第1章1 高分子聚合物的结构特点与性能ppt课件

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1、第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,目的和要求：,掌握高分子聚合物的结构特点； 掌握聚合物的热力学性能（三种力学状态）； 掌握热塑性、热固性聚合物的流变学性质特点，影响假塑性液体流变性的主要因素；聚合物成型过程中的物理化学变化（聚合物的取向、聚合物的降解） 掌握流变学相关概念 牛顿流体、非牛顿流体、假塑性流体、剪切速率、牛顿粘度、表观粘度、表观剪切速率、 掌握聚合物成型过程中的流动知识：流动与流变方程 掌握聚合物成型过程中的理化变化：聚合物的取向、结晶、降解、铰链。,作业：6、8题 参考书： 高分子物理成都科技大学编1990 高分子物理学梁伯润主编2000,第一章 高分子聚合物的结构特点与性

2、能,1.1 高分子聚合物的结构特点 （研究高分子结构-性能关系） 1.2 聚合物的热力学性能（研究形变温度的关系） 1.3 聚合物的流变学性质（研究变形流动的关系）研究高分子聚合物的结构的意义 1.4 聚合物熔体在成型过程中的流动状态高分子材料定义（研究流动方程） 1.5 聚合物成型过程中的物理化学变化高分子材料的结构,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,研究意义：塑料的主要成分是树脂（天然、合成），树脂是高分子聚合物，分子量大，其热力学，流变学、成型流动有其自身特点。 聚合物的使用与加工性能由聚合物的结构决定。 1.1高分子聚合物的结构特点（研究高分子结构-性能关系 ） 聚合物的结构：主要

3、包括高分子链结构和聚集态结构 1.1.1高分子材料定义 高分子材料：以高分子化合物为主要组分的材料，又叫高聚物材料 高分子：相对分子质量 500的称为低分子化合物； 5000的称为高分子化合物；,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.1高分子聚合物的结构特点（研究高分子结构-性能关系 ） 1.1.2高分子材料的结构(高分子链结构和聚集态结构) 高分子链：由一种或几种简单的低分子有机化合物以共价键重复连接而成。 单体：凡是可以聚合生成大分子链的低分子化合物叫做单体。 例：氯乙烯（CH2CHCl）就是聚氯乙烯的单体。 反应式：n（CH2一CHCl） CH2一CHCl n 链节：大分子链中的重复

4、结构单元叫链节， CH2一CHCl 聚合度：大分子链中链节的重复次数称为聚合度。n即为聚合度。 大分子链长：聚合度越高，分子链越长， 链节数越多。聚合度反映了大分子链的长短,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.1高分子聚合物的结构特点（研究高分子结构-性能关系 ） 高分子链结构特点与性能： 高分子呈现链式结构： 线型高聚物 支链型高聚物 体型高聚物,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,高聚物的聚集态结构与性能 1)小分子的聚集态结构 ）高聚物的聚集态结构 3）高聚物的聚集态结构特点 4）高分子聚合物的结构对性能的影响,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,高聚物的聚集态结构与性能 聚集

5、态结构：是指平衡态时分子与分子之间的几何排列。 1)小分子的聚集态结构 三种基本类型； 晶态：分子(或原子、离子)间的几何排列具有三维远程有序。 液态：只有近程有序 气态：既无远程有序，又无近程有序 两种过渡状态： 玻璃态：象固体具有一定的形状和体积，又象液体近程有序 ，如玻璃。 液晶态：既能流动，分子间排列又具有相当程度的有序性。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,高聚物的聚集态结构特点 ）聚合物的结构与种类 聚合物的种类：结晶性聚合物、无定形聚合物 结晶性聚合物组成：晶区非晶区 聚合物的聚集态结构种类 ： 晶态结构、非晶态结构（玻璃态、橡胶态、粘流态 ）、液晶态结构和取向态结构。 聚集

6、态结构模型,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,高聚物的聚集态结构特点 ）高聚物的聚集态结构 链状结构与聚集态结构关系： 线型高聚物：按结晶度可分为晶态和部分晶态两类， 体型高聚物：只能为非晶态（玻璃态） 结晶度：用来表示聚合物中结晶区域所占的比例，聚合物结晶度变化的范围很宽，一般从3080 ； 影响聚合物结晶的因素：内部结构的规整性（主链上带有的侧基体积小，对称性高）；外部的浓度、溶剂、温度等。结构越规整，越容易结晶，反之则越不容易，成为无定型聚合物。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,高聚物的聚集态结构特点 3）高聚物的聚集态结构 高聚物的晶态结构：结晶很完整的高聚物中也还存在结晶的

7、缺陷部分，比小分子物质的晶态有序程度差得多； 高聚物的非晶态结构：不象低分子液体那样杂乱无章，比小分子物质液态的有序程度高而具有一定的有序性，称为近程有序。但分子链的几何排列是属于液相结构的非晶固体。 高聚物不存在气态：因高聚物的分子且很大，分子间的作用力很大，要使高分子汽化所需要的热量大于分子中键能，高分子在汽化前早已分解，而不可能有气态高分子。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,高聚物的聚集态结构特点 4）高分子聚合物的结构对性能的影响： 线型高聚物：具有可溶性和可熔性，成型后性质不变，可多次成型 体型高聚物：成型前是可溶和可熔，成型后变成既不溶解又不熔融的固体，不能再次成型。 结晶：

8、造成了高分子的紧密积聚态，增强了分子间的作用力，使聚合物的强度、硬度、刚度及熔点、耐热性和耐化学性等都有所提高；而那些与键运动有关的性能（如弹性、伸长率和冲击强度等）则降低。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,12 聚合物的热力学性能（研究形变温度的关系） 1.2.1聚合物分子运动单元的多重性 高分子运动主要包括四种类型。 分子链的整体运动： 链段的运动： 链节、支链和侧基的运动： 晶态聚合物的晶区内也存在分子运动,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.2.2聚合物的热力学性能 1非晶态高聚物的热力学性能 (1)典型理化性质温度,脆化温度（b） 高聚物呈脆性的最高温度称脆化温度， 玻璃

9、化温度（g） 高聚物呈玻璃态的最高温度为玻璃化温度；是塑件的最高使用温度。 粘流温度（f） 产生粘流态的最低温度称为粘流温度。是塑料的最低成型温度。 化学分解温度（d） 高聚物在高温下开始发生化学分解的温度；是塑料的最高成型温度。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,(2)三种力学状态 玻璃态：当bg时，高聚物呈玻璃态符合虎克定律；是塑料和纤维使用状态。 高弹态：gf时 从玻璃态转入了能自由运动的高弹态，是橡胶的使用状态 粘流态：fd时 从而使高聚物成为流动的粘液，进行成型加工,1.2.2聚合物的热力学性能 1非晶态高聚物的热力学性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,2线型结晶高聚物的

10、力学状态 完全晶态高聚物，有固定的熔点f，而没有高弹态； 部分晶态线型高聚物：高聚物内部既存在着晶态区又存在着非晶态区，所以在gm，之间出现种既韧又硬的皮革态。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.3聚合物的流变学性质（研究变形流动的关系） 研究目的：聚合物的成型必须依赖自身的变形和流动实现，变形和流动与产品质量相关。 流变学：研究物质变形与流动的学科。介于力学、化学和工程科学之间的边缘科学； 流变性：流体在受到外部剪切力作用时发生变形(流动)流体内部相应要产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来。这是流体的一种固有物理属性。 聚合物在成型过程中的流变学性质：主要指粘度随切应力、剪切速

11、率改变而产生的变化的性质。 聚合物流变学研究内容： 聚合物在成型过程外力作用下产生的力学现象（如应力、应变及应变速率等 ）与自身粘度之间的关系； 影响聚合物流动的各种因素（成型温度、成型压力等。）,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.3聚合物的流变学性质（研究变形流动的关系） 1.3.1 牛顿流动规律 聚合物溶体分类：牛顿流体、非牛顿流体。 牛顿流体：受力后极易变形（流动），切应力与剪切变形速率成线性关系的低粘性流体 。液体流动时，其粘度不随剪应力、剪切速率的大小而改变，始终保持常数。 非牛顿流体凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。黏度系数在剪切速率变化时不能保持为常数的流体 流体在管内

12、的流动状态（层流与湍流）。 层流的特征：流体质点的流动方向与流道轴线平行，其流动速度也相同，所有流体质点的流动轨迹均相互平行。Re2300 湍流的特点：质点的流动轨迹成紊乱状态，如图15b所示。R。2300 流体的流动状态转变（由层流变为湍流）条件为,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.3.1 牛顿流动规律,磨擦阻力F1为流体流动对所产生的磨擦阻力。在达到稳态流动后，F-F1 切应力 流动方向单位面积的剪切力，反映了流体内摩擦的粘滞阻力；(Pa)。 速度V在恒定切切应力作用下，流体的剪切应变表现为液层以均匀的速度v沿剪切力作用的方向移动；,牛顿型溶体流动规律分析 流体层流模型研究：流体流

13、动看作许多层彼此相邻的薄液层，沿外力作用的方向进行相对滑移。 剪切力F为外部作用于整个流体的恒定剪切力； 液层面积；A为向两端延伸的液层面积；,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.3.1 牛顿流动规律,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.3.1 牛顿流动规律,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.3.1 牛顿流动规律,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能

14、,1.3.4影响假塑性液体流变性的主要因素 聚合物结构对粘度的影响 链结构:主链结构主要是由单键组成的呈现的非牛顿性较强 支链程度越大粘度就越高，则熔体的流动性就越低。 聚合物的相对分子质量及其分布 相对分子质量较大时，宏观上表现为熔体的表观粘度加大。 分子质量分布越宽，聚合物的熔体粘度就越小，熔体流动性就越好 聚合物中添加剂的影响 增塑剂的加人会使熔体粘度降低从而提高熔体的流动性 温度及压力对聚合物熔体粘度的影响 温度升高，降低粘度提高流动性（主要适用于：对切速率不是很敏感或其熔体流动服从牛顿流动规律的流） 压力升高，聚合物熔体的表观粘度增加。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.4聚

15、合物熔体在成型过程中的流动状态 聚合物熔体在成型过程中的要求： 保证顺利充型、排气、不产生喷射、不产生或少产生熔接痕。 保证压力的传递：在保压阶段能把压力传递到型腔内，压实塑料熔体和材料。 正确地补料：保证塑件尺寸和形状精度，不发生过大的收缩、表面无凹痕，内部物缩孔；不产生过度的补料，降低低温补料带来的内应力。 流道的断面形状：圆形、矩形、 梯形、U字形，薄壁制品其型腔的断面形状可看成是窄缝形流道断面。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,1.4.3成型过程中的流动状态分析（分析提高流动性、降低压力损失的措施） 分析范围（流动的第二区段） 流动过程可以分

16、为三个区段: 第一区段：聚合物熔体在注射机内的旋转螺杆与料简之间进行输送 压缩 熔融塑化 并将塑化好的熔体贮存在料简的端部。 第二区段：喷嘴 模具的主流道、分流道和浇口段。各段流道（包括喷嘴和浇口）长径比较大 ，简单几何形状截面。该段熔体不发生物理 化学变化。（分析重点） 第三区段：型腔段。该段聚合物熔体发生流动 相变与固化 ,其过程非常复杂本书中不作这方面的介绍。,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能,第一章 高分子聚合物的结构特点与性能, 符合指数规律的聚合物熔体流动时的压力损失分析,2）压力损失和流道（包括型腔）的截面尺寸有关： 流道的宽高比影响：矩形流道的深度比宽度对压力损失的影响敏感得多、大得多 因此，深度应尽量小，以便试模后留有返修的余地。 浇注系统的合理截面： 大截面浇口：截面大，熔体流速小，切剪速率小表观粘度增加，流动性降低，压力损失增大。因此 浇口截面的增大有个极限值 这就是大浇口的上限。 小截面浇口：流速愈快，剪切速率大，表观粘度变小 ，提高浇口处的