8高聚物的力学性质1高聚物的机械强度和粘弹性.ppt

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不同的拉伸速率也和改变温度一样影响强迫高弹性 Considère 作图法 8.3 高聚物的破坏和强度 银纹和剪切带 Griffith crack theory断裂理论 弹 性 与 粘 性 比 较 高聚物粘弹性 Comparing Maxwell模型也可用于动态力学行为分析 Voigt(Kelvin)模型也可用于动态力学行为分析 时温等效原理的意义: ③测定共混物的Tg和判断体系的相容性 ④交联度对Tg及转变区宽窄的影响 交联度增加,高聚物模量增加,转变峰变宽,玻璃化转变温度提高。 当交联度较高时,模量和内耗几乎不变。说明高聚物在分解温度以下没有玻璃化转变。 交联度321 E为实数模量或称储能模量,它反映材料形变过程由于弹性形变而储存的能量。 E为虚数模量或称损耗模量,它反映材料形变过程以热损耗的能量。 tgδ称作损耗角正切,它表征材料在交变应力作用下每一形变周期内以热的形式消耗的能量与最大的弹性储能之比。 每一循环中消耗的功 E,tgδ这两根曲线在ω很小或很大时几乎为0;说明,交变应力频率太小时,内耗很小,当交变应力频率太大时,内耗也很小。 只有在某一温度下(Tg上下几十度范围内),链段能充分运动,但又跟不上应力变化,滞后现象就比较严重,内耗大 动态粘弹性的温度谱和频率谱 只有当为某一特定范围时(ωτ=1),链段又跟上又跟不上外力时,才发生滞后,产生内耗,弹性储能转化为热能而损耗掉,曲线则表现出很大的能量吸收 如一个符合虎克定律的弹簧能很好的描述理想弹性体: 一个具有一块平板浸没在一个充满粘度为?,符合牛顿流动定律的流体的小壶组成的粘壶,可以用来描述理想流体的力学行为. 聚合物的粘弹性,如应力松弛,蠕变可以用弹簧(模拟纯弹性形变)与粘壶(模拟纯粘性形变)组合的模型进行近似的定量描述。 8.5 粘弹性的描述 8.5.1粘弹性的力学模型 σ1=Eε1 如果以恒定的σ作用于模型,弹簧与粘壶受力相同: σ= σ1= σ2;形变应为两者之和: ε =ε1 + ε2 其应变速率: 弹簧: 粘壶: Maxwell运动方程 8.5.1.1 Maxwell模型 模拟应力松弛:根据定义:ε=常数(恒应变下),dε/dt=0 分离变量: 应力松弛方程 t=τ时,σ(t) = σ0/e τ的物理意义为应力松弛到σ0的1/e(0.368倍)的时间--松弛时间 t→∞ ,σ (t)→ 0 ,应力完全松弛 令松弛时间τ=η/E t=0 ,σ=σ0 时积分 从上式可看出,应变落后于应力δ位相。对于理想弹性体,δ=0;对于理想粘性液体,δ=π/2;对于粘弹体0<δ<π/2 代入 损耗模量 损耗角正切 动态模量(贮能模量) 理论曲线与实际曲线相比,E′、E与实际相符,但tanδ不符。 麦克斯韦尔模型可以模拟应力松弛过程,但不能用来模拟交联高聚物的应力松弛,同时不能模拟蠕变过程。 推迟弹性方程 8.5.1.2 Voigt(Kelvin) 模型 由虎克弹簧和牛顿粘壶并联:应力由两个元件共同承担,始终满足:σ=σ1+σ2,模拟蠕变(高弹、推迟弹性)现象 形变量相同ε=ε1=ε2,蠕变过程,应力恒定 σ (t)=σ0 积分 τ=η/E 蠕变回复方程 τ—推迟时间,应变达到极大值的(1-1/e) 倍(0.632倍)时所需的时间。 式中tanδ=ωτ,也可看出,应变落后于应力δ位相 复数模量与实际不符,改为复数柔量D* D′=D/(1+ω2τ2)D=Dωτ/ (1+ω2τ2) 与实际相比,D′、D与实际相符,但tanδ不符 Voigt(Kelvin)模型可以模拟蠕变过程,但不能用来模拟应力松弛过程。 ①由分子内部键长,键角改变引起的普弹形变,它是瞬间完成的,与时间无关,所以可用一个硬弹簧来模拟。 ②由链段的伸展,蜷曲引起的高弹形变随时间而变化,可用弹簧与粘壶并联来模拟 ③高分子本身相互滑移引起的粘性流动,这种形变随时间线性变化,可用粘壶来模拟 蠕变方程 8.5.1.3 四元件模型-完整的蠕变过程 单一模型表现出的是单一松弛行为,实际高聚物由于结构的多层次性和运动单元的多重性,不同的单元有不同的松弛时间,是一个宽分布的连续谱。要完善地反映出高聚物的粘弹行为,须采用多元件组合模型来模拟 8.5.1.4 多元件模型和松弛时间谱 广义Maxwell模型取,任意多个Maxwell单元并联而成 广义的Voigt模型,若干个Voigt模型串联起来 8.5.2 Boltzmann叠加原理 Boltzmann叠加原理是高聚物粘弹性的一个简单但又非常重要的原理,这个原理指出高聚物的力学松弛行为是其整个历史上诸松弛过程的线性加和的结果。 对于蠕变过程,每个负荷对高聚物的变形的贡献是独立的,总的蠕变是各个负荷引起的蠕变的线性加和 对于应力松弛,每个应变对高聚物的应力松弛

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