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1、第7章高聚物的力学性质 7.2 聚合物的粘弹性The Viscoelasticity of Polymers本章的主要内容粘 弹 性内部尺度弹性和粘性结合外观表现4个力学松弛现象力学模型描述 时温等效原理实用意义， 主曲线，WLF方程为了加深对聚合物粘弹性的理解和掌握普通粘、弹概念粘 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 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。材料的粘、弹基本概念材料对外界作用力 的不同响应情况典型小分子固体 弹性小分子液体 粘性恒定力或形
2、变-静态变化力或形变-动态形 变 对 时 间 不 存 在 依 赖 性虎克定律 Hookes law弹性模量 EElastic modulusIdeal elastic solid 理想弹性体t1tt2t1tt20000E弹簧外 力 除 去 后 完 全 不 回 复牛顿定律 Newtons law Ideal viscous liquid 理想粘性液体t1tt20t1tt2002粘度 Viscosity形 变 与 时 间 有 关粘壶弹 性 与 粘 性 比 较弹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量与时间无关 模量与时间有关E(,T) E(,T,t)理想弹性体（如弹簧）在外力作用
3、下平衡形变瞬 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。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之间，聚 合物的这种性能称为粘弹性。理想弹性体、理想粘性液体 和粘弹性高聚物粘弹性 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，应力同时依赖于应变和应变速 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 对高聚物而言非牛顿流体与弹性体有区别Ideal viscous liquidPoly
4、mert PolymerIdeal elastic solidComparison = const.理想弹性体理想粘性体交联高聚物线形高聚物t07.2.1 力学松弛或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 Linear viscoelasticity粘弹性分类静态粘弹性动态粘弹性蠕变、应力松弛滞后、内耗7.2.1.1 静态粘弹性 (1) 蠕变 Creep deformation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。高聚物蠕变性能反映了材料的
5、尺寸稳定性和长期负载能力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t1tt200t1tt200t1tt200t1tt2001t1t2t普弹形变示意图（i）普弹形变（1）：聚合物受力时，瞬时发 生的高分子链的键长、键角 变化引起的形变，形变量较 小，服从虎克定律，当外力 除去时，普弹形变立刻完全 回复。高分子材料蠕变包括三个形变过程：（ii）高弹形变（2）： High elastic deformation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 变与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复。2t1t2t（i
6、ii）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 流动不能回复，是不可逆形变。3t1t2t当聚合物受力时，以上三种形变同时发生加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线上升通过链段运动，构象变化，使形变增大分子链之间发生质心位移2+3t2t1t3121外力作用时间问题作用时间短 ( t 小), 第二、三项趋于零作用时间长( t大), 第二、三项大于第 一项，当t，第二项 0 / E2 t0t0 aT t0aT 1When TT0t 0lgaT 105Pa(140) 105PaOr4WLF方程的应用(1)o某聚合物 Tg = - 10 OC在一恒定外力作用下25 OC时模量降到某
7、一数值约需要 2 年问：在80 OC下模量降到同一数值需时？Application IIoT1 = 25 OC T2 = 80 OC TS = 40 OC粘弹性总结低温、松弛时间大、短时（高速）弹高温、松弛时间小、长时（低速）粘低 温短 时大小高温长时Temp.Time一个纸杯装满水置于一张桌面上，用一发子弹桌面下部射 入杯子，并从杯子的水中穿出，杯子仍位于桌面不动如 果纸杯里装的是一杯高聚物的稀溶液，这次，子弹把杯子 打出了8米远用松弛原理解释之 解：低分子液体如水的松弛时间是非常短的，它比子弹穿过 杯子的时间还要短，因而虽然子弹穿过水那一瞬间有黏性摩 擦，但它不足以带走杯子。 高分子溶液的
8、松弛时间比水大几个数量级，即聚合物分子链 来不及响应，所以子弹将它的动量转换给这个“子弹液体 杯子”体系，从而子弹把杯子带走了。思考题列举三个理由说明为什么我们的黏弹模型 不能用来说明结晶聚合物的行为。 解：因为结晶型聚合物的黏弹性是很复杂的，因三点理由不服从于 理论解释：a、无定形聚合物是各向同性的，也就是意味着为描述剪切应力 而建立的模型也正好能用于描述拉伸应力。然而，结晶聚合物不是 各向同性的，所以任何模型的应用都受到严格的限制。 b、无定形聚合物是均相的，因此所加的应力能均匀分布到整个体 系。在结晶聚合物中，大量的结晶束缚在一起，因此这种束缚使得 出现较大的应力集中。 c、结晶聚合物是不同结晶度的区域的混合物，当施加应力到结晶聚 合物时，这些不同的区域的大小及分布随结晶的熔化和生长会发生 连续变化。也就是说任何机械模型都必须考虑对在结晶聚合物中这 些连续的变化。
