PVC長期黏彈性能的研究

概述聚氯乙烯(PVC)在塑料行業(yè)中占有十分重要的地位,已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、電力、汽車、家電、包裝及公用事業(yè)等行業(yè),而通過研究不同溫度下PVC的蠕變和應(yīng)力松弛行為,利用時(shí)-溫等效原理得到參考溫度下的蠕變/應(yīng)力松弛主曲線,即長期黏彈性能.這對(duì)PVC壽命和長期服役性能的預(yù)測(cè)具有重要的意義.Part01溫度對(duì)蠕變的影響通過觀察不同溫度下的PVC的蠕變，并繪制蠕變時(shí)間曲線可得PVC不同溫度下的蠕變-恢復(fù)曲線：

圖1不同溫度下PVC的蠕變-恢復(fù)曲線

由圖可得，隨著溫度的升高,PVC的蠕變變得更加明顯,表現(xiàn)為普彈形變的增加和蠕變速率的加快，升高溫度對(duì)分子運(yùn)動(dòng)具有增加了分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和增加分子間的自由體積雙重作用。

表1不同溫度下的普彈形變

表2不同溫度下的蠕變速率從表1中可以看出,隨著溫度的升高,普彈形變不斷增大，這是由于升高溫度使一些原來不能變化的鍵長、鍵角發(fā)生了變化,而原來能發(fā)生變化的鍵長、鍵角則變化的幅度會(huì)加大，從表2中可以看出,隨著溫度的升高,蠕變速率增大，該階段的蠕變形變由高彈形變和黏流應(yīng)變組成,高彈形變來源于鏈段運(yùn)動(dòng)造成的分子鏈伸展,黏流應(yīng)變來源于分子間的相對(duì)滑移,這兩種運(yùn)動(dòng)都隨著溫度的升高而變得更加明顯。恢復(fù)曲線為撤去應(yīng)力后形變隨時(shí)間的變化,由圖可得,形變先是急劇減小,然后減小的趨勢(shì)變得緩慢，這是由于撤去外力的瞬間,普彈形變部分迅速變小至零,高彈形變部分則由于分子鏈的重新卷曲而逐漸變小,形變與時(shí)間成指數(shù)關(guān)系,而黏流應(yīng)變是由于高分子整鏈的相對(duì)滑移,是不可回復(fù)的，通過不同溫度恢復(fù)曲線的比較,可發(fā)現(xiàn)形變隨著溫度的升高而變大,這是由于在蠕變階段,溫度高的曲線高彈形變和黏流形變也相應(yīng)較高。

圖2不同溫度下蠕變?nèi)崃侩S時(shí)間的變化蠕變?nèi)崃侩S著時(shí)間的增加和溫度的升高而增大,這是由于延長蠕變時(shí)間和升高蠕變溫度均能增加蠕變,從而使蠕變量度的蠕變?nèi)崃吭黾印Ｑ娱L時(shí)間和升高溫度能達(dá)到相同的效果,這正是時(shí)-溫等效原理所體現(xiàn)的，在較低溫度下蠕變?nèi)崃侩S著時(shí)間變化不明顯,表現(xiàn)為蠕變曲線的斜率較小;而在較高溫度下,蠕變?nèi)崃侩S著時(shí)間的延長變化很明顯

圖3以85℃為參考溫度的蠕變主曲線按照時(shí)-溫等效原理,以85℃為參考溫度,得到蠕變主曲線如圖3所示。由于其他溫度均比參考溫度高,所以在得到主曲線時(shí),85℃的蠕變曲線在對(duì)數(shù)時(shí)間坐標(biāo)上沒有移動(dòng),而其他溫度下的蠕變曲線則沿著對(duì)數(shù)時(shí)間坐標(biāo)軸向右水平移動(dòng),各曲線彼此疊合連接而成光滑的曲線,得到85℃的蠕變主曲線.從圖3可以看出,曲線跨度超過了10的12次方秒,比原來的曲線提高了約9個(gè)數(shù)量級(jí),可得到參考溫度85℃下約10萬年的蠕變行為，由此可有效預(yù)測(cè)PVC的老化情況。Part02溫度對(duì)應(yīng)力松弛的影響

圖4不同溫度下的應(yīng)力松弛曲線從圖4可以看出,隨著時(shí)間的延長,應(yīng)力逐漸變小.這是由于在外力作用下,分子鏈沿著外力方向運(yùn)動(dòng)而形成較舒展的伸直鏈構(gòu)象.在形變不變時(shí),分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使其回縮到卷曲構(gòu)象,此時(shí)分子鏈處于新的平衡狀態(tài),材料內(nèi)應(yīng)力逐漸減小，通過比較,可以明顯發(fā)現(xiàn),溫度高的松弛曲線應(yīng)力值比較低,且隨時(shí)間變化幅度較小，這是由于隨著溫度的升高,分子鏈運(yùn)動(dòng)受到的內(nèi)摩擦力變小,運(yùn)動(dòng)變得更加容易,達(dá)到相同應(yīng)變所需的應(yīng)力降低,且達(dá)到平衡的時(shí)間減少。

圖5不同溫度下的松弛模量曲線從圖5可以看出,松弛模量隨著時(shí)間的增加而不斷變小,說明松弛現(xiàn)象隨著時(shí)間的延長而變得愈加明顯,這是由于分子鏈熱運(yùn)動(dòng)重新取向。隨著溫度的升高,松弛模量降低,松弛模量隨時(shí)間的下降幅度減小。這是由于溫度的升高使得分子鏈的運(yùn)動(dòng)更加容易

圖6以85℃為參考溫度下的應(yīng)力松弛主曲線

按照時(shí)-溫等效原理,以85℃為參考溫度,將其他溫度下的松弛模量曲線沿著對(duì)數(shù)時(shí)間坐標(biāo)向右移動(dòng),直到各曲線彼此疊合連接而