章聚合物力学性能华东理工考研网

第九章聚合物的力学性能1.概述2.高聚物的高弹性3.高聚物的力学松弛-粘弹性4.高聚物的力学强度弹性粘弹性非线性粘弹性线性粘弹性高弹性普弹性动态静态粘性Deformation形变性能ElasticityHighelasticityViscosityviscoelasticityLinearviscoelasticityStaticDynamicNon-Linearviscoelasticity应力松弛蠕变滞后力学损耗1.概述力学性能分类断裂性能韧性强度FractureToughnessStrength力学性能分类常用术语：力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变（响应）形变性能：非极限情况下的力学行为断裂性能：极限情况下的力学行为弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来表示，即：应力与应变成正比关系，应变与时间无关粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性）静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间的变化蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间的变化强度：材料所能承受的应力韧性：材料断裂时所吸收的能量表征材料力学性能的基本物理量受力方式简单拉伸简单剪切均匀压缩参数受力特点外力F是与截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直线上的两个力。外力F是与界面平行，大小相等，方向相反的两个力。材料受到的是围压力。θFFFF应变张应变：

真应变：切应变：是偏斜角压缩应变：应力张应力：真应力：切应力：压力P弹性模量杨氏模量：泊淞比：切变模量：体积模量：柔量拉伸柔量：切变柔量：可压缩度：机械强度常见塑料的拉伸和弯曲强度塑料名称拉伸强度（MPa）伸长率%拉伸模量（GPa）弯曲强度（MPa）弯曲模量（GPa）低压聚乙烯22～3960～1500.84～0.9525～401.1～1.4聚苯乙烯35.2～63.312～252.8～3.561.2～98.4ABS塑料16.9～63.310～1400.7～2.925.3～94.93.0有机玻璃49.2～77.32～103.291.4～119聚丙烯33.7～42.2200～7001.2～1.442.2～56.21.2～1.6聚氯乙烯35.2～63.320～402.5～4.270.3～112尼龙6683603.2～3.3100～1102.9～3.0尼龙674～781502.61002.4～2.6尼龙101052～55100～2501.6891.3聚甲醛62～6860～752.891～922.6聚碳酸酯6760～1002.2～2.498～1062.0～3.0聚砜72～8520～1002.5～2.9108～1272.81.2

高聚物力学性能的特点高弹性——高聚物特有

显示高弹性的温度范围(Tg~Tf)分子量↑温度范围(Tg~Tf)增宽(Tg~Tf)的范围决定了橡胶的使用温度范围1.2

高聚物力学性能的特点粘弹性—力学行为对温度和时间有强烈的依赖关系。

为高聚物独特的力学行为σ（应力）

ε（应变）在研究高聚物力学行为

T（温度）时必须同时考虑

t（时间）比强度特高

比强度—单位重量材料能承受的最大负荷

2.高聚物的高弹性2.1聚合物高弹性的特征T>Tg高聚物处于高弹性高聚物高弹性的特点：弹性模量E很小；形变ε很大；可逆弹性模量E随温度↑而↑弹性形变的过程是一个松弛过程即形变需要一定的时间形变过程具有明显的热效应，拉伸——放热；回缩——吸热（与金属材料相反）高聚物高弹性的分子机制弹性形变模量E小、形变ε很大、可逆*高弹形变——链段运动——构象发生变化拉伸——分子链构象从卷曲------伸展外力只需克服很小的构象改变能即能产生很大的形变。E小、ε大

*卷曲（热力学稳定）伸展（热力学不稳定）可逆高聚物高弹性的分子机制温度提高——高弹模量增大*温度↑分子热运动激烈对于可逆过程：弹性回缩的作用力即维持相同形变所需的作用力则T↑,高弹性模量E增大高聚物高弹性的分子机制松弛特性

链段运动单元比小分子大所以其运动受到的阻碍较大运动需要时间较长——松弛特性高弹形变的热效应

原因——高弹形变的本质——熵弹性拉伸-链段排列规整-熵减小-放热卷曲-链段排列不规整-熵增加-吸热2.2高弹性的高分子结构特征分子链的柔性分子间相互作用力分子间的交联结晶与结晶度聚合物的分子量3.高聚物的力学松弛—粘弹性3.1高聚物的线性粘弹性(1)概述

粘弹性是高聚物的重要特性之一

粘—粘性弹—弹性理想粘性体-没有固定形状，在外力作用下发生不可逆流动，形变随时间增加而增加；理想弹性体-有固定形状，在外力作用下发生形变，在除去外力时，完全回复起始形状。

(2)静态粘弹性蠕变：在较小的恒定外力作用下（拉伸、压缩等），材料的形变随时间逐渐增大的现象。应力松弛：在恒定形变下，材料的应力随时间逐渐衰减的现象。粘弹性——研究力学行为~时间的关系(2)静态粘弹性—应力松弛应力松弛：恒定形变下应力随时间衰减的现象应力松弛的分子运动机理外力作用链段运动构象改变构象熵减小沿外力方向伸展不稳定状态外力去除链段热运动回复应力松弛的分子运动机理时间足够长（松弛过程能充分完成）使不稳定态成为稳定态应力松弛(3)动态粘弹性

2.滞后现象(3)动态粘弹性

2.滞后现象产生原因：链段运动需要克服分子间的相互作用，因此需要一定的时间。愈大表示链段运动愈困难影响因素：

柔性链小

内因

分子结构

刚性链大

外因—

外力作用频率、环境温度等4.

高聚物的力学强度4.1高聚物的拉伸行为1应力应变曲线2玻璃态非晶高聚物的拉伸3结晶高聚物的拉伸1.应力σ～应变ε曲线

最常用于描述高聚物的力学性能

应力～应变曲线的形状取决于:化学组成,结构

化学结构分子量及其分布支化交联结晶及取向

物理结构晶区大小与形状加工形态

试验测试条件

温度、速率等典型的σ

～

ε曲线（1）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。（2）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。（3）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，但受力呈脆性断裂，冲击强度较差。（4）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（5）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。（3）-（5）三种聚合物由于强度较大，适于用做工程塑料。30图5

结晶聚合物的应力－应变曲线OA-普弹形变YN－屈服，缩颈（应变变大，应力下降）ND－强迫高弹形变（冷拉）DB-细颈化试样重新被均匀拉伸，应变随应力增加－应变硬化

晶态聚合物在单向拉伸时典型的应力-应变曲线如下图：NYDBAO应力应变物理参数：弹性模量E、屈服强度、屈服应变、断裂伸长率、断裂强度、拉伸韧性（断裂能）31T<Tb，硬玻璃态，脆性断裂--1Tb<T<Tg，软玻璃态，韧性断裂--2、3Tg<T<Tf，高弹态--4T>Tf，粘流态--5非晶聚合物在不同温度下的

-曲线如图8：一、温度的影响

12345非晶聚合物不同温度下的－曲线T2.玻璃态非晶高聚物的拉伸4.2高聚物的强度

当材料所受的外力超过材料的承受能力时，材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的最大应力。根据外力作用方式不同，主要有以下三种：厚度d宽度b

在规定试验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。PP

试样断裂前所受的最大负荷P与试样横截面积之比为抗张强度

t：

t=P/b•d（i）抗张强度衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。（ii）抗弯强度

也称挠曲强度或弯曲强度。抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施加一静止弯曲力矩，直至试样断裂。

设试验过程中最大的负荷为P，则抗弯强度

f为：

f=1.5Pl0/bd2Pdbl0/2l0/2抗弯强度测定试验示意图（iii）冲击强度（impactstength)（

i）冲击强度也称抗冲强度,定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。是衡量材料韧性的一种指标。测定时基本方法与抗弯强度测定相似，但其作用力是运动的，不是静止的。

试样断裂时吸收的能量等于断裂时冲击头所做的功W，因此冲击强度为：

i=

W/bd冲击强度测定试验示意图冲击头，以一定速度对试样实施冲击Pbl0/2l0/2d1.拉伸强度(1)高聚物的理论强度

化学键破坏

高聚物拉断分子间滑脱

次价力破坏<1>高聚物的理论强度高聚物破坏的过程

首先——在未取向部分的次价力(局部)

被破坏然后——由于应力集中使分子主链(局部)断裂最后——继续由于应力集中,出现宏观上的断裂1拉伸强度

<2>影响聚合物强度的因素高聚物分子结构的影响

*

增加分子链间的作用力可提高拉伸强度

*引入极性基团和形成氢键的基团σ聚酰胺(氢键)>聚氯乙烯(极性基团)>聚异丁烯

*刚性链的结构因素使σ和E均上升

<2>影响聚合物强度的因素结晶、取向和交联

◙

结晶使分子间排列紧密——

分子间作用力↑

∴σ↑

◙取向——分子链协同作用↑∴σ↑

◙适度交联使分子间作用力↑∴σ↑过度交联将使材料变脆弱<2>影响聚合物强度的因素

•分子量的影响

原因:分子链的链端对强度无贡献分子量越高端链所占比例越

少,强度越高极性聚合物(PA等)

分子量应达20000或以上非极性聚合物(PE等)

分子量应达50000或以上<2>影响聚合物强度的因素

•

共聚和共混

共聚和共混是改善力学性能的重要手段

脆性聚合物+韧性聚合物两相体系PS共混——HIP