5-高聚物的弹性和力学松弛.pptVIP

第五节 高聚物的弹性和力学松弛现象 高聚物的力学性能 高聚物的力学性能通常可分为形变性能（正常使用）和断裂性能（破坏）两类。 一、 应力与应变 应变 当材料受到外力作用而所处的条件不能使其产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸所发生的变化。 附加内力 材料发生宏观变形时，其内部分子间及分子内各原子间的相对位置和距离就发生变化，使原子间或分子间原有的引力平衡受到破坏，因而产生一种恢复平衡的力。这种力简称为附加内力。 应力 平衡时，附加内力和外力相等，方向相反，单位面积上的附加内力（外力）称为应力。 1.1 应力与应变的类型 拉伸 在简单拉伸的情况下，材料受到的外力是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用在同一直线上的两个力。 拉伸（张）应力σ：试样单位面积上承受的拉力。 拉伸（张）应变ε：试样拉伸时所产生的应变。 剪切 在简单剪切的情况下，试样受到的是平行于截面、大小相等而方向相反但不作用在同一直线上的两个力。 剪切应力τ—单位剪切面上承受的剪切力。 切应变? —在剪切力作用下，试样将发生偏斜，所产生的应变称为切应变。 压缩 围压应力P 试样单位面积上受到的围压力。 均匀压缩应变Δ 试样受到均匀压缩时单位体积的体积减小。 二、 弹性的基本概念 弹性 物体抵抗外力变形，并在外力消除后恢复原状的能力。 实际材料存在两种弹性：普弹性、高弹性。 2.1 普弹形变及弹性模量 普弹性 大应力作用下材料分子中键长键角变化引起的小形变，形变瞬时完成，除去外力后， 形变立即恢复的特性。 所产生的形变称为普弹形变。 普弹性一般存在于陶瓷、金属及玻璃态或结晶态高聚物产生小形变过程中。 普弹形变引起物质的内能发生改变，所以普弹性又称为能弹性。 弹性模量 弹性模量 发生单位应变所需要的应力，表征材料抵抗变形能力的大小 。 根据受力方式方式不同可分为 拉伸模量：E=σ/ε 剪切模量：G=τ/γ 压缩模量：B=p /Δ 三种模量之间的关系 2.2 高弹性 高弹性 小应力作用下由于高分子链段运动而产生很大的可逆形变的性质。 所产生的形变称为高弹形变。 一般非晶态高聚物处于高弹态时具有这种弹性。 高弹性是由熵变引起的，因此高弹性又称为熵弹性。 高弹性的特点 三、高聚物的粘弹性 材料的粘、弹性基本概念 理想的弹性固体 服从虎克定律—形变对时间不存在依赖性。 理想的粘性液体 服从牛顿定律——形变与时间成线性关系。 高聚物的形变 高聚物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间。 三、高聚物的粘弹性 粘弹性 高聚物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，这种性能称为粘弹性。 粘弹性的表现 外力作用下，高聚物材料的形变性质兼具固体的弹性和液体粘性的特征，其表现为力学松弛现象。 四、高聚物的力学松弛现象 4.1 静态力学松弛 4.1.2 蠕变 线形高聚物蠕变-回复曲线 线形和交联聚合物的蠕变-回复全过程 4.1.3 影响静态力学松弛的因素 蠕变和应力松弛的根本原因 外力作用下，高分子链自身产生的缓慢构象重排和分子链滑移。 影响因素 分子结构 分子链的柔顺性：高，应力松弛速度快，抗蠕变性差； 分子间作用力：高，应力松弛速度慢，抗蠕变性好； 交联或结晶：应力松弛速度慢，抗蠕变能力好。 温度 只有当温度在Tg附近几十度的范围内，链段在外力作用下可以运动，但运动时受到的内摩擦阻力较大，链段只能缓慢地改变其构象，应力松弛及蠕变现象才比较明显。（橡胶低温塑炼） 外力作用速度 只有在外力作用时间基本接近或等于应力松弛时间，方可观察到明显的应力松弛现象。（橡胶高温快速密炼） 4.2 动态力学松弛 产生滞后的原因 4.2.2 内耗 内耗（力学损耗）： 聚合物在交变应力作用下，产生滞后现象，使机械能转变为热能的现象。 力学损耗的大小通常用tgδ来表示，称为损耗角正切或阻尼因子。 4.2.3 影响动态力学松弛的因素 分子链的结构 对于柔性的高分子，一般是分子的极性越高，取代基数目越多，取代基体积越大，则分子间相互作用力越大，分子运动时受到的内摩擦阻力越大，则内耗就越大。 内耗大小：BR＜ NR＜ SBR＜ NBR ＜IIR 刚性链分子的滞后一般比柔性链分子的轻，在同样的力场中变形小，因此内耗低。 温度 温度很低，分子运动很弱，形变小，磨擦消耗的能量少，内耗低 温度很高，分子运动快，应变能跟上应力变化，从而?小，内耗低。 温度适中（Tg附近）时，分子可以运动但跟不上应力变化，?增大，内耗大 频率 频率很快，分子运动跟不上应力的交换频率，磨察消耗的能量小，内耗小。 频率很慢，分子运动时间很充分，应变跟上应力的变化， ?小，内耗小