第23讲 聚合物的强度与韧性
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增强机理：活性粒子吸附大分子，形成链间物理 交联，活性粒子起物理交联点的作用。 惰性填料怎么办？例：PVC+CaCO3，PP+滑石粉
（2）纤维增强
Glass steel boat glassy
fiber+polyester
增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷
例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维
增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关
好差
双轴取向
好差
加入增塑剂
好差
外界因素
抗冲击强度i
即韧性
温度高
好差
应变速率大
好差
8.5.3 聚合物的增韧
(1) 橡胶增韧塑料
用橡胶来 增韧塑料
e.g PVC＋CPE，PP＋EPDM
增韧效果取决于分散相大小和界面粘接力,即两者相容性.
橡胶增韧塑料的增韧机理
银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产 生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此 机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR） 银纹—剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物, 在外力作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量. 橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。
刚性无机粒子增韧:刚性粒子促使基体在断裂过程中产生 塑性变形吸收能量. e.g PVC+CaCO3
刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性.
疲劳
• 在逐渐增大的应力作用下，材料发生屈 服或断裂
• 在低于屈服应力（断裂应力）下，材料 受周期性的应力作用下，发生疲劳。
• 疲劳
应力集中
裂纹
材料破坏
裂纹传播
Racing bicycle
Carbon fiber
（3）液晶原位增强
热致液晶+热塑性聚合物
共聚酯， 聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum
增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微 纤结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶 棒状分子在共混物基体中就地形成的，故称做复合增强。
8.5.2 影响冲击强度的因素
韧性好坏顺序 a>b>c>d
c>d>b>a
d>c>b>a
请判断
——曲线下的面积代 表所吸收能量(韧性)
因 •强度 素 •延展性
Discussion
•强度 ——分子间作用力
•延展性 ——分子链柔顺性 韧性 即抗冲击强度
极性基团或氢键
好差
有支链结构
好差
适度交联
好差
结晶度大
8.5 聚合物的韧性与增韧
8.5.1 冲击强度 Impact strength
——是衡量材料韧性的一种指标
i
W bd
冲断试样所消耗的功 冲断试样的厚度和宽度
增韧剂： elasticizer, plasticizer, softener
Pendulum machine 摆锤冲击机
•Charpy 简支梁 •Izod 悬臂梁
三轴应力空化机理:基体与分散相界面呈现脱离 状态,在外力作用下发生三轴应力致使分散相粒
子周围空化而吸收能量。
银纹机理
（2）刚性粒子增韧
刚性有机粒子增韧：拉伸时，由于基体与分散相之间 的模量和泊松比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面 上的强压力而发生脆韧—转变，刚性粒子发生“冷流” 而吸收能量。
e.gwk.baidu.comPC/MBS 甲基丙烯酸甲酯（M）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）
疲劳试验 S~N
• 获得疲劳极限时的应力数据 • S 受载应力的极大值 • N 材料达到破坏时的周期数 即疲劳寿命
疲劳极限
• 当应力低于一个 值时，
• 材料可以承受的 周期数为∞
• 疲劳
疲劳
应力集中
材料缺陷 裂纹
材料破坏 截面基减少
裂纹传播
F
F
疲劳极限的影响因素
• 频率：高频产热，低于1Hz • 温度：升高温度，疲劳寿命降低 • 加载波形：方波比sin寿命短 • 应力比：拉-拉 比 拉-压寿命长 • 分子量：大 则寿命长
第二十三讲 聚合物的强度与韧性
主要内容：
•聚合物的拉伸强度与增强 •聚合物的韧性与增韧 •聚合物的疲劳
本章重点及要求：掌握聚合物强度和韧性的影响因素、 增强和增韧的方法与机理
教学目的：指导选材、改性、加工和使用。
8.4 聚合物的拉伸强度 Tensile
strength
8.4.1 拉伸强度及影响因素
适度的交联
高低
结晶度大
高低
取向好 加入增塑剂
高低 高低
缺陷存在
高低
考虑外界因素
温度高
拉伸强度t
高低
应变速率大
高低
(b) Different strain rate
速 度
Strain rate
.
.
..
1 2 3 4
速 度
蠕变
时温等效原理： 拉伸速度快=时间 短
相当于温度低时 测定材料的E
8.4.2 增强
Reinforcement
增强途径
Filler 填料
•活性粒子（ Powder） C ，SiO2
•纤维 Fiber
Glass fiber, Carbon fiber
•液晶 Liquid Crystal
Polyester
（1）活性粒子增强
Carbon black reinforcement
橡胶+碳黑
断裂强度
国标拉伸强度t
屈服强度
t
P bd
屈服强度
b-试样厚度，d-试样宽度 P-最大载荷
影响拉伸强度的因素
化学键断 裂所需力 最大
化学键拉断 分子间滑脱
主要
分子间 扯离所
方式 需力最
分子间扯离
小
通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响
最大
考虑分子结构因素 拉伸强度t
极性基团或氢键
高低
主链上含芳杂环结构 高 低
（2）纤维增强
Glass steel boat glassy
fiber+polyester
增强机理：纤维作为骨架帮助基体承担载荷
例：尼龙+玻纤/碳纤维/晶须/硼纤维
增强效果与纤维的长度、纤维与聚合物之间的界面粘接力有关
好差
双轴取向
好差
加入增塑剂
好差
外界因素
抗冲击强度i
即韧性
温度高
好差
应变速率大
好差
8.5.3 聚合物的增韧
(1) 橡胶增韧塑料
用橡胶来 增韧塑料
e.g PVC＋CPE，PP＋EPDM
增韧效果取决于分散相大小和界面粘接力,即两者相容性.
橡胶增韧塑料的增韧机理
银纹机理：橡胶粒子作为应力集中物诱发基体产 生银纹而吸收能量。（一般脆性聚合物增韧为此 机理，如：PS/SBS，PMMA/ACR） 银纹—剪切带机理：橡胶粒子作为应力集中物, 在外力作用下诱发大量银纹和剪切带,吸收能量. 橡胶粒子和剪切带控制和终止银纹。
刚性无机粒子增韧:刚性粒子促使基体在断裂过程中产生 塑性变形吸收能量. e.g PVC+CaCO3
刚性粒子增韧的条件是:基体必须具有一定韧性.
疲劳
• 在逐渐增大的应力作用下，材料发生屈 服或断裂
• 在低于屈服应力（断裂应力）下，材料 受周期性的应力作用下，发生疲劳。
• 疲劳
应力集中
裂纹
材料破坏
裂纹传播
Racing bicycle
Carbon fiber
（3）液晶原位增强
热致液晶+热塑性聚合物
共聚酯， 聚芳酯Xydar, Vector, Rodrum
增强机理：热致液晶中的液晶棒状分子在共混物中形成微 纤结构而到增强作用。由于微纤结构是加工过程中由液晶 棒状分子在共混物基体中就地形成的，故称做复合增强。
8.5.2 影响冲击强度的因素
韧性好坏顺序 a>b>c>d
c>d>b>a
d>c>b>a
请判断
——曲线下的面积代 表所吸收能量(韧性)
因 •强度 素 •延展性
Discussion
•强度 ——分子间作用力
•延展性 ——分子链柔顺性 韧性 即抗冲击强度
极性基团或氢键
好差
有支链结构
好差
适度交联
好差
结晶度大
8.5 聚合物的韧性与增韧
8.5.1 冲击强度 Impact strength
——是衡量材料韧性的一种指标
i
W bd
冲断试样所消耗的功 冲断试样的厚度和宽度
增韧剂： elasticizer, plasticizer, softener
Pendulum machine 摆锤冲击机
•Charpy 简支梁 •Izod 悬臂梁
三轴应力空化机理:基体与分散相界面呈现脱离 状态,在外力作用下发生三轴应力致使分散相粒
子周围空化而吸收能量。
银纹机理
（2）刚性粒子增韧
刚性有机粒子增韧：拉伸时，由于基体与分散相之间 的模量和泊松比差别致使基体对刚性粒子产生赤道面 上的强压力而发生脆韧—转变，刚性粒子发生“冷流” 而吸收能量。
e.gwk.baidu.comPC/MBS 甲基丙烯酸甲酯（M）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）
疲劳试验 S~N
• 获得疲劳极限时的应力数据 • S 受载应力的极大值 • N 材料达到破坏时的周期数 即疲劳寿命
疲劳极限
• 当应力低于一个 值时，
• 材料可以承受的 周期数为∞
• 疲劳
疲劳
应力集中
材料缺陷 裂纹
材料破坏 截面基减少
裂纹传播
F
F
疲劳极限的影响因素
• 频率：高频产热，低于1Hz • 温度：升高温度，疲劳寿命降低 • 加载波形：方波比sin寿命短 • 应力比：拉-拉 比 拉-压寿命长 • 分子量：大 则寿命长
第二十三讲 聚合物的强度与韧性
主要内容：
•聚合物的拉伸强度与增强 •聚合物的韧性与增韧 •聚合物的疲劳
本章重点及要求：掌握聚合物强度和韧性的影响因素、 增强和增韧的方法与机理
教学目的：指导选材、改性、加工和使用。
8.4 聚合物的拉伸强度 Tensile
strength
8.4.1 拉伸强度及影响因素
适度的交联
高低
结晶度大
高低
取向好 加入增塑剂
高低 高低
缺陷存在
高低
考虑外界因素
温度高
拉伸强度t
高低
应变速率大
高低
(b) Different strain rate
速 度
Strain rate
.
.
..
1 2 3 4
速 度
蠕变
时温等效原理： 拉伸速度快=时间 短
相当于温度低时 测定材料的E
8.4.2 增强
Reinforcement
增强途径
Filler 填料
•活性粒子（ Powder） C ，SiO2
•纤维 Fiber
Glass fiber, Carbon fiber
•液晶 Liquid Crystal
Polyester
（1）活性粒子增强
Carbon black reinforcement
橡胶+碳黑
断裂强度
国标拉伸强度t
屈服强度
t
P bd
屈服强度
b-试样厚度，d-试样宽度 P-最大载荷
影响拉伸强度的因素
化学键断 裂所需力 最大
化学键拉断 分子间滑脱
主要
分子间 扯离所
方式 需力最
分子间扯离
小
通过断裂形式分析：分子之间相互作用大小对强度影响
最大
考虑分子结构因素 拉伸强度t
极性基团或氢键
高低
主链上含芳杂环结构 高 低