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1、2.2.3 高分子的力学性能力学性能是高聚物优异物理性能的基础高聚物材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡皮到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力的反应相差很大，例如：尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性）轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基本恢复原状（弹性）79材料受力方式主要有以下三种基本类型：F简单拉伸 简单剪切A0l0Al FA0 F lFA0均匀压缩80弹性模量材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称应变或形变。材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力就会使材料回复原状并自行
2、逐步消除。当外力与内力达到平衡时，内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的内力定义为应力。弹性模量是指在弹性形变范围内单位应变所需应力的大小。是材料刚性的一种表征。81典型的应力- 应变曲线线性B（屈服点）弹性塑性C断裂点屈服应变 由应力应变曲线上可获得的反映破坏过程的力学量:扬氏模量屈服应力屈服伸长断裂强度（抗拉强度）断裂伸长83留任何永久变形。斜率 tg即为扬氏模量。以B 点为界分为二部分：B（ 屈服点 ）C断裂点B点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不线性 塑性弹性屈服应变B点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服”了，B点以后总的趋
3、势是载荷几乎不增加但形变却增加很多 84B点：屈服点B （ 屈服点 ）C断裂点 B点时对应的应力屈服应力B点时对应的应变屈服应变线性 塑性弹性屈服应变C点：断裂点C点对应的应力断裂应力（断裂强度）抗拉强度C点对应的应变断裂伸长率85实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或是其变异 。处于玻璃态的塑料只在一段范围内才具有这种形状。处于高弹态的橡胶，只有在温度较低和分子量很大时具有这种形状。86聚合物力学类型 软而弱 软而韧 硬而脆 硬而强 硬而韧聚合物应力应变曲线应力应变曲线特点模 量（刚性） 低 低 高 高 高屈服应力（强度） 低 低 高 高 高极限强度（强度） 低 中 高 高断裂伸长（延性）
4、 中等 按屈服应力 低 中 高应力应变曲线下面积（韧） 小 中 小 中 大实例聚合物凝胶 橡胶.增塑 .PVC.PE.PTFE固PS.PMMA.化酚醛树脂断裂前无塑性形变断裂前有银纹硬PVCABS.PC.PE.PA有明显的屈服和塑性形变.韧性好粘弹性理想弹性体（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（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。88聚合物的力学性能随时间的变化统称为力学松弛。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。这里主要介绍蠕变和应
5、力松弛。1、蠕变在恒温下施加较小的恒定外力时，材料的形变随时间而逐渐增大的力学松弛现象。如挂东西的塑料绳慢慢变长。892、应力松弛应力松弛是指在恒定温度和形变保持不变的情况下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。如用塑料绳绑捆东西，时间久了会变松。这是由于当聚合物被拉长时，高分子构象处于不平衡状态，它会通过链段沿外力方向的运动来减少或消除内部应力，以逐渐过度到平衡态构象。902.2.4 高分子溶液的理化性质由于聚合物分子量大，具有多分散性，可有线形、支化和交联等多种分子形态，聚集态又可表现为晶态、非晶态等，因此聚合物的溶解现象比小分子化合物复杂的多，具有许多与小分子化合物溶解不同的特性
6、：1. 聚合物的溶解是一个缓慢过程，包括溶胀和溶解两个阶段。91（1）溶胀：由于聚合物链与溶剂分子大小相差悬殊，溶剂分子向聚合物渗透快，而聚合物分子向溶剂扩散慢，结果溶剂分子向聚合物分子链间的空隙渗入，使之体积胀大，但整个分子链还不能做扩散运动；92（2）溶解：随着溶剂分子的不断渗入，聚合物分子链间的空隙增大，加之渗入的溶剂分子还能使高分子链溶剂化，从而削弱了高分子链间的相互作用，使链段得以运动，直至脱离其他链段的作用，转入溶解。当所有的高分子都进入溶液后，溶解过程方告完成。93有些溶胀的聚合物在升温条件下，可以促进分子链的运动使之易分离而发生溶解。升温可促进溶解，增加溶解度。对于一些交联聚合
7、物，由于交联的束缚（链与链之间形成化学键），即使升高温度也不能使分子链挣脱化学键的束缚，因此不能溶解。但交联点之间的链段可发生弯曲和伸展，因此可发生溶胀。2、聚合物的溶解度与分子量有关。一般分子量越大，溶解度越小；反之，溶解度越大。分子量相同时，支化的比线型的更易溶解。943、非极性晶态聚合物比非晶态聚合物难溶解。由于非极性晶态聚合物中分子链之间排列紧密，相互作用强，溶剂分子难以渗入，因此在室温条件下只能微弱溶胀；只有升温到其熔点附近，使其晶态结构熔化为非晶态，才能溶解。如线形聚乙烯。但极性较强的晶态聚合物由于可与极性溶剂之间形成氢键，而氢键的生成热可破坏晶格，使溶解得以进行。晶态聚合物的结晶
8、度越高，溶解越困难，溶解度越小。95溶剂的选择1溶度参数相近原则对于一般的非极性非晶态聚合物及弱极性物质，选择溶度参数与聚合物相近的溶剂，聚合物能够很好的溶解。对于非晶态的非极性聚合物，选择溶度参数相近的溶剂即可。若|12|1.7 2.0时，高分子不溶于溶剂中。有时也可选用混合溶剂，混 1 12 2 96溶剂的选择2极性相似相溶原则对于非晶态的极性高聚物，既要符合溶度参数相近原则，又要符合“极性相近 ”的原则。要求溶剂的极性要与聚合物接近才能使之溶解。3. 极性化原则极性高分子溶解在极性溶剂中的过程，是极性溶剂分子（含亲电基团或亲核基团）和高分子的（亲核或亲电）极性基团相互吸引产生溶剂化作用，
9、使高分子溶解。结晶性极性高聚物，如果能与溶剂生成氢键，温度很低也能溶解。 972.3 高分子化学聚合反应聚合物的化学反应2.3.1 聚合反应聚合反应：由低分子单体合成高分子化合物的化学反应。早期，根据单体与其生成的聚合物之间在分子组成与结构上的变化把聚合反应分为加聚反应和缩聚反应。加聚反应是指聚合产物的重复结构单元的组成与单体相同的聚合反应，其聚合产物称加聚物；缩聚反应是指聚合产物的分子组成比单体分子少若干原子，即在聚合反应过程中伴随有水等小分子副产物生成，其聚合产物称缩聚物。99根据聚合机理的不同，分为链锁聚合和逐步聚合。链锁聚合反应是指在聚合反应由链引发、链增长和链终止几步基元反应组成。特
10、征：瞬间形成分子量很高的聚合物，分子量随反应时间变化不大，反应需要活性中心。单体主要是烯类、二烯类化合物。根据活性中心不同，连锁聚合反应又分为：自由基聚合：活性中心为自由基阳离子聚合：活性中心为阳离子阴离子聚合：活性中心为阴离子配位离子聚合：活性中心为配位离子 100逐步聚合反应：反应早期, 单体很快消失，转变成二聚体、三聚体、四聚体等中间产物，以后反应在这些低聚体之间进行，分子量随反应时间逐步增加。聚合体系由单体和分子量递增的中间产物所组成。大部分的缩聚反应（反应中有低分子副产物生成）都属于逐步聚合。单体通常是含有官能团的化合物。101自由基聚合反应自由基聚合：是单体经外因作用形成单体自由基
11、活性中心，再与单体连锁聚合形成聚合物的化学反应。特点：反应开始时必须首先产生自由基活性中心。反应过程：链引发、链增长、链终止、链转移102链引发反应由引发剂引发时，由两步反应组成：a. 初级自由基的生成Ib. 单体自由基的形成2 RR + CH2 CHXRCH2 CHX特点：链引发反应受引发剂分解过程控制，活化能较高，速度较慢。103链增长反应链引发反应产生的单体自由基具有继续打开其它单体键的能力，形成新的链自由基，如此反复的过程即为链增长反应。RCH2 CH + CH2 CH RCH2CHCH2CH RCH2CH CH2CH n CH2CHX X X X X X X反应速率极高。在自由基聚合
12、反应体系内，往往只存在单体和聚合物两部分，不存在聚合度递增的一系列中间产物。104链终止反应链自由基失去活性形成稳定聚合物的反应称为链终止反应。可以分为偶合终止和岐化终止。偶合终止：两个链自由基的独电子相互结合成共价键，生成饱和高分子的反应。产物两端都引发剂碎片，聚合度为链自由基重复单元数的两倍。CH2 CH + CH CH2 CH2 CH CH CH2X X X X105岐化终止：一个链自由基夺取另一个自由基上的氢原子或其他原子而相互终止的反应。此时生成的高分子只有一端为引发剂碎片，另一端为饱和或不饱和结构，两者各半，聚合度与链自由基中的单元数相同。CH2 CH + CH CH2 CH2 C
13、H2 + CH CH2X X X X106链转移反应链自由基从单体、溶剂、引发剂、大分子上夺取原子而终止，而失去原子的分子成为自由基继续新的增长，使聚合反应继续进行的过程，称为“链转移反应 ”。CH2 CH CH2 CHX X向低分子转移的结果是使聚合物相对分子质量降低。向大分子转移的结果是形成支链形高分子。 107自由基聚合反应的特征(1)可概括为慢引发、快增长、速终止(2)聚合体系中只有单体和聚合物组成(3)单体转化率随聚合时间的延长而逐渐增大(4)小量(0.010.1%) 阻聚剂足以使自由基聚合终止。108自由基聚合产物的分子量单体浓度，分子量；引发剂浓度，分子量；温度，分子量109自由
14、基共聚合共聚合：由两种或两种以上单体共同参加的聚合反应。所形成的聚合物含两种或多种单体单元，称做共聚物。特点：聚合物组成与单体配料组成不同；聚合先后期生成的产物组成不同。意义：增加品种，扩大应用范围，扩大合成聚合物的原料范围110离子型聚合离子型聚合：链增长活性中心为离子的聚合反应。阳离子聚合阴离子聚合配位离子型聚合（产物具有高度规整度）111 nMBAMMBA阳离子聚合 M式中B为反离子，又称抗衡离子 （通常为引发剂碎片，带反电荷）。A+为阳离子活性中心（碳阳离子，氧鎓离子），难以孤立存在，往往与反离子形成离子对。阳离子聚合的特点：快引发，快增长，易转移，难终止112 nMABMMBA阴离子
15、聚合 M其中 B 为阴离子活性中心，A+ 为反离子，一般为金属离子。与阳离子聚合不同，因离子聚合中，活性中心可以是自由离子、离子对，甚至是处于缔合状态的阴离子。阴离子聚合的特点：快引发，慢增长，无终止113开环聚合环状单体在引发剂或催化剂作用下形成线性聚合物的过程称为开环聚合。与缩聚反应相比，其聚合过程中无小分子生成；与烯烃加聚相比，其聚合过程中无双键断裂，因此是一类独特的聚合反应。环烷烃开环聚合能力为：3, 4 8 5, 7 ，九元以上的环很少见。114环酯、环醚、环酰胺等杂环化合物通常比环烷烃容易聚合，因为杂环中的杂原子提供了引发剂亲核或亲电进攻的位置。聚合能力与环中杂原子的性质有关。例如丙交酯开环聚合成聚乳酸。115缩聚反应定义：由含有两个或两个以上官能度的单体分子间逐步缩合聚合形成聚合物，同时析出
