高分子材料的主要物理性能

第四章 高分子材料的主要物理性能

高分子材料与小分子物质相比具有多方面的独特性能,其性能的复杂性源自于其结构的特殊性与复杂性。联系材料微观结构与宏观性质的桥梁就是材料内部分子运动的状态。一种结构确定的材料,当分子运动形式确定,其性能也就确定;当改变外部环境使分子运动状态变化,其物理性能也将随之改变。这种从一种分子运动模式到另一种模式的改变,按照热力学的观点称作转变;按照动力学的观点称作松弛。例如天然橡胶在常温下就是良好的弹性体,而在低温时(＜-100℃)失去弹性变成玻璃态(转变)。在短时间内拉伸,形变可以恢复;而在长时间外力作用下,就会产生永久的残余形变(松弛)。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在常温下就是模量高、硬而脆的固体,当温度高于玻璃化温度(～100℃)后,大分子链运动能力增强而变得如橡胶般柔软;温度进一步升高,分子链重心能发生位移,则变成具有良好可塑性的流体。

本着“结构⇔分子运动⇔物理性能”这样一条思维线路,本章有选择地介绍高分子材料的热性能、力学性能、高弹性与粘弹性、溶液性质、流变性质、电学性能等。同时通过介绍结构与性能的关系,帮助我们根据使用环境与要求,有目的地选择、使用、改进与设计高分子材料,设计与改进加工工艺与设备,扩大高分子材料使用范围。

第一节 高分子材料的分子运动、力学状态转变及热性能

一、高分子运动的特点

与低分子材料相比,高分子材料的分子热运动主要有以下特点:

(一)运动单元与模式的多重性

高分子的结构就是多层次、多类型的复杂结构,决定着其分子运动单元与运动模式也就是多层次、多类型的,相应的转变与松弛也具有多重性。从运动单元来说,可以分为链节运动、链段运动、侧基运动、支链运动、晶区运动以及整个分子链运动等。从运动方式来说,有键长、键角的变化,有侧基、支链、链节的旋转与摇摆运动,有链段绕主链单键的旋转运动,有链段的跃迁与大分子的蠕动等。

在各种运动单元与模式中,链段的运动最为重要,高分子材料的许多特性均与链段的运动有直接关系。链段运动状态就是判断材料处于玻璃态或高弹态的关键结构因素;链段运动既可以引起大分子构象变化,也可以引起分子整链重心位移,使材料发生塑性形变与流动。

(二)分子运动的时间依赖性

在外场作用下,高分子材料从一种平衡状态通过分子运动而转变到另一种平衡状态就是需要时间的,这种时间演变过程称作松弛过程,所需时间称松弛时间。例如将一根橡胶条一端固定,另一端施以拉力使其发生一定量变形。保持该形变量不变,但可以测出橡胶条内的应力随拉伸时间仍在变化。相当长时间后,内应力才趋于稳定,橡胶条达到新的平衡。

设材料在初始平衡态的某物理量(例如形变量、体积、模量、介电系数等)的值为x 0,在外场作用下,到t 时刻该物理量变为x (t ),许多情况下x (t )与x 0满足如下关系:

()τ/0t e x t x -= (4-1)

公式(4-1)实质上描述了一种松弛过程,式中τ称松弛时间。当t =τ时,()e x x /0=τ,可见松弛时间相当于x 0变化到x 0/e 时所需要的时间。

低分子物质对外场的响应往往就是瞬时完成的,因此松弛时间很短,而高分子材料的松弛时间可能很长。高分子的这种松弛特性来源于其结构特性,由于分子链的分子量巨大,几何构型具有明显不对称性,分子间相互作用很强,本体粘度很大,因此其松弛过程进行得较慢。

不同运动单元的松弛时间不同。运动单元越大,运动中所受阻力越大,松弛时间越长。比如键长、键角的变化与小分子运动相仿,其松弛时间与小分子相当,约10-8-10-10s;链段运动的松弛时间较长,可达到分钟的数量级;分子整链的松弛时间更长,可长达几分、几小时,甚至几

天、几个月。由于高分子材料结构具有多重性,因此其总的运动模式具有一个广阔的松弛时间谱。

了解材料的松弛时间谱十分重要,因为材料的不同性质就是在不同的松弛过程(它们具有不同的松弛时间)中表现出来的。在实际测试或使用材料时,只有那些松弛时间与外场作用时间数量级相当的分子运动模式(或性质)最早与最明显地被测试或表现出来。例如要研究链段的运动,实验进行的速度应当掌握在分钟数量级,太快或太慢的实验都不能测到链段的运动。如果要研究分子整链的运动(如材料的流动),实验时间必须长得多。换句话说,高分子材料的松弛特性使得其物理与力学性能与观察与测量的速度(或时间)相关。

(三)分子运动的温度依赖性

温度就是分子运动激烈程度的描述,高分子材料的分子运动也强烈地依赖于温度的高低。一般规律就是温度升高,各运动单元热运动能力增强,同时由于热膨胀,分子间距增加,材料内部自由体积增加,有利于分子运动,使松弛时间缩短。松弛时间与温度的关系可用Eyring 公式表示:

RT E o e /∆=ττ (4-2)

式中τ0就是常数,△E 就是运动活化能,R 就是气体常数,T 就是绝对温度。由(4-2)式可见,温度升高,τ变小,松弛过程加快。

由于高分子材料的分子运动既与温度有关,也与时间有关,因此,观察同一个松弛现象,升高温度与延长外场作用时间得到的效果就是等同的,在后面章节中将详细介绍这个十分重要的“时—温等效原理”。这一性质也决定了我们在研究测量高分子材料物理性能时,或者规定好测量温度,或者规定好测量时间或速度,否则不易得到正确可靠的结果。

二、高分子材料的力学状态及转变

不同类型高分子材料的力学状态不同,下面按非晶态(无定型)聚合物、结晶聚合物、体型聚合物分别介绍。

（一） 非晶态线型聚合物的力学状态及转变

对尺寸确定的非晶态线型聚合物试样施加一定的外力,并以一定的速度升温,测定试样发生的形变随温度的变化,得到材料的温度-形变曲线,又称热机曲线,如图4-1所示。整条曲线按温度高低可分为五个区,特点如下:

A 区:该区温度低,分子热运动能力小,链段运动处于冻结状态,只有侧基、链节、短支链等小运动单元的局部振动发生,因此材料弹性模量高(～1010N/m 2),形变小(～0、1%-1%),外力撤去后,形变立即消失、恢复原状。材料无论在内部结构还就是力学性质方面都类似于低分子玻璃,这种状态称玻璃态。

B 区:该区称玻璃化转变区,就是一个对温度变化十分敏感的区域。在此区间内,随温度升高,链段活动能力增加,链段可以通过绕主链上的单键内旋转而改变分子链构象,使形变迅速增加,模量下降3~4个数量级。该区域对应的转变温度称玻璃化转变温度,记为g T 。

C 区:温度进一步升高,链段具有充分的运动能力。在外力作用下,一方面通过链段运动使分子链呈现局部伸展的构象,材料可以发生大形变(～100%-1000%);另一方面此时的热能还不足以使分子整链运动,分子链相互缠结形成网络,链段又有回复卷曲的趋势。这两种作用相互平衡,使温度-形变曲线出现一个平台区。处于该区间的高分子材料,模量低,仅为106N ·m -2左右,形变大,外力去除后,形变可以恢复。这种力学状态称高弹态。

D 区:这也就是一个对温度十分敏感的转变区,称粘流转变区。由于温度升高,链段的热运动进一步加剧。链段沿外力方向的协同运动,不仅使分子链形态发生改变,而且导致分子链解缠结,分子重心发生相对位移,宏观上表现为出现塑性形变与粘性流动。形变迅速增加,弹性模