《高分子物理Cha》课件.ppt

1、第七章第七章 聚合物的粘弹性聚合物的粘弹性本章教学内容、要求及目的教学内容：教学内容：聚合物粘弹性现象、力学模型及数学描述；时温等效原理；粘弹性的研究方法。重点和要求：重点和要求：聚合物材料在受力情况下所产生的各种粘弹现象、分子运动机理、力学模型及数学描述；时温等效原理及其应用 教学目的：教学目的：了解和掌握聚合物的粘弹性行为，指导我们在材料使用和加工过程中如何利用粘弹性、如何避免粘弹性、如何预测材料的寿命。聚合物的粘弹性现象主要内容：聚合物的粘弹性现象聚合物的粘弹性现象蠕变现象应力松弛现象本讲重点及要求：本讲重点及要求：聚合物材料在受力情况下所产生的蠕变和应力松弛的粘弹现象及分子运动机理。普

2、通普通粘粘、弹弹概念概念粘粘 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使一个物质附着在另一个物体上的性质。弹弹 由于物体的弹性作用使之射出去。弹簧 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转等），除去外力后又恢复原状。7.1 材料的粘、弹基本概念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

3、easily材料对外界作用力力的不同响应情况典型典型小分子固固体 弹弹性小分子液液体 粘粘性恒定力或形变恒定力或形变-静态静态变化力或形变变化力或形变-动态动态形变对时间不存在依赖性E虎克定律 Hookes law弹性模量弹性模量 E EElastic modulusElastic modulusIdeal elastic solid 理想弹性体外力除去后完全不回复dtd.牛顿定律Newtons law粘度粘度 ViscosityViscosityIdeal viscous liquid 理想粘性液体弹弹性与性与粘粘性比较性比较弹性弹性粘性粘性能量储存能量耗散形变回复永久形变虎克固体牛顿流体模

4、量与时间无关模量与时间有关E(,T)E(,T,t)dtd.E理想弹弹性体的应力取决于 ，理想粘粘性体的应力取决于 。理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡理想弹性体（如弹簧）在外力作用下平衡形变瞬间达到，与时间无关；理想粘性流体形变瞬间达到，与时间无关；理想粘性流体（如水）在外力作用下形变随时间线性发展。（如水）在外力作用下形变随时间线性发展。聚合物的形变与时间有关，但不成线性关聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物的这种性能称为之间，聚合物的这种性能称为粘弹性粘弹性。聚合物的力学性能随时间的变化统称为聚合

5、物的力学性能随时间的变化统称为力力学松弛学松弛。最基本的力学松弛现象包括蠕变、应。最基本的力学松弛现象包括蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。力松弛、滞后和力学损耗等。理想弹性体、理想粘性液体和粘弹性所有物质均具有粘弹二性高聚物粘弹性 The viscoelasticity of polymers高聚物材料表现出弹性和粘性的结合在实际形变过程中，粘性与弹性总是共存的聚合物受力时，应力同时依赖于形变和形变速率，即具备固、液二性，其力学行为介于理想弹性体和理想粘性体之间。For polymers 对高聚物非牛顿流体与弹性体有区别Comparison理想粘性体理想粘性体理想弹性体理想弹性体交联高聚物交

6、联高聚物线形高聚物线形高聚物力学松弛力学松弛或或粘弹现象粘弹现象高聚物力学性质随时间而变化的现象称为力学松弛或粘弹现象线性粘弹性 Linear viscoelasticity若粘弹性完全由符合虎克定律的理想弹性体和符合牛顿定律的理想粘性体所组合来描述，则称为线性粘弹性线性粘弹性。粘弹性分类静静态粘弹性动动态粘弹性蠕变、应力松弛滞后、内耗Review of relaxation time（1）分子运动的多样性Varieties of molecular movements（2）分子运动与时间的关系The relationship with time（3）分子运动与温度的关系The relatio

7、nship with temperature多种运动单元多种运动方式Small molecules,=10-810-10sHigh molecules,=10-110-4sTT分子运动三特点Time dependence 在一定的温度和外力作用下，高聚物分子从一种平衡态过渡到另一种平衡态需要一定的时间。/0texx)1(/0teE00.10.20.30.40.5020406080100TimeStrainTemperature dependence 分子运动的温度依赖性Eyrig EquationRTEe/0E-松弛所需的活化能 activation energyT T 7.2 Creepin

8、g and Relaxation 蠕变和应力松弛7.2.1 蠕变蠕变 Creep deformation 在恒温下施加一定的恒定外力时，材在恒温下施加一定的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学现象。料的形变随时间而逐渐增大的力学现象。高聚物蠕变性能反映了材料的尺寸稳定性。理想弹性体和粘性体的蠕变和蠕变回复对理想弹性体对理想粘性体 1 1t1t2t普弹形变示意图普弹形变示意图（i）普弹形变普弹形变（1）：）：聚合物受力时，瞬聚合物受力时，瞬时发生的高分子链的键时发生的高分子链的键长、键角变化引起的形长、键角变化引起的形变，形变量较小，服从变，形变量较小，服从虎克定律，当外力除去虎克定律，

9、当外力除去时，普弹形变立刻完全时，普弹形变立刻完全回复。如右图：回复。如右图：01101DE高分子材料蠕变过程包括高分子材料蠕变过程包括三三个形变过程：个形变过程：（ii）高高(滞）滞）弹形变弹形变（2）：）：anelastic 聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间形变量比普弹形变大得多，但不是瞬间完成，形变与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复。如下图：相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复。如下图：2 2t1t2t高弹形变示意图高弹形变示意图High elastic deformat

10、ion)1(/202teE（iii）粘性流动粘性流动（3）：）：受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动不能回复，是不可逆形变。不能回复，是不可逆形变。3 3t1t2t粘性流动示意图粘性流动示意图Viscose flowt03当聚合物受力时，以上三种形变同时发生当聚合物受力时，以上三种形变同时发生 1 2+3t2t1t For polymer deformation加力瞬间，键长、键角立即产生形变回复，形变加力瞬间，键长、键角立即产生形变回复，形变直线上升直线上升通过链段运动，构象变化，使形变增大通过链段运动，构象变化，使形变增大分子链之间发

11、生质心位移分子链之间发生质心位移作用时间问题(A)作用时间短(t小），第二、三项趋于零(B)作用时间长(t大），第二、三项大于第一项，当t，第二项 0/E2 第三项（0t/)表现为普弹(打碎熔体）111EE1EE)1(11/210teEEt表现为粘性（塑料雨衣变形）t0 1 2 3t0t Creep recovery 蠕变回复撤力一瞬间，键长、键角等次级运动立即回复，形变直线下降通过构象变化，使熵变造成的形变回复分子链间质心位移是永久的，留了下来线形线形和交联交联聚合物的蠕变全过程形变随时间增加而形变随时间增加而增大，蠕变不能完增大，蠕变不能完全回复全回复形变随时间增加而形变随时间增加而增大，

12、趋于某一值，增大，趋于某一值，蠕变可以完全回复蠕变可以完全回复线形线形和交联交联聚合物的蠕变回复交联聚合物交联聚合物线形聚合物线形聚合物蠕变的本质：分子链的质心位移如何防止蠕变？关键：减少链的质心位移链柔顺性大好不好？链间作用力强好还是弱好？交联好不好？OCOCnCH3CH3O聚碳酸酯PC Polycarbonate聚甲醛聚甲醛 POM Polyformaldehyde OCH2n强好弱好好不好好不好7.2.2 Stress Relaxation 应力松弛应力松弛在恒温下保持一定的恒在恒温下保持一定的恒定应变时，材料的应力定应变时，材料的应力随时间而逐渐减小的力随时间而逐渐减小的力学现象。学现

13、象。理想弹性体和理想粘性体的应力松弛对理想弹性体对理想粘性体Edtd.const交联和线形聚合物的应力松弛交联聚合物交联聚合物线形聚合物线形聚合物不能产生质心位移，应力只能松弛到平衡值高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕变和应力松弛的根本原因。7.3 Linear viscoelasticity 线性粘弹性可以用 Hookes solid 和 Newton Liquid 线性组合进行描述的粘弹性行为称为线性粘弹性。唯象理论：只考虑现象，不考虑分子运动组合组合方式方式串联并联理想弹性体-Spring 弹簧eeEHookes law理想粘性体-Dashpot 粘壶dtdvvNewtons l

14、aw7.3.1 Maxwell elementveve应力等应力等 应变加应变加特点特点12Maxwell element 受力分析t=0t 增大tKinetic equation 运动方程eeEdtdvvvevedtdEdtd112345蠕变分析 Creep AnalysisdtdEdtd1.const0dtddtdNewton liquid即Maxwell element 描述的是理想理想粘粘性性体的体的蠕变蠕变响应响应567 EettdtEddtdEdtdt的变化形变固定时应力随时间将上式积分时当/00,0,010应力松弛过程应力松弛过程,总形变固定所以总形变固定所以Discussion

15、/)0()(tetE/)0()(teEtE时间无穷大时，应力趋于零，模量趋于零。松弛时间的概念 =/ERTEe/0141414”Relaxation time 松弛时间Whats the meaning of =/E?Pa*s单位 UnitE Pa s松弛时间松弛时间 是一个特征时间物理含义When t=/)0()(tet1)0()(et)0(*368.0/1*)0()(et应力松弛到初始应力的0.368倍时所需的时间称为松弛时间。当应力松弛过程当应力松弛过程完完成成63.2%所需的时间所需的时间称为松弛时间。称为松弛时间。应力松弛时间越短，松弛进行得越快；即 越小，越小，越接近理想粘性；越接近理想粘性；越大，越大，越接近理想弹性。越接近理想弹性。对理想弹性体对理想粘性体Edtd.const缺点:（1）无法描述聚合物的蠕变。Maxwell element 描述的是理想粘性体的蠕变响应。理想粘性体的蠕变响应。（2 2）对交联聚合物不适用，因为交联聚合）对交联聚合物不适用，因为交联聚合物的应力不可能松弛到零。物的应力不可能松弛到零。应用:Maxwell 描述的是线形聚合物的应力松弛现象本讲小结