第八章 聚合物的力学性能

二、应力松弛定义：指在温度恒定、形变保持不变的情况下，聚合

物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象聚合物的应力松弛曲线：σσ0O

交联高聚物线性高聚物t

产生的原因：聚合物被拉长时，高分子构象处于不平

衡状态，会通过链段沿外力方向的运动来减少或

消除内部应力，以逐渐过度到平衡态构象与温度的关系：应力松弛通过分子运动来实现；在玻璃化温度以上(如常温橡胶)链段运动受到的摩擦阻力很小，应力松弛很快，几乎观察不到；温度

比玻璃化温度低很多(如常温下的塑料)，链段受到的引力很大，应力松弛极慢，也很不容易观察到实验证明：只有在玻璃态向高弹态过渡的区域内，应力松弛最明显三、滞后现象定义：高分子材料在交变应力作用下，形变落后于应力的现象橡胶轮胎应力和应变随时间的变化曲线，如图原因：高分子材料也是一个松弛过程影响因素：1.)化学结构；2.)外力作用频率、温度等滞后现象，如图对聚合物性能的影响：1.)如果使用的聚合物发生了滞后现象，则在每一个循环中都要消耗功－力学损耗；这种消耗功转变成热能释放出来，会导致聚合物本身的温度升高，从而影响材料的使用寿命；2.)在交变应力作用下，滞后产生的内耗可从聚合物材

料的拉伸和回缩的应力－应变曲线进行理解橡胶拉伸－回缩和拉伸－压缩循环应力－应变曲线表征滞后现象参数：储存模量、损耗模量(或复数模量)损耗角正切四、粘弹性力学模型理想模型：理想弹簧和理想粘壶理想弹簧：代表符合虎克定律的理想固体理想粘壶：代表符合牛顿定律的理想粘性液体1、麦克斯韦模型结构：由一个弹黄与一个粘壶串联而成，如图麦克斯韦模型运动方程：意义：能十分有效地描述应力松弛过程应力松弛过程总形变恒定，有：t=0－τ，有：2、伏伊特模型结构：由一个理想弹黄与一个理想粘壶并联而成，如图

σ1σ

Eησ2伏伊特模型方程：伏伊特蠕变曲线：应用：可用来模拟交联聚合物的蠕变过程缺陷：麦克斯韦模型只能模拟应力松弛过程，而不能说明蠕变现象；伏伊持模型只能说明交联聚合物的蠕变，不能模拟应力松弛现象3、四参数模型四参数模型，如图：四参数模型方程：五、时标外力作用于粘弹性的高分子材料时，发生的形变由普弹形变、高弹形变、粘性形变组成；蠕变过程中形变是时间的函数；应力松弛过程中，应力是时间的函数；故蠕变柔量和松弛模量都是时间的函数蠕变柔量随时间的变化曲线：玻璃态转变区橡胶态10-9m2/N10-5m2/Nlgt松弛模量随时间的变化曲线：lg(t)109m2/N105m2/N玻璃态转变区橡胶态六、时温等效原理高分子运动具有松弛特性，并反映粘弹性行为显著的依时性和依温性特征温度和时间对聚合物粘弹性的影响具有等效性；对于同一力学松弛可在较高温度下、较短的时间内观察到，也可在较低的温度、较长的时间内观察到；这表明，升高温度和增加观察时间是等效的原理：对于非晶态聚合物，时间和温度是等效的，其等效可以借助于位移因子ɑT来实现，通过ɑT可将某一温度下测得的力学性质转换成另一温度下的力学性能－时温等效原理位移因子：aT＝τ/τ0WLF方程：聚异丁烯应力松弛叠合曲线，如图七、粘弹性实验测定第四节聚合物的力学强度定义:指聚合物在外力作用下，抵抗形变和破坏的能力拉伸强度(Pa)＝破坏负荷(N)/(试样的宽度×厚度(m2))

*聚合物在大外力作用下会产生不同的应力－应变行为，只有当高弹态的橡胶在很低温度下和玻璃态高聚物在一定温度范围内，在不同单轴拉伸时所得的应力-应变曲线：聚合物的典型拉伸应力-应变曲线要求：必须掌握该曲线各段的含义，读懂该曲线并应用各段的含义：1、OL段－直线段特点：符合虎克定律，可以获得杨氏模量；高模量，小形变的普弹行为若材料在此情况下断裂，属于脆性断裂，断裂时的伸长率称为断裂伸长率，直线下方的面积表示脆性断裂所需要的能量2、A点－屈服点

A点所对应的应力为屈服应力，所对应的应变为屈服应变；在A点以后发生的断裂称为韧性断裂3、ABC段－出现高弹形变

BC段－应变软化，出现较大的形变，且出现材料继续形变所需的应力稍有降低；因为聚合物分子的构象发生了变化4、CD段－应力硬化继续拉伸时，形变所需要的应力增加；因为高度拉伸时发生了结晶化或在拉伸方向分子链发生了取向，在拉伸方向的强度提高5、D点－断裂

D点所对应的应力称为断裂应力，所对应的应变称为断裂伸长率在试样拉伸过程中，屈服点前，形变可逆，为弹性形变；在屈服点以后，形变是不可逆的塑性形变根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将非晶态聚合物的应力-应变曲线分为六类：1.)材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，受力呈脆性断裂，冲击强度较差;es1.)材料硬而脆2.)材料硬而强eses3.)材料强而韧2.)材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应变，在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度；3.)材料强而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大，材料受力时，属韧性断裂；以上三种聚合物由于强度较大，适于用做工程塑料4.)材料软而韧：模量低，屈服强度低，断裂伸长率大，断裂强度较高，可用于要求形变较大的材料;es4.)材料软而韧5.)材料软而弱：模量低，屈服强度低，中等断裂伸长率。如未硫化的天然橡胶es5.)材料软而弱6.)材料弱而脆：一般为低聚物，不能直接用做材料es6.)材料弱而脆注：强与弱从sb比较；硬与软从E（s/e）比较；脆与韧则主要从断裂伸长率比较晶态聚合物的拉伸：晶态聚合物典型的应力-应变曲线，如图

未经拉伸的晶态聚合物中，其微晶排列是杂乱的，拉伸使得晶轴与外力方向不同的微晶熔化，分子链沿外力方向取向再重排结晶，使得取向在熔点以下不能复原，使得产生的形变也不能复原，但加热到熔点附近形变能复原，因此晶态聚合物的大形变本质上也属高弹性玻璃态和晶态聚合物的拉伸过程本质上都属高弹形变，但产生高弹形变的温度范围不同，在玻璃态聚合物中拉伸仅使分子链发生取向，而在晶态聚合物中拉伸伴随着聚集态的变化，包含结晶熔化、取向、再结晶八、聚合物强度的影响因素1、有利因素1.)聚合物自身的结构：主链引入芳杂环，可增加链的刚性，分子链易于取向，强度增加；适度交联，有利于提高强度；2.)结晶和取向：结晶和取向可使分子链规整排列，增加强度，但结晶度过高，可导致抗冲强度和断裂伸长率降低，使材料变脆；3.)共聚和共混：共聚和共混都可使聚合物综合两种以上均聚物的性