度成正比，即温度升高，弹性回力增高，从 这个意上说，与等容条件下气体的压力随温度升高而增加是相似的。而金属的普通固 体材料弹性模量随着温度升高而下降。
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“形变与时间有关”的原因：
橡胶是长链分子，整个分子的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力。
高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。
整个分子链从一种平衡状态过度到与外力相适应的平衡状态，可能需要几分钟，几小 时甚至几年。
l T,V
物理意义：外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化，一方面使橡胶的 熵随伸长而变化。
或者说：橡胶的张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。
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( S ) [ ( G )] [ ( G )] ( f) lT , V l T l,P T , V l T T ,P l, V T l, V
也就是说在一般情况下形变总是落后于外力，所以橡胶形变需要时间。
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2-2 平衡态高弹形变的热力学分析
平衡态形变（可逆）
高弹形变
假设橡胶被拉伸时发生高弹形变，除去外力后可完全回复原状，即变形是可逆的，
所以可用热力学第一定律和第二定律来进行分析。 非平衡态形变（不可逆）
16
f (u) T(S)
l T,V
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线性粘弹性： 力学行为可用两者的线性组合来表达。 非线性粘弹性：应变或应变速率较大，或有其他非线性因素时，其力学行为更加复杂。
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二、
高聚物力学性能的特点
1 高聚物材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡 皮到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力的反应相差很大，高聚物力学性质的 这种多样性，为不同的应用提供了广阔的选择余地。
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普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，键角变化引起 的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态， 晶态，高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性
高弹性：所谓高弹性是区别于普弹性而言的，一般金属的普弹形变只有千分之几,但高聚物的 高弹形变可达30％～1000％ 。小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引 起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性）
第一节 概述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性
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一、
形变性能 Deformation
弹性 Elasticity
第一节 概述 普弹性 高弹性 High elasticity
粘性 Viscosity
粘弹性 viscoelasticity
线性粘弹性
Linear viscoelasticity
静态 Static
以在一般使用温度下均呈高弹态 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能——高弹性 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能
11
高弹性的本质
在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小； 当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再
回复卷曲状态，因而形变可逆。 因此，高弹性是一种熵弹性。 金属、陶瓷等的弹性本质是能弹性。
T0
f (ul)T,VT(T f)l,V
f T(TS)l,V19
f T(说明TS：)l,V
橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引起熵的变化。
就是说，在外力作用下，橡胶分子链由原来蜷曲无序的状态变为伸直有序状态。
熵由大变小，由无序变有序；终态是不稳定体系，当外力除去以后，就会自发地恢复 到初态。
也就是说，橡皮由拉伸态恢复到原来状态是熵增过程（自发过程），也就解释了高弹 形变为什么是可回复的。
1011~1
2达因 cm2
106~7
达因 cm2
13
如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时 吸热。
④快速拉伸时，橡胶自身温度上升(放热)；反之，压缩时，橡胶自身温度降低(吸热)。这 种现象称为高夫－米尔(Gough－Joule)效应。但普通材料与之相反，而且热效应极小。
2 高聚物力学性能的最大特点：
高弹性
粘弹性
6
举例： PS制品很脆，一敲就碎（脆性） 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性） 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基本恢复原状（弹性） 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性）
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（1）高聚物的高弹性——
链柔顺性
构象的改变
它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改变： 形变时构象熵减小，恢复时增加。 内能在高弹性形变中不起主要作用 （内能却是普弹形变的主要起因）。
f (u) T(f)
l T,V
Tl,V
这就是橡胶热力学方程式
实验时用 当纵坐标，T为横坐标，作 图：
f f ~T
18
f
77% 33% 11% 4%
固定拉伸时的张力－温度曲线
T (K )
截距为
；斜率(为
u
)
。
( f )
发现各直线外推到 l T时,V 均通过原点，即截距为0， T l ,V
动态 Dynamic
非线性粘弹性 Non-Linear viscoelasticity
应力松弛 蠕变 滞后 力学损耗
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弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来表示，即：应力与应变成正 比关系，比例常数是固体的模量，其倒数为柔量。应变与时间无关。
粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛 顿定律来描述：应力与应变速率成正比。
许多不同的构象
极大的分子量
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（2）高聚物的粘弹性——
弹性材料
描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑 应力 四个参数。
应变
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粘性流体
时间
温度
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第二节 高弹性 2-1 高弹性的特点 2-2 平衡态高弹性热力学分析 2-3 橡胶的使用温度
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2-1 高弹性的特点
高聚物所特有的 基于链段运动的一种力学状态 在Tg以上的非晶态聚合物处于高弹态，典型的代表是各种橡胶，因为其Tg≈-60-(-20)℃，所
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高弹性有如下特征：
①弹性形变很大，可高达1000%，
而金属材料的普弹形变不超过1%
②弹性模量小，
，而金属材料的弹性模量达
。
③聚合物发生高弹形变时，弹性模量与温度成正比，即温度升高，弹性回力增高，从 这个意上说，与等容条件下气体的压力随温度升高而增加是相似的。而金属的普通固 体材料弹性模量随着温度升高而下降。