高聚物分子運動和力學狀態(tài)

前面三章我們討論了高聚物的結構固體（微觀結構）聚集態(tài)結構溶液鏈結構遠程結構——構象(形態(tài),大小)近程結構構造構型幾何異構(順反異構)旋光異構第1頁/共194頁我們了解了高聚物有著不同于低分子物質的結構特點，這正是高聚物材料有一系列特殊優(yōu)異性能的基礎微觀結構特征要在材料的宏觀性質上表現(xiàn)出來，則必須通過材料內部分子的運動。第2頁/共194頁為了研究高聚物的宏觀性質（力學、電子、光子等方面性能），只了解高聚物的結構還不行，還必須弄清高聚物分子運動的規(guī)律，才能將微觀結構與宏觀結構性能相結合，才能了解高聚物結構與性能的內在聯(lián)系。所以本章是聯(lián)系結構與性能的橋梁：高聚物分子運動的規(guī)律第3頁/共194頁先看二個例子：第4頁/共194頁

PMMA：室溫下堅如玻璃，俗稱有機玻璃，但在100℃左右成為柔軟的彈性體

結構材料橡膠：室溫下是柔軟的彈性體，但在

100℃左右為堅硬的玻璃體為什么有以上情況？外界溫度改變了，使分子運動的狀況不同，因而表現(xiàn)出的宏觀性能也不同。第5頁/共194頁第一節(jié)高聚物的分子運動特點第6頁/共194頁運動單元多重性松弛過程：分子運動的時間依賴性松弛時間與溫度的關系：分子運動的溫度依賴性1-1運動單元多重性第7頁/共194頁運動單元可以是側基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段、分子運動形式可以是振動、轉動、平動（平移）高聚物運動單元的多重性（

1）取決于結構（

2）也與外界條件（溫度）有關1-2高分子運動－松弛過程（Relaxation）分子運動對時間有依賴性由于高分子在運動時，運動單元之間的作用力很大，因此高分子在外場下，物體以一種平衡狀態(tài)，通過高分子運

動過渡到與外場相適應的新的平衡態(tài)，這一過程是慢慢完成的。這個過程稱

為松弛過程，完第8成頁/共這194頁個過程所需要的例如：一根橡皮，用外力將它拉長了ΔL，外力去除后，ΔL不是立刻為零。而是開始縮短很快，然

后縮短的速度愈來愈慢，以致縮

短過程可以持續(xù)幾晝夜，幾星期，并且只有很精密的儀器才能測得

出。第9頁/共194頁實驗第10頁/共194頁第11頁/共194頁數(shù)學關系式：外力未除去前橡皮的增長長度外力除去后，在t時刻測出的橡皮的增長長度松弛時間第12頁/共194頁通式用

表示某一物體的某物理量用

表示物體在平衡態(tài)時某物理量的數(shù)值第13頁/共194頁上式的物理意義：在外力作用下，物體某物理量的測量值隨外力作用的時間的增加而按指數(shù)規(guī)律逐漸減小。當 時

，當 時

，當

時，第14頁/共194頁τ－松弛時間（

1）

由上面所講τ可知：

時，松弛時間就是x減少到時所需要的時間。第15頁/共194頁τ－松弛時間只有

秒。因此，

通常以秒為刻度標尺時，

無（

2

）

是一個表征松弛過程快慢的物理量當

很小時：這說明松弛過程進行得很快，如：小分子液體的法觀察到它的松弛過程的。也就是說覺察不到物體以一種平衡態(tài)過渡到另一平衡態(tài)的過程需要一定的時間。第16頁/共194頁當

很大時（

n星期，

n年）

：如果觀察時間小，則可推出（秒、分、時）很也不能觀察到松弛過程。如高分子，由于分子大，分子內和分子間作用力很強，所以（

n星期，n年）很大，所以在以秒或分為標度的觀察時間內也看不出松弛過程的發(fā)生。第17頁/共194頁高聚物的

不是一單一數(shù)值，運動單元越大，運動所需時間越長，則大，運動單元越小，則

小，所以高聚物的

嚴格地講是一個分布，稱為“松弛時間譜”當觀察時間的標度與聚合物中某種運動單元（例如鏈段）的

值相當時，我們才能觀察到這種運動單元的松弛過程，但仍然觀察不到其它運動單元的松弛過程。第18頁/共194頁在這里還有個概念：第19頁/共194頁我們知道按結構特征可以將物質分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。如果按分子運動在宏觀力學性能上的表現(xiàn)，也可以把物體分為氣態(tài)流、固態(tài)，這兩者是有區(qū)別的，見下面的例子例1：古代歐洲教堂的玻璃幾個世紀后呈下厚上薄（重力作用）塑料雨衣長期懸掛，會在懸掛方向出現(xiàn)蠕變（重力作用），這些是塑料（固體）呈現(xiàn)液體的力學行為。第20頁/共194頁例2：在傾倒高聚物熔體時，若用一根棍子快速敲打流體，則熔體液流也會脆性碎掉。這是高聚物熔體呈現(xiàn)固體力學行為的例子。第21頁/共194頁1-3高分子運動與溫度的關系第22頁/共194頁分子運動的溫度依賴性溫度對高分子運動的二個作用：使運動單元動能增加，令其活化（使運動單元活化所需要的能量稱為活化能）溫度升高，體積膨脹，提供了運動單元可以活動的自由空間1-3高分子運動與溫度的關系第23頁/共194頁以上二點原因就是使松弛過程加快進行也就是說：升高溫度可使松弛時間變短我們可以在較短的時間就能觀察到松弛現(xiàn)象；如果不升溫，則只有延長觀察時間才能觀察到這一松弛現(xiàn)象。升溫與延長觀察時間是等效的（時溫等效）1-3高分子運動與溫度的關系

升溫是迫使

減小，從內因上起變化，我們可以在較短時間內觀察到變化延長觀察時間是從外因上來觀察變化第24頁/共194頁與溫度之關系：?松弛時間?常數(shù)?松弛活化能?氣體常數(shù)?絕對溫度第25頁/共194頁第二節(jié)高聚物力學狀態(tài)第26頁/共194頁2-1

線形非晶態(tài)高聚物：兩種轉變和三種力學狀態(tài)2-2

晶態(tài)高聚物力學狀態(tài)2-3

體形高聚物力學狀態(tài)2-1線形非晶態(tài)高聚物的兩種轉變和第27頁/共194頁為了三激種發(fā)力高學聚狀物態(tài)中各運動單元的運動，我們采用加熱的方法。并對高聚物試樣施加一恒定的力，觀察試樣發(fā)生的形變與溫度的關系，即采用熱機械曲線的方法來考察這個問題。溫度-形變曲線（熱-機曲線）形變溫度高彈態(tài)粘流態(tài)玻璃態(tài)第28頁/共194頁由圖中可以清楚的看到：根據試樣的力學性能隨溫度的變化的特點，可以把線形非晶態(tài)高聚物按溫度區(qū)域不同劃分為以下））以上）三種力學狀態(tài)

玻璃態(tài)（高彈態(tài)（粘流態(tài)（三種狀態(tài)之間的兩個轉變玻璃化轉變?yōu)楦邚棏B(tài)，轉變溫度稱為玻璃化溫度高彈態(tài)轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)，轉變溫度稱為粘流溫度第29頁/共194頁為什么非晶態(tài)高聚物隨溫度變化出現(xiàn)三種力學狀態(tài)和二個轉變？我們來看下面一張表，了解一下內部分子處于不同運動狀態(tài)時的宏觀表現(xiàn)第30頁/共194頁溫度運動單元和τ值力學性質玻璃態(tài)以下鏈段(側基,支鏈,鏈節(jié))仍處于凍結狀態(tài)(即鏈段運動的τ值無窮大，無法觀察)受力變形很小，去力后立即恢復（可逆），虎克型彈性（普彈性）模量：1011~1012達因/cm2鏈段運動（但分子鏈的τ還很大，不能看到）（鏈受力變形很大，去力后可恢復（可高彈態(tài)段運動的τ值減小到與實驗測定時間同一數(shù)量級時逆），虎克型彈性（高彈性）模量：可以看到）106~108達因/cm2粘流態(tài)以上大分子鏈與大分子鏈之間發(fā)生相對位移(分子鏈的τ值縮短到與實驗觀察時間相同的數(shù)量級)第31頁/共194頁流動變形不可逆，外力除去后變形不能恢復

高聚物玻璃化轉變不象低分子那樣晶體向液體的轉變，它不是力學的相變，它處于非平衡狀態(tài)

玻璃化溫度也不象低分子物質的熔點那樣是一個固定值，而是隨外力作用的大小，加熱的速度和測量的方法而改變的，因此它只能是一個范圍第32頁/共194頁的實用意義：是高聚物特征溫度之一，作為表征高聚物的指標，可用來確定熱塑性塑料的最高使用溫度和橡膠的最低使用溫度。高于

則不能作塑料用，因為已經軟化；低于

就不能當橡膠用，因為已成為玻璃態(tài)。第33頁/共194頁常溫下處于玻璃態(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)第34頁/共194頁2-2結晶聚合物的力學狀態(tài)第35頁/共194頁

晶態(tài)高聚物中總有非晶區(qū)存在，非晶部分高聚物在不同溫度下也要發(fā)生上述二種轉變，但它的宏觀表現(xiàn)與結晶度大小有關（1）輕度結晶聚合物微晶體起著類似交聯(lián)點的作用。試樣仍然存在明顯的玻璃化溫度轉變。溫度上升時，非晶部分由玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)。但由于微晶的存在起著交聯(lián)點的作用，所以非晶區(qū)不會發(fā)生很大的變形，所以形成皮革狀（增塑型的PVC就是如此，有

也有

，如軟PVC塑料地板）第36頁/共194頁輕度結晶聚合物溫度-形變曲線形變第37頁/共194頁溫度（2）結晶度高于40%的聚合物

微晶彼此銜接，形成貫穿材料的連續(xù)結晶相，材料變硬，宏觀上看不出明顯的玻璃化轉變，溫度-形變曲線在熔點以前不出現(xiàn)明顯轉折。結晶高聚物的晶區(qū)熔融后是不

是進入粘流態(tài)，要看試樣的分子量大?。旱?8頁/共194頁（非晶）（非晶）（ 看不出）形變溫度第39頁/共194頁

不太大時：則晶區(qū)熔融（

），非晶區(qū)的

，所以試樣成為粘流態(tài)。足夠大時：非晶區(qū)的，則晶區(qū)雖熔融（），但非晶區(qū)試樣進入高彈態(tài)再升溫到以上才流動。從加工角度看，這種情況是不希望的（在高溫下出現(xiàn)高彈態(tài)將給加工帶來麻煩）第40頁/共194頁結晶高聚物的分子量通常要控制得低一些，分子量只要能滿足機械強度要求即可非晶態(tài)與晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線總結在下一張圖上第41頁/共194頁②高度結晶③輕度結晶①非晶態(tài)形變第42頁/共194頁溫度特例①有的結晶高聚物也就是說加熱到和

都低于還不能流動。只有加熱到

才流動，但此時已超過所以已經分解。PTFE就是如此，所以不能注射成型，只能用燒結法。第43頁/共194頁②PVA和PAN也是如此，所以不能熔融法紡絲（在

時還是高彈態(tài)，不會流動，如再升溫則到時

才

會流動，但已超過

，已分解了，所以要溶液紡絲。溶液法紡絲（因為有些高聚物在時還不會流動，如果再加熱就要分解了）只能配成濃溶液進行紡絲或流延成膜第44頁/共194頁（3）輕度結晶的高聚物可使材料既處于彈性狀態(tài)，又不會彈性太高，因此處于皮革態(tài)（如PVC塑料地板）。微晶又相當于交聯(lián)點作用，使強度達到一定要求。第45頁/共194頁（4）40％以上結晶的高聚物使材料變得堅硬，耐熱性也提高，使用溫度變寬。玻璃態(tài)高聚物只能在脆化溫度以上、玻璃化溫度以下使用（溫度太低便脆，溫度太高則軟化）結晶高聚物可以在脆化溫度以上、熔點以下使用（結晶高聚物如果

分子量不太大，則無

）第46頁/共194頁2-3體型高聚物的力學狀態(tài)分子鏈間的交聯(lián)限制了整鏈運動，所 以不能流動（除非是降解反應）交聯(lián)密度較小時，受外力作用時“網 鏈”可以改變構象，“伸直”S變小，外力去除，“蜷曲第”47頁/S共1變94頁大，因此恢復到原3.隨交聯(lián)密度增加，“網鏈”越來越小，運動困難，高彈形變很小，所以看不出

轉化下面我們以六次甲基四胺（烏洛托品）固化酚醛樹脂為例，了解交聯(lián)（體型）高聚物的溫度-形變曲線：第48頁/共194頁只有高彈態(tài)（3％）高彈態(tài)變小（5％）

高彈態(tài)消失（11％）溫度形變只有粘流態(tài)（2％固化劑含量）第49頁/共194頁第三節(jié)高聚物的玻璃化轉變第50頁/共194頁3-1

玻璃化現(xiàn)象和玻璃化溫度的測定3-2

玻璃化現(xiàn)象的機理3-3

影響玻璃化溫度的因素第三節(jié)高聚物的玻璃化轉變

高聚物的玻璃化轉變是指非晶態(tài)高聚物從玻璃態(tài)高彈態(tài)的轉變

對晶態(tài)高聚物來講（由于不可能100%結晶度），玻璃化轉變是指其中非晶部分的分子運動有明顯影響，所以情況復雜。第51頁/共194頁例如PE：由于結晶度高，所以至今它的無定論

所以我們先討論非晶態(tài)高聚物的玻璃化轉變。本節(jié)將討論三個問題：玻璃化轉變現(xiàn)象與測定方法、機理、影響的因素第52頁/共194頁3

-

1

玻璃化轉變現(xiàn)象和

的測量玻璃化轉變是高聚物的普遍現(xiàn)象在高聚物發(fā)生玻璃化轉變時，許多物理性能特別是力學性能會發(fā)生急劇變化，材料從堅硬的固體變成柔性彈性體玻璃化轉變是一個有著重要的理論意義和實際意義的第53性頁/共質194頁的測量所有在玻璃化轉變過程中發(fā)生突變或不連續(xù)變化的物理性質：如模量、比容、熱焓、比熱、膨脹系數(shù)、折光指數(shù)、導熱系數(shù)、介電常數(shù)、介電損耗、力學損耗、核磁共振吸收……都可用來測量玻璃化轉變溫度，下面介紹幾種常用的方法第54頁/共194頁1.膨脹計法（實驗室法）第55頁/共194頁將試樣先裝入安培瓶中然后抽真空將水銀或與試樣不相溶的高沸點液體充入瓶中至滿，液面達到細管內一定高度用水?。ɑ蛴驮。┮悦糠昼姡薄病娴纳郎厮俣燃訜岚才嗥?，同時記錄溫度和毛細管內液面高度，聚合物樣品受熱體積要改變，使毛細管內液體高度發(fā)生改變，作液面高度-溫度第56曲頁/共線194頁圖，曲線轉折處的液面高度（h）T（溫度）液面高度-溫度曲線圖第57頁/共194頁2.差熱分析法（

DTA法實驗室法）將試樣與參比物放在同樣的條件下受熱，如果試樣在升溫過程中沒有焓的突變，則試樣與參比物溫度一致，溫差為０，如果試樣發(fā)生熔融，玻璃化轉變、降解、氧化等則會有一定熱效應產生，溫差不為０，我們可得到差熱曲線。從曲線譜圖上的峰或拐點位置可確定產生第這58頁/些共些194頁變化時的溫度，但差熱的定量不準，所以又發(fā)明了示差掃描量熱法（

DSC），用于定量分析，以補償加熱器給試樣或參比物提供補充熱量，以保證它們在升溫測量過程中始終保持同樣的溫度，因而可以測定試樣的吸熱或放熱效應以及熱容的變化由對試樣的補償?shù)臒崃糠濡就可以找到發(fā)生熱力學第59突頁/共變194頁的位置DSC儀示意圖第60頁/共194頁DSC曲線第61頁/共194頁P

228

～

232的曲線圖6-5

非晶高聚物的模量-溫度曲線圖6-6

PS的比容-溫度曲線圖6-8

非晶高聚物的體膨脹系數(shù)-溫度曲線圖6-10

PMMA的折光率-溫度曲線圖6-11

正戊烷在PS中的擴散系數(shù)-溫度倒數(shù)曲線圖6-12

天然橡膠和丁苯橡膠的比熱-溫度曲線圖6-13

PMMA動態(tài)力學內耗-溫度曲線第62頁/共194頁工業(yè)上軟化點測定方法

軟化點測定有很強的實用性，但沒有很明確的物理意義。對非晶高聚物，軟化點接近

，當晶態(tài)高聚物的分子量足夠大時，軟化點接近

，但有時軟化點與兩者相差很大

軟化點測定：馬丁耐熱溫度、熱變形溫度、維卡第63軟頁/共化194頁點A.馬丁耐熱溫度第64頁/共194頁馬丁耐熱溫度的測定是在馬丁耐熱烘箱內進行的

定義：升溫速度為５０℃／h，標準試樣受彎曲應力５０kg／cm２時，試樣條彎曲，指示器中讀數(shù)下降６mm時所對應的溫度即為馬丁耐熱溫度B.熱變形溫度第65頁/共194頁定義：升溫速度為２℃／min，負荷為18.5kg／cm２，試樣的尺寸為（120×15mm），隨著溫度的升高，它將產生彎曲變形，當試樣中點彎曲撓度（試樣著力處的位移）達到0.21mm時的溫度就稱為熱變形溫度C.維卡軟化溫度第66頁/共194頁

維卡軟化溫度用于塑料、皮革測試較多，測定的是“針入度”。和熱變形溫度測定原理一樣，只不過試樣是圓片或方片，形變到達一定深度時的溫度稱為維卡軟化溫度。（PVC：0.1mm）３-２玻璃化轉變現(xiàn)象的機理第67頁/共194頁對于玻璃化轉變，目前常有的三種理論解釋：熱力學理論（定性）動力學理論（定性）自由體積（半定量）自由體積理論（

Fox、Flory）第68頁/共194頁自由體積理論認為：無論液體或固體，其體積包括兩部分一部分為分子所占據；另一部分是未被占據的，即“自由”體積。這種自由體積可提供分子活動

的空間，對高聚物來講，為鏈段運動提供了空間。第69頁/共194頁（1）當溫度降低時，自由體積逐步減少，到某一溫度時，自由體積將達到某一值，即無法提供足夠空間供鏈段運動，這時高聚物進入玻璃態(tài)，鏈段運動被凍結，這一臨界溫度叫玻璃化溫度，在此臨界值以下，已經沒有足夠的空間進行分子鏈構象的調整了，因此高聚物的玻璃態(tài)可稱為等自由體積狀態(tài)。第70頁/共194頁（2）高聚物自由體積的上述變化，必然反映到高聚物的比容-溫度關系上A.低于

時，由于鏈段運動被凍結，高聚物隨溫度變化的收縮或膨脹基本上是由分子鏈間距的振幅變化引起，顯然這種變化比較小。B.在

動已有足夠能量，時，分第子71頁熱/共19運4運頁

在高于

的高彈態(tài)時，高聚物的膨脹，除了鏈距振幅增大引起的膨脹以外，還有自由體積本身的膨脹，因此高彈態(tài)的膨脹系數(shù)遠遠大于玻璃態(tài)的膨脹系數(shù)（

）第72頁/共194頁自由體積關于自由體積這一術語，有著不同的意義，我們介紹Fox和Flory定義的自由體積—溫度

時聚合物的實際體積—溫度

時聚合物實際體積第73頁/共194頁自由體積分數(shù)定義：時，聚合物總體積：自由體積分數(shù)：第74頁/共194頁—自由體積分數(shù)的膨脹系數(shù)時，聚合物總 體積為：可將熔體膨脹系數(shù)與玻璃體膨脹系數(shù)之差近似看作自由體積的膨脹系數(shù)≈所以自由體積分數(shù)：第75頁/共194頁自由體積理論解釋松弛作用現(xiàn)象：聚醋酸乙烯酯（PVAc）在不同冷卻速度下所得的比容-溫度曲線上，冷卻速度慢的低，冷卻速度大的

高。第76頁/共194頁21比容曲線1—冷卻速度快，得到的

高曲線2—冷卻速度快，得到的

低紅線—平衡線，測不出（冷卻速度無限長）第77頁/共194頁解釋：當對聚合物熔體進行冷卻時，分子通過鏈段運動進行構象調整，騰出多余的自由體積，并使它們逐漸擴散出去，但是由于溫度降低快（即使不太慢）時，體系粘度卻很快變大，這種位置調整不能及時地進行（多余的自由體積不能及時擴散到體系外面），致使高聚物的實際體積總比該溫度下最后應具有的平衡第78頁/共194頁冷卻速度越快，體系粘度變大越快，自由體積越難以排出體系之外，聚合物實際體積越大于實際體積，曲線拐折越早，則對應的

越高。若冷卻速度足夠慢到與體系大分子鏈段調節(jié)速率為同一數(shù)量級（幾乎不可能），則比容將沿平衡線下降為一直線而無拐折，因此測不出 。所以玻璃化轉變可以看作一種體積松弛過程，不是熱力學平衡過程。第79頁/共194頁3

-

3

影響

的因素是高分子鏈段從凍結到運動（或反之）的一個轉變溫度，而鏈段運動是通過主鏈的單鍵內旋轉來實現(xiàn)的，因此鏈的柔順性越好，鏈段長越短，單鍵內旋轉越容易，

就越低；反之，越高。第80頁/共194頁

凡是能增加鏈柔順的因素：如加入增塑劑或溶劑，引入極性基團等，使降低。

凡是能減弱鏈柔性的因素：如引入剛性基團或極性基團，交聯(lián)或結晶都使升高。第81頁/共194頁3

-

3

-

1

結構因素對

的影響1.主鏈結構：（1）主鏈由飽和單鍵構成的聚合物：-C-，-C-N-，-C-O-，-Si-O-等，如果分子鏈上沒有極性或具有位阻大的取代基團存在，則這些高聚物都是柔順的，

較低。第82頁/共194頁第83頁/共194頁（2）主鏈上含有孤立雙鍵，鏈也較柔順，

較低。天然橡膠（-73℃）、合成橡膠、順丁膠等屬于此類結構。第84頁/共194頁2.側基或側鏈（1）側基的極性a.如果側基在高分子鏈上的分布不對稱，則側基極性

，

。當極性基的數(shù)量超過一定量時，極性基團之間斥力大于引力，反而使

；若側基能形成氫鍵，也使

。第85頁/共194頁第86頁/共194頁b.如果極性側基在高分子鏈上分布對稱，則極性基的靜電場相互抵消，因而高聚物有較大的柔性，

較低。第87頁/共194頁第88頁/共194頁（2）側基(或側鏈)的位阻效應和柔順性a.剛性的大側基，會使單鍵的內旋轉受阻，

。第89頁/共194頁第90頁/共194頁b.季碳原子上一個甲基作不對稱取代，空間位阻將增大，

。第91頁/共194頁c.長而柔的側鏈反而會使。因為側基越大，柔性也越大，柔性的增加足以補償體積效應，并且起了增塑作用，使大分子相互之間隔離，減小了分子間力。第92頁/共194頁以聚甲基丙稀酸酯中正酯基R上碳原子數(shù)n對的影響為例：第93頁/共194頁，

；分子量的影響就不明3.分子量的影響分子量低時，隨著超過某一限度后，M對顯了。為什么？原因分子量越低，分子鏈兩頭的鏈端鏈段比例大，這種鏈端鏈段活動能力比一般鏈段要大，

較低；隨著

，鏈端鏈第94頁/共194頁?—M無限大時的?—數(shù)均分子量K

—常數(shù)第95頁/共194頁4.交聯(lián)的影響隨著化學交聯(lián)點密度的增加，分子鏈活動受約束的程度也增加，相鄰交聯(lián)點之間的平均長度減小，柔順性也減小，

。第96頁/共194頁??—交聯(lián)高聚物的—未交聯(lián)高聚物的—交聯(lián)密度第97頁/共194頁5.增塑劑的影響增塑劑是一種揮發(fā)性、低分子量的有機化合物，加入體系后改進某些力學性能和物理機械性能，便于成型加工。分極性和非極性兩種情況：第98頁/共194頁（

1

）非極性增塑劑對非極性聚合物的增塑作用機理：相當于形成了聚合物濃溶液，聚合物的分子鏈之間被增塑劑分子隔開了一定距離，削弱了聚合物分子間力。用量越多，隔離作用越大，

。第99頁/共194頁增塑后，

降低的數(shù)值直接與增塑劑的體積成正比：K

—比例常數(shù)V

—增塑劑體積分數(shù)第100頁/共194頁（2）極性增塑劑對聚合物的增塑作用機理：并非分子鏈間的隔離作用，而是增塑劑的極性基與聚合物分子鏈的極性基相互作用，取代聚合物分子鏈間極性基作用，削弱第了101頁聚/共1合94頁分子鏈的相互極性增塑劑使極性聚合物的降低的數(shù)值，與增塑劑的摩爾數(shù)成正比：—比例常數(shù)n—增塑劑的摩爾數(shù)第102頁/共194頁3

-

3

-

2

外界條件對

的影響1.升溫速度由于玻璃化轉變不是熱力學平衡過程，所以

與外界條件有關：高，升溫速度慢，升溫速度快，低降溫速度快，高，降溫速度慢，第103頁/共194頁2.外力的影響（1）大?。簡蜗虻耐饬Υ偈规湺芜\動，因而使

降低。外力（冷拉伸）越大，

降低越多。PVC在的張力下，

降到50℃。f

—外張力A,B

—常數(shù)第104頁/共194頁（

2

）作用時間：由于聚合物鏈段運動需要一定的松弛時間，如果外力作用時間短（頻率大，即作用速度快，觀察時間短），聚合物形變跟不上環(huán)境條件的變化，聚合物就顯得比較剛硬，使測得的偏高。第105頁/共194頁例如聚氯醚的玻璃化溫度：測量方法介電損耗動態(tài)力學慢拉伸膨脹計法頻率100089310-2Tg（℃）3225157作用頻率減小，玻璃化轉變溫度降低。第106頁/共194頁3.流體靜壓力當高聚物受流體靜壓力作用時，內部的自由體積將被壓縮，鏈段活動受限制，，靜壓力越大，

越高。時，柔性減小，例：壓力從PS的從80℃

145℃。第107頁/共194頁最后我們講一下玻璃轉變的多維性：以上我們討論的均是在力、頻率等外界條件固定的情況下，改變溫度來改變觀察玻璃化現(xiàn)象的。同樣，我們也可保持溫度不變，改變其它物理量X，從而得到相應的

。第108頁/共194頁??????X

物理量的意義：，玻璃化轉變壓力，玻璃化轉變頻率，玻璃化轉變分子量，玻璃化轉變增塑劑濃度，玻璃化轉變共聚物組成，玻璃化轉變溫度第109頁/共194頁實際上，由于改變溫度來觀察玻璃化現(xiàn)象最為方便，又有實際意義，因此，

仍是指示玻璃化現(xiàn)象最有用的指標。第110頁/共194頁第四節(jié)高聚物向粘流態(tài)的轉變第111頁/共194頁4-1

粘性流動的特點4-2

影響Tf的因素4-3

熔體粘度幾乎所有高聚物都是利用其粘流態(tài)下的流動行為進行加工成型的，所以了解和掌握高聚物的粘流溫度和粘性流動規(guī)律是很重要的材料的聚集態(tài)是在加工成型中形成的，聚集態(tài)對材料的性質有重大的影響，對高聚物流動行為的研究

高聚物流變學本節(jié)著重討論高第112聚頁/共物194頁熔體的流動行為4-1高聚物粘性流動的特點當溫度超過

時，高聚物處于粘流態(tài)。此時高聚物整鏈發(fā)生運動第113頁/共194頁4-1-1

高分子的流動是通過鏈段的位移運動實現(xiàn)的（

Why?）小分子的流動：小分子中的空穴與分子尺寸相當，因此可提供足夠的空間讓小分子擴散，在一定溫度下，靠分子的熱運動，空穴周圍的分子向空穴躍遷，分子原來就占有的位置成了新的空穴，又讓第11后4頁/共面194頁的分子向前躍遷，對高分子而言：它在熔體內也存在自由體積，但是這種空穴遠比整個大分子鏈小，而與鏈段大小相當。因此只有鏈段能擴散到空穴中，鏈段原來占的位置成了新的空穴，又讓后面的鏈段向此空穴躍遷……，最后達到宏觀上高分子整鏈的運動。這很像蚯蚓的蠕動。第115頁/共194頁從上面的機理可看到，柔性越好的高聚物，鏈段越小，只需要較低溫度下較小的自由體積就可流動，所以 較低，易于成型加工；剛性越好的高聚物，鏈段越大，則需用的自由體積大，也需要更大的流動活化能，所以 較高，難以成型加工。第116頁/共194頁4-1-2

高分子流動不符合牛頓體規(guī)律（不穩(wěn)定流動）現(xiàn)象：當我們觀察河道或渠道中的水流時，可以明顯的看到流動的液體總是分成許多不同流速的液層，中間的流速最大，越靠近河岸的液層流速越小。這說明不但河岸對水流有摩擦作用，而且流體的液層之間也有相互摩擦作用。使一部分流體在另一部分流體上流動時產生了阻力，這是液體流動時具有一定粘度的內因。第117頁/共194頁（1）液層與液層之間接觸的面積越大，阻力也越大。我們把單位面積上所受到的阻力稱為剪切力

，—液層之間接觸的面積—液層受到的另一液層的阻力—剪切力第118頁/共194頁（

2

）液體流動還有一個速度問題，每一液層的速度不同，邊上的液層流速最慢，中間部分液層流速最快，因此液層的流速只能用速度梯度來表示：????—液層2的速度—液層1的速度—液層2的縱坐標—液層1的縱坐標第119頁/共194頁第120頁/共194頁（

3

）牛頓流體與非牛頓流體?對小分子（或高分子稀溶液）等牛頓流體來講：即剪切應力與剪切速率成正比：流體的流速越大，受到的阻力越大。第121頁/共194頁

∴比例常數(shù)

（粘度）是常數(shù)，不隨剪切力和剪切速率的大小而改變的。這種類型的流體稱為牛頓流體。的單位：g/cm

·s對高分子熔體等流體來講：不再是常數(shù)，不呈直線關系。一般，粘度隨剪切速率增大反而減小，這種情況稱為非牛頓流體（非穩(wěn)定流體）。第122頁/共194頁解釋：

高分子在流動時由于各液層間總存在一定的速度梯度，

細而長的大分子若同時穿過幾個流速不等的液層時，

同一個大分子的各個部分就要以不同速度前進。這種情

況顯然不能持久，

因此，

在流動時每個長鏈分子總是力圖使自己全部進入同一流速的

流層，

這種現(xiàn)象就如河流中隨同流水一起流動的繩子（

細而長）

一樣，

它們總是自然

的順著水流方向縱向排列的。這就導致了大分子在流動方向上的取向，

取向則導致了

阻力減小，

粘度降低。（

速度梯度越大，

即剪切速率越大，

高聚物分子則易進行取向，粘度就變?。?/p>

∴

不是常數(shù)，

而是與剪切速率有關。第123頁/共194頁（4）非牛頓流體分類：根據流動曲線的特征，非牛頓流體有如下幾種類型：賓漢塑性體假塑性體膨脹體第124頁/共194頁A

賓漢（

Binghann）塑性體（也即屈服應力）時，根本不流動，其形變行為特征：當切應力小于臨界值類似于虎克彈性體賓漢塑性體牛頓流體第125頁/共194頁流動方程：

符合這種規(guī)律的流動稱為塑性流動或賓漢流動。許多含填料的高聚物體系（

PVC塑料）就屬賓漢塑性體。第126頁/共194頁流動方程：絕大多數(shù)高聚物熔體（或熔液）屬這一種情況第127頁/共194頁4-1-3高聚物流體的流變性（Rheology）熔體的粘彈性高聚物在Tf以上處于粘流態(tài)，成為熔體高聚物熔體主要力學特性就是具有流變性能流變性：在外力作用下，熔體不僅表現(xiàn)出粘性流動（不可逆形變），而且也表現(xiàn)出彈性形變（可逆形變），也就是高聚物的熔體既第12表8頁/共現(xiàn)194頁出粘性，又表現(xiàn)出流變學：是研究材料流動和變形的科學高聚物流變學：是流變學的一個分支，著重研究高聚物熔體的流變性，它是

一門十分年輕的科學，近幾十年來才得到重視。由于實際上的困難，連定性的規(guī)律也還沒有取得一致的看法。我們在這一節(jié)主要討論高聚物流變性的一些基本規(guī)律，盡管不夠完善，但對于指導高第129頁/共194頁流動方式根據所受應力不同，流體流動有三種：層流單軸拉伸流動流體靜壓強下流動第130頁/共194頁（

1

）層流：流速不大時，流體各點速度都向著流動方向，基本上無左右移動的現(xiàn)象流動方向速度梯度第131頁/共194頁（2）單軸拉伸運動：速度梯度場（速度梯度與流動方向平行）流動方向第132頁/共194頁（3）流體靜壓力下流動（壓制成型）第133頁/共194頁?第134頁/共194頁低分子液體流動所產生的形變是完全不可逆的，而高聚物在流動過程中所發(fā)生的形變中：只有一部分（粘性流動）是不可逆的。因為高聚物的流動并不是高分子鏈之間的簡單的相對滑移的結果，而是各個鏈段分段運動的總結果。在外力作用下，高分子鏈順外力場有所伸展，這就是說，在高聚物進行粘性流動的同時，必然會伴隨一定量的高彈形變，這部分高彈形變顯然是可逆的，外力消失后，高分子鏈又要蜷曲起來，因而整個形變要恢復一部分。高彈形變的恢復過程也是一個松弛過程。因為恢復的快慢一方面與高分子鏈本身的柔順性有關，柔順性好，恢復得快，柔順性差，恢復就慢；另一方面與高聚物所處的溫度有關，溫度高，恢復得快，溫度低，恢復就慢。高聚物流動的這個特點，在成型加工過程中必須予以充分重視，否則就不可能得到合格的產品。第135頁/共194頁例1：在高聚物擠出成型或熔融紡絲時，均有這種“出口膨脹”現(xiàn)象。擠出的型材的截面的實際尺寸比模口尺寸要大，就是由于外力消失后，高聚物分子的高彈形變回縮引起的。因此矩形口模往往得不到矩形截面的擠出物，而是變形或近似圓形：第136頁/共194頁例2：并絲現(xiàn)象。在熔融紡絲時，出口膨脹必須注意，對于噴絲板上相鄰兩孔間的距離就必須預計到出口膨脹的強度和剪切速率對膨脹的影響，否則就可能產生噴頭并絲現(xiàn)象。另一方面，由于出口膨脹部分截面面積大，單位面積受力小，形變速度低，并且它的高彈形變已基本恢復，拉伸粘度較低，因而形變容易在這一處發(fā)生。我們就可趁其在冷卻固化之前進行拉伸比較方便，使整個成纖過程得以順利進行。第137頁/共194頁例3：應力開裂。設計一個產品時，應盡量使各個部分的厚度不要相差過分懸殊，因為薄的部分冷得快，其中鏈段運動很快被凍結，高彈形變來不及恢復就已凍結了，而制品中厚的部分冷卻得比較慢，其中鏈段運動凍結較慢，高彈形變就恢復得多，

高分子鏈間相對位置也調整得較充分，所以制品厚薄兩部分的內在結構很不一致，

在它們的交界處存在很大的內應力，其結果不是制品變形，就是引起開裂。但是有

時制件本身的式樣需要有厚有薄，這是正?，F(xiàn)象，為了消除這種不可避免的內應力，可以對制件進行熱處理。第138頁/共194頁4-2影響粘流溫度的因素4-2-1

分子結構的影響總原則：柔性好，

低：

因為柔性分子的鏈段小，

流動所需的孔較小，

流動活化能也小柔性差，

高：

因為鏈段大，

流動所需的孔較大，

流動活化能也大，

所以在較高的溫度下才可流動。第139頁/共194頁例如：①極性強的大分子

高，如PAN，大分子之間極性力太強，以致

，尚未流動已經分解，所以不能用熔融法紡絲。②PVC也是

，所以在加工成型中不得不依靠加入足夠的穩(wěn)定劑來提高

，又加入增塑劑來降低

。第140頁/共194頁③柔性的PE、PP，由于結晶，所以被

所掩蓋，但它們的

并不高，可以想象如果它們不結晶，將使分子間力更小，柔順性更好，將有個低于目前的

和

值。④PS由于低，易于加工成型。第141頁/共194頁4-2-2分子量的影響是整個大分子開始運動的溫度，所以不僅與結構有關，而且與分子大小有關，Ｍ越大，

也越大。原因：分子量越大，運動時內摩擦阻力越大，位移運動不易進行，所以

越大，這對成型加工是不利的。第142頁/共194頁一個注意點：非晶高聚物的不是一個點，而是一個較寬的范圍，這是由于分子量的分布的多分散性引起的第143頁/共194頁4-2-3外力的影響外力越大，

越低。原因：增大外力可更多地抵消分子鏈沿與外力作用方向的熱運動，提高鏈段沿外力作用方向向前躍遷的幾率，使分子鏈重心發(fā)生有效位移；外力作用時間越長，

越低，外力作用頻率越大，越高。第144頁/共194頁例：近來發(fā)展起來的冷壓成型，實際上是上面原則的應用；對較高

粘度較大的樹脂，注射成型中常采用較高注射壓力也是遵循這一原則總之，是成型加工下限溫度是成型加工上限溫度第145頁/共194頁成型溫度要選在HDPE100~130170~200>300PP170~175200~220PS112~146170~190PVC165~190170~190140PMMA210~240ABS180~200第146頁/共194頁適宜的成型溫度要根據經驗反復實踐才能確定，與相差越遠越有利于成型加工。第147頁/共194頁４-3高聚物熔體的粘度第148頁/共194頁4-3-1粘流態(tài)高聚物的流動性(mobility)大部分聚合物是利用其粘流態(tài)下的流動行為進行加工成型，因此必須在聚合物的流動溫度以上進行加工，但是究竟選擇高于流動溫度以上多少才能進行加工①

這要由

以上粘流聚合物的流動行為決定。如果流動性能好，

則加工可選擇略高于

的溫度即可，

所施加的壓力也可小一些，

相反如果聚合物流動性能差，就需要溫度適當提高一些，

施加的壓力也要大一些，

以便改善聚合物的流動性能。②不同的加工方法要求的流動性的程度也不同，一般講：注射要流動性好些，才能注滿模腔各個位置；擠出可以流動性稍差些；吹型流動性可介于上二者之間。第149頁/共194頁4-3-2

衡量流動性的指標熔融指數(shù)（

Ｍelting

Index）定義：熱塑性塑料在一定溫度和壓力下，熔體在十分鐘內通過標準毛細管的重量值，以（

g/10min）來表示是加工上的一個重要指標，在工業(yè)上常采用它來表示熔體粘度的相對值：流動性好，大；流動性差，小第150頁/共194頁熔融指數(shù)儀的組成：（

1）試樣擠出系統(tǒng)：爐體由銅棒制成，中間孔放料筒（

2）加熱與控溫系統(tǒng)：銅棒四周墊有絕緣云母片，外繞有電熱絲進行電加熱，銅棒上有兩個偏心長孔，一個放置控溫用鉑電阻與爐外電擠相連，以控制爐溫，一個放置測溫用的熱電偶與高溫計相連第15，1頁/共以194頁監(jiān)視爐溫測試：①調節(jié)溫度②預熱料筒③裝料④切割試樣，去掉料頭，再切５段，不要有氣泡⑤分別稱量⑥趁熱將余料全部擠出，取出毛細管壓料桿、料筒，清理干凈⑦停止加熱，關電源，物件還原第152頁/共194頁Ｗ：５個段的重量的算術平均值t：每個段所用的時間第153頁/共194頁注意事項：1.熔體粘稠的聚合物一般屬于非牛頓流體（假塑體），η不是常數(shù)。只有在低的剪切速率下才比較接近牛頓流體，因此從熔融指數(shù)儀中得到的流動性能數(shù)據，是在低的剪切速率的情況下獲得的，而實際成型加工過程往往是在較高的切變速率下進行的。所以實際加工中，還第15要4頁/共研194頁究熔體粘度時溫2.η與Ｔ的關系：

Ｂ—頻率因子—粘流活化能柔性鏈（

PE），鏈段易活動，

小剛性鏈（

PS），鏈段不易活動，

大所以，改變溫度對剛性大的聚合物的粘度影響大第155頁/共194頁3.由于結構不同的聚合物在測定時選擇的溫度和壓力各不相同，所以粘度與分子量的關系也不一樣，只能在同種結構聚合物之間進行分子量的相對比較，而不能在結構不同的聚合物之間進行比較。第156頁/共194頁2.粘度η大，表明流動時阻力大，流動性差

η小，表明流動時阻力小，流動性好對于牛頓流體：對于非牛頓流體：第157頁/共194頁表觀粘度，它只是對流動性好壞作一個相對的大致比較。真正的粘度應當是不可逆的粘性流動的一部分，而表觀粘度還包括了可逆的高彈性變形那一部分，所以表觀粘度一般小于真正粘度。第158頁/共194頁4-3-3測定熔體粘度的方法第159頁/共194頁主要有三種： 落球式粘度計轉動粘度計（同軸圓筒或錐板）毛細管流變計（1）落球式粘度計特點：測極低值的一切粘度（

0）原理：半徑為r，密度為

的圓球，在粘度為

，密度為

的無限延伸的液體中運動時，小球受阻力第160頁/共194頁斯托克斯方程V

—球落的速度?—球的密度?—液體的密度第161頁/共194頁（2）毛細管流變儀它可以求出施加于熔體上的剪切應力和剪切速率之間的關系，即求出熔體的流動曲線，優(yōu)點是結構簡單，調節(jié)容易，并能通過出口膨脹來考慮熔體彈性；缺第162頁/共194頁原因：大部分高分子材料的成型都包括熔體在壓力下被擠出的過程，用毛細管流變可以得到十分接近加工條件的流變學物理量不僅能測與之間的關系，還可以根據擠出物的外形和直徑，或者通過改變毛細管的長徑比來觀察聚合物熔體的第16彈3頁/共性194頁和不穩(wěn)定流動現(xiàn)原理：活塞桿在十字頭的帶動下以恒速下移，擠壓高聚物熔體從毛細管流出，用測力頭將擠出熔體的力轉成電訊號在記錄儀上顯示，從的測定，可求得與第164頁/共194頁

由

可求出毛細管內流量Ｑ，再由Ｑ求出

，根據

算出ΔＰ，再由已知的Ｒ、Ｌ求出

，

但要進行二點改正：①非牛頓性修正②入口修正（因為測定用的毛細管并非假設的無限長）第165頁/共194頁(3)轉動粘度計A.同軸圓筒轉動粘度計一種外筒轉，內筒不動；一種內筒轉，外筒不動。以內筒浸入被測液體中，內筒的角速度ω轉動。第166頁/共194頁外筒半徑Ｒb

—內筒半徑Ｒc

—Ｍ—轉矩第167頁/共194頁作圖可得流動曲線對牛頓流體可得直線，斜率為η（常數(shù)）對非牛頓流體，可按毛細管流變儀的非牛頓修正求得表觀粘度第168頁/共194頁B.錐板式轉動粘度計（適用于粘稠的熔體）第169頁/共194頁各種方法測定的粘度范圍粘度計落球毛細管平行板轉動圓筒轉動錐板測定粘度范圍第170頁/共194頁4-3-4影響熔體粘度的因素第171頁/共194頁影響熔體粘度的因素有內因和外因兩方面：內因：分子鏈的結構、分子量及其分布外因：溫度、填加劑、外力作用情況1.內因（

1）分子結構對熔融粘度的影響分子鏈剛性越大，分子間力越大，則同時在

以上時，粘度也很大。在不同品種間進行比較時，有時存在困難，在不同溫度下比較是不恰當。第172頁/共194頁例如：無規(guī)共聚的丁苯橡膠和S-B-S嵌段共聚的熱塑性橡膠相比，在總的平均分子量相近和丁二烯-苯乙烯比例相似的情況下，嵌段共聚體的熔體粘度要高得多。解釋：在嵌段共聚體中，聚丁二烯不易穿過PS鏈第17所3頁/共形194頁成的微區(qū)，因此（2）分子量對熔融粘度的影響

熔融指數(shù)：工業(yè)上常用作衡量高聚物分子量大小的一個相對指數(shù)。A,B是共聚物的特征常數(shù)。

注意：只有在結構相似的情況下，才可以對同一高聚物的不同試樣作分子量大小的相對比較，因為支化度，支鏈長短第1等74頁/也共194對頁有影響。流動性下降實際中，從加工方面看，希望則流動性好，即希望

。但從機械強度上看，則希望所以，要恰當?shù)卣{節(jié)分子量的大小，在滿足加工要求的前提下，盡可能提高分子量。第175頁/共194頁不同用途對分子量有不同的要求合成橡膠一般控制在20萬；合成纖維一般控制在1.5萬～

10萬；塑料居橡膠和與纖維之間，不同加工方法對分子量