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第六章 纤维的热学性质 Chapter 6 thermal properties of fiber 概 述 纤维热学性质研究主要包括以下问题: 纤维各典型热力学状态的特征与产生机制及其相关性质; 纤维不同温度下的高分子柔性、聚集态结构及形态特征; 纤维的物质的热物理性质(Thermo-physical properties)包括热输运性质(传质与热传导)和热力学性质两类; 纤维材料的热辐射防护性能:热光性能;燃烧性质; 热分析技术:( DTA、DSC、TMA、DMA、TG); 纤维材料的热加工与定形理论与机理。 第一节 纤维的热力学状态与性质 (2)玻璃化转变区:非晶态高聚物对温度变化十分敏感的区域。3-5°范围内,几乎所有性质发生突变(模量,热膨胀系数,介电常数,折射率等)。根据分子运动机理,这一温度范围,链段开始解冻,并可以通过主链中单键内旋转不断改变构象,分子链段开始在外力作用下,伸展或卷曲,模量迅速下降3-4个数量级,形变迅速增加。此转变温度即为玻璃化转变温度,Tg。 (3)高弹态:此状态下,非晶态高聚物在外力作用下,分子链可通过单键内旋转和链段运动不断改变构象,以适应外力作用。外力去除,分子链又可以通过单键内旋转和链段运动回复到原来状态,宏观上表现为弹性。由于较玻璃态变形所需要的外力小很多,这种力学性质称为高弹态。高弹态模量105-107Pa,形变达100%-1000%;玻璃态普弹模量1010-1011Pa,普弹形变0.01%-0.1%。 (4)粘弹转变区:也是一个对温度变化十分敏感的区域。温度升高链段热运动加剧,并开始沿作用力方向协同运动。这不仅使大分子构象变化,而且使大分子链段发生较大的相对位移,聚合物开始呈现流动性,模量迅速降低2个数量级,形变迅速增大。 (5)粘流态:该状态下,不仅链段运动的松弛时间缩短,而且整个分子链移动的松弛时间也缩短到实验可观察的时间尺度。高聚物在外力作用下粘性流动,不可逆的变形,高聚物相对分子量越大,分子间作用力越大,分子链相对位移越困难。故Tf随相对分子量增加而升高。 对于分子间有化学键交联的高聚物,由于分子不能发生相对位移,故无粘弹转变区和粘流态。 非晶态高聚物力学三态及其内在分子运动机理 2、晶态高聚物的热力学状态与转变 3、纤维高聚物的热力学状态与转变 (1)热塑性纤维:大多数热塑性纤维,内部有结晶部分,但结晶并不完整,存在很大的非晶态区域。这类纤维随着温度的提高,将相继出现玻璃态、高弹态、粘流态,其热力学行为与晶态高聚物相类似。 (2)非热塑性纤维:如天然和再生纤维素和天然蛋白质纤维,随着温度的提高,将不出现某些物理状态的变化过程,有的熔点高于分解点,在高温作用下,不熔融而分解。 必须指出,根据不同性质的改变所测出的玻璃化温度的数值不相同。采用同一种测量方法,测定时所用的仪器参数和周围的环境条件,对测定得出的玻璃化温度的值也有影响。同样的测定条件,纤维的结构不同时,测量结果也会不同。材料的玻璃化温度Tg大约为熔融温度Tm的1/2 (以绝对温度计)。 2.玻璃化转变理论 对于玻璃化转变现象,至今尚无完善的理论可以作出完全符合实验事实的正确解释。已提出理论主要有三种:自由体积理论、热力学理论和动力学理论,这里着重讨论自由体积理论。 自由体积理论认为液体和固体物质,其体积由两部分组成:一部分是被分子占据的体积(已占体积);另一部分是未被分子占据的体积(自由体积)。后者以“空穴”的形式分散于整个物质之中。正是由于自由体积的存在,分子链才可能通过转动和位移来调整构象。因此,Tg就是自由体积达到某一临界值的温度。在该临界值以下,没有足够的空间进行分子链构象的调整,因而高聚物的玻璃态又被视为等自由体积状态。 3.影响玻璃化温度Tg的因素 Tg是链段从冻结到运动(或反之)的转变温度,而链段的运动通过单键内旋转实现,因此凡影响单键内旋转(分子链柔性)的因素,均对Tg构成影响,增加分子间作用力、减弱分子链柔性,如引入刚性基团或极性基团、交联和结晶都会使Tg↑;而增加分子链柔性,如加入增塑剂或引入柔性基团等,都会使Tg↓。 (1)主链结构:主链由饱和单键构成的高聚物,分子链可绕单键内旋转,柔性增加, Tg↓;当主链含苯环等芳杂环,内旋转单键减少, Tg↑。 (2)侧基或侧链:侧基为极性基团时,内旋转活化能↑, Tg↑。若侧基非极性则主要受空间位阻,即侧基体积大Tg↑。 (3)相对分子量 :当相对分子质量较低时,随分子量↑,Tg↑;达一定分子质量后,不明显。因为端链段较中间链段运动更容易。 (4)交联:分子间存在交联,链段活动受阻碍, Tg↑。 (5)混合、接枝及共聚:混合高聚物中两种成分相容时,表现出单一材料的性能;不相容时则观察到两个Tg。 (6)增塑剂的
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