聚合物材料测试方法课件 (1).ppt

1、聚合物材料测试方法,聚合物材料的合成、加工与应用,聚合物结构的表征了解聚合物的微观结构、亚微观结构和宏观结构。聚合物性能的测定评价和应用新材料、控制产品的质量、研究聚合物结构与性能的关系。聚合物分子运动的测定分子运动方式不同会导致聚合物所处的力学状态发生改变转变。每种聚合物都有其特定的转变。研究聚合物的松弛与转变可以帮助人们了解聚合物的结构，建立结构与性能之间的关系,聚合物结构的分析表征,链结构红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、拉曼光谱、电子能谱、核磁共振、顺磁共振、X射线衍射（广角）、电子衍射、中子散射；聚集态结构X射线衍射（小角）、固体小角激光光散射、电子衍射、电子显微镜、光学显微镜、原子力显

2、微镜、热分析。,聚合物性能的测定,力学性能拉伸、弯曲、剪切、压缩试验、冲击试验、蠕变曲线、应力松弛曲线、高低频疲劳试验；流变性能旋转流变仪、毛细管流变仪、熔体流动速率测定仪；热性能导热系数测定仪、示差扫描量热仪、膨胀系数测定仪、热变形温度测定仪；电性能表面电阻和体积电阻、介电常数、介电损耗角正切、高压电击穿试验；,研究聚合物的分子运动,通过热力学性能的变化研究分子运动示差扫描量热仪；通过力学性质变化研究分子运动静态与动态热机械分析仪；通过电磁性质变化研究分子运动介电松弛与核磁共振；通过体积变化研究分子运动热膨胀计,本门课程教学内容,第一章聚合物材料力学性能测定第二章聚合物分子量与分子量分布测定

3、第三章聚合物流变性能测定第四章波谱分析在聚合物材料中的应用 第五章热分析在聚合物材料中的应用第六章显微分析技术在聚合物中的应用,课程说明,教材与参考书聚合物研究方法张美珍主编，轻工出版社高分子物理何曼君主编，复旦大学出版社教学方法 以课堂讲授为主，结合观摩仪器使用成绩评定 作业及平时表现30%；期末考试 70%。,第一章 聚合物力学性能测定,1-1描述力学性能的基本物理量 1-2 聚合物拉伸试验1-3 聚合物弯曲试验1-4 聚合物冲击试验,1-1 描述力学性能的基本物理量,一、应力与应变应变当材料受到外力作用而它所处的环境又使其不能产生惯性移动时，它的几何形状和尺寸就会发生变化，这种变化就称为

4、“应变”。应力当材料产生宏观变形时，材料内部分子间或者原子间原来的引力平衡受到了破坏，因而会产生一种附加的内力来抵抗外力、恢复平衡。当到达新的平衡时附加内力和外力大小相等，方向相反。单位面积上的附加内力称为“应力”。,1、简单拉伸 材料受到一对垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直线上的外力作用,拉伸应变：=L-Lo/Lo=L/Lo 也称为伸长率，无量纲。拉伸应力：=F/Ao Ao是材料的起始截面积；应力的单位是 N/m2，称为“帕斯卡”。,2.简单剪切 材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应变。,剪切应变：s

5、=S/d=tg 剪切角的正切剪切应力：s=F/A。剪切应力的单位也是N/m2（帕斯卡）。,3.均匀压缩 材料受到均匀围压力的作用,材料的压缩应力就是所受到的围压力P；受力后材料的体积发生变化，由原来的Vo减小为Vo-V，压缩应变为：=V/Vo,4、弯曲对材料施加一弯曲力矩，使材料发生弯曲。主要有两种形式：,5、扭转对材料施加扭转力矩,简单拉伸时：杨氏模量 E=/=（F/Ao）/（L/Lo）简单剪切时：剪切模量 G=s/s=（F/Ao）/tg均匀压缩时：体积模量 B=P/=PVo/V 由于应变是无量纲的物理量，所以模量的单位与应力的单位相同，都是N/m2（帕斯卡）。,二、弹性模量在弹性形变范围内

6、单位应变所需应力的大小。是材料刚性的一种表征，代表材料抵抗变形的能力。,三、材料强度材料抵抗外力破坏的能力拉伸强度材料抵抗拉伸破坏的能力，也称抗张强度。在规定的的温度、湿度和拉伸速度下，对标准尺寸的哑铃状试样施加拉伸载荷。当材料被拉断时，试样所承受的最大载荷P与试样的横截面积（宽度与厚度的乘积）之比即为材料的拉伸强度：t=P/bd 由于在拉伸过程中试样的宽度和厚度不断变化，所以一般采用试样起始的尺寸来计算拉伸强度。,2.弯曲强度材料抵抗弯曲破坏的能力 在规定的试验条件下对标准试样施加一个弯曲力矩，直到试样断裂：,测定试验过程中的最大载荷P，并按照下式计算弯曲强度：,3.冲击强度材料抵抗冲击载荷

7、破坏的能力，反映材料的韧性指标。通常定义为试样在冲击载荷作用下破坏时单位面积吸收的能量。,冲击强度的试验方法有许多种，包括摆锤式冲击试验、落球式冲击试验、高速拉伸试验等。设W为试样断裂所消耗的功，可以有两种表示材料抵抗冲击载荷破坏的强度：冲击韧性：,4、硬度表征材料表面抵抗外力变形的能力 由一种较硬的材料做为压头，在一定的试验条件下将压头压入试样中，以压痕的深度计算材料的硬度。塑料球压痕硬度 布氏硬度 洛氏硬度,四、应力应变曲线 对聚合物进行拉伸试验，以试样的应力值对试样的形变值作图所得到的曲线。通常以应力为纵坐标、应变为横坐标。,屈服点Y Y：屈服应力 Y：屈服伸长率断裂点B B：断裂应力

8、B：断裂伸长率,1-2 聚合物拉伸试验,拉伸试验测定的力学性能拉伸强度、断裂强度、屈服强度、定伸强度、断裂伸长率、应力应变曲线、弹性模量。拉伸试验所适用的聚合物材料热塑性塑料、热固性塑料、橡胶材料拉伸试验对试样的要求4类哑铃状试样,I型试样硬质塑料,II型试样软质塑料,III型试样热固性塑料（填充和纤维增强塑料）,IV型试样热固性增强塑料板,拉伸试验中的术语,拉伸强度拉伸试样至断裂为止所承爱受的最大拉伸应力断裂强度拉伸试样断裂时所对应的拉伸应力屈服强度在拉伸应力-应变曲线上屈服点处的拉伸应力定伸强度应力-应变曲线偏离直线后达规定应变百分数时的拉伸应力断裂伸长率试样断裂时标线间距离增加量与初始标

9、距之比，以百分数表示拉伸弹性模量应力-应变曲线上直线部分的斜率,拉伸试验机,机械式拉伸试验机历史悠久，使用简单，价格低廉。但加载速度不稳，测量精度较差，不具有数据记录和处理功能。电子式拉伸试验机结构简单，用途单一，数据处理能力有限，控制测量精度也相对较低，但价格很低廉。电子万能材料试验机试验量程和拉伸速度可调，控制精度和控制范围很高很宽。可按需要增配不同吨位的传感器、夹具和附件实现一机多用，完成拉、压、弯、剪、剥离、撕裂、摩擦系数、扭转等功能。,试验步骤,准备试样做标距、测量尺寸；用夹具夹持试样选定试验量程和拉伸速度，进行试验记录试验数据计算试验结果,1-3 聚合物弯曲试验,弯曲试验测定的力学

10、性能弯曲强度、弯曲弹性模量弯曲试验所适用的聚合物材料热塑性塑料和热固性塑料弯曲试验对试样的要求矩形试样,板材试样厚度为110mm时，以原厚为试样厚度；厚度大于10mm时，应从一面加工成10mm。,试样形状和尺寸,试验机电子万能材料试验机,试验步骤,准备试样做标距、测量尺寸；根据试样种类选择量程；根据试样厚度选择跨度、速度和压头；安放试样于支座上；开动试验机，加载并记录试验数据在规定挠度之前断裂，记录断裂负荷或最大负荷在规定挠度时未断裂，记录达规定挠度时的负荷计算试验结果,1-4 聚合物冲击试验,冲击试验测定的力学性能冲击强度冲击试验所适用的聚合物材料热塑性塑料和热固性塑料冲击试验方法简支梁冲击

11、和悬臂梁冲击,简支梁冲击强度,试样的两端有支撑，摆锤冲击试样的中部,试样形状和尺寸,简支梁冲击试验步骤,准备试样测量尺寸；根据试样断裂能选择摆锤；检查试验机零点和支座；将试样水平放置于支座上，试样中心或缺口位置与锤刃对准，缺口背对锤刃；平稳释放摆锤，从表盘读取试样断裂能；计算试验结果,悬臂梁冲击强度,试样一端固定一端自由摆锤冲击试样自由端,45o,模塑试样推荐厚度为12.7mm，板材加工试样推荐厚度为612.7mm。,试样形状和尺寸,试验步骤,准备试样测量尺寸；根据试样断裂能选择摆锤；检查试验机零点和支座；将试样垂直夹持在支架上，缺口对向锤刃；平稳释放摆锤，从表盘读取试样断裂能；计算试验结果,

12、相关标准,GB1040-92 塑料拉伸试验GB1043-93 塑料简支梁冲击试验GB1843-96 塑料悬臂梁冲击试验GB9341-2000塑料弯曲试验ASTM D-256-05 塑料悬臂梁冲击试验,第二章 分子量和分子量分布的测定,2-1 数均分子量的测定2-2 重均分子量的测定2-3 粘均分子量的测定2-4 凝胶渗透色谱（GPC）,一、端基分析法使用端基分析法测定聚合物分子量的条件：1）聚合物必须是已知化学结构的线型或支链型大分子；2）大分子链端带有可供定量分析的基团；3）每个分子链上所含的基团数量是一定的；,2-1 数均分子量的测定,精确称量出试样重量W；测出重量为W的试样中端基的摩尔数

13、nt；2)根据每个大分子链所带有的端基数X，得到试样的摩尔数 3)计算出聚合物的分子量,端基分析法测定聚合物分子量的程序：,端基分析法测定聚合物分子量的特点：1）端基分析法测定的是数均分子量；2）方法适用于一些缩聚产物（尼龙、聚酯）分子量的测定；3）当聚合物分子量较高时实验误差比较大，其测量分子量的上限为二万左右；,依据溶液的依数性；沸点升高值（Tb）与溶质的性质无关。但是与溶质的摩尔分数成正比，即与溶质的分子量成反比。,二、沸点升高法,对于理想溶液,若溶剂种类一定而且重量取1000克，可以简化为：C溶液浓度（g/kg）；MB溶质分子量；Kb 沸点升高常数（/重量摩尔浓度）；,实验方法：1）在

14、不同溶液浓度条件下测定沸点升高值Tb；2）以(Tb/C)对C作图，并将曲线外推至C0，得到外推值（Tb/C）c0；3）以外推值（Tb/C）c0计算聚合物分子量 MB=Kb/（Tb/C）c0；,对于高分子溶液：只有当溶液浓度非常稀时，高分子溶液才表现出与理想溶液相同的行为。因此必须采取外推至极稀浓度的方法进行处理。,沸点升高法测定聚合物分子量的特点：1）测定的分子量是数均分子量；2）测量方法受到分子量大小的限制，测定的上限是一万；3）对溶剂有一定要求沸点下聚合物不分解；4）测量时必须达到热力学平衡；,三、渗透压法,对于理想溶液：,=gh,C 溶液浓度g/ml；M 溶质分子量；,高分子溶液的/C与

15、溶液浓度C有关：一般情况下取前两项即可：以/C 对C作图，由直线斜率可求得A2，由直线截距可计算出分子量。渗透压测量聚合物的分子量是一种比较好的方法(方便、精确），该方法测量分子量的范围是 104106之间，得到的也是数均分子量。,渗透压测定的影响因素,渗透膜的选择聚合物分子不能通过；对溶剂的透过率足够大；不与溶剂发生反应、不会被溶解。溶剂在使用前必须经过脱气和过滤。阀件的密封性要好；池中溶液造成的静压力要尽可能小。,例外情况的处理对于一些聚合物/溶剂体系，使用/C 对C作图得不到直线。这可能是维利公式中第三项不为零造成的。/C=RT（1/M+A2C+A3C2）令：2=A2M 3=A3M 则：

16、/C=RT/M（1+2C+3C2）对良溶剂体系：3=22/4,将3=22/4代入上式/C=RT/M（1+2C+22 C2/4）=RT/M（1+2C/2）2两边开平方：（/C）1/2=（RT/M）1/2（1+2C/2）以（/C）1/2 对C作图可得到直线，由直线截距可以计算出分子量。,2-2 重均分子量测定光散射法,一、基本原理,光线通过不均匀介质时，会产生散射现象，散射光的强度为：,观察角；r观察点与散射点之间距离；o入射光波长；Io入射光强度；n溶剂折射率；dn/dc溶液折射率与浓度变化比值；No阿佛加德罗常数；M溶质分子量；A2第二维利系数。,定义Relay因子：,将式中的常数合并为K,上式可变为：,对聚合物溶液的校正,散射函数P：,P的值与大分子的形状、大小及光的波长有关。对于分子形状为无规线团、分子大小为h2，光波长为的高分子溶液，1/P的值为：,以上二式是光散法测定聚合物分子量的基础。配制45个聚合物稀溶液，先测定每个溶液在不同散射角处的散射强度，以kc/R对sin2/2作图，外推至0，得到；然后以其对浓度C作图，外推至c0，其截距。,实验仪器小角激光光散射仪,使用LALLS