[工学]第七章 高聚物力学性能测试.ppt

作为材料使用时，总是要求高聚物具有必要的力学性能。 高分子材料的一般力学性能指标可用常规测试的方法得到，如用电子拉伸机可得到材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击等强度指标。 本章讲述的是聚合物在程序受热的条件下的力学分析方法。主要介绍热机械曲线法、扭摆法、扭辫法、动态粘弹谱法及振簧法，前一种为静态力学方法，后四种为动态力学方法。 第一节 高聚物材料的温度－形变曲线（T-D曲线）的测定 一定的力学负荷下，高分子材料的形变量与温度的关系称为高聚物的温度－形变曲线（或称热机械曲线，此称呼已成习惯，其实称“形变-温度曲线”更准确）。聚合物的T－D曲线（即热-机械曲线Thermomechanic Analysis，简称TMA）是研究聚合物力学性质对温度依赖关系的重要方法之一。 聚合物的许多结构因素如化学结构、分子量、结晶性、交联、增塑、老化等都会在TMA曲线上有明显反映。在这种曲线的转变区域可以求出非晶态聚合物的玻璃化温度Tg和粘流温度Tf，以及结晶聚合物的熔融温度Tm，这些数据反映了材料的热机械特性，对确定使用温度范围和加工条件有实际意义。 1. 线形非晶态聚合物的温度-形变曲线 线型非晶态聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。 典型无定型的温度-形变曲线如图所示，相应的模量-温度曲线同样用于反映分子运动（曲线形状正好倒置）。 曲线上有三个不同的力学状态和两个转变（简称三态两转变） 高弹态（rubbery state）：链段运动但整个分子链不产生移动。此时受较小的力就可发生很大的形变（100～1000％），外力除去后形变可完全恢复，称为高弹形变。高弹态是高分子所特有的力学状态。 粘流温度（flow temperature）：链段沿作用力方向的协同运动导致大分子的重心发生相对位移，聚合物呈现流动性，此转变温度称为流动温度，记作Tf。 粘流态（viscous flow state）：与小分子液体的流动相似，聚合物呈现粘性液体状，流动产生了不可逆变形。 2. 交联聚合物的温度-形变曲线 交联度较小时，存在Tg，但Tf随交联度增加而逐渐消失。交联度较高时，Tg和Tf都不存在。 3. 晶态聚合物的温度-形变曲线 一般分子量的晶态聚合物只有一个转变，即结晶的熔融，转变温度为熔点Tm。当结晶度不高（40％）时，能观察到非晶态部分的玻璃化转变，即有Tg和Tm两个转变。 分子量很大的晶态聚合物达到Tm后还不能流动，而是先进入高弹态，在升温到Tf后才会进入粘流态，于是有两个转变。 4. 增塑聚合物的温度-形变曲线 加入增塑剂一般使聚合物的Tg和Tf都降低，但对柔性链和刚性链作用有所不同。 对柔性链聚合物，Tg降低不多而Tf降低较多，高弹区缩小。 对刚性链聚合物，Tg和Tf都显著降低，在增塑剂达一定浓度时，由于增塑剂分子与高分子基团间的相互作用，使刚性链变为柔性链，此时Tg显著降低而Tf降低不大，即扩大了高弹区，称“增弹作用”，这点对生产上极为有用（例如纯PVC只能作塑料，适当加入增塑剂后，可以作人造革、鞋、薄膜等）。 二、T－D曲线（热机械曲线）的测试 关键参数：Tg、Tf， 仪器：温度－形变仪 自动温度-形变仪由主体炉、温度控制和测量系统、以及形变测量系统三个部分组成。温度控制采用调压器，温度测量则采用镍铬-镍铝（FU）热电偶（置于样品近旁）。 三、热机械曲线测试结果示例 热机械曲线的形状取决于聚合物的分子量、化学结构和聚集态结构、添加剂、受热史、形变史、升温速度、受力大小等诸多因素。升温速度快，Tg、Tf也会高些，应力大，Tf会降低，高弹态会不明显。因此实验时要根据所研究的对象要求，选择测定条件，作相互比较时，一定要在相同条件下测定。 1. 分子量对测定结果的影响 分子量M1～M9递增 M1～M6，分子量相对较低，Tg ∝ M，且Tg＝Tf（重合） M7～M8，分子量相对较高，Tf ∝ M，Tg7＝Tg8＝Tg9。 2. 高分子链结构对测定结果的影响 1.PE； 2.PS； 3.PVC； 4.聚异丁烯（PIB）； 5.聚酰胺（PA） 第二节 高聚物的力学松弛及动态力学实验方法 一、高聚物的力学松弛现象 高聚物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。 根据高分子材料受到外部作用情况的不同，可以观察到不同类型的力学松弛现象，最基本的有蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。 蠕变、应力松弛属于静态粘弹性现象，滞后和力学损耗属于动态粘弹性现象。 2.静态粘弹性现象 — 蠕变（creep）和应力松弛（stress relaxation） 高聚物的松弛过程直接影响高聚物材料尺寸稳定性； 但高聚物材料成型加工过程中也需要通过松弛过程将各种应力松弛掉，防止应力集中而影响使用。 ① 蠕变 所谓蠕变，就是在一定温度和较小的恒定应力（拉力、压力或扭力