聚合物共混原理第六章聚合物共混物的力学性能2-PPT课件.ppt
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- 聚合物 原理 第六 共混物 力学性能 PPT 课件
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1、1第六章第六章 聚合物共混物的力学性能聚合物共混物的力学性能 本节内容本节内容一、复合材料性能与组分性能间的关系一、复合材料性能与组分性能间的关系二、共混物的力学性能二、共混物的力学性能 2.1 2.1 聚合物的力学状态与转变聚合物的力学状态与转变 2.2 2.2 聚合物的大形变聚合物的大形变 2.3 2.3 聚合物共混物的大形变聚合物共混物的大形变 2.4 2.4 塑料增韧塑料增韧2前前 言言 聚合物共混物的力学性能与组分的性质聚合物共混物的力学性能与组分的性质分不开,同时还与外在因素密切相关。分不开,同时还与外在因素密切相关。前者主要有材料的组成和结构;而环境前者主要有材料的组成和结构;而
2、环境因素主要有温度、湿度、外力类型、外因素主要有温度、湿度、外力类型、外力作用速度等。力作用速度等。36.1 6.1 复合材料性能与组分性能之间的关系复合材料性能与组分性能之间的关系双组分的双组分的PBPB性能与组分间的关系,用性能与组分间的关系,用“混合法则混合法则”表示。表示。最常用的两个关系式为最常用的两个关系式为:PP11P22 eq.1 eq.222111PPP 式中,式中,P P为双组分为双组分PBPB某种性能,如力学性能、玻璃化转变温度、某种性能,如力学性能、玻璃化转变温度、密度、粘度、电性能、扩散性能等;密度、粘度、电性能、扩散性能等;P1P1、P2P2分别为组分分别为组分1
3、1、2 2的相应性能。的相应性能。11、22分别表示组分分别表示组分1 1、2 2的浓度,浓度可以是体积分数、质量分的浓度,浓度可以是体积分数、质量分数、物质的量的分数数、物质的量的分数。两式分别粗略给出了两式分别粗略给出了PBPB的上限值、下限值。同时用的上限值、下限值。同时用1 1、2 2式,可求式,可求出性能的范围。出性能的范围。46.1.1 均相共混体系均相共混体系6.1.2 单相连续形态结构的共混体系单相连续形态结构的共混体系6.1.3 两相连续形态结构的共混体系两相连续形态结构的共混体系略略56.2 6.2 共混物的力学强度共混物的力学强度聚合物共混物的力学强度包括冲击强度、拉伸屈
4、服聚合物共混物的力学强度包括冲击强度、拉伸屈服强度、拉伸强度、弯曲强度等。强度、拉伸强度、弯曲强度等。由于由于增韧增韧是塑料改性主要目的,因此重点讲共混改是塑料改性主要目的,因此重点讲共混改性塑料的冲击强度。性塑料的冲击强度。6 6.2.1 聚合物的力学状态与转变聚合物的力学状态与转变 p243786.2.2 聚合物的大形变聚合物的大形变 及机理及机理 作为塑料使用的聚合物,在通常情况下,呈现玻璃态作为塑料使用的聚合物,在通常情况下,呈现玻璃态(非结晶性聚合物),或者呈现结晶态(结晶性聚合(非结晶性聚合物),或者呈现结晶态(结晶性聚合物),这里主要讨论该类聚合物在单轴拉伸下的大形变物),这里主
5、要讨论该类聚合物在单轴拉伸下的大形变问题。问题。大量实验表明,聚合物大形变的机理有两种:一是大量实验表明,聚合物大形变的机理有两种:一是剪切剪切形变形变,二是,二是银纹化银纹化。在许多情况下是剪切形变和银纹化。在许多情况下是剪切形变和银纹化并存,各自所占的比例与聚合物的结构以及外场条件有并存,各自所占的比例与聚合物的结构以及外场条件有关。关。9所谓所谓剪切形变剪切形变,是指在外力作用下,在一些平面上高,是指在外力作用下,在一些平面上高分子或者高分子的微小聚集体滑动发生高度取向,产分子或者高分子的微小聚集体滑动发生高度取向,产生没有明显体积变化的形状扭曲的形变。生没有明显体积变化的形状扭曲的形变
6、。剪切带有两种情况,剪切带有两种情况,弥散型的剪切形变弥散型的剪切形变,即在整个受,即在整个受力区域内发生的大范围的剪切形变;另一种是力区域内发生的大范围的剪切形变;另一种是剪切带剪切带,即发生在局部带状区域内的剪切形变。即发生在局部带状区域内的剪切形变。10所谓所谓银纹化银纹化是指在拉伸力作用下,聚合物中某些薄是指在拉伸力作用下,聚合物中某些薄弱部位,由于应力集中而产生的空化的条纹状形变弱部位,由于应力集中而产生的空化的条纹状形变区,称为银纹(区,称为银纹(crazecraze),这种现象称为银纹化),这种现象称为银纹化(crazingcrazing)。)。聚合物试样在受到拉伸时,会产生屈服
7、成颈(局部聚合物试样在受到拉伸时,会产生屈服成颈(局部发生大形变而形成细颈)现象,剪切带和银纹化是发生大形变而形成细颈)现象,剪切带和银纹化是这种局部大形变的两种机理(过程)。这种局部大形变的两种机理(过程)。116.2.2.1 6.2.2.1 聚合物试样单轴拉伸应力分析聚合物试样单轴拉伸应力分析1213 就切向应力而言,倾角为就切向应力而言,倾角为4545的截面上最大。同的截面上最大。同理倾角为理倾角为135135的截面上也最大。的截面上也最大。法向应力以横截面上的最大。法向应力以横截面上的最大。14 当聚合物试样受到单轴拉伸力作用时,如果与横截当聚合物试样受到单轴拉伸力作用时,如果与横截面
8、成面成4545度、度、135135度的斜截面上的切向应力分量首先达度的斜截面上的切向应力分量首先达到聚合物的剪切屈服强度,试样上首先产生与横截到聚合物的剪切屈服强度,试样上首先产生与横截面成面成4545度、度、135135度的度的剪切滑移变形带剪切滑移变形带(即剪切带),(即剪切带),也就形成了细颈。也就形成了细颈。如果横截面上受到正应力达到了银纹屈服应力,也如果横截面上受到正应力达到了银纹屈服应力,也就产生了就产生了银纹银纹。15屈服成颈屈服成颈的原因有两种。的原因有两种。第一种原因是纯几何的,第一种原因是纯几何的,也就是试样截面积的某种波也就是试样截面积的某种波动,某处截面积小的,受到的真
9、实应力比平均应力大,动,某处截面积小的,受到的真实应力比平均应力大,形变量也相对大一些,使得截面积进一步减小,形变形变量也相对大一些,使得截面积进一步减小,形变进一步加大,最后导致细颈的形成。进一步加大,最后导致细颈的形成。第二种原因是试样内部结构中的缺陷或者不匀造成第二种原因是试样内部结构中的缺陷或者不匀造成。另外,还有应变软化、应变硬化作用。另外,还有应变软化、应变硬化作用。16应变软化应变软化:材料一旦发生了较大形变,材料对应变:材料一旦发生了较大形变,材料对应变的阻力随应变的增加而减小。的阻力随应变的增加而减小。ArgonArgon理论认为,应理论认为,应变软化现象是由于在较大形变时,
10、大分子链各物理变软化现象是由于在较大形变时,大分子链各物理交联点发生重新组合形成有利于形变发展的超分子交联点发生重新组合形成有利于形变发展的超分子结构的缘故。结构的缘故。当形变很大时,大分之链取向充分,在局部应变部当形变很大时,大分之链取向充分,在局部应变部分会由应变软化转变为分会由应变软化转变为应变硬化应变硬化。这种转变是局部。这种转变是局部应变能够稳定地发展、材料不致于迅速破裂的原因应变能够稳定地发展、材料不致于迅速破裂的原因所在。所在。17 应变硬化应变硬化:就是材料发生大形变的同时,高分:就是材料发生大形变的同时,高分子链或者链段或者高分子的微小聚集体沿形变子链或者链段或者高分子的微小
11、聚集体沿形变方向取向,使构象熵减小,也可能使分子间相方向取向,使构象熵减小,也可能使分子间相互作用能增大,阻碍形变的发互作用能增大,阻碍形变的发展;随展;随着应变量着应变量增大,这些取向单元取向程度增大,对形变继增大,这些取向单元取向程度增大,对形变继续发展产生的阻力增大;当形变阻力大到使形续发展产生的阻力增大;当形变阻力大到使形变不再能增大时,大形变部位的形变会终止,变不再能增大时,大形变部位的形变会终止,即造成了应变硬化现象。即造成了应变硬化现象。细颈的形成和发展细颈的形成和发展既有应变软化,也有应变硬既有应变软化,也有应变硬化现象。化现象。186.2.2.2 6.2.2.2 剪切带的特征
12、剪切带的特征 剪切带剪切带具有精细的结构具有精细的结构。剪切带内高分子链或者高分子的微小聚集体有很剪切带内高分子链或者高分子的微小聚集体有很大程度的大程度的取向取向,取向方向为切应力和拉伸应力合,取向方向为切应力和拉伸应力合力的方向。力的方向。剪切带的产生剪切带的产生只是引起试样形状发生变化只是引起试样形状发生变化,而诸,而诸如密度、内聚能等不变。如密度、内聚能等不变。196.2.2.3 银纹的特征银纹的特征 银纹是银纹是在拉伸力场中产生在拉伸力场中产生的,银纹面总是与拉伸的,银纹面总是与拉伸力方向垂直;在压力场中不会产生银纹;力方向垂直;在压力场中不会产生银纹;银纹在玻璃态、结晶态聚合物中都
13、能产生、发展;银纹在玻璃态、结晶态聚合物中都能产生、发展;银纹能在聚合物表面、内部单独引发、生长,也银纹能在聚合物表面、内部单独引发、生长,也可在裂纹端部形成。在裂纹端部形成的银纹,是裂可在裂纹端部形成。在裂纹端部形成的银纹,是裂纹端部塑性屈服的一种形式。纹端部塑性屈服的一种形式。总结:总结:银纹可分为银纹可分为3 3类类:材料表面银纹、裂缝:材料表面银纹、裂缝(crackcrack)尖端部位银纹、材料内部银纹。)尖端部位银纹、材料内部银纹。20单一应力作用下引发的银纹称为单一应力作用下引发的银纹称为应力银纹应力银纹。蠕。蠕变过程、交变应力下可形成银纹;应力和溶剂联变过程、交变应力下可形成银纹
14、;应力和溶剂联合作用下生成的银纹叫合作用下生成的银纹叫应力溶剂银纹应力溶剂银纹。银纹的外形与银纹的外形与裂纹裂纹相似,但是结构不同:裂纹相似,但是结构不同:裂纹体中是空的,而银纹体是由银纹质和空洞组成。体中是空的,而银纹体是由银纹质和空洞组成。空洞的体积占空洞的体积占50507070,银纹质是取向的高分,银纹质是取向的高分子或者高分子微小聚集体组成的微纤。两银纹面子或者高分子微小聚集体组成的微纤。两银纹面间的距离称为银纹的厚度,一般为间的距离称为银纹的厚度,一般为0.10.12m2m。21银纹体的密度低于本体聚合物。应力发白是怎银纹体的密度低于本体聚合物。应力发白是怎么产生的?银纹体的折射率低
15、于未银纹化的本体么产生的?银纹体的折射率低于未银纹化的本体聚合物的,因此银纹面能反射光。在满足全反射聚合物的,因此银纹面能反射光。在满足全反射角度下观察银纹面时,银纹界面特别明亮。角度下观察银纹面时,银纹界面特别明亮。银纹具有一定的强度。外力作用下,银纹体可银纹具有一定的强度。外力作用下,银纹体可以屈服,银纹质中微纤发生形变,并发生取向,以屈服,银纹质中微纤发生形变,并发生取向,产生应变硬化作用。产生应变硬化作用。22236.2.3 6.2.3 聚合物共混物的大形变聚合物共混物的大形变 24下面主要以下面主要以橡胶增韧塑料橡胶增韧塑料为例,说明为例,说明共混物的形变特点共混物的形变特点。251
16、.分散相的应力集中效应分散相的应力集中效应 对于橡胶增韧塑料,橡胶为分散相。对于橡胶增韧塑料,橡胶为分散相。橡胶的模量低,容易沿应力方向伸长橡胶的模量低,容易沿应力方向伸长变形变形,所以负,所以负荷主要由连续相来承担。荷主要由连续相来承担。在外力作用下,橡胶颗粒成为应力集中的核心。在在外力作用下,橡胶颗粒成为应力集中的核心。在橡胶颗粒的赤道上,应力集中最大,就成为局部形橡胶颗粒的赤道上,应力集中最大,就成为局部形变的核心。变的核心。此时,橡胶颗粒表面可以引发银纹的产生,也可以此时,橡胶颗粒表面可以引发银纹的产生,也可以引发剪切带的生成。主要是银纹的生成。引发剪切带的生成。主要是银纹的生成。26
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