Chapter7 聚合物的粘弹性 .ppt

版权所有 化学化工学院 二、静态粘弹性 三.动态粘弹性 Dynamic viscoelasticity Maxwell和Kelvin模型比较 橡胶高弹性的本质 ?1 t ?（t） o 相继作用在试样上的两个应力 所引起的应变的线性加和 图19叠加原理 现在考虑具有几个阶跃加荷程序的情况，外力Δ?1， Δ?2， Δ?3……… Δ?n，分别于时间?1， ?2， ?3， ……… ?n作用到试样上，则总形变为： 上式是Boltzmann叠加原理的数学公式，当上式应力连续变化时，可写成积分式。 积分下限取－?是考虑到全部受应力的历史，上式分步积分时假定?（－?）＝0，并引进新变量a＝t－?，得 （二）内 耗 ①内耗产生的原因: 当应力与形变的变化相一致时,没有滞后现象,每次形变所作的功等于恢复形变时所作的功,没有功的消耗 如果形变的变化跟不上应力的变化,发生滞后现象,则每一次循环变化就会有功的消耗 热能 ,称为力学损耗,也叫内耗. 外力对体系所做的功：一方面用来改变链段的构象 产生形变 ,另一方面提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量. ②定义:由于力学滞后或者力学阻尼而使机械功转变成热的现象. 内耗可以从橡胶拉伸—回缩的应力应变曲线上看出： ε1 ε0 ε2 σ ε σ0 回缩 拉伸 图11 硫化橡胶拉伸—回缩应力应变曲线 拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的拉伸功 回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的回缩功 面积之差 损耗的功 滞后环面积越大，损耗越大。通常用Tan?表示内耗的大小. ? 0 ? 应力-应变曲线 ?1’ ?1” ?1 ? ? 图12 橡胶拉伸与压缩循环 ?又称为力学损耗角,常用tan?表示内耗的大小 ③内耗的表达 E” E’ ? 实数模量是储能模量,虚数模量为能量的损耗. 图13 两种模量的关系 Fig. Tg and tan? curves of the films with the different contents of MWCNTs a 0wt% b 0.5wt% c 1.5wt% ④内耗的影响因素 链刚性内耗大, 链柔性内耗小 顺丁橡胶：内耗小，链上无取代基，链段运动的内摩擦阻力小，可做轮胎 丁苯、丁腈橡胶：内耗大。丁苯有一个苯环,丁腈有一个-CN，极性较大，链段运动时内摩擦阻力很大 吸收冲击能量很大,回弹性差 如吸音和消震的材料. a.结构因素: a. 结构因素 b. 温度 c. tan?与?关系 BR＜ NR＜ SBR＜ NBR ＜IIR tgδ由小到大的顺序： b.温度: tan? ? T 解释? T＜Tg：形变主要是键长键角改变引起的形变速度很快，几乎跟的上应力的变化,?很小，内耗小。 T→ Tg：链段开始运动,体系粘度很大,链段运动受的内摩擦阻力很大, 高弹形变明显落后于应力的变化, ?较大，内耗较大。 T＞Tg：链段运动能力增大，?变小内耗变小。因此在玻璃化转变区出现一个内耗极大值。 T→Tf：粘流态,分子间产生滑移内耗大。 Tg T 图14内耗与温度的关系 c.tan?与?关系: 频率很低,链段运动跟的上外力的变化,内耗小,表现出橡胶的高弹性. 频率很高,链段运动完全跟不上外力的变化,内耗小,高聚物呈刚性,玻璃态的力学性质. 外力跟不上外力的比变化,将在某一频率出现最大值,表现出粘弹性 tan? log? 橡胶态 粘弹区 玻璃态 图15内耗与频率的关系 内耗主要存在于交变场中的橡胶制品中，塑料处Tg、Tm以下，损耗小 聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛。 力学性质受到?，T, t，?的影响， 在不同条件下，可以观察到不同类型的粘弹现象。 力学松弛——总结 蠕变:固定?和T、 ? 随t增加而逐渐增大 应力松弛:固定?和T, ?随t增加而逐渐衰减 滞后现象:在一定温度和和交变应力下,应变滞后于应力变化. 力学损耗 内耗 : ?的变化落后于?的变化,发生滞后现象,则每一个循环都要消耗功,称为. 静态的粘弹性 动态粘弹性 力学松弛 具体表现 对于粘弹性的描述可用两条途径:力学理论和分子理论.力学理论可以用模型的方法,推出微分方程来定性的唯象的描述高聚物的粘弹现象 1.Maxwell模型 2.开尔文模型 Kelvin 四. 粘弹性的力学模型: 理想弹簧 理想粘壶 如一个符合虎克定律的弹簧能很好的描述理想弹性体: 一个具有一块平板浸没在一个充满粘度为?,符合牛顿流动定律的流体的小壶组成的粘壶,可以用来描述理想流体的力学行为. 1.Maxwell模型: 特点:两个单元串连而成,外力作用在此模型上时,弹簧和粘壶所受的外力相同, 总应变等于两个应变之和 : ? ?1+?2 应变速率也等于两元件的应变速率之和 Maxwell模型运动方程 用途: