高分子材料性能与评价

1、高分子材料性能与评价高分子材料性能与评价中石化北京燕山分公司骆献辉，2014年6月目目 录录第一章第一章 高分子基础知识高分子基础知识第二章第二章 高分子材料高分子材料的的力学性能力学性能第三章第三章 高分子材料高分子材料的化学分析的化学分析方法方法第四章第四章 高分子溶液高分子溶液第一章第一章高分子基础知识高分子基础知识高分子概念高分子概念 高分子高分子 分子质量分子质量1 1万以上的有机化合物称为高分子材料。它万以上的有机化合物称为高分子材料。它是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。 原子之间由共价键结合，称为主价键；原子之间由共价

2、键结合，称为主价键； 分子之间由分子之间由范德华键范德华键连接，称为次价键。连接，称为次价键。 由于分子太大，分子间由于分子太大，分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键次价键力之和远超过分子中原子间主价键的的结合力结合力。拉伸时常常先发生原子键的。拉伸时常常先发生原子键的断裂，而断裂，而不是分子链之间的滑不是分子链之间的滑脱。脱。 聚合物聚合物 聚合物聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本基本结构单元则称为链节。结构单元则称为链节。 聚合物聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。长链的重复链节数目，称为聚合度。 天然的聚合物有天然的聚合物有

3、 木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。 人工人工合成聚合物有塑料、合成纤维、合成橡胶等。合成聚合物有塑料、合成纤维、合成橡胶等。5聚合物聚合物的基本结构的基本结构 长支链 短支链 线型交联分子链 三维交联分子链高分子高分子发展史发展史15世纪 美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。1839年 美国人古德伊尔(Charles Goodyear)发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它从硬度较低、遇热发粘软化、遇冷发脆断裂的不实用的性质，变为富有弹性、可塑性的材料。1869年 美国的海厄特(John Wesley Hyatt，1837-1920)把硝化纤

4、维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”(cellulose)。 1887年 Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了人造丝。1909年 美国人贝克兰 (Leo Baekeland)用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料-酚醛树酯。1920年施陶丁格 (Hermann Staudinger)发表了“关于聚合反应” 的论文提出：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应(聚合)，通过化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。 1932年施陶丁格又总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨

5、著高分子有机化合物，成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。1926年 瑞典化学家斯维德贝格等人用超离心机测量出蛋白质的分子量：证明高分子的分子量的确是从几万到几百万。 1926年 美国化学家 Waldo Semon合成了聚氯乙烯（PVC），并于1927年实现了工业化生产。 1930年 聚苯乙烯(PS)发明。 1935年 美国杜邦公司（Du pont)卡罗瑟斯 (Wallace H. Carothers，合成出聚酰胺-66，即尼龙-66。 1930年 德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。 1940年 英国人温费尔德 (T.R.Whinfield，1901-1966)合

6、成出聚酯纤维(PET)。 1950s 德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔(Giulio Natta)分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯（PE）与聚丙烯（PP）。 1955年 美国人利用齐格勒-纳塔（Ziegler Natta)催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶异戊橡胶。齐格勒齐格勒纳塔纳塔1971年 Stephanie Kwolek 发明可耐300高温的Kevlar。12 金属材料金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 高分子材料高分子材料 复合材料复合材料材料分类材料分类131.塑料塑料热固性塑料热固性塑料(酚醛、脲醛等酚醛、脲醛等

7、)热塑性塑料热塑性塑料(PE,PP,PVC,PS,PMMA等等) 塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa；受力形变可达百分之几至几百。；受力形变可达百分之几至几百。 142.橡胶：橡胶：天然橡胶天然橡胶(聚异戊二烯聚异戊二烯)合成橡胶合成橡胶( 顺丁顺丁,丁苯丁苯,丁腈丁腈,氯丁橡胶氯丁橡胶)室温弹性高；形变大（可达室温弹性高；形变大（可达1000%1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小，），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小，约约10105 510104 4PaPa。153.纤维纤维聚酯纤维聚酯纤维(涤纶，如涤纶，如PET)

8、聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶）腈纶腈纶(PAN)丙纶丙纶(PP)维纶（维纶（PVA）弹性模量较大，约弹性模量较大，约1091010Pa。形变小，机械性能随温度变化不大形变小，机械性能随温度变化不大 高分子高分子的的分子量分子量平均分子量平均分子量的概念的概念 数均分子量数均分子量MnMn：体系总重量为分子总数所平均：体系总重量为分子总数所平均 重均分子量重均分子量Mw: Mw: 各分子量分子的重量分数与其相应的分各分子量分子的重量分数与其相应的分 子量的乘积的总和。子量的乘积的总和。 MnMn对低分子敏感，对低分子敏感，MwMw对高分子敏感对高分子敏感 粘均分子量粘均分子

9、量M ：=K( M ) ，可通过高分子溶液可通过高分子溶液的特性粘数的特性粘数测定。测定。 Z Z均分子量均分子量MzMz：按：按Z Z量统计平均，没有具体的物理意义。量统计平均，没有具体的物理意义。对单一纯物质：对单一纯物质： 对高聚物：对高聚物：三大材料中橡胶分子量最大三大材料中橡胶分子量最大高分子的力学三态（三态两转变）e eTTgTf玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态粘流态粘流态TgTfET玻璃态玻璃态高弹态高弹态1. 玻璃态玻璃态：温度：温度低，低，链段被链段被“冻结冻结” ，只有小运动单元的运动。，只有小运动单元的运动。质硬而脆，质硬而脆，类似玻璃类似玻璃。受受力后，力后，形变形

10、变(e e)很很小小，弹性模量弹性模量(E)高高，外力去除形变恢复，外力去除形变恢复，普弹性普弹性。2. 玻璃化转变玻璃化转变Tg 玻璃态到高弹态的转变玻璃态到高弹态的转变 ，链段的运动被激发，形变增加，模量下降。，链段的运动被激发，形变增加，模量下降。3. 高弹态（橡胶高弹态（橡胶-弹性平台区）弹性平台区）：当：当T Tg，链段运动，链段运动, 受力后形变很大，模量低，外力去受力后形变很大，模量低，外力去除后形变恢复（可逆形变），聚合物表现出橡胶行为，呈现高弹性。高弹态是聚合物特除后形变恢复（可逆形变），聚合物表现出橡胶行为，呈现高弹性。高弹态是聚合物特有的力学状态。高弹形变是链段运动使高分

11、子链发生伸展或卷曲运动的宏观表现。有的力学状态。高弹形变是链段运动使高分子链发生伸展或卷曲运动的宏观表现。4. 粘弹转变粘弹转变Tf ：链段热运动剧烈导致大分子的重心发生位移，聚合物呈现流动性，模量：链段热运动剧烈导致大分子的重心发生位移，聚合物呈现流动性，模量再次下降。对应温度为再次下降。对应温度为Tf5. 粘流态粘流态：TTf，分子链运动，形变大且无法回复，模量低，与小分子液体类似。，分子链运动，形变大且无法回复，模量低，与小分子液体类似。TgTg是表征聚合物性能的一个重要指标，是表征聚合物性能的一个重要指标，塑料的最高使用温度和塑料的最高使用温度和橡胶的最低使用温度。橡胶的最低使用温度。

12、从分子运动的角度看，它是链段开始从分子运动的角度看，它是链段开始“冻结冻结”的温度，因此的温度，因此凡是凡是使链的柔性增加，使分子间作用力降低的结构因素均导致使链的柔性增加，使分子间作用力降低的结构因素均导致TgTg下降下降；凡是凡是导致链段的活动能力下降的因素均使导致链段的活动能力下降的因素均使TgTg升高升高。玻璃化转变温度及其影响因素玻璃化转变温度及其影响因素 （1 1） 主链结构（主链的柔顺性）主链结构（主链的柔顺性）： 饱和主链饱和主链1.1.化学结构的影响：化学结构的影响：CH2OnSiOnCH3CH3CH2CH2n硅橡胶硅橡胶Tg = -123 聚甲醛聚甲醛Tg = -83 PE

13、 PE Tg=-68 主链上有芳环、芳杂环：主链上有芳环、芳杂环：OCOCOCH3CH3nOCH3CH3n聚碳酸酯（聚碳酸酯（PC）Tg=150Tg=150聚苯醚聚苯醚( (PPO）Tg=220Tg=220 主链上有孤立双键时：主链上有孤立双键时：CH2CHCHCH2nCH2CHCHCH2CCHH2yxCH2CHCH2nCCH3Tg=-105Tg=-105（顺式）（顺式）Tg=-83(Tg=-83(反式）反式）Tg=-73Tg=-73（顺式）（顺式）Tg=-60(Tg=-60(反式）反式）Tg=-61Tg=-61（2 2）取代基结构：）取代基结构：CH2CHFnCH2CHClnCH2CHCH3

14、nPP Tg=-20 PP Tg=-20 Tg=40 Tg=40 Tg=87 Tg=87 CH2CHCH3CH2CHn PE Tg=-68 PE Tg=-68 PP Tg=-20 PP Tg=-20 PS Tg=100 PS Tg=100 CH2CHH极性极性位阻位阻对称性对称性由于对称性使极性部分相互抵消，柔性增加，由于对称性使极性部分相互抵消，柔性增加， Tg Tg 下降。下降。PVC Tg=87PVC Tg=87C C聚偏二氯乙烯聚偏二氯乙烯PVDC Tg= -19PVDC Tg= -19C CPP Tg= -10PP Tg= -10C C聚异丁烯聚异丁烯 PIB Tg= -70PIB

15、Tg= -70C C CH2CCH3nCH3CH2CHCH3nCH2HCClnCH2CClnCl对称性好对称性好 TgTg小小(3)(3)构型构型顺式顺式Tg Tg 反式反式TgTg Poly(1,4-butadiene)Cis-Cis-顺式顺式, , T Tg g= -102= -102C C Trans-Trans-反式反式, , T Tg g= -48= -48C C nggMKTT)(T Tg g( ( ) ) 临界分子量临界分子量M Mc c时聚合物的时聚合物的T Tg gMMMMMMc c, T, Tg g与与M M无关无关分子量低的聚合物有更多的链末端分子量低的聚合物有更多的链末

16、端链末端比链中间部分有较大的自由体积链末端比链中间部分有较大的自由体积(4)(4)分子量分子量柔性柔性T Tg g(5) (5) 链间相互作用链间相互作用 极性极性： PP PP T Tg g=-18=-18C C PVC PVC T Tg g=87=87C C PAN PAN T Tg g=103=103C C氢键：氢键： 分子间氢键可使分子间氢键可使TgTg显著提高。显著提高。 聚辛二酸丁二酯聚辛二酸丁二酯 PA66PA66（分子间氢键）（分子间氢键） OCH2OCO2CH24CONHCH26CH24CONHCOTg= -70 Tg= -70 Tg= 50 Tg= 50 金属离子：金属离子

17、：聚合物合成中加入金属离子形成含离子聚合物可使其聚合物合成中加入金属离子形成含离子聚合物可使其TgTg大幅度上升。大幅度上升。 聚丙烯酸聚丙烯酸 Tg 106Tg 106 聚丙烯酸钠聚丙烯酸钠 Tg 280Tg 280 聚丙烯酸铜聚丙烯酸铜Tg 500Tg 500(6)(6)支化、交联、结晶的影响支化、交联、结晶的影响支化的影响支化的影响支化对支化对TgTg的影响来自于两种方面的综合作用：的影响来自于两种方面的综合作用：l（1 1）链末端数目增加链末端数目增加, ,有较大自由体积导致链段的活动性有较大自由体积导致链段的活动性增加；增加；l（2 2）支化点的形成使得链段的运动受阻；支化点的形成使

18、得链段的运动受阻； 一般来说一般来说，链末端对玻璃化温度的影响要大于支化点的，链末端对玻璃化温度的影响要大于支化点的影响，因此综合作用的结果是影响，因此综合作用的结果是玻璃化转变温度随支化度增加玻璃化转变温度随支化度增加而下降。而下降。因为结晶聚合物中含有非结晶部分，因此仍有玻璃化因为结晶聚合物中含有非结晶部分，因此仍有玻璃化温度，但是由于微晶的存在，使非晶部分链段的活动温度，但是由于微晶的存在，使非晶部分链段的活动能力受到牵制，一般结晶聚合物的能力受到牵制，一般结晶聚合物的TgTg要高于非晶态同要高于非晶态同种聚合物的种聚合物的TgTg。 例如：例如：PETPET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），对

19、于无定形（聚对苯二甲酸乙二醇酯），对于无定形PETPET的的TgTg6969，而结晶，而结晶PETPET的的TgTg81(81(结晶度结晶度50%)50%)，随结晶度的增加，随结晶度的增加TgTg也增加也增加. .结晶结晶100100结晶结晶, , 无非晶区无非晶区, , 没有玻璃化转变没有玻璃化转变TgTgx x=Tg+ K=Tg+ Kx x 单位体积的交联密度单位体积的交联密度KxKx特征常数特征常数TgTg未交联物未交联物TgTg交联物的交联物的Tg Tg 与交联的关系：与交联的关系：当分子间存在化学交联时，链段活动能力下降，当分子间存在化学交联时，链段活动能力下降，Tg升高。升高。交联

20、点密度愈高，交联点密度愈高，Tg增加愈甚。增加愈甚。交联交联 一般增塑剂分子与高分子具有较强的亲和力，会使链分子一般增塑剂分子与高分子具有较强的亲和力，会使链分子间作用减弱间作用减弱 ( (屏蔽效应屏蔽效应) ) ，同时，增塑剂分子小，活动能，同时，增塑剂分子小，活动能力强，可提供链段运动的空间，因此力强，可提供链段运动的空间，因此TgTg下降，同时流动温下降，同时流动温度度T Tf f也会降低，因而加入增塑剂后可以降低成型温度，并也会降低，因而加入增塑剂后可以降低成型温度，并可改善制品的耐寒性。可改善制品的耐寒性。例如：例如：纯聚氯乙烯的纯聚氯乙烯的TgTg7878，室温下为硬塑性，可制成板

21、材，但加入，室温下为硬塑性，可制成板材，但加入202040% 40% DOPDOP（邻苯二甲酸二辛酯）之后，（邻苯二甲酸二辛酯）之后，TgTg可降至可降至-30-30，室温下呈高弹态。，室温下呈高弹态。(7)(7)增塑剂或稀释剂的影响增塑剂或稀释剂的影响(8)(8)共聚的共聚的影响（内增塑）影响（内增塑）共聚：共聚物的共聚：共聚物的TgTg通常是介于均聚物的通常是介于均聚物的TgTg 之间，并与之间，并与共聚方法共聚方法共聚单体性质共聚单体性质单体的配比单体的配比有关。有关。1ABABWWTgTgTg无规共聚物无规共聚物TgTg与单体组分的关系：与单体组分的关系： 分别为共聚物分别为共聚物A,

22、B A,B 的质量分数的质量分数 分别为均聚物分别为均聚物A,BA,B的的Tg Tg ,WWBA,TgTgBA例如：苯乙烯例如：苯乙烯( (聚苯乙烯的聚苯乙烯的 Tg Tg 100)100)与丁二烯共聚后，由于在主链中与丁二烯共聚后，由于在主链中引入了柔性较大的丁二烯链，所以引入了柔性较大的丁二烯链，所以 Tg 下降。如果由于与第二组分共聚而下降。如果由于与第二组分共聚而使使TgTg下降，称之为下降，称之为“内增塑作用内增塑作用”因此可以通过共聚来调节因此可以通过共聚来调节T Tg g第二章第二章高分子材料的力学性能高分子材料的力学性能 高分子材料具有所有已知材料中高分子材料具有所有已知材料中

23、可变性范围最宽可变性范围最宽的力学性质的力学性质，包括从液体、软橡胶态到刚性固体。然，包括从液体、软橡胶态到刚性固体。然而，与金属材料相比，而，与金属材料相比，高分子材料对温度和时间的依高分子材料对温度和时间的依赖型要强烈得多赖型要强烈得多，表现为高分子材料的粘弹性。高分，表现为高分子材料的粘弹性。高分子材料的这种力学行为显得复杂而有趣，为不同的应子材料的这种力学行为显得复杂而有趣，为不同的应用提供了广阔的选择余地。用提供了广阔的选择余地。微观结构不同微观结构不同微观结构相同而凝聚态结构不同微观结构相同而凝聚态结构不同微观结构和聚集态结构都相同微观结构和聚集态结构都相同可有不同的宏观物性可有不

24、同的宏观物性可有不同的宏观物性可有不同的宏观物性可有不同的宏观物性可有不同的宏观物性分分 子子 运运 动动 的的 不不 同同结构结构微观结构微观结构凝聚态结构凝聚态结构宏观物性宏观物性强度强度形变形变流动流动.分子运动分子运动分子运动与宏观物性分子运动与宏观物性39力学性能力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度：弹性、塑性、硬度、韧度、强度耐环境性能耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性：耐腐蚀性、老化、抗辐照性性能划分性能划分物理性能物理性能：热学、磁学、电学、光学：热学、磁学、电学、光学性能性能的划分的划分40力学性能：力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为材料在外

25、加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。力学性能表征力学性能表征材料软硬程度材料软硬程度变形能力变形能力弹性、塑性弹性、塑性材料脆性材料脆性硬度硬度韧性韧性材料抵抗外力能力材料抵抗外力能力强度强度4142力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力弹性弹性: :材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力 塑性塑性: :是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力强度

26、强度: :是材料对变形和断裂的抗力是材料对变形和断裂的抗力 寿命寿命: :是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效 的能力的能力失效：失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂，材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂，失去其预定的效能而损坏。失去其预定的效能而损坏。 常见的三大失效形式：常见的三大失效形式：磨损、腐蚀、断裂磨损、腐蚀、断裂 1. 玻璃态和结晶态玻璃态和结晶态聚合物（塑料）的聚合物（塑料）的力学性质力学性质 2. 高弹态聚合物的力学性质高弹态聚合物的力学性质 3. 聚合物的力学松弛粘弹性聚合物的力学松弛粘弹性

27、1 玻璃态玻璃态与结晶态聚合物的力学性质与结晶态聚合物的力学性质 一、一、 描述力学性质的基本物理量描述力学性质的基本物理量 1. 应力与应变应力与应变 （1）应力：）应力：单位面积上的附加内力，其值与单位面单位面积上的附加内力，其值与单位面积上所受的外力相等。积上所受的外力相等。 （2）应变：）应变：当材料受到外力时，其几何形状和尺寸当材料受到外力时，其几何形状和尺寸将发生变化，这种变化称为应变。将发生变化，这种变化称为应变。 1 玻璃态玻璃态与结晶态聚合物的力学性质与结晶态聚合物的力学性质根据材料受力的方式，将各向同性材料分为三类：根据材料受力的方式，将各向同性材料分为三类： a. 拉伸应

28、力和拉伸应变拉伸应力和拉伸应变 b. 剪切应力和剪切应变剪切应力和剪切应变 c. 围压力围压力和压缩应变和压缩应变 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 2. 弹性模量弹性模量 对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定对于理想的弹性固体，应力与应变关系服从虎克定律：律：弹性模量弹性模量= =应力应力/ /应变应变 上述三种类型的弹性模量相应地为：上述三种类型的弹性模量相应地为： （1）杨氏模量：杨氏模量：E=/ （2）剪切模量：剪切模量：G=s/ （3）体积模量：体积模量：B=PV0/V 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 3. 机

29、械强度机械强度 机械强度是材料力学性能的重要指标，它是指材机械强度是材料力学性能的重要指标，它是指材料抵抗外力破坏的能力。料抵抗外力破坏的能力。机械强度的测试是参照国际机械强度的测试是参照国际标准和本国标准进行。标准和本国标准进行。1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 二、二、 几种常用力学性能的指标几种常用力学性能的指标 1. 拉伸强度拉伸强度 拉伸强度是在规定的试验温度、湿度和试验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止。 拉伸强度拉伸强度=最大力最大力/（试样宽度（试样宽度试样厚度）试样厚度）mm1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶

30、态聚合物的力学性质 弯曲强度是在规定试验条件下，对标准试样施力。弯曲强度是在规定试验条件下，对标准试样施力。静弯曲力矩直到试样折断为止静弯曲力矩直到试样折断为止 。 2. 弯曲强度（挠曲强度）弯曲强度（挠曲强度） 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 冲击强度是衡量材料冲击强度是衡量材料韧性韧性的一种强度指标，表征材料抵的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。通常抗冲击载荷破坏的能力。通常定义为试样受冲击载荷而折断定义为试样受冲击载荷而折断时单位载面积所吸收的能量。时单位载面积所吸收的能量。 3. 冲击强度冲击强度 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与

31、结晶态聚合物的力学性质 硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力的一种指标。常见的硬度有指标。常见的硬度有布氏、洛氏、和邵氏布氏、洛氏、和邵氏等名称，通等名称，通常布氏硬度最为常见。常布氏硬度最为常见。 4. 硬度硬度 三、三、 屈服现象屈服现象 1. 应力与应变曲线应力与应变曲线 玻璃态和结晶态高聚物的应力玻璃态和结晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1） B点以前是弹性部分，点以前是弹性部分，应力与应变成正比应力与应变成正比

32、，去，去除应力，材料可恢复原样，不产生永久形变，由直线除应力，材料可恢复原样，不产生永久形变，由直线的斜率可求出材料的弹性模量。的斜率可求出材料的弹性模量。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2） B点以后，材料呈现塑性行为，去除应力，材点以后，材料呈现塑性行为，去除应力，材料无法复原，留有永久形变。料无法复原，留有永久形变。B点为屈服点点为屈服点，对应的，对应的应力称为应力称为屈服应力或屈服强度屈服应力或屈服强度。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 屈服点之后，屈服点之后，应力有所下降应力有所下降，在较小的负荷下即可产生形，在

33、较小的负荷下即可产生形变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大变，称为应变软化。之后应力几乎不变的情况下应变有很大程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。程度的增加，最后应力又随应变迅速增加，直到材料断裂。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 四、四、几类高聚物的拉伸行为几类高聚物的拉伸行为 1. 玻璃态高聚物的拉伸玻璃态高聚物的拉伸 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1）当当TTg是，应力与应变成正比，最后应变是，应力与应变成正比，最后应变不到不到10%就发生断裂的（就发生断裂的（曲线曲线），称为），称为

34、脆性断裂脆性断裂。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）当温度稍升高些，但仍在当温度稍升高些，但仍在Tg以下，以下，曲线曲线上出现了一上出现了一个屈服点个屈服点B，过了，过了B点，应力反而下降，试样应变增大，继续拉点，应力反而下降，试样应变增大，继续拉伸，试样将发生断裂，总的应变不超过伸，试样将发生断裂，总的应变不超过20%，称为，称为韧性断裂。韧性断裂。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （3）当温度升高到当温度升高到Tg以下几十度范围内，如以下几十度范围内，如曲线曲线，过，过了屈服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到了屈

35、服点后，应力先降后升，应变增大很多，直到C点断裂，点断裂，C点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率点的应力称为断裂应力，对应的应变称为断裂伸长率。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （4）当温度升至当温度升至Tg以上，试样进入高弹态，在应力不大以上，试样进入高弹态，在应力不大时，就可发生高弹形变，如时，就可发生高弹形变，如曲线曲线，无屈服点，而呈现一段，无屈服点，而呈现一段较长的平台，直到试样断裂前，曲线又出现急剧的上升。较长的平台，直到试样断裂前，曲线又出现急剧的上升。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 2. 结晶态高聚

36、物的拉伸结晶态高聚物的拉伸 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1）应力随应变线性增加，试样被均匀的拉长，应力随应变线性增加，试样被均匀的拉长，伸长率可达百分之几到十几。伸长率可达百分之几到十几。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）到到B点后，被拉伸的试样出现一个或几个点后，被拉伸的试样出现一个或几个“细颈细颈”，细颈部长不断扩展，直到整个试样完全细变为止，在这个细颈部长不断扩展，直到整个试样完全细变为止，在这个阶段，应力变化不大，而应变增加幅度很大。阶段，应力变化不大，而应变增加幅度很大。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性

37、质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （3）变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂变为细颈的试样重新被均匀拉伸，直到出现断裂 。1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质比较玻璃态高聚物的拉伸与结晶态高聚物的拉伸相同点与区别比较玻璃态高聚物的拉伸与结晶态高聚物的拉伸相同点与区别 （1） 相同点：相同点：两种拉伸过程都经历弹性变形，屈两种拉伸过程都经历弹性变形，屈服（服（“成成颈颈”），发展大形变，应变硬化。断裂前的大），发展大形变，应变硬化。断裂前的大形变在室温时都不能自发恢复，加热后才能恢复原状态。形变在室温时都不能自发恢复，加热后才能恢复原状态。 1 玻璃态与结晶态聚

38、合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2） 不同点不同点： 冷拉温度范围不同冷拉温度范围不同a. 玻璃态高聚物拉伸温度区间是：玻璃态高聚物拉伸温度区间是：TbTgb. 结晶态高聚物拉伸温度区间是：结晶态高聚物拉伸温度区间是：TgTm1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 本质差别本质差别 a. 玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变玻璃态高聚物只发生分子链的取向，不发生相变 b. 结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。结晶态高聚物发生结晶的破坏，取向，再结晶。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 五、五、高聚物的强度与破

39、坏高聚物的强度与破坏 1. 脆性断裂与韧性断裂脆性断裂与韧性断裂 （1） 应力应力- -应变曲线：应变曲线：如果材料只发生普弹形变，在如果材料只发生普弹形变，在屈服之前就发生断裂，则这种断裂为脆性断裂；如果材屈服之前就发生断裂，则这种断裂为脆性断裂；如果材料发生屈服或高弹形变后才断裂，则为料发生屈服或高弹形变后才断裂，则为韧性断裂韧性断裂。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2）断裂能量）断裂能量 ：以冲击强度为以冲击强度为2KJ/M2作为临界指标。作为临界指标。一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大一般刻痕试样的冲击强度小于这一数值为脆性断裂，大于

40、这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，于这一数值时为韧性断裂。但这一指标并不是绝对的，例如玻璃纤维增强的聚酯塑料例如玻璃纤维增强的聚酯塑料，甚至在脆性破坏时也有，甚至在脆性破坏时也有很高的冲击强度。很高的冲击强度。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 2. 高聚物的理论强度高聚物的理论强度 从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子从分子结构的角度来看，高聚物的断裂要破坏分子内的化学键，分子间的范德华力与氢键。内的化学键，分子间的范德华力与氢键。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结

41、晶态聚合物的力学性质 3. 影响聚合物实际强度的因素影响聚合物实际强度的因素 影响聚合物实际强度的因素是比较多，也比较复影响聚合物实际强度的因素是比较多，也比较复杂，杂，但总的来说可分为两类：但总的来说可分为两类： 1. 与材料本身有关：与材料本身有关：聚合物的结构、分子量及其分布、支聚合物的结构、分子量及其分布、支化与交联、结晶与取向、增塑与共混等；化与交联、结晶与取向、增塑与共混等； 2. 与外界条件有关：与外界条件有关：温度与湿度、氧化与老化、光照等；温度与湿度、氧化与老化、光照等；1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （1） 高聚物的结构高聚物的结构 极性聚

42、合物比非极性聚合物有更大的分子间作用力，极性聚合物比非极性聚合物有更大的分子间作用力，因此在高分子链上引入极性基团将使材料的强度提高。因此在高分子链上引入极性基团将使材料的强度提高。 （a）极性和氢键极性和氢键1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 例如：例如：PE的拉伸强度的拉伸强度15-16MPa，而，而PVC的拉伸强的拉伸强度为度为50MPa。但是，从材料的韧性考虑，如果极性基。但是，从材料的韧性考虑，如果极性基团过密或取代基体积过大，不利于分子运动，虽然能团过密或取代基体积过大，不利于分子运动，虽然能使强度增大，但可能导致材料变脆。使强度增大，但可能导致材料变

43、脆。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 在高分子主链或侧基上引入刚性基团，将使材料在高分子主链或侧基上引入刚性基团，将使材料的模量升高，因此这类材料通常有较高的拉伸与弯曲的模量升高，因此这类材料通常有较高的拉伸与弯曲强度，但冲击强度有所下降。强度，但冲击强度有所下降。 （b）链的刚性链的刚性 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 随着支化度的增加，使分子间距增加，分子间作用随着支化度的增加，使分子间距增加，分子间作用力下降，因此材料的拉伸强度下降，但冲击强度增加。力下降，因此材料的拉伸强度下降，但冲击强度增加。 （3）支化支化 1 玻

44、璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 适度的交联可有效增加分子链间的联系，使分子适度的交联可有效增加分子链间的联系，使分子不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发不易发生相对滑移。随着交联度的增加，往往不易发生大的形变，强度增大。例如：生大的形变，强度增大。例如：PE交联后，拉伸强度交联后，拉伸强度可提高一倍，冲击强度可提高可提高一倍，冲击强度可提高3-4倍。倍。 （4）交联交联 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分分子量低时，拉伸强度和冲击强度都低，随着分子量的增加，二者都会提高。但当分子量超

45、过一定的子量的增加，二者都会提高。但当分子量超过一定的数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继数值后，拉伸强度的变化就不大了，而冲击强度则继续增大。续增大。 （5）分子量分子量 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 随着结晶度的增加，拉伸强度也会增加，但如果随着结晶度的增加，拉伸强度也会增加，但如果结晶度过大，就会使冲击强度下降，导致材料变脆。结晶度过大，就会使冲击强度下降，导致材料变脆。 （5）结晶与取向结晶与取向 取向可使材料的强度大幅度提高，在取向可使材料的强度大幅度提高，在合成纤维、合成纤维、薄膜、板材薄膜、板材的生产中，常利用取向来提高强度。的生产中

46、，常利用取向来提高强度。1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （2） 材料缺陷材料缺陷 一般认为高分子材料的实际强度与理论强度的巨一般认为高分子材料的实际强度与理论强度的巨大差距主要起因于大差距主要起因于材料内部的应力分布不均匀材料内部的应力分布不均匀，在材，在材料的缺陷部分的应力要远远超过应力的平均值，造成料的缺陷部分的应力要远远超过应力的平均值，造成应力集中现象应力集中现象。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 缺陷就是应力集中物，如缺陷就是应力集中物，如裂缝，空隙，银纹，缺裂缝，空隙，银纹，缺口，杂质口，杂质等。材料的破坏就是从这

47、些弱点开始。各种等。材料的破坏就是从这些弱点开始。各种材料缺陷存在在聚合物成型加工中是相当普通。材料缺陷存在在聚合物成型加工中是相当普通。1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 （3） 添加剂添加剂 增塑剂的加入对聚合物起了稀释作用，使分子间增塑剂的加入对聚合物起了稀释作用，使分子间相互作用力减弱，因而会使材料的相互作用力减弱，因而会使材料的拉伸强度下降，冲拉伸强度下降，冲击强度提高。击强度提高。 （a） 增塑剂增塑剂 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 固体填料和聚合物是不相容的，因此在聚合物中固体填料和聚合物是不相容的，因此在聚合物中

48、加入填料将形成多相复合材料。加入填料的目的是：加入填料将形成多相复合材料。加入填料的目的是： （2）填料（粉状、纤维状）填料（粉状、纤维状） 通过加入廉价填料以降低成本，这类填料一般只起通过加入廉价填料以降低成本，这类填料一般只起稀释作用，称为惰性填料，它将使材料的强度降低。稀释作用，称为惰性填料，它将使材料的强度降低。 1 玻璃态与结晶态聚合物的力学性质玻璃态与结晶态聚合物的力学性质 提高材料的强度，这类填料称为活性填料，这时不把提高材料的强度，这类填料称为活性填料，这时不把降低成本作为追求目标。复合材料的强度同填料本身的降低成本作为追求目标。复合材料的强度同填料本身的强度有关，也与填料与聚

49、合物的亲和程度有关。强度有关，也与填料与聚合物的亲和程度有关。 塑料的一般检测项目 1拉伸性能：包括拉伸强度，最大力，拉伸性能：包括拉伸强度，最大力，断裂伸长率等标准常见检测项目断裂伸长率等标准常见检测项目2冲击强度冲击强度3熔体流动速率熔体流动速率4维卡软化温度维卡软化温度5. 灰分灰分6. 硬度：包括邵氏硬度：包括邵氏A和邵氏和邵氏D7. 老化试验老化试验8. 膨胀性能膨胀性能 试样试样准备和试验方法：准备和试验方法：GB/T 1040-2006 GB/T 1040-2006 塑料，拉伸性能的测定塑料，拉伸性能的测定GB/T 3682-2000 GB/T 3682-2000 热塑性塑料熔体

50、质量流动速率热塑性塑料熔体质量流动速率GB/T 1633-2000 GB/T 1633-2000 热塑性塑料维卡软化温度（热塑性塑料维卡软化温度（VST)VST)的测定的测定GB/T 2411-2008 GB/T 2411-2008 塑料盒硬橡胶塑料盒硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏）使用硬度计测定压痕硬度（邵氏）GB/T 1842-2008 GB/T 1842-2008 塑料塑料 悬臂梁冲击强度的测定悬臂梁冲击强度的测定其它每种塑料单独的标准等等。其它每种塑料单独的标准等等。注塑机注塑机开炼机开炼机压片机压片机制样机制样机一，拉伸性能一，拉伸性能 高分子聚合物具有所有已知材料中可变性范围

51、最宽的力学性质，高分子聚合物具有所有已知材料中可变性范围最宽的力学性质，这是由于高聚物由长链分子组成，分子运动具有明显的松弛特这是由于高聚物由长链分子组成，分子运动具有明显的松弛特性的缘故。如高聚物材料具有相当高的伸长率，一般性的缘故。如高聚物材料具有相当高的伸长率，一般PEPE的断裂的断裂伸长率在伸长率在9090950950（其中线性低密度聚乙烯（其中线性低密度聚乙烯LLDPELLDPE的伸长率的伸长率较高），通过特殊的制作工艺，部分材料的伸长率可在较高），通过特殊的制作工艺，部分材料的伸长率可在10001000之上，而普通高聚物材料的断裂伸长率也多在之上，而普通高聚物材料的断裂伸长率也多在

52、5050100100之之间。通常对材料的拉伸性能要求较高的有热收缩膜以及拉伸膜间。通常对材料的拉伸性能要求较高的有热收缩膜以及拉伸膜等。等。 拉伸试验一般是将材料试样两端分别夹在两个间隔一定拉伸试验一般是将材料试样两端分别夹在两个间隔一定距离的夹具上，两夹具以一定的速度分离并拉伸试样，距离的夹具上，两夹具以一定的速度分离并拉伸试样，测定试样上的应力变化，直到试样破坏为止。测定试样上的应力变化，直到试样破坏为止。拉伸强度拉伸强度=最大力最大力/（试样宽度（试样宽度试样厚度）试样厚度）mm实验数据分析实验数据分析拉伸的实验数据可以反映材料的弹性，韧性，强度，拉伸的实验数据可以反映材料的弹性，韧性，

53、强度，延展性等力学性能延展性等力学性能材料名称材料名称拉伸强度拉伸强度断裂力断裂力最大力最大力断裂伸长率断裂伸长率PVC3302PVC33025555699699222722272020PPPP3030650650123912392222LDPELDPE1010384384101101HDPEHDPE2222178178888888292292PAPA45451730173018501850620620透明透明ABSABS404011761176159415943333普通普通ABSABS4646728728181018106 6PSPS484810911091159215924 4PCPC5

54、555226022601313二，冲击强度二，冲击强度 高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断高分子材料抗冲击强度是指标准试样受高速冲击作用断裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。裂时，单位断面面积（或单位缺口长度）所消耗的能量。它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能它描述了高分子材料在高速冲击作用下抵抗冲击破坏的能力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料力和材料的抗冲击韧性，有重要工艺意义。但它不是材料基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。基本常数，其量值与实验方法和实验条件有关。 冲击实验时，有时在试样上预置缺口，有时不加缺口。冲击实验时，有

55、时在试样上预置缺口，有时不加缺口。有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺有缺口试样的抗冲强度远小于无缺口试样，原因在于有缺口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂口试样已存在表观裂纹，冲击破坏吸收的能量主要用于裂纹扩展。纹扩展。 另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局另外缺口本身有应力集中效应，缺口附近的高应力使局部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧部材料变形增大，变形速率加快，材料发生韧- -脆转变，加脆转变，加速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此速破坏。缺口曲率半径越小，应力集中效应越显著，因此预置缺口必须按标准严格操作。预置缺口必须按标准

56、严格操作。冲击试验机冲击试验机缺口制样机缺口制样机冲击弹性试验仪冲击弹性试验仪材料名称材料名称冲击强度冲击强度PPPP8 8PSPS1616ASAS2121ABSABS2222PCPC三，熔体流动速率三，熔体流动速率熔体流动速率是表述塑料在一定温度和压力下熔体流动性的参数熔体流动速率是表述塑料在一定温度和压力下熔体流动性的参数(MFR)(MFR)，也指熔融指数（，也指熔融指数（MIMI，melt indexmelt index），是指在一定时间（），是指在一定时间（1010分钟）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）下，融化成塑分钟）内、一定温度及压力（各种材料标准不同）下，融化成塑料流体，然

57、后通过一直径为料流体，然后通过一直径为2.1mm2.1mm圆管所流出的克（圆管所流出的克（g g）数。其值）数。其值越大，则表示塑料熔融状态下流动性好，平均分子量低，制品的越大，则表示塑料熔融状态下流动性好，平均分子量低，制品的强度也就低，加工流动性就越好；熔体流动速率小，则表示塑料强度也就低，加工流动性就越好；熔体流动速率小，则表示塑料熔融状态下流动性差，平均分子量高，制品的强度也就高。熔融状态下流动性差，平均分子量高，制品的强度也就高。 除了熔体质量流动速率（除了熔体质量流动速率（MFRMFR），还可以用熔体体积流动速率），还可以用熔体体积流动速率（MVRMVR）来进行测定。）来进行测定。

58、熔体流动速率仪熔体流动速率仪材料名材料名称称数据数据PAPA3232PPPP6 6PSPS2 2ASAS2828ABSABS1414PCPC7 7四，维卡软化温度四，维卡软化温度 维卡软化温度（维卡软化温度（Vicat Softening TemperatureVicat Softening Temperature）是将热塑）是将热塑性塑料放于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升性塑料放于液体传热介质中，在一定的负荷和一定的等速升温条件下，试样被温条件下，试样被1 1平方毫米的压针头压入平方毫米的压针头压入1 1毫米时的温度，毫米时的温度，对应的国标是对应的国标是GB1633-79GB1

59、633-79（目前已被（目前已被GB/T 1633-2000GB/T 1633-2000所代所代替）替）; ;维卡软化温度是评价材料耐热性能，反映制品在受热维卡软化温度是评价材料耐热性能，反映制品在受热条件下物理力学性能的指标之一。材料的维卡软化温度虽条件下物理力学性能的指标之一。材料的维卡软化温度虽不不能直接用于评价材料的实际使用温度，但可以用来指导材料能直接用于评价材料的实际使用温度，但可以用来指导材料的质量控制。维卡软化温度越高，表明材料受热时的尺寸稳的质量控制。维卡软化温度越高，表明材料受热时的尺寸稳定性越好，热变形越小，即耐热变形能力越好，刚性越大，定性越好，热变形越小，即耐热变形能

60、力越好，刚性越大，模量越高模量越高 。维卡软化温度测试仪维卡软化温度测试仪材料名材料名称称数据数据PAPA101101PPPP101101PSPS102102ASAS112112ABSABS104104PCPC100100五，灰分五，灰分 灰分是指一种物质中的固体无机物的含量。可以是包含有机物灰分是指一种物质中的固体无机物的含量。可以是包含有机物的无机物也可是不含有机物的无机物，可以是锻烧后的残留物的无机物也可是不含有机物的无机物，可以是锻烧后的残留物也可以是烘干后的剩余物。但灰分一定是某种物质中的固体部也可以是烘干后的剩余物。但灰分一定是某种物质中的固体部分而不是气体或液体部分。分而不是气体