非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)課件

《高分子物理》課程團(tuán)隊(duì)：李彩虹余旺旺栗娟蘇珺《高分子物理》課程團(tuán)隊(duì)：知識(shí)點(diǎn)：非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài)——高聚物的力學(xué)性能隨溫度變化的特征狀態(tài)

溫度-形變曲線(xiàn)（熱機(jī)械曲線(xiàn)）：將一定尺寸的高聚物樣品在一定負(fù)荷作用下，以一定的速率升高溫度，測(cè)定樣品形變量與溫度之間關(guān)系的曲線(xiàn)。知識(shí)點(diǎn)：非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài)——高聚物的力學(xué)1.非晶態(tài)聚合物的溫度--形變曲線(xiàn)將一定尺寸的非晶態(tài)聚合物在一定外力作用下，一定速率升溫，同時(shí)測(cè)定樣品形變隨溫度的變化：A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域1.非晶態(tài)聚合物的溫度--形變曲線(xiàn)A玻璃態(tài)C粘2.非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)玻璃化溫度Tg;粘流溫度Tf;脆化溫度Tb;分解溫度Td2.非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)玻璃化溫度Tg;5

運(yùn)動(dòng)單元：溫度較低（T＜Tg），分子運(yùn)動(dòng)的能量很低，不能克服單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，鏈段被凍結(jié)，只有小運(yùn)動(dòng)單元（側(cè)基，鏈節(jié)，支鏈）能運(yùn)動(dòng)，因此不能實(shí)現(xiàn)構(gòu)象轉(zhuǎn)變。即鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間為無(wú)窮大，大大超過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)間范圍。因此此時(shí)受外力時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，只能使鏈的鍵長(zhǎng)鍵角發(fā)生微小的改變。

力學(xué)性能：受力后，形變?chǔ)藕苄?，模量E很高；形變與所受的力大小成正比σ=Eε（符合虎克定律）；當(dāng)外力除去后，形變立刻恢復(fù)（可逆普彈形變）。應(yīng)用：處于玻璃態(tài)的聚合物可作為塑料，如PS、PMMA、PVC等玻璃態(tài)5運(yùn)動(dòng)單元：溫度較低（T＜Tg），分子運(yùn)動(dòng)的能量很低，不A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變7

T增加，雖然整個(gè)分子的移動(dòng)不可能，但是當(dāng)T＝Tg時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的能量足以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)改變構(gòu)象，甚至可以使部分鏈段產(chǎn)生滑移。也就是說(shuō)當(dāng)溫度升高到某一溫度，鏈段運(yùn)動(dòng)的減少到與實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)間同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，我們便可以觀察到鏈段運(yùn)動(dòng)，聚合物便進(jìn)入了高彈態(tài)。

當(dāng)聚合物受到拉伸力時(shí)，分子鏈通過(guò)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段運(yùn)動(dòng)改變構(gòu)象從蜷曲狀態(tài)到伸展?fàn)顟B(tài)（宏觀上表現(xiàn)為很大的形變)，當(dāng)外力除去時(shí)，又回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)（宏觀上表現(xiàn)為彈性回縮），這種受力后形變很大而且又回復(fù)的力學(xué)性質(zhì)高彈性，它是非晶高聚物處在高彈態(tài)下特有的力學(xué)特征。高彈態(tài)蜷曲伸展7T增加，雖然整個(gè)分子的移動(dòng)不可能，但是當(dāng)T＝Tg時(shí)，分非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)課件A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變10

溫度繼續(xù)升高，不僅鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間變短了，而且整個(gè)分子鏈的移動(dòng)的松弛時(shí)間縮短到與我們實(shí)驗(yàn)觀察的時(shí)間同一個(gè)數(shù)量級(jí)，高聚物在外力作用下會(huì)發(fā)生粘性流動(dòng)，它是整個(gè)分子鏈發(fā)生滑移的宏觀表現(xiàn)。是不可逆的變形（外力去掉后形變不能恢復(fù)）粘流態(tài)10溫度繼續(xù)升高，不僅鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間變短了，而且整個(gè)分非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)課件A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變從相態(tài)角度而言，玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)均屬于液相，因?yàn)榉肿娱g相互排列均是無(wú)序的，它們之間的差別主要是形變能力不同——這是力學(xué)狀態(tài)的差別。因此上述三態(tài)的轉(zhuǎn)變均不是熱力學(xué)相變。Tg、Tf是力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，而非相變溫度。常溫下處于玻璃態(tài)的高聚物通常用作塑料常溫下處于高彈態(tài)的高聚物通常用作橡膠

粘流態(tài)是高聚物成型的最重要的狀態(tài)從相態(tài)角度而言，玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)均屬于液相，因?yàn)榉肿娱g

3.分子量對(duì)溫度-形變曲線(xiàn)的影響當(dāng)分子量很低時(shí)，整個(gè)分子鏈不夠一個(gè)鏈段長(zhǎng)度，運(yùn)動(dòng)單元只是整個(gè)分子，因而Tg與Tf重復(fù)，不出現(xiàn)高彈態(tài)，但隨M增大，Tg增大3.分子量對(duì)溫度-形變曲線(xiàn)的影響當(dāng)分子量很低時(shí)，整個(gè)分子鏈當(dāng)分子量增加到一定值，如圖中M3<M4<M5，就出現(xiàn)了第二運(yùn)動(dòng)單元-鏈段，此時(shí)曲線(xiàn)上Tg與Tf不再重合，出現(xiàn)高彈平臺(tái)，由于鏈段大小主要決定于分子鏈的柔順性和鄰近分子間的影響，與整個(gè)分子長(zhǎng)度關(guān)系不大，所以Tg不再隨分子量增加而改變。當(dāng)分子量增加到一定值，如圖中M3<M4<M5，就出現(xiàn)了第二運(yùn)但M增大，分子鏈長(zhǎng)增加，分子間作用力增大，內(nèi)摩擦阻力增大，分子相對(duì)滑移困難，而需在較高溫度下才能流動(dòng)，所以Tf隨M增大而升高。但M增大，分子鏈長(zhǎng)增加，分子間作用力增大，內(nèi)摩擦阻力增大，分THEEND感謝觀看！THEEND感謝觀看！

《高分子物理》課程團(tuán)隊(duì)：李彩虹余旺旺栗娟蘇珺《高分子物理》課程團(tuán)隊(duì)：知識(shí)點(diǎn)：非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài)——高聚物的力學(xué)性能隨溫度變化的特征狀態(tài)

溫度-形變曲線(xiàn)（熱機(jī)械曲線(xiàn)）：將一定尺寸的高聚物樣品在一定負(fù)荷作用下，以一定的速率升高溫度，測(cè)定樣品形變量與溫度之間關(guān)系的曲線(xiàn)。知識(shí)點(diǎn)：非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài)——高聚物的力學(xué)1.非晶態(tài)聚合物的溫度--形變曲線(xiàn)將一定尺寸的非晶態(tài)聚合物在一定外力作用下，一定速率升溫，同時(shí)測(cè)定樣品形變隨溫度的變化：A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域1.非晶態(tài)聚合物的溫度--形變曲線(xiàn)A玻璃態(tài)C粘2.非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)玻璃化溫度Tg;粘流溫度Tf;脆化溫度Tb;分解溫度Td2.非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)玻璃化溫度Tg;22

運(yùn)動(dòng)單元：溫度較低（T＜Tg），分子運(yùn)動(dòng)的能量很低，不能克服單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，鏈段被凍結(jié)，只有小運(yùn)動(dòng)單元（側(cè)基，鏈節(jié)，支鏈）能運(yùn)動(dòng)，因此不能實(shí)現(xiàn)構(gòu)象轉(zhuǎn)變。即鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間為無(wú)窮大，大大超過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)間范圍。因此此時(shí)受外力時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，只能使鏈的鍵長(zhǎng)鍵角發(fā)生微小的改變。

力學(xué)性能：受力后，形變?chǔ)藕苄。Ａ縀很高；形變與所受的力大小成正比σ=Eε（符合虎克定律）；當(dāng)外力除去后，形變立刻恢復(fù)（可逆普彈形變）。應(yīng)用：處于玻璃態(tài)的聚合物可作為塑料，如PS、PMMA、PVC等玻璃態(tài)5運(yùn)動(dòng)單元：溫度較低（T＜Tg），分子運(yùn)動(dòng)的能量很低，不A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變24

T增加，雖然整個(gè)分子的移動(dòng)不可能，但是當(dāng)T＝Tg時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的能量足以克服內(nèi)旋轉(zhuǎn)的位壘，鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)改變構(gòu)象，甚至可以使部分鏈段產(chǎn)生滑移。也就是說(shuō)當(dāng)溫度升高到某一溫度，鏈段運(yùn)動(dòng)的減少到與實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)間同一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，我們便可以觀察到鏈段運(yùn)動(dòng)，聚合物便進(jìn)入了高彈態(tài)。

當(dāng)聚合物受到拉伸力時(shí)，分子鏈通過(guò)單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段運(yùn)動(dòng)改變構(gòu)象從蜷曲狀態(tài)到伸展?fàn)顟B(tài)（宏觀上表現(xiàn)為很大的形變)，當(dāng)外力除去時(shí)，又回復(fù)到原來(lái)狀態(tài)（宏觀上表現(xiàn)為彈性回縮），這種受力后形變很大而且又回復(fù)的力學(xué)性質(zhì)高彈性，它是非晶高聚物處在高彈態(tài)下特有的力學(xué)特征。高彈態(tài)蜷曲伸展7T增加，雖然整個(gè)分子的移動(dòng)不可能，但是當(dāng)T＝Tg時(shí)，分非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)課件A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變27

溫度繼續(xù)升高，不僅鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間變短了，而且整個(gè)分子鏈的移動(dòng)的松弛時(shí)間縮短到與我們實(shí)驗(yàn)觀察的時(shí)間同一個(gè)數(shù)量級(jí)，高聚物在外力作用下會(huì)發(fā)生粘性流動(dòng)，它是整個(gè)分子鏈發(fā)生滑移的宏觀表現(xiàn)。是不可逆的變形（外力去掉后形變不能恢復(fù)）粘流態(tài)10溫度繼續(xù)升高，不僅鏈段運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間變短了，而且整個(gè)分非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)課件A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域A玻璃態(tài)C粘流態(tài)B高彈態(tài)溫度形變玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變從相態(tài)角度而言，玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)均屬于液相，因?yàn)榉肿娱g相互排列均是無(wú)序的，它們之間的差別主要是形變能力不同——這是力學(xué)狀態(tài)的差別。因此上述三態(tài)的轉(zhuǎn)變均不是熱力學(xué)相變。Tg、Tf是力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，而非相變溫度。常溫下處于玻璃態(tài)的高聚物通常用作塑料常溫下處于高彈態(tài)的高聚物通常用作橡膠

粘流態(tài)是高聚物成型的最重要的狀態(tài)從相態(tài)角度而言，玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)均屬于液相，因?yàn)榉肿娱g

3.分子量對(duì)溫度-形變曲線(xiàn)的影響當(dāng)分子量很低時(shí)，整個(gè)分子鏈不夠一個(gè)鏈段長(zhǎng)度，運(yùn)動(dòng)單元只是整個(gè)分子，因而Tg與Tf重復(fù)，不出現(xiàn)高彈態(tài)，但隨M增大，Tg增大3.分子量對(duì)溫度-形變曲線(xiàn)的影響當(dāng)分子量很低時(shí)，整個(gè)分子鏈當(dāng)分子量增加到一定值，如圖中M3<M4<M5，就出現(xiàn)了第二運(yùn)動(dòng)單元-鏈段，此時(shí)曲線(xiàn)上Tg與Tf不再重合，出現(xiàn)高彈平臺(tái)，由于鏈段大