第3章高分子材料简介.ppt

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1、第3章 高分子材料简介,3.1 高分子材料的历史3.2 高分子科学的发展3.2 高分子的基本知识,3.1 高分子材料的历史古代1、纤维素的利用造纸,东汉（公元105年）蔡伦造纸,1、纤维素的利用造纸,造纸是我国古代科学技术的四大发明之一。,1987年2月初，美国印刷工业100周年的纪念会上当时的美国总统布什说：“那个伟大国家在造纸、印刷和排字方面所做的贡献，确实可以说改变了历史的进程。”,1、纤维素的利用造纸,纤维素是世界上蕴藏量最大的可再生资源，据估计自然界每年产1000亿吨。纤维素的最重要的应用之一就是造纸。造纸的步骤大致可分为三步：1.打浆2.抄造 3.施胶,2、蛋白质的利用练丝、鞣革豆

2、腐：西汉淮南王刘安发明了豆腐。实质是用Ca,Mg等离子使大豆球蛋白的水溶液沉淀。而冻豆腐是蛋白质冷冻变性的过程。练丝：一根蚕丝由两根丝纤合并组成，外围包着丝胶，“练”就是用浓碱去掉丝胶，才成为可染色的熟丝。鞣革：兽皮的主要成分是动物蛋白质纤维。鞣革剂与蛋白质中的氨基交联反应。最原始的方法是烟薰法，烟中的醛为鞣革剂。,3、最早的涂料生漆漆树在秦汉时期主要分布在黄河流域，后来由于中原气候变冷，漆树现主要分布在四川盆地。漆（木汁如水滴而下，形象表现割漆的情形。）主成分是具有双键侧链的漆酚，经氧化后聚合成高分子链。天然生漆是我国的土特产之一，来自于原始森林和自然漆树科类中，天然生漆是用人工从漆树割取的

3、天然漆树液，天然生漆漆夜内主要含有高分子漆酚、漆酶、树胶质及水分等构成。素有我国三大宝（树割漆、蚕吐丝、蜂做蜜）誉名。,4、最早的黏合剂的利用中国墨中国墨的发明人是韦诞（公元179253）墨烟灰明胶（粘合剂）烟灰用松木烧成的松烟最好，碳颗粒极细。明胶由动物的皮、骨骼和甲壳等熬制而成。以徽州人最擅长制墨，所以有“徽墨”之称。,1、纤维素（Cellulose）的改性1846年的一天，瑞士巴塞尔大学的化学教授舍恩拜因在厨房做实验，不小心打破了蒸馏硝酸和硫酸的烧瓶，.。,近 代,发现它的威力比黑火药大23倍，可以用于军事。当时只用作炸药，由于它燃烧太快，安定性问题又未解决，爆炸事故频繁,海厄特（187

4、0年）发明赛璐珞美国的印刷工人海厄特（Hyatt）是一位业余化学爱好者。1870年为了找到一种象牙的代用品，他在硝酸纤维素中加入樟脑增塑。用这种方法得到的角质状材料不仅韧性好，还可热塑加工。这是历史上第一种塑料，称为“赛璐珞”（Celluloid）。可用作乒乓球、眼镜架、梳子、衣领、指甲油等。1884年柯达公司用它生产胶卷、但这种电影胶片放映时常摩擦而燃烧。,夏尔多内伯爵（1884年）发明人造丝,但极易燃烧，纺织厂的工人们似乎很不喜欢他们的岳母大人，把这种丝称为岳母丝,用天然纤维素为原料的再生纤维，由于它的化学组成和天然纤维素相同而物理结构已经改变，所以称再生纤维素纤维。,天然的绝缘材料,2.

5、,贝克兰的研究持续了5年，获得100多项专利。酚醛塑料是人类有目的创造的第一种高分子，也是人类真正合成的第一种高分子。在高中教材里，酚醛树脂作为缩聚反应的典例。,聚乙烯的发明（1）19世纪30年代，由于合成氨工业的发展，人们在有机合成反应中开始广泛采用高压技术。1933年3月，英国帝国化学公司的福西特和吉布森想让乙烯和苯甲醛在140MPa的高压和170温度下进行反应。但是达到预定时间后，预定的反应没有发生。当他们打开反应釜清理时，发现器壁上有一层白色蜡状的固体薄膜，取下分析后发现它是乙烯的聚合物。这使他们感到十分惊奇，于是他们重复了上述实验，试图找出原因所在，不幸发生了爆炸事故使实验不得不终止

6、下来。,3.,聚乙烯的发明（2）1935年，帝国化学公司的另几位研究人员帕林、巴顿和威廉姆斯决定重复上述试验。他们在一个高压容器中进行实验，实验过程中，由于高压容器的密封性能不好，容器里的压力不断降低，虽然采取了补救措施，实验还是不得不终止。不过在实验结束后，他们还是在装置中发现有少量的白色固体，经分析，它与两年前被福西特发现的蜡状薄膜是同一种物质聚乙烯。,聚乙烯的发明（3）这种貌似偶然的巧合使他们意识到可能存在着必然的原因，于是他们对实验的每一步骤进行分析。实验是按原计划进行的，只是在发现容器漏气以后，曾往容器中补充过一些乙烯气体。显然，问题的症结就在这里。在这一过程中，一定带进去某些物质，

7、这种物质可能是乙烯聚合反应的催化剂。他们认为带进去的物质除了氧气别无可能。他们重新设计了操作工艺，在聚合系统中引入了少量的氧气，经过多次试验，终于制得了聚乙烯。由于这种聚乙烯是在高压条件下制得的，被称为高压聚乙烯，于1939年实现了工业生产。高压聚乙烯：典型的自由基加成聚合,4.,汤姆森发明充气轮胎,在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。1845年，英国工程师汤姆森在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专利，到了1890年，轮胎被正式用在自行车上，到了1895年，被用在各种老式汽车上。尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比木头或金属

8、更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也变成了天文数字。如此广泛的应用使天然橡胶供不应求。面对橡胶生产的严峻形势，各国竞相研制合成橡胶。,聚异丁烯的发明,20世纪30年代，德国法本公司在实验中偶然发现一种怪现象，这种现象很有趣，在干冰温度下，将异丁烯液化，然后加入几滴三氟化硼（一种高效催化剂）。催化剂刚落在液体表面，就会产生无声的爆炸，随之产生白色的雪球，雪球越滚越大，从玻璃杯口滚出来。,聚异丁烯：离子聚合,橡胶的合成：离子聚合,1928年美国最大的化学公司杜邦公司建立了聚合物研究实验

9、室，32岁的杰出化学家卡罗瑟斯（Carothers）担任领导。,5.尼龙的诞生（1）,1930年的一天，他的助手希尔斯在观察缩聚反应时，把玻璃搅拌棒从反应器里拿出，无意发现棒上粘着的产物被拉成了许多细丝。他用手拉了拉固化的细丝，发现它能像橡胶一样拉伸，具有很好的弹性。希尔斯兴高采烈地把结果告诉给卡罗瑟斯，卡罗瑟斯意识到这是纺丝原料的特性。在以后的4年时间里，他领导的研究室继续进行了几千种单体的组合，试验了几百种不同的纤维，但结果都不理想。,尼龙的诞生（2）,1935年卡罗瑟斯把研究重点改为研究二元酸和二元胺的缩聚反应。终于在用己二胺和己二酸作原料进行缩聚反应以后，得到了一种叫做聚酰胺的纤维。它

10、在熔融状态下能拉成细丝，强度和弹性特别优良，软化点也符合纺丝生产的要求。现在大家知道它叫“尼龙66”。尼龙66是最早的一种有实用价值的人工合成纤维。美国杜邦公司从研制到投入工业生产共花费2700万美元，投入230多名研究和工程技术人员，卡罗瑟斯是其中的佼佼者。,尼龙的诞生（3）,尼龙的诞生（5）尼龙-66问世以后，首先在袜子这一产品中赢得了巨大的反响。在1940年5月，当这种实际上是由煤、空气和水作原料制造的尼龙长袜问世时，妇女们排长队竞相购买，有的妇女一买到就迫不及待地坐在人行道上穿起来。首批供应的四百双长袜仅用4天就销售一空，令有经验的商人为之目瞪口呆。现尼龙广泛用作衣服、地毯、轮胎的帘子

11、线、降落伞、缆绳、安全皮带、帐篷、牙刷毛、外科缝线、渔网等。,用于防弹衣、降落伞、石油钻井平台、撑竿跳的竿、风筝线,高分子科学的奠基人,1920年德国人史道丁格(Staudinger)发表了划时代的文献“论聚合”。他提出了“高分子”、“长链大分子”的概念，从而确立了高分子学说。,3.2 高分子科学的发展,在Staudinger的理论出现之前，科学界对塑料、橡胶和其他分子量很高的材料的本质认识一直是不清楚的。对19世纪的大多数研究学者来说，分子量超过10,000g/mol的物质似乎是难以置信的，他们把这类物质同由小分子稳定悬浮液构成的胶体系统混为一谈。Staudinger否定了这些物质是有机胶体

12、的观点。他假定那些高分子量的物质，即聚合物，是由共价键形成的真实大分子，并在其大分子理论中阐明了聚合物由长链构成，链中单体（或结构单元）通过共价键彼此连接。较高的分子量和大分子长链特征决定了聚合物独特的性能。尽管一开始他的假设并不为大多数科学家所认可，但最终这种解释得到了合理的实验证实，为工业化学家们的工作提供了有力的指导，从而使得聚合物的种类迅猛地增长。1953年，Staudinger被授予诺贝尔奖。现在人们都已非常清楚：塑料以及橡胶、纤维素、DNA等很多物质都是大分子。,突破有机化学的传统观念，首先提出了高分子的概念，以大量先驱性工作为高分子化学奠基开创了高分子科。,“for his di

13、scoveries in the field of macromolecular chemistry”,“For his fundamental achievements,both theoretical and experimental,in the physical chemistry of the macromolecules”,P.J.Flory（美)1974 化学奖 利用等活性假设及直接的统计方法，他计算了高分子分子量分布，即最可几分布，并利用动力学实验证实了等活性假设；引入链转移概念，将聚合物统计理论用于非线性分子，产生了凝胶理论；Flory-Huggins格子理论；1948年作出

14、了最重要的贡献，即提出“排除体积”理论和温度概念；他的著作“Principles of polymer chemistry”（1953）是高分子学科中的Bible。,发现了定向聚合，并研制出相应的催化剂Ziegler（德）:研究乙烯聚合的催化剂Natta：（意）：研究丙烯聚合的催化剂,“for their discoveries in the field of the chemistry and technology of high polymers”,De Gennes（法)1991 物理奖 对液晶和高分子物质有序现象提出了标度理论从临界现象认识分子，在物理-化学之间架设了桥梁提出“软物质”

15、概念(弱力引起大变化),“for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to more complex forms of matter,in particular to liquid crystals and polymers”,De Gennes,“For the discovery and development of conductive polymers”,由于历史的原因，1950年以前我国的高分子科学和工业几乎是一片空间。

16、当时国内没有一所高等学校设立高分子专业，更没有开设任何与高分子科学与工程相关的课程。当时除上海、天津等地有几家生产“电木”制品（酚醛树脂加木粉热压成型的电器元件等）和油漆的小型作坊以外，国内没有一家现代意义的高分子材料生产厂。19541955年，国内首批高分子理科专业和工科专业分别在北京大学和成都工学院（后者现合并组建为四川大学）相继创立。时至今日，全国各层次的高等学校中设置高分子科学、材料与工程专业和开设高分子课程的学校在百所以上。近50年来为国家培养出了大批高分子专业人才，大大地促时了高分子工业的发展。,中国高分子的发展,从20世纪50年代开始，国内一批中小型塑料、合成橡胶、化学纤维和涂料

17、工厂相继投入生产。20世纪6080 年代是我国高分子材料工业飞速发展的时期，一大批万吨乃至10万吨以上级别的大型PE、PP、PVC、PS、ABS、SBS 以及其他类别的高分子材料生产和加工和大型企业在全国各地相继建成投产。其中，上海金山、南京扬子、江苏仪征、山东齐鲁、北京燕山、湖南岳阳以及天津、兰州、吉林等地已经成为我国重要的大型高分子材料生产基地。今天，我国在高分子科学基础研究、专业技术人才培养以及各种高分子材料的生产数量方面，已经大大地缩短了与发达国家的差距。,中国高分子具有突出贡献的科学家及从事的领域简介,钱人元(1917-2003)中化所 高分子物理主要是凝聚态物理 冯新德(1915-

18、2005)北大 高分子化学 唐敖庆(1915-2008)吉大 量子物理与统计在高分子中应用 王佛松(1933)长应化 顺丁橡胶国产化 沈家骢(1931)吉大 功能高分子及生物大分子合成 沈之荃(1931)浙大 高分子合成 林尚安(1924)中山大学 高分子化学 徐僖(1921)四川大学 聚合物的加工成型理论，现从事可 降解材料研究 卓仁禧(1931)湖北大学 生物高分子 于同隐（1917）复旦大学 聚合物粘弹性.,高分子科学已经发展成为一门独立的学科，与其它传统学科不同，它既是一门基础学科又是一门应用科学。目前已形成了高分子化学、高分子物理、高分子材料和高分子工艺四个主要的分支。在基础的化学一

19、级学科中，高分子与无机、有机、分析、物化并列为二级学科；而在应用性的材料学科中，高分子材料与金属材料和无机非金属材料共同组成最重要的三个领域。,总而言之，20世纪2040年代是高分子科学建立和发展的时期；3050年代是高分子材料工业蓬勃发展的时期；60年代以来则是高分子材料大规模工业化、特种化、高性能化和功能化的时期。作为新兴材料科学的一个分支，高分子材料目前已经渗透到工业、农业、国防、商业、医药以及人们的衣、食、住、行的各个方面，正如一篇科普文章所述，“在大街上你曾见过一个绝对不与合成高分子材料打交道的人吗？”答案肯定是NO。,以塑料为例。因为塑料有原料多、生产易、成本低、加工快、比强度大、

20、性能好等特点，可以代替部分金属、木材、皮革等传统材料，塑料现在的产量已超过了木材和水泥等结构材料的总产量。,一、高分子与低分子的区别 高分子与低分子的区别在于前者分子量很高，通常将分子量高于约1万的称为高分子(polymer)，分子量低于约1000的称为低分子。分子量介于高分子和低分子之间的称为低聚物(oligomer，又称齐聚物)。一般高聚物的分子量为104-106，分子量大于这个范围的又称为超高分子量聚合物。Polymer 聚合物（高聚物）、高分子Macromolecule 大分子、高分子高聚物High polymer,3.3 高分子的基本知识,分子量对物质性能的影响,这是大分子间相互作用

21、力发生变化导致的结果，分子链变长，分子量变大，分子间作用力变大，发生由气体-液体-固体的变化,另外，随着链长的增加，高分子链可能互相缠结,也就是说:合成高分子的结构具有几乎无穷变化的可能性，赋予材料性能的潜力远胜于其它物质。,平均分子量和分子量分布对高分子化合物而言，每一根高分子链都由许多结构单元重复连接而成，由于形成高分子链的过程比较复杂，使各高分子链的结构单元数并非完全相同，导致其分子量不像低分子化合物那样完全相等。,在不受其它干扰的情况下，自由大分子通常成无规卷曲状态,二、不同的大分子链,支化与交联对聚合物性能的影响,线形高聚物 可以在适当溶剂中溶解，加热可以熔融，易于加工成型；支化高分

22、子能溶解在某些溶剂中链的支化破坏了分子的规整性，使其密度、结晶度、熔点、硬度等都比线型高聚物低。长支链的存在对聚合物的物理机械性能影响不大，但对其溶液的性质和熔体的流动性影响较大。交联高分子在任何溶剂中都不能溶解，受热时也不熔融。在交联度不太大时能在溶剂中发生一定的溶胀。热固性塑料具有良好的强度、耐热性和耐溶剂性。硫化橡胶为轻度交联高分子，具有可逆的高弹性能。,支化与交联影响性能实例,HDPE、LDPE和交联PE的性能和用途比较,低密度聚乙烯LDPE（高压聚乙烯）支化破坏了分子的规整性，使其结晶度大大降低高密度聚乙烯HDPE（低压聚乙烯）线型分子，易于结晶，故密度、熔点、结晶度和硬度方面都高于

23、LDPE。交联聚乙烯有形状记忆效应。,对同一种高分子材料，密度大小表示支化的程度，支链化程度越小，密度越大，材料硬度强度越好，而韧性降低,聚乙烯密度与性能的关系,对于高分子材料来说，密度大小表示高分子链之间接近的程度，或者说密堆的程度,链段,分子整链,分子整链的运动如同一条蛇的蠕动,三、高分子链的运动,但是，没有长链就不会有链段，当分子量小于某个临界值时就不可能对分子的构象作统计描述，也就不存在作为独立运动单元的链段。链段是高分子特有的，链段运动是高分子区别于小分子的特殊运动形式，,链段是高分子链中能够独立运动的最小统计尺寸单元。,高分子运动松弛过程（Relaxation）,松弛(relaxa

24、tion)：也叫弛豫，这个概念是从宏观热力学理论抽象出来的，定义是：一个宏观系统由于受到外界干扰和作用，使其偏离热平衡状态，这个系统经过一定时间由非平衡态回到新的平衡态的整个过程就称为松弛。松弛是自然界一个普遍现象，是物质响应外力作用的一种方式。由于高分子在运动时，运动单元之间的作用力很大，因此高分子在外场下，物体以一种平衡状态，通过高分子运动过渡到与外场相适应的新的平衡态，这一过程是慢慢完成的。这个过程称为松弛过程。本质：分子运动对时间的依赖性,例如：一根橡皮，用外力将它拉长了L，外力去除后，L不是立刻为零。而是开始缩短很快，然后缩短的速度愈来愈慢，以致缩短过程可以持续几昼夜，几星期，并且只

25、有很精密的仪器才能测得出。,用 表示某一物体的在t时刻某物理量 的数值用 表示物体在平衡态时某物理量的数值,通式：,上式的物理意义：在外力作用下，物体某物理量的测量值随外力作用的时间的增加而按指数规律逐渐减小。当 时，当 时，当 时，,松弛时间,（1）由上面所讲可知：时，松弛时间就是x减少到 时所需要的时间。,（2）是一个表征松弛过程快慢的物理量当 很小时：这说明松弛过程进行得很快，如：小分子液体的 只有 秒。因此，通常以秒为刻度标尺时，无法观察到它的松弛过程的。也就是说觉察不到物体以一种平衡态过渡到另一平衡态的过程需要一定的时间。,当 很大时（n星期，n年）：如果观察时间（秒、分、时）很小，

26、则可推出，也不能观察到松弛过程。如高分子，由于分子大，分子内和分子间作用力很强，所以（n星期，n年）很大，所以在以秒或分为标度的观察时间内也看不出松弛过程的发生。,高聚物的 不是一单一数值，运动单元越大，运动所需时间越长，则 大，运动单元越小，则 小，所以高聚物的 严格地讲是一个分布，称为“松弛时间谱”当观察时间的标度与聚合物中某种运动单元（例如链段）的 值相当时，我们才能观察到这种运动单元的松弛过程。,聚合物物理性质与温度有很大关系，是某一温度下的客观表现。,四、玻璃态、高弹态和粘流态,Rubber 在低温下变硬,PMMA,T100C,变软,为什么有以上情况？,外界温度改变了，使分子运动的状

27、况不同，因而表现出的宏观性能也不同，这是聚合物力学性能的温度依赖性,尽管结构无变化，但对于不同温度，分子运动是不同的，物理性质也不同，这是分子运动的温度依赖性。,采用加热的方法，并对高聚物试样施加一恒定的力，观察试样发生的形变与温度的关系，即采用热机械曲线的方法来考察分子运动与温度的关系。,在温度较低时，材料为刚性固体状，与玻璃相似，在外力作用下只会发生非常小的形变，此状态即为玻璃态：当温度继续升高到一定范围后，材料的形变明显地增加，并在随后的一定温度区间形变相对稳定，此状态即为高弹态；温度继续升高形变量又逐渐增大，材料逐渐变成粘性的流体，此时形变不可能恢复，此状态即为粘流态。我们通常把玻璃态

28、与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度，或是玻璃化温度。高弹态转变为粘流态，转变温度称为粘流温度。,非晶态高聚物,常温下处于玻璃态的高聚物通常用作塑料 常温下处于高弹态的高聚物通常用作橡胶 粘流态是高聚物成型的最重要的状态.无论哪种类型或品级的塑料，当温度升高时都会趋于变软，冷却时却又变硬。前者对于材料的实际应用意义特别重大，而后者对于加工过程格外重要。,Tg是塑料的最高使用温度，又是橡胶的最低使用温度。作为塑料使用的聚合物，当温度升高到发生玻璃化转变时，便失去了塑料的性能，已经软化。作为橡胶使用的材料，当温度降低到发生玻璃化转变时，便丧失橡胶的高弹性，变成玻

29、璃态、硬而脆的材料。塑料的Tg在室温以上，橡胶的Tg在室温以下。例如聚氯乙烯为78，聚苯乙烯为100，聚甲基丙烯酸甲酯为105。因而在室温下均可制成塑料制品。例如天然橡胶为-73，聚异丁烯橡胶为-70，聚丁二烯合成橡胶为-85，由于Tg很低，所以即使在严寒的冬天也不会失去弹性。,玻璃化转变温度Tg的工艺意义,五、高分子材料的高弹性与粘弹性,高弹性和粘弹性是高分子材料最具特色的性质。迄今为止，所有材料中只有高分子材料具有高弹性。处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形，而且形变可逆，这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。,Rubber products

30、,一种高聚物，是塑料还是橡胶，常常可以由温度来决定橡胶在室温就呈现高弹性在室温是塑料的高聚物在温度高于玻璃化温度时出现类似橡胶的高弹性,1.聚合物的高弹性,高弹态高聚物在其玻璃化温度以上具有的独特的力学状态（橡胶、塑料、生物高分子在Tg-Tf间都可表现出一定的高弹性）高弹性高聚物在高弹态呈现的力学性能,高弹性是极其特殊的,与固体的相似之处：有稳定的尺寸，在小形变时，其弹性响应符合虎克定律，像个固体；与液体的相似之处：热膨胀系数和等温压缩系数与液体有相同的数量级，表明在高弹态时高分子间相互作用与液体有相同的数量级；与气体的相似之处：在高弹态时，导致形变的应力随温度增加而增加，与气体的压强随温度升

31、高而增加有相似性。,高弹性的特点,可逆弹性形变大，最高可达1000%，即拉长10倍之多；而一般金属材料的弹性形变不超过1%。高弹模量小，约为105牛顿/米2；而一般金属的弹性模量可达1010-11牛顿/米2。高弹模量随温度升高而正比地增加；相反，金属材料的弹性模量随温度增加而减小。在快速拉伸时，高弹材料的温度升高；而金属材料则相反。,橡胶：拉伸放热 回缩吸热,橡胶弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，这相当于统计构象减少，从而表现为体系熵值降低。这种熵变将导致体系产生一个促使大分子力图回到卷曲状态的力。当外力移去后，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复

32、卷曲状态，因而形变可逆。,气体弹性的本质也是熵弹性。,PB cross-linked,天然橡胶和合成橡胶（化学交联，硫化）热塑弹性体（物理交联）交联橡胶有高弹性，而未交联橡胶，分子位移，发生永久形变必须硫化。,具有橡胶弹性的条件：,长链,交联,足够柔性,如果把橡胶的薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感觉到薄片会发热。另外，由于拉伸可能诱导结晶，也会放热。,在橡胶下悬一砝码，升温时会发生什么现象?,温度升高，弹簧要回缩。,为了抵消分子拉伸造成的熵降，需要给系统提供能量，温度升高，大分子回到卷曲状态。在应力不变的情况下，应变减小，所以拉伸下，橡胶温度升高时模量增加。,所谓粘弹性，是指具有类似于粘

33、性液体和纯弹性固体两者的性质，粘性液体具有作用力与变形速率成比例的性质，纯弹性固体具有作用力和变形成比例的性质。对粘性系统所作的功是完全转化成热能而消耗掉的；与之相反，对弹性系统作功，所有的功以势能形式贮存起来。高分子材料具有这样的两重性，以致它的力学性能是非常复杂而又有趣的。高分子材料对温度和时间强烈的依赖关系是由于高分子具有粘弹性的结果。,2、聚合物的粘弹性,弹性材料恢复形变的能力，与时间无关。例如弹簧。弹性变形：受力后立即响应，撤去外力后，形状完全恢复。粘性“流体”抵抗流动的能力，与时间有关。例如，水和胶水，橡皮泥。粘性流动：在很小外力作用下便会发生没有确定形状的流动，并且在外力去除后，

34、形变不能回复。粘弹性材料既有弹性，又有粘性？,（1）粘弹性的基本理解,粘弹性，既涉及到弹性变形又涉及到粘性流动，若是从变形与流动的角度考虑，可以说任何物质都具有粘弹性！WHY?因为粘弹性是与“时间”相关的概念！,在时间的长河中，万物皆流，万物皆变。流动可视为广义的变形，而变形也可视为广义的流动。两者的差别主要在于外力作用的时间长短及观察时间的不同。,按地质年代计算，坚硬的地壳在流动。快速击打水面，柔软的水表现出一定的弹性。,“时间”对于粘弹性的重要性,实际上，多数物质对外力作用的响应表现为弹性和粘性双重特性。对于高分子材料，这种粘弹特性特别突出。,与时间有关的粘弹性行为 PDMS的固体和液体特

35、性,极短时间 1s 较长时间 24 小时,时间也能改变塑料和橡胶。同在室温下，处于玻璃态的塑料若在几百年的时间尺度上可以看成象橡胶一般易于变形。虽然塑料的历史还没这么久，我们无法用实验证明这一点，但欧洲有几百年历史的教堂上的窗玻璃能观察到上薄下厚的变化。另一方面橡胶在极短时间内观察则成为塑料，例如飞机上的橡胶轮胎在高速下遇到外来物体的撞击会像玻璃一样碎掉，原因就是如此。,2007年元月2日从青岛飞上海的东航客机在着陆时四个轮胎爆裂，所幸人员无伤亡。2004年5月广州飞上海的东航客机在空中机师发现轮胎爆裂，紧急返回白云机场。2005年4月，东航客机在日本成田机场降落时四个轮胎爆裂。2006年5月从首尔飞上海的东航客机在浦东机场降落时，飞机后部的 12个轮胎全部爆裂。,力、形变、温度、时间,聚合物力学性能的时间依赖性,作业1、学习了高分子科学历史，你有什么想法？2、为什么高分子材料有多种多样的性能？3、高分子材料的结合键有什么特点？4、冬季行车，当轮胎受到尖凸等物的冲击时，为什么轮胎容易破损？5、高分子链的运动特点？6、高弹性的特点？7、什么是粘弹性？谈谈你对材料粘弹性的理解。,