2、高分子材料 （polymer materials）

1、2、高分子材料的性能特點(diǎn),2.1 聚合物的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)??性能,,分子、材料設(shè)計(jì),指定性能 ? 的聚合物,?改造現(xiàn)有 聚合物,結(jié)構(gòu)：組成物質(zhì)的不同尺度的結(jié)構(gòu)單元的空間排布。,分子運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ),,分子內(nèi)、分子間相互作用的表現(xiàn),聚合物性能的決定因素,聚合物的結(jié)構(gòu),,高分子鏈結(jié)構(gòu)凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),2.1 聚合物的結(jié)構(gòu),? 大分子鏈的化學(xué)組成,? 重復(fù)單元的連接方式,? 重復(fù)單元的空間排列方式,? 大分子鏈的幾何形狀,?

2、共聚物大分子鏈的序列結(jié)構(gòu),? 非晶態(tài),? 結(jié)晶態(tài),? 液晶態(tài),? 取向態(tài),分子內(nèi)作用,分子間作用,鏈內(nèi)相互作用達(dá)到平衡時(shí)，大分子鏈中原子或基團(tuán)之間的幾何排列,鏈間相互作用達(dá)到平衡時(shí)，單位體積內(nèi)大分子鏈之間的幾何排列,? 重復(fù)單元的連接方式,單體,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),頭-尾連接,頭-頭連接（尾-尾連接）,? 重復(fù)單元的空間排列方式,? 幾何異構(gòu)? 立體異構(gòu),大分子鏈上存在雙鍵，雙鍵所連原子或基團(tuán)的排列方式存在順式

3、、反式構(gòu)型。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),.,2.1 聚合物結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),? 重復(fù)單元的空間排列方式,? 幾何異構(gòu)? 立體異構(gòu),由于不對(duì)稱(chēng)碳原子存在于分子中引起的異構(gòu)現(xiàn)象。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),碳原子所連接的4個(gè)原子或基團(tuán)各不相同時(shí),大分子鏈上存在雙鍵，雙鍵所連原子或基團(tuán)的排列方式存在順式、反式構(gòu)型。,全同立構(gòu),間同立構(gòu),無(wú)規(guī)立構(gòu),*,*,*,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),,等規(guī)立構(gòu),? 共聚

4、物類(lèi)型及序列結(jié)構(gòu),Figure 2.1 Schematic representation of (a) random（無(wú)規(guī)）, (b) alternating（交替）, (c) block（嵌段）, (d) graft（接枝） copolymer.

5、The two different mer types are designated by black and colored circles.,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),? 大分子鏈骨架的幾何結(jié)構(gòu),Liner 線型(形),Figure2.2 Schematic representation of Covalent chain structure,Cross-linked 交聯(lián),Branched 支化,

6、Network（3D） 網(wǎng)狀,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),Figure 2.3 A comparison of dendritic and hyperbranched structures,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-高分子鏈結(jié)構(gòu),聚合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 高分子鏈之間的幾何排列結(jié)構(gòu)。,? 影響材料使用性能的直接因素。,分子間的相互作用,,非晶態(tài) 晶態(tài) 液晶態(tài) 取向態(tài),,? 依賴(lài)材料的加工過(guò)程。,2.1

7、 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 不存在氣態(tài)。,升溫并不能使高分子鏈與高分子鏈分離而氣化成孤立的高分子鏈。,分子間作用力很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)高分子鏈的共價(jià)鍵鍵，能，當(dāng)能量還不足以克服分子鏈間的相互作用時(shí)，主鏈的化學(xué)鍵已先被破壞，產(chǎn)生了熱分解。,? 非晶態(tài)（無(wú)定形）,? 高分子鏈各自伸展、卷曲、纏繞；,? 高分子鏈之間互相貫穿，彼此纏結(jié)，如糾纏在一起 無(wú)規(guī)線團(tuán)。,1949年，F(xiàn)lory提出“無(wú)規(guī) 線

8、團(tuán)模型”,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 晶態(tài),? 高分子鏈之間有序排列；,? 聚合物晶體具有不完善性，常用結(jié)晶度來(lái)衡量。,聚乙烯形成的 正斜方晶結(jié)構(gòu)模型,? 纓狀膠束（兩相結(jié)構(gòu)模型）、折疊鏈模型、 隧道-折疊鏈模型、插線板模型……　 - 迄今還沒(méi)有一個(gè)模型能用來(lái)描述所有高分子在結(jié)晶 過(guò)程中的分子鏈行為。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)

9、結(jié)構(gòu),描述結(jié)晶部分在整個(gè)個(gè)聚合物中所占的百分?jǐn)?shù),? 纓狀膠束模型簡(jiǎn)介,Figure2.4 Fringed-micelle model of a semicrystalline polymer, showing both crysalline and amorphous regions.,晶區(qū)與非晶區(qū)互相穿插，同時(shí)存在,晶區(qū)尺寸比分子鏈的長(zhǎng)度小很多，且無(wú)規(guī)取向,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),©2003 Brooks/C

10、ole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning? is a trademark used herein under license.,Figure 2.5 The folded chain ,model for crystallinity in polymers, shown in (a) two dimensions and (b) three di

11、mensions.,? 折疊鏈模型簡(jiǎn)介,聚合物結(jié)晶中，分子鏈以折疊的帶狀形式堆砌起來(lái)。,一條分子鏈可以在一個(gè)晶片中折疊后再進(jìn)入另一個(gè)晶片中折疊,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),,單晶 球晶　樹(shù)枝狀晶體　串晶　纖維狀晶體　 伸直鏈晶片 ……..,? 主要結(jié)晶形態(tài):,結(jié)晶條件不同，生成都高分子晶體的宏觀、亞微觀形態(tài)不同。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 結(jié)晶對(duì)高聚物性能的影響,? 結(jié)晶提高聚合物

12、 密度 硬度 耐熱性 拉伸強(qiáng)度,? 結(jié)晶降低聚合物 溶解性 透氣性

13、 韌性 透明性,,鏈間規(guī)整排列， 減少了空隙,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),,分子間作用力?,結(jié)晶度>40%，塑料的使用溫度可高達(dá)結(jié)晶聚合物的熔點(diǎn),表2-1 　兩種聚乙烯*性能比較,* LDPE 低密度聚乙烯（支鏈）；HDPE高密度聚乙烯（線型）,HDPE,LDPE,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),表2-1 　兩種聚乙烯*性能比較,* LDPE 低

14、密度聚乙烯（支鏈）；HDPE高密度聚乙烯（線型）,* 影響高聚物結(jié)晶的結(jié)構(gòu)因素和外界條件,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 液晶態(tài),介于液態(tài)（非晶態(tài)）和固態(tài)之間的中介相。,?　具有晶體的各向異性。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),?　物理狀態(tài)為液體，具有流動(dòng)性、連續(xù)性。,各向異性,各向同性,各向異性,位置無(wú)序的固體 或取向有序的液體,向列型nematic state,近晶型smectic state,? 液晶態(tài)結(jié)構(gòu)類(lèi)型,

15、膽甾型cholesteric state,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-聚集態(tài)結(jié)構(gòu),? 高分子液晶形成條件：,? 長(zhǎng)徑比很大，剛性的高分子可能有液晶態(tài)；,? 若形成膽甾型液晶還必須含有不對(duì)稱(chēng)碳原子。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 聚合物液晶的主要分類(lèi)方法,?　制備方法 ? 分子結(jié)構(gòu),熱致性液晶 （ ? 晶體熔化 ）溶致性液晶 （?晶體在溶劑中溶解）,主鏈型液晶 側(cè)鏈型液晶,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),液晶基元

16、（液晶原） : 能滿(mǎn)足形成液晶相要求的， （mesogen） 具有一定長(zhǎng)徑比的結(jié)構(gòu)單元。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)態(tài)結(jié)構(gòu),? 　未取向的聚合物材料是各向同性。,? 　取向聚合物材料是各向異性,取向：外力作用下，分子鏈、晶區(qū)沿外力方向平行排列。,? 取向態(tài),力學(xué)性能,,,與取向平行的方向,與取向垂直的方向,強(qiáng),弱,物理、化學(xué)性能不因方向的不同而有所變化。,物理、化學(xué)性能因方向的不同而表現(xiàn)出一定

17、的差異。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),降低溫度可使已取向的結(jié)構(gòu)固定下來(lái),合成纖維的定向拉伸：,薄膜單向拉伸：,? 聚合物的取向一般有兩種方式：,? 單軸取向：在一個(gè)軸向上施以外力，使分子鏈、晶區(qū) 沿一個(gè)方向取向。,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),裂膜纖維,薄膜加工纖維（成纖化）,? 雙軸取向：一般在兩個(gè)垂直方向施加外力。,PMMA防爆材料：,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),? 取向度：反

18、映高分子材料經(jīng)外場(chǎng)作用后的取向程度。,體現(xiàn)取向材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的重要指標(biāo)之一,力學(xué)性能、熱性能、光學(xué)性能……有非常顯著的影響，發(fā)生各向異性。,利用各向異性測(cè)量,* 取向度的影響因素 ~高聚物的結(jié)構(gòu)、加工條件……,2.1 聚合物的結(jié)構(gòu)-凝聚態(tài)結(jié)構(gòu),2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),相 態(tài),凝聚態(tài),熱力學(xué)概念,動(dòng)力學(xué)概念,? 根據(jù)物質(zhì)對(duì)外場(chǎng)（外部作用）特別是外力場(chǎng) 的響

19、應(yīng)特性劃分。,? 按物質(zhì)力學(xué)性能隨溫度變化的特性劃分。,力學(xué)狀態(tài),動(dòng)力學(xué)概念,與外力作用速度、溫度相關(guān),,物質(zhì)從一種平衡狀態(tài),與外界條件相適應(yīng)的另一種平衡狀態(tài),,外場(chǎng)作用下,通過(guò)分子運(yùn)動(dòng),,低分子是瞬變過(guò)程 （10-9 ～ 10-10 s）,,,各種運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)均需克服內(nèi)摩擦阻力，不可能瞬時(shí)完成。,運(yùn)動(dòng)單元多重性：鍵長(zhǎng)、鍵角、側(cè)基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段、分子鏈,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài)--分子運(yùn)動(dòng),高分子：10-1 ～ 10

20、+4 s,一個(gè)松弛過(guò)程,對(duì)時(shí)間有依賴(lài)性,,,,,,,,,,i,i+1,內(nèi)旋轉(zhuǎn),一個(gè)鍵運(yùn)動(dòng)會(huì)牽連著i個(gè)鍵，這i個(gè)鍵就組成了一個(gè)鏈段。鏈段是高分子特有的運(yùn)動(dòng)單元。,高分子是由若干個(gè)鏈段串聯(lián)在一起構(gòu)成的。,2.2 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)--鏈段,1,2,3,形變-溫度曲線（熱機(jī)械曲線？）實(shí)驗(yàn)示意,等速升溫,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),? 非晶態(tài)聚合物的力學(xué)三態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài) ? 玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度：玻璃化溫度 Tg

21、 ； 高彈態(tài)和粘流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度： 粘流溫度 Tf,圖2.6 線型無(wú)定形高聚物形變-溫度曲線,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),玻璃態(tài),T<Tg,（2）力學(xué)特征：形變量小(0.01 ～ 1%)，模量高(109 ～ 1010 Pa)。 形變與時(shí)間無(wú)關(guān)，呈普彈性。,（3）常溫下處于玻璃態(tài)的聚合物通常用作塑料和纖維。,（1）分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制：鍵長(zhǎng)、鍵角的改變。,2.2 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)

22、,,高彈態(tài),Tg ～Tf,（1）分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制：鏈段（鏈段 “解凍”，可以運(yùn)動(dòng)）,（2）力學(xué)特征：,形變量大，100-1000﹪模量小，105-107Pa形變可逆，一個(gè)松弛過(guò)程,,,,,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),,高彈態(tài),Tg ～Tf,（1）分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制：鏈段“解凍”，可以運(yùn)動(dòng),（2）力學(xué)特征：,形變量大，100-1000﹪模量小，105-107Pa形變可逆，一個(gè)松弛過(guò)程,（3）常溫下處于高彈態(tài)的高聚物用作彈性體材料。,,,,,

23、粘流態(tài),Tf ～ Td,（2）力學(xué)特征：形變量很大（流動(dòng)） 形變不可逆 模量極小,（3）整鏈運(yùn)動(dòng)是加工成型基礎(chǔ),（1）分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制：整鏈分子產(chǎn)生相對(duì)位移,分解溫度： 聚合物鏈發(fā)生明 顯降解時(shí)的溫度,分段進(jìn)行：通過(guò)鏈段的逐段位移(相繼躍遷)實(shí)現(xiàn),* 高聚物的Tf與哪些因素有關(guān)？,2.2 高分子材料的力學(xué)狀態(tài),? 結(jié)晶聚合物的力學(xué)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)變,? 結(jié)晶聚

24、合物的非晶區(qū)具有非晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài),? 輕度結(jié)晶聚合物 ? 非晶區(qū)進(jìn)入高彈態(tài)，晶區(qū)起交聯(lián)點(diǎn)作用。整個(gè)材料 具有韌性和強(qiáng)度。,? 結(jié)晶度>40% ? 晶區(qū)貫穿成連續(xù)相。觀察不到明顯的非晶區(qū)玻璃 化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。,? 能否觀察到高彈態(tài)，取決于聚合物的摩爾平均質(zhì)量。,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),圖2.7 高結(jié)晶聚合物的形變-溫度曲線,考慮：① 聚合物的摩爾平均質(zhì)量與粘流溫度的關(guān)

25、系； ② 粘流溫度與熔點(diǎn)的關(guān)系。,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),提問(wèn)：交聯(lián)、網(wǎng)狀聚合物是否有粘流態(tài)？,Cross-linked 交聯(lián),Network（3D） 網(wǎng)狀,答案：不出現(xiàn)粘流態(tài)。,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),? Tg的重要性,? 玻璃化轉(zhuǎn)變是高聚物的一種普遍現(xiàn)象。,? 發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，許多物理性能發(fā)生急劇變化，可完全 改變材料的使用性能： ? T>Tg 時(shí)高聚物處于高彈態(tài)（彈性體）

26、 ? T<Tg 時(shí)高聚物處于玻璃態(tài)（塑料、纖維）,? Tg是決定材料使用范圍的重要參數(shù)： ? Tg 是橡膠的最低使用溫度 ? Tg 是塑料的最高使用溫度,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),? 表征材料力學(xué)性能的基本指標(biāo),2.3 高分子材料的力學(xué)性能,? 應(yīng)力-應(yīng)變,? 彈性模量 - ? 拉伸（楊氏）模量 ? 剪切（剛性）模量 ? 體積（本體）模量,

27、? 硬度,? 機(jī)械強(qiáng)度 - ? 拉伸（抗張）強(qiáng)度 ? 彎曲強(qiáng)度 ? 沖擊強(qiáng)度,電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,? 應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Stress-strain curve,標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣,外力作用而不產(chǎn)生慣性移動(dòng)時(shí)其幾何形狀和尺寸所發(fā)生的變化。,單位面積上的內(nèi)力。,實(shí)驗(yàn)條件：GB/T1040-2006 塑料拉伸性能試驗(yàn)方法

28、 GB/T528-2009 硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定,,,,,,,,,,A,Y,B,Yielding point 屈服點(diǎn),Point of elastic limit 彈性極限點(diǎn),Breaking point 斷裂點(diǎn),,,,Strain softening 應(yīng)變軟化,,Forced high elastic deformation受迫高彈形變,Strain hardening 應(yīng)變硬化,,,

29、?y,O,,N,D,圖2.8 聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,圖2.7 高結(jié)晶聚合物的熱機(jī)械曲線,考慮：① 聚合物的摩爾平均質(zhì)量與粘流溫度的關(guān)系； ② 粘流溫度與熔點(diǎn)的關(guān)系。,2.2 高聚物的力學(xué)狀態(tài),是否觀察到高彈態(tài)，取決于Tm與Tf的關(guān)系,,非結(jié)晶區(qū)的Tf與聚合物的摩爾平均質(zhì)量有關(guān)，摩爾平均質(zhì)量高， Tf高。,若Tf > Tm，結(jié)晶區(qū)熔解后，非晶區(qū)仍處于高彈態(tài)，所以可觀察

30、到高彈態(tài)。,若Tf < Tm，非晶區(qū)已進(jìn)入粘流態(tài)，晶區(qū)還未熔解，所以觀察不到高彈態(tài)。,2.2 高分子材料的力學(xué)狀態(tài),軟~硬：模量,強(qiáng)~弱：拉伸強(qiáng)度,韌~脆：斷裂能,,,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,acrylonitrile–butadiene–styrene Copolymer(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物) 韌-剛-硬,在屈服點(diǎn)之前的斷裂，稱(chēng)為脆性斷裂。,在屈服點(diǎn)之后的斷裂，稱(chēng)為韌性斷裂。,? 高彈性,

31、2.3 高分子材料的力學(xué)性能,又稱(chēng)橡膠彈性。聚合物（Tg<T<Tf）在不大的外力作用下，可以產(chǎn)生較大的形變。卸載后，形變幾乎完全回復(fù)。,高彈態(tài)聚合物最重要的力學(xué)性能,高彈性是基于鏈段運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征,,,,,,,,,,i,i+1,內(nèi)旋轉(zhuǎn),一個(gè)鍵運(yùn)動(dòng)會(huì)牽連著i個(gè)鍵，這i個(gè)鍵就組成了一個(gè)鏈段。鏈段是高分子特有的運(yùn)動(dòng)單元。,高分子是由若干個(gè)鏈段串聯(lián)在一起構(gòu)成的。,2.2 高分子材料的力學(xué)狀態(tài)--鏈段,? 高彈性,? 高彈性的特點(diǎn)：,

32、2.3 高分子材料的力學(xué)性能,又稱(chēng)橡膠彈性。聚合物（Tg<T<Tf）在不大的外力作用下，可以產(chǎn)生較大的形變。卸載后，形變幾乎完全回復(fù)。,高彈態(tài)聚合物最重要的力學(xué)性能,? 彈性模量小；,橡膠: 0.2-8 MPa鋼：20000 MPa；HDPE: 200 MPa；PS:2500 MPa,形變量一般～500%，可達(dá)1000%。,? 形變量很大；,高彈性是基于鏈段運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,? 高彈形變具有時(shí)

33、間依賴(lài)性；,高彈形變時(shí)分子運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間,? 形變過(guò)程有明顯的熱效應(yīng),彈性體：拉伸——放熱 回縮——吸熱,溫度?，鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，回縮力?，維持相同形變所需的作用力? ? 抵抗變形的能力升高。,? 溫度升高，彈性模量增大 ；,鏈段運(yùn)動(dòng)從無(wú)序到有序，熵減少； 克服分子間內(nèi)摩擦； 分子間規(guī)整排列或可形成結(jié)晶,具力學(xué)松弛特性,? 粘彈性,,外力作用時(shí)，同時(shí)發(fā)生高彈變形和粘性流動(dòng)。,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,聚

34、合物最重要的力學(xué)性能之一,Figure 2.9 Various types of strain response to an imposed stress.,,靜態(tài)粘彈性 動(dòng)態(tài)粘彈性,蠕變 應(yīng)力松弛,,,聚合物粘彈性,：溫度、應(yīng)力一定，隨時(shí) 間的延長(zhǎng)形變?cè)黾印?：溫度、形變一定，應(yīng)力 隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小。,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,力學(xué)松弛行為,,滯后

35、 力學(xué)損耗（內(nèi)耗）,,圖2.6 蠕變、應(yīng)力松弛示意圖.,蠕變,應(yīng)力松弛,,? 蠕變過(guò)程包括 三種形變,圖2-10 線形非晶態(tài)聚合物的蠕變及回復(fù)曲線,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,普彈形變?chǔ)?,運(yùn)動(dòng)單元：鍵長(zhǎng)、鍵角形變特點(diǎn)：形變量小，與時(shí)間無(wú)關(guān)，形變 可完全回復(fù),高彈形變?chǔ)?,運(yùn)動(dòng)單元：鏈段形變特點(diǎn)：形變量大，與時(shí)間有關(guān)，可逐 漸回復(fù),粘性流

36、動(dòng)ε3,運(yùn)動(dòng)單元：分子鏈形變特點(diǎn)：不可逆形變,提高材料抗蠕變性能的途徑:,,? 蠕變大小反映了材料尺寸的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期負(fù)載能力。,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,a. 提高聚合物的玻璃化溫度Tg；,降低鏈段、分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)能力,如：使聚合物含有苯環(huán)等剛性鏈,如：引入側(cè)基；增加側(cè)基極性，提高分子鏈間的相互作用……,聚合物 PE PP PS,側(cè)基 -H

37、 -CH3,Tg /℃ -68 -10 97,,側(cè)基變大，Tg增大,PE,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,PVC,-Cl,87,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,聚氯乙烯 Tg = 87 ℃,聚偏二氯乙烯 Tg = ? 17 ℃,聚丙烯 Tg = -10 ℃,聚異丁烯 Tg = ? 70 ℃,對(duì)稱(chēng)性雙取代 ? 偶極抵消一部分，大分子的極性? ? Tg ?,對(duì)稱(chēng)

38、性雙取代 ?主鏈間的距離 ? ? Tg?,提高材料抗蠕變性能的途徑:,,? 蠕變大小反映了材料尺寸的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期負(fù)載能力。,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,a. 提高聚合物的玻璃化溫度Tg；,b. 防止分子間的相對(duì)滑移。,降低鏈段、分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)能力,如：使聚合物含有苯環(huán)等剛性鏈,如：引入化學(xué)交聯(lián),如：引入側(cè)基、增加側(cè)基極性，提高分子鏈間的相互作用,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,表2.2 幾種材料的機(jī)械強(qiáng)度,? 高分子材料的力學(xué)性能特

39、點(diǎn),? 強(qiáng)度低，比強(qiáng)度高,衡量材料質(zhì)輕高強(qiáng)的重要指標(biāo),? 高分子材料的力學(xué)性能特點(diǎn),? 強(qiáng)度低，比強(qiáng)度高,2.3 高分子材料的力學(xué)性能,? 具有高彈性 橡膠 — 典型的高彈性材料：彈性變形率為100%～1000% 彈性模量?jī)H為～1MPa,? 高耐磨性 塑料的摩擦系數(shù)小，有些塑料具有自潤(rùn)滑性能。,? 具有粘彈性

40、,? 聚合物高電阻率 ? 可能積累大量靜電荷,? 高絕緣性；,? 低耐熱性；通用高分子材料的耐熱溫度 < 200℃,? 低導(dǎo)熱性：金屬的1/500-1/600,? 高熱膨脹性：比金屬大3-10倍,2.4 高分子材料的物化性能特點(diǎn),耐高溫聚合物—聚酰亞胺,? 較易老化。,? 高分子材料在貯存、使用過(guò)程中，由于自身結(jié)構(gòu)， 或受光，熱，氧，機(jī)械力、生物侵蝕等影響，性能 逐漸變壞，直至喪失

41、使用價(jià)值的現(xiàn)象。,2.4 高分子材料的物化性能特點(diǎn),? 防止老化措施： ? 改變自身結(jié)構(gòu)； ? 加入防老化劑； ? 表面處理：鍍金屬或涂抗老化涂料。,作業(yè)：,一、名詞術(shù)語(yǔ)解釋 1、結(jié)晶度; 2、玻璃化溫度（Tg） 3、液晶態(tài)； 4、應(yīng)變；5、蠕變二、簡(jiǎn)答 1、為什么高聚物沒(méi)有氣態(tài)？ 2、簡(jiǎn)要闡述高聚物的粘彈性。 3、描述高分子材料的軟硬、強(qiáng)弱和韌脆

42、的指標(biāo)分別是什么？ 4、取向態(tài)與結(jié)晶態(tài)在有序性上的不同表現(xiàn)在哪里？ 5、請(qǐng)說(shuō)明非晶態(tài)聚合物力學(xué)三態(tài)的運(yùn)動(dòng)單元。三、論述題 1、聚合物為什么不存在氣態(tài)？ 2、畫(huà)出塑料材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并對(duì)其進(jìn)行描述？ 3、高分子材料的使用溫度同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有什么關(guān)系？ 4、為什么取向態(tài)在熱力學(xué)上是一種非平衡態(tài)，如何相對(duì)穩(wěn)定取向結(jié)構(gòu)？ 5、分析高聚物的結(jié)晶度對(duì)材料力學(xué)強(qiáng)度的影響。四、拓展性問(wèn)題 如何提高聚合物的耐

43、熱性能?,“for the design and synthesis of molecular machines”,2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),* 索維奇 法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)* 斯托達(dá)特 美國(guó)西北大學(xué)* 費(fèi)林加 荷蘭格羅寧根大學(xué),2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),“分子馬達(dá)” 之于 “電動(dòng)機(jī)”,電車(chē)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇、食品加工機(jī)……,機(jī)械鍵,索維奇，1983,斯托達(dá)特，1991,費(fèi)林加，1999,新材料、傳感器、儲(chǔ)能系