高聚物力学性能测试

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1、第七章聚合物的热-力分析1作为材料使用时，总是要求高聚物具有必要的力学性能。高分子材料的一般力学性能指标可用常规测试的方法得到，如用电子拉力机可得到材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击等强度数据。本章讲述的是聚合物在程序受热的条件下的力学分析方法。主要介绍热机械曲线法、扭摆法、扭辫法、动态粘弹谱法及振簧法，前一种为静态力学方法，后四种为动态力学方法。2第一节高聚物材料的温度－形变（Distortion）曲线（T-D曲线）的测定一定的力学负荷下，高分子材料的形变量与温度的关系称为高聚物的温度－形变曲线（或称热

2、机械曲线，此称呼已成习惯，其实称“形变-温度曲线”更准确）。聚合物的T－D曲线（即热机械曲线ThermomechanicAnalysis，简称TMA）是研究聚合物力学性质对温度依赖关系的重要方法之一。、高聚物的温度－形变曲线聚合物的许多结构因素如化学结构、分子量、结晶性、交联、增塑、老化等都会在TMA曲线上有明显反映。在这种曲线的转变区域可以求出非晶态聚合物的玻璃化温度Tg和粘流温度Tf，以及结晶聚合物的熔融温度Tm，这些数据反映了材料的热机械特性，对确定使用温度范围和加工条件有实际意义。31.线型无定型

3、聚合物的温度-形变曲线线型无定型聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。典型无定型的温度-形变曲线如图所示，相应的模量-温度曲线同样用于反映分子运动（曲线形状正好倒置）。Tb指高聚物材料在受强外力作用时，从韧性断裂转变为脆性断裂时的温度。是塑料、纤维的最低使用温度。ABCDETbTgTfT/℃形变%A-玻璃态；B-过渡区；C-高弹态；D-过渡区；E-粘流态Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-粘流温度4曲线上有三个不同的力学状态和两个转变（简称三态两转变）玻璃态：链段运动被冻结，此时只有较小的

4、运动单元如链节、侧基等能运动，以及键长、键角的变化，因而此时的力学性质与小分子玻璃差不多，受力后形变很小（0.01～0.1％），且遵循虎克定律，外力除去立即恢复。这种形变称为普弹形变。玻璃化转变：在3～5℃范围内几乎所有物理性质都发生突变，链段此时开始能运动，这个转变温度称为玻璃化（转变）温度，记作Tg。高弹态：链段运动但整个分子链不产生移动。此时受较小的力就可发生很大的形变（100～1000％），外力除去后形变可完全恢复，称为高弹形变。高弹态是高分子所特有的力学状态。5粘流温度：链段沿作用力方向的协同运

5、动导致大分子的重心发生相对位移，聚合物呈现流动性，此转变温度称为粘流温度，记作Tf。粘流态：与小分子液体的流动相似，聚合物呈现粘性液体状，流动产生了不可逆变形。三种物理状态运动单元力学行为特征应用玻璃态Tb～Tg键长、键角、侧基形变小，并且形变可逆，属于普弹形变。结构类似玻璃，弹性模量大。塑料、纤维高弹态Tg～Tf链段形变大，形变可逆，弹性模量较小。橡胶粘流态Tf～Td链段、大分子链形变为不可逆，属于永久形变，无强度。流动取决于相对分子质量大小。成型加工、油漆、粘合剂62.交联聚合物的温度-形变曲线交联度

6、较小时，存在Tg，但Tf随交联度增加而逐渐消失。交联度较高时，Tg和Tf都不存在。73.晶态聚合物的温度-形变曲线一般分子量的晶态聚合物只有一个转变，即结晶的熔融，转变温度为熔点Tm。当结晶度不高（<40％）时，能观察到非晶态部分的玻璃化转变，即有Tg和Tm两个转变。分子量很大的晶态聚合物达到Tm后还不能流动，而是先进入高弹态，在升温到Tf后才会进入粘流态，于是有两个转变。84.增塑聚合物的温度-形变曲线加入增塑剂，一般使聚合物的Tg和Tf都降低，但对柔性链和刚性链作用有所不同。对柔性链聚合物，Tg降低不

7、多而Tf降低较多，高弹区缩小。对刚性链聚合物，Tg和Tf都显著降低，在增塑剂达一定浓度时，由于增塑剂分子与高分子基团间的相互作用，使刚性链变为柔性链，此时Tg显著降低而Tf降低不大，即扩大了高弹区，称“增弹作用”，这点对生产上极为有用（例如纯PVC只能作塑料，适当加入增塑剂后，可以作人造革、鞋、薄膜等）。9二、T-D曲线（热机械曲线）的测试关键参数：Tg、Tf，仪器：温度－形变仪自动温度-形变仪由主体炉、温度控制和测量系统、以及形变测量系统三个部分组成。温度控制采用调压器，温度测量则采用镍铬-镍铝（FU）

8、热电偶（置于样品近旁）。测量时，将一定的负荷（砝码3）施加于试样4上，等速升温，温度变化产生形变，使压杆2下移，差动变压器1将压杆的位移量转变成电信号，通过形变测量系统，输至记录仪。10三、热机械曲线测试结果示例热机械曲线的形状取决于聚合物的分子量、化学结构和聚集态结构、添加剂、受热史、形变史、升温速度、受力大小等诸多因素。升温速度快，Tg、Tf也会高些，应力大，Tf会降低，高弹态会不明显。因此实验时要根据所研究的对象要求，选