《高分子物理Cha》PPT課件.ppt

第七章 聚合物的粘彈性,聚合物的粘彈性,本章教學內(nèi)容、要求及目的,教學內(nèi)容： 聚合物粘彈性現(xiàn)象、力學模型及數(shù)學描述；時溫等效原理；粘彈性的研究方法。 重點和要求： 聚合物材料在受力情況下所產(chǎn)生的各種粘彈現(xiàn)象、分子運動機理、力學模型及數(shù)學描述；時溫等效原理及其應(yīng)用 教學目的： 了解和掌握聚合物的粘彈性行為，指導我們在材料使用和加工過程中如何利用粘彈性、如何避免粘彈性、如何預測材料的壽命。,聚合物的粘彈性現(xiàn)象,主要內(nèi)容： 聚合物的粘彈性現(xiàn)象 蠕變現(xiàn)象 應(yīng)力松弛現(xiàn)象,本講重點及要求：聚合物材料在受力情況下所產(chǎn)生的蠕變和應(yīng)力松弛的粘彈現(xiàn)象及分子運動機理。,普通粘、彈概念,粘 同黏：象糨糊或膠水等所具有的、能使一個物質(zhì)附著在另一個物體上的性質(zhì)。,彈 由于物體的彈性作用使之射出去。 彈簧 利用材料的彈性作用制得的零件，在外力作用下能發(fā)生形變（伸長、縮短、彎曲、扭轉(zhuǎn)等），除去外力后又恢復原狀。,7.1 材料的粘、彈基本概念,Elastic having the tendency to go back to the normal or previous size or shape after being pulled or pressed.,Viscous thick and sticky, semi-fluid, that does not flow easily,材料對外界作用力的不同響應(yīng)情況,典型,小分子固體 彈性,小分子液體 粘性,恒定力或形變-靜態(tài),變化力或形變-動態(tài),形變對時間不存在依賴性,虎克定律 Hookes law,Ideal elastic solid 理想彈性體,外力除去后完全不回復,牛頓定律 Newtons law,Ideal viscous liquid 理想粘性液體,彈性與粘性比較,彈性 粘性 能量儲存 能量耗散 形變回復 永久形變 虎克固體 牛頓流體 模量與時間無關(guān) 模量與時間有關(guān) E(,T) E(,T,t),理想彈性體的應(yīng)力取決于 ，理想粘性體的應(yīng)力取決于 。,理想彈性體（如彈簧）在外力作用下平衡形變瞬間達到，與時間無關(guān)；理想粘性流體（如水）在外力作用下形變隨時間線性發(fā)展。 聚合物的形變與時間有關(guān)，但不成線性關(guān)系，兩者的關(guān)系介乎理想彈性體和理想粘性體之間，聚合物的這種性能稱為粘彈性。 聚合物的力學性能隨時間的變化統(tǒng)稱為力學松弛。最基本的力學松弛現(xiàn)象包括蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和力學損耗等。,理想彈性體、理想粘性液體和粘彈性,所有物質(zhì)均具有粘彈二性,高聚物粘彈性 The viscoelasticity of polymers,For polymers 對高聚物,非牛頓流體,與彈性體有區(qū)別,Comparison,理想粘性體,理想彈性體,交聯(lián)高聚物,線形高聚物,力學松弛或粘彈現(xiàn)象,高聚物力學性質(zhì)隨時間而變化的現(xiàn)象稱為力學松弛或粘彈現(xiàn)象,線性粘彈性 Linear viscoelasticity 若粘彈性完全由符合虎克定律的理想彈性體和符合牛頓定律的理想粘性體所組合來描述，則稱為線性粘彈性。,粘彈性分類,靜態(tài)粘彈性,動態(tài)粘彈性,蠕變、應(yīng)力松弛,滯后、內(nèi)耗,Review of relaxation time ,（1） 分子運動的多樣性Varieties of molecular movements,（2） 分子運動與時間的關(guān)系 The relationship with time,（3） 分子運動與溫度的關(guān)系 The relationship with temperature,多種運動單元,多種運動方式,Small molecules, =10-810-10s,High molecules, =10-110-4s,T,T,分子運動三特點,Time dependence,在一定的溫度和外力作用下，高聚物分子從一種平衡態(tài)過渡到另一種平衡態(tài)需要一定的時間。,Temperature dependence 分子運動的溫度依賴性,Eyrig Equation,E - 松弛所需的活化能 activation energy,T,T,7.2 Creeping and Relaxation 蠕變和應(yīng)力松弛,7.2.1 蠕變 Creep deformation,在恒溫下施加一定的恒定外力時，材料的形變隨時間而逐漸增大的力學現(xiàn)象。,高聚物蠕變性能反映了材料的尺寸穩(wěn)定性。,理想彈性體和粘性體的蠕變和蠕變回復,對理想彈性體,對理想粘性體,（i）普彈形變（e1）： 聚合物受力時，瞬時發(fā)生的高分子鏈的鍵長、鍵角變化引起的形變，形變量較小，服從虎克定律，當外力除去時，普彈形變立刻完全回復。如右圖：,高分子材料蠕變過程包括三個形變過程：,（ii）高(滯）彈形變（e2）：anelastic 聚合物受力時，高分子鏈通過鏈段運動產(chǎn)生的形變，形變量比普彈形變大得多，但不是瞬間完成，形變與時間相關(guān)。當外力除去后，高彈形變逐漸回復。如下圖：,High elastic deformation,（iii）粘性流動（e3）： 受力時發(fā)生分子鏈的相對位移，外力除去后粘性流動不能回復，是不可逆形變。,Viscose flow,當聚合物受力時，以上三種形變同時發(fā)生,For polymer deformation,加力瞬間，鍵長、鍵角立即產(chǎn)生形變回復，形變直線上升 通過鏈段運動，構(gòu)象變化，使形變增大 分子鏈之間發(fā)生質(zhì)心位移,作用時間問題,(A) 作用時間短(t小），第二、三項趨于零,(B) 作用時間長(t大），第二、三項大于第一項，當t，第二項 0 / E2 第三項（0t/),表現(xiàn)為普彈(打碎熔體）,表現(xiàn)為粘性（塑料雨衣變形）,Creep recovery 蠕變回復,撤力一瞬間，鍵長、鍵角等次級運動立即回復，形變直線下降 通過構(gòu)象變化，使熵變造成的形變回復 分子鏈間質(zhì)心位移是永久的，留了下來,線形和交聯(lián)聚合物的蠕變?nèi)^程,形變隨時間增加而增大，蠕變不能完全回復,形變隨時間增加而增大，趨于某一值，蠕變可以完全回復,線形和交聯(lián)聚合物的蠕變回復,交聯(lián)聚合物,線形聚合物,蠕變的本質(zhì)：分子鏈的質(zhì)心位移,如何防止蠕變？,關(guān)鍵：減少鏈的質(zhì)心位移,鏈柔順性大好不好？,鏈間作用力強好還是弱好？,交聯(lián)好不好？,聚碳酸酯PC Polycarbonate,聚甲醛 POM Polyformaldehyde,強好,弱好,好,不好,好,不好,7.2.2 Stress Relaxation 應(yīng)力松弛,在恒溫下保持一定的恒定應(yīng)變時，材料的應(yīng)力隨時間而逐漸減小的力學現(xiàn)象。,理想彈性體和理想粘性體的應(yīng)力松弛,對理想彈性體,對理想粘性體,交聯(lián)和線形聚合物的應(yīng)力松弛,交聯(lián)聚合物,線形聚合物,不能產(chǎn)生質(zhì)心位移，應(yīng)力只能松弛到平衡值,高分子鏈的構(gòu)象重排和分子鏈滑移是導致材料蠕變和應(yīng)力松弛的根本原因。,7.3 Linear viscoelasticity 線性粘彈性,可以用 Hookes solid 和 Newton Liquid 線性組合進行描述的粘彈性行為稱為線性粘彈性。, 唯象理論：只考慮現(xiàn)象，不考慮分子運動,組合方式,串聯(lián),并聯(lián),理想彈性體 - Spring 彈簧,Hookes law,理想粘性體 - Dashpot 粘壺,Newtons law,7.3.1 Maxwell element,應(yīng)力等 應(yīng)變加,特點,1,2,Maxwell element 受力分析,t=0,t 增大,Kinetic equation 運動方程,1,2,3,4,5,蠕變分析 Creep Analysis,Newton liquid,即Maxwell element 描述的是理想粘性體的蠕變響應(yīng),5,6,7,應(yīng)力松弛過程, 總形變固定所以,Discussion,時間無窮大時，應(yīng)力趨于零，模量趨于零。 松弛時間的概念 = / E,14,14,14”,Relaxation time 松弛時間,Whats the meaning of = / E ?, Pa *s,單位 Unit,E Pa, s,松弛時間 是一個特征時間,物理含義,When t =,應(yīng)力松弛到初始應(yīng)力的0.368倍時所需的時間稱為松弛時間。,當應(yīng)力松弛過程完成63.2%所需的時間稱為松弛時間