《聚合物基复合材料 教学课件 ppt 作者 顾书英 任杰 编著第一篇 第三章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚合物基复合材料 教学课件 ppt 作者 顾书英 任杰 编著第一篇 第三章（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章聚合物合金的增韧机理第三章聚合物合金的增韧机理 31 橡胶增韧塑料的增韧机理橡胶增韧塑料的增韧机理 橡胶增韧塑料体系的形变机理橡胶增韧塑料体系的形变机理 ? 银纹化（Craze）：银纹化形变是个空化过程，伴随 着应力发白，体积增大现象。与拉伸应力垂直的方向 不发生明显的尺寸收缩。银纹化形变在外力去除后， 银纹体中的分子链经过一定时间后会解取向。 ? 剪切带(Shear band)：剪切形变主要是形状发生改 变、无体积变化，但拉伸试验时横向发生明显的收 缩，剪切形变的外力去除后仍保留相当的取向程度。 共混物变形时以何种机理发生变形与共混物的组成及 结构等因素有关。 共混物变形时以何种机理发
2、生变形与共混物的组成及 结构等因素有关。 共混物形变的特点共混物形变的特点 （1）橡胶相存在有利于发生 屈服形变 （1）橡胶相存在有利于发生 屈服形变 ? 应力集中因子增大有利于产 生屈服形变 ? 是其内部的橡胶粒子对周围 塑料相产生静张力 (Hydrostatic tensile stress)的结果 (2) 力学性能受形变机理影响(2) 力学性能受形变机理影响 图1.3.2 PS和HIPS的应力-应 变曲线（20 C） 图1.3.1 HIPS中橡胶粒子附近 的应力集中因子 研究形变的实验方法研究形变的实验方法 形变过程的体积变化V为： V（13）（11）21 纵向伸长为3，两个横向的收缩均
3、为1(各向同性) 在形变较小的情况下，1、3均很小，上式展开后忽略高次 项， 即得： V321或者3V21 ? 由于银纹形变无横向收缩，即10，因此： V/3=1 ? 对剪切屈服形变，由于形变过程无体积变化，即V=0，因 此： V/3=0 研究形变的实验方法研究形变的实验方法 （1）HIPS/PPO为100/0，图中数字为PPO含量； （2）增韧PVC 图1.3.3 HIPS和增韧PVC拉伸蠕变过程V-3的关系图 研究形变的实验方法研究形变的实验方法 图1.3.4 HIPS在张应力下的 蠕变曲线 图1.3.5增韧PVC在张应力下 的蠕变曲线 影响形变的因素影响形变的因素 ? 树脂基体的影响 ?
4、 应力和应变速率的影响 ? 温度的影响 ? 橡胶含量的影响 ? 拉伸取向的影响 树脂基体的影响 共混物形变有银纹化和剪切带形变机理，基体的韧性 是决定共混物形变机理的主要因素。 共混物形变有银纹化和剪切带形变机理，基体的韧性 是决定共混物形变机理的主要因素。 ? 在拉伸应力作用下，基体脆性大的共混物，银纹形变 是主要的形变机理； ? 基体韧性好的共混物，剪切带形变是主要的形变机 理。 造成这种区别的原因和基体的分子链网络结构有关。造成这种区别的原因和基体的分子链网络结构有关。 分子链网络结构 (a) 高分子链缠结示意图； (b) （b）未形变的缠结点间的距离d ( c) 完全伸展的两缠结点间的
5、距离le 图1.3.6 高分子链缠结的网络结构示意图 ?最大伸长比maxle/d ?最大伸长比max与le密切相关， 当缠结点密度低，即le较长时， max值较大，分子链可充分伸 展。这种情况下分子链易于取向 形成微纤并发生空穴化，即发生 银纹化形变。 ?基体韧性差的聚合物，由于分子 不易缠结，缠结点密度较低，因 而易于发生银纹化。 ?PPO，PC等韧性好的聚合物max较 低，缠结点密度高，因而容易发 生剪切屈服形变 橡胶增韧塑料体系的增韧机理 ?多重银纹化增韧理论多重银纹化增韧理论 ?银纹-剪切带增韧机理银纹-剪切带增韧机理 多重银纹化增韧理论多重银纹化增韧理论 在Mertz等微裂纹理论基础
6、上，Bucknall和Smith 提出的多重 银纹化理论。 在Mertz等微裂纹理论基础上，Bucknall和Smith 提出的多重 银纹化理论。 ? 在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是 均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。在张应力作用下， 橡胶粒子的周围，特别是在粒子赤道平面附近会引发大量银 纹，大量银纹的产生和发展要消耗大量能量，包括： 1、形成银纹所做的塑性功； 2、使银纹在应力方向上增长的粘弹性功； 3、伴随银纹形成而产生的新表面的表面能； 4、形成银纹过程导致部分分子链化学键断裂而消耗的能量。 ? 橡胶颗粒的第二个作用是能控制银纹的发展，使银纹及时终 止而不致过早发
7、展成裂缝使材料断裂。 银纹银纹-剪切带增韧机理剪切带增韧机理 剪切带对银纹尺寸起着控制作用，而且银纹尖端的应力集 中效应还可引发新的剪切带，剪切带的引发和增大过程同 样可消耗大量能量。因此，在银纹和剪切带同时存在的聚 合物合金体系，银纹和剪切带之间存在相互作用和协同作 用。两者共同为共混物韧性的提高作出贡献。 例如ABS拉伸过程既有发白现象，又有细颈形成，说明同 时存在银纹和剪切带两种形变机理，其增韧机理必然是两 者的协同作用。对于基体韧性较好的体系，如增韧PVC， 其增韧作用主要归结于剪切屈服形变，银纹化的贡献很 小。 橡胶增韧塑料增韧机理研究的新进展橡胶增韧塑料增韧机理研究的新进展 ? 不
8、同塑料基体的增韧机理是不同的 ? 增韧机理的研究方向是定量化，即区分不同形变 过程对增韧效果的贡献 综上所述，对橡胶增韧塑料的体系，橡胶颗粒的主要功能 是引发塑料基体产生大量银纹和剪切带，并控制银纹的扩 展。橡胶粒子的形变能吸收部分能量，但它不是冲击能的主 要吸收者。吸收冲击能的主要是产生银纹和剪切带的塑料基 体。总之，是在橡胶颗粒和塑料基体两者的协同作用下使共 混物获得增韧的。 综上所述，对橡胶增韧塑料的体系，橡胶颗粒的主要功能 是引发塑料基体产生大量银纹和剪切带，并控制银纹的扩 展。橡胶粒子的形变能吸收部分能量，但它不是冲击能的主 要吸收者。吸收冲击能的主要是产生银纹和剪切带的塑料基 体。
9、总之，是在橡胶颗粒和塑料基体两者的协同作用下使共 混物获得增韧的。 影响橡胶增韧塑料增韧效果的因素 1组分间相容性的影响 2橡胶颗粒尺寸的影响 3橡胶颗粒间的距离 4橡胶含量的影响 5橡胶相的玻璃化温度 6橡胶颗粒结构形态的影响 1组分间相容性的影响 2橡胶颗粒尺寸的影响 3橡胶颗粒间的距离 4橡胶含量的影响 5橡胶相的玻璃化温度 6橡胶颗粒结构形态的影响 刚性有机粒子(ROF)对 工程塑料的增韧原理 刚性有机粒子(ROF)对 工程塑料的增韧原理 刚性有机粒子(ROF)对工程塑料的增韧 原理 ? 有机刚性粒子在韧性基体中会受到较大的静压强 ? 当静压强达到一定的程度后，刚性粒子会发生脆 韧转变
10、，从而产生“冷拉”现象 ? 这种冷拉现象会吸收能量，从而起到增韧的作 用。 影响刚性有机粒子增韧效果的因素 ? 基体的韧性好，有利于刚性粒子发生屈服冷拉。基体的韧性好，有利于刚性粒子发生屈服冷拉。 ? 刚性聚合物的刚性过大不利于增韧。刚性聚合物的刚性过大不利于增韧。 ? 分散相刚性粒子的含量不宜过大。分散相刚性粒子的含量不宜过大。 ? 两相界面需具有足够大的粘结强度。两相界面需具有足够大的粘结强度。 基体的韧性好，有利于刚性粒子发生屈 服冷拉 基体的韧性好，有利于刚性粒子发生屈 服冷拉 ? 韧性基体组成的共混物，形变能力大，外力作用 下能产生较大的横向压应力。 ? 例如，PVCPS体系无增韧效
11、果，而由PVCCPE 组成的共混体再掺混PS就具有增韧作用，显然是 由于基体韧性获得提高的结果。 刚性聚合物的刚性过大不利于增韧刚性聚合物的刚性过大不利于增韧 ? 刚性过大，发生形变的难度增大，不易发生屈服 冷拉。 ? SAN和不少韧性基体组成的体系都有增韧效果， 而PS对多数体系都无增韧作用，这只能归结于PS 比SAN刚性更大的缘故。 分散相刚性粒子的含量不宜过大分散相刚性粒子的含量不宜过大 ?共混物受到外场力作用时，不仅基体对刚性粒子产 生压应力，同时刚性粒子之间也会产生相互作用, 这种粒子间相互作用使粒子所受压应力降低。 ?随刚性粒子含量增大、粒间距减小而愈加显著，所 以刚性粒子含量大到
12、一定程度会使增韧效果变差。 图 1.3.7 相邻ROF粒子 间应力相互作用示意图 两相界面需具有足够大的粘结强度两相界面需具有足够大的粘结强度 ? Nylon6SAN共混体系，按Mises判据应该具有增 韧效果，但实际上不然，其原因就在于界面粘结 力差。 ? 当界面粘结力小于x时，在微粒的两极处首先 会发生脱粘，从而破坏了原有的三维应力场分 布，不可能使SAN发生屈服冷拉。 ? 研究结果表明，在PA-6SAN体系中添加聚苯乙 烯接枝马来酸酐(SMA)共聚物作增容剂，该共混 物的冲击强度显著提高。 两类不同分散相粒子对塑料增韧作用的 比较 增韧 剂种 类 增韧 剂种 类 增韧 的对 象 增韧 的
13、对 象 增韧剂含量 对增韧效果 的影响 增韧剂含量 对增韧效果 的影响 改善聚合物合金性能 的效果 改善聚合物合金性能 的效果 增韧机 理 增韧机 理 橡胶 增韧 塑料 橡胶 或热 塑性 弹性 体 脆性 基体 和韧 性基 体 随着增韧剂含 量增加，共混 物抗冲击强度 提高 韧性提高的幅度大，但 材料的模量、强度、热 变形温度等，一般都有 不同的程度的降低 多重银 纹和剪 切带机 理 刚性 粒子 增韧 塑料 刚性 塑料 要求 基体 有一 定的 韧性 增韧剂含量只 能在一定范围 内显示增韧效 果 韧性提高的同时，聚合 物合金的模量、强度、 热变形温度都有一定的 提高，但韧性提高的幅 度不大 冷拉机 理
