高分子材料与工程专业实验专用周指导书.docx

1、高分子材料与工程专业实验专用周指导书 实 验 指 导 书院（系） 材料科学与工程系 专 业 高分子材料与工程 年 级 2009级 实践性质 实验专用周 2012年 12 月实验一 转矩流变仪实验一、实验目的1、了解转矩流变仪的基本结构及应用范围；2、了解转矩流变仪的工作原理及使用方法；3、掌握聚氯乙烯热稳定性的测试方法。二、实验原理高分子材料的成型过程，如塑料的压制、压延、挤出、注射等工艺，化纤抽丝，橡胶加工等过程，都是利用高分子材料熔体进行的。熔体受力作用，不但表现有流动和变形、而且这种流动和变形行为强烈地依赖于材料结构和外界条件，高分子材料的这种性质称为流变行为（即流变性）。测定高聚物熔体

2、流变性质，根据施力方式不同，有多种类型的仪器，转矩流变仪是其中的一种。 转矩流变仪由微机控制系统、混合装置（挤出机、混炼器）等组成。测量时，物料被加到混炼室中，受到两个转子所施加的作用力，使物料在转子与室壁间进行混炼剪切，物料对转子凸棱施加反作用力，这个力由测力传感器测量，在经过机械分级的杠杆和臂转换成转矩值的单位牛顿米（）读数。其转矩值的大小反应了物料黏度的大小。通过热电偶对转子温度的控制，可以得到不同温度下物料的黏度。转矩数据与材料的粘度直接有关，但它不是绝对数据。绝对粘度只有在稳定的剪切速率下才能测得，在加工状态下材料是非牛顿流体，流动是非常复杂的湍流，有径向的流动也有轴向的流动，因此不

3、可能将扭矩数据与绝对粘度对应起来。但这种相对数据能提供聚合物材料的有关加工性能的重要信息，这种信息是绝对法的流变仪得不到的。因此，实际上相对和绝对法的流变仪是互相协同的。从转矩流变仪可以得到在设定温度和转速（平均剪切速率）下扭矩随时间变化的曲线，这种曲线常称为“扭矩谱”，除此之外，还可同时得到温度曲线、压力曲线等信息。在不同温度和不同转速下进行测定，可以了解加工性能与温度、剪切速度的关系。转矩流变仪在共混物性能研究方面应用最为广泛。转矩流变仪可以用来研究热塑性材料的热稳定性、剪切稳定性、流动和固化行为。三、实验原料和仪器设备1、原料：硬质PVC干混料在硬质PVC干混料配方中，除PVC树脂外，为

4、了获得合适的工作及加工性能，需要配合各种成分，这些成分对干混料熔体的流变性有不同的影响，从而显著地影响物料最终的加工性能。在混炼器上测量干混料的流变曲线是了解配方中各组成成份对物料加工性能影响的有效方法。典型的硬质PVC流变曲线（扭矩谱）以及物料状态与实际加工设备之间的关系如图1所示。图中第一个峰（A）为加料峰，第二个峰（B）为塑化峰，第三个峰（C）为分解峰，分别表示物料的加入、塑化和分解。加料峰到塑化峰之间的时间间隔为塑化时间，塑化峰到分解峰之间的时间间隔为热稳定时间。在实际加工时，物料在螺杆塑化段内的停留时间应不小于塑化时间，保证物料的充分塑化，并且在热分解之前完成加工。图1硬质 PVC干

5、混料密炼的扭矩谱2、 仪器设备RM-200型转矩流变仪（哈尔滨哈普电气技术有限责任公司）与混炼器单元一套构成密炼机式转矩流变仪，如图1 所示 。图1 转矩流变仪示意图1压杆；2加料口；3密炼室；4漏料；5混炼器；6紧急制动开关；7手动面板；8驱动及扭矩传感器；9开关；10计算机（1）转矩流变仪的组成： 混炼器 内部配备压力传感器、热电偶，测量测试过程中的压力和温度的变化。 驱动及转矩传感器 转矩传感器是关键设备，用它测定测试过程中转矩随时间的变化。转矩的大小反映了材料在加工过程中许多性能的变化。 计算机控制装置 用计算机设定测试的条件如温度、转速时间等。并可记录各种参数（如温度、转矩和压力等）

6、随时间的变化。（2）性能指标混炼器转速最大值120r/min；转矩最大值200；熔体温度测量范围为室温至300，温度控制精度为1。（3）扭矩流变仪转子转矩流变仪转子如图2所示，转子有不同的形状，以适应不同的材料加工。混炼器机配备的转子为西格玛（）型转子。在密炼室内不同部位的剪切速率是不同的，两个转子有一定的速比，一般为3:2（左转子：右转子），两转子相向而行，左转子为顺时针，右转子为逆时针。图2 密炼室转子示意图四、实验步骤（1）称量 按照上面所列配方准确称量，加入试样的质量（M）应按照下式计算: （2-9）而且: 式中 V密炼室的容积，ml； Vr转子的体积，ml； 物料密度，g/mL。为便

7、于对试样的测试结果进行比较，每次应称取相同质量的试样。（2）合上总电源开关，打开扭矩流变仪上的开关，开启计算机；（3）10min后按下手动面板上的START，这时START上的指示灯变亮；（4）双击计算机桌面的转矩流变仪应用软件图标，然后按照一系列的操作步骤（由实验教师对照计算机向学生讲解完成），通过这些操作，完成实验所需温度、转子转速及时间的设定；（5）当达到实验所设定的温度并稳定10min后，开始进行实验。先对转矩进行校正，并观察转子是否旋转，转子不旋转不能进行下面的实验，当转子旋转正常时，才可进行下一步实验；（6）点击开始实验快捷键，将原料加入混炼器中，并将压杆放下用双手将压杆锁紧；（7

8、）实验时仔细观察转矩和熔体温度随时间的变化； （8）到达实验时间，混炼器会自动停止，或点击结束实验快捷键可随时结束实验；（9）提升压杆，依次打开混炼器二块动板，卸下两个转子，并分别进行清理，准备下一次实验用；（10）待仪器清理干净后,将已卸下的动板和转子安装好。五、思考题1. 那些主要因素将影响高聚物的流变性质？2. 测试物料及实验过程如何保证实验结果的可靠性。3. 试比较毛细管流变仪和转矩流变仪各自的特点？4. 转矩流变仪在聚合物成型加工中有哪些方面的应用？5. 加料量、转速、测试温度对实验结果有哪些影响？实验二 塑料拉伸强度及应力-应变曲线测定实验一、实验目的1、了解高分子材料拉伸性能测试

9、标准条件和测试原理；2、掌握测定聚合物拉伸强度、断裂伸长率和应力应变曲线的测定方法；3、考察拉伸速度等因素对聚合物拉伸性能的影响。二、实验原理拉伸实验是最基本、用途最广泛的一种材料力学实验。其基本过程是在规定的试验温度、试验速度和湿度条件下，对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸载荷，直到试样被拉断为止，由此来测量试样所能承受的最大载荷及相应的形变。通过拉伸实验可得到材料的拉伸强度、断裂伸长率以及拉伸弹性模量。拉伸强度：在实验过程中，试样的有效部分原始横截面单位面积所承受最大负荷。断裂伸长率：由拉伸负荷使试样有效部分标线间距离的增量与原始标距之比的百分率。应力应变曲线：以拉伸应力为纵坐标所得到的拉伸特

10、性曲线称为应力应变曲线。它往往是通过拉力机在一定的拉伸速度下自动记录拉伸负荷形变曲线，经变换而得。拉伸试验基本公式如下： （1） （2） （3） 式中，伸长率即应变；为应力；为样品某时刻的伸长；为初始长度；为初始横截面积；为拉伸力；为拉伸模量。 聚合物的拉伸性能可通过其应力应变曲线来分析，典型的聚合物拉伸应力应变曲线如图1所示。在应力应变曲线上，以屈服点为界划分为两个区域。屈服点之前是弹性区，即除去应力后材料能恢复原状，并在大部分该区域内符合虎克定律。屈服点之后是塑性区，即材料产生永久性变形，不再恢复原状。根据拉伸过程中屈服点的表现，伸长率的大小以及其断裂情况，应力应变曲线大致可分为如图2所示

11、的五种类型：软而弱；硬而脆；硬而强；软而强；硬而韧。 图1 典型的聚合物拉伸应力应变曲线图2 五种典型聚合物拉伸应力应变曲线1软而弱；2硬而脆；3硬而强；4软而强；5硬而韧本实验在不同应变速度下测定聚乙烯的应力应变曲线。 将已知长度和横截面积的样品，夹在两个夹具之间，以恒速拉伸至断裂，测定应力随伸长的变化。分析在不同应变速度时测定的数据，可以了解材料的强度、韧性及极限性能。 有合适的样品架或可设法固定住的聚合物都可进行本实验。均匀的样品重复性可优于5。但由于制各样品和实验操作中存在的一些不可避免的可变因素，使重复性比此数值要差些。三、实验仪器和试样 1、实验仪器微机控制电子万能试验机(美国MT

12、C CMT4304)，30kN楔型拉伸夹具一套（夹具型号：XSD304A）；哑铃型制样机(美国MTC QYJ1251), A型夹具及靠模一套，游标卡尺、直尺。测试条件为，温度：252，湿度：655%，测试标准参考：GB 1040-2006。电子万能试验机测试主体结构示意图，如图3所示。图3 电子万能试验机结构示意图1传感器；2主架；3横梁控制器；4夹具；5横梁；6记录仪；7控制台开关；8控制面板；9显示屏2、实验试样ABS材料制备哑铃型样条，制样方法如下。(1) 试样类型和尺寸：型试样见图4图4型试样型试样的尺寸见表1表1型试样的尺寸符号名称尺寸公差符号名称尺寸公差L总长（最小）150W端部宽

13、度200.2H夹具间距离1155.0d厚度4C中间平行部分长度600.5 b中间平行部分宽度100.2G标距或有效部分500.5R半径（最小）60型试样见图5图5 型式试样 型试样的尺寸见表2表2 型试样的尺寸符号名称尺寸公差符号名称尺寸公差L总长（最小）115d厚度2H夹具间距离805 b中间平行部分宽度60.4C中间平行部分长度332R0小半径141G标距或有效部分251R1大半径252W端部宽度251型试样见图6图6 型试样型试样的尺寸见表3表3 型试样的尺寸符号名称尺寸符号名称尺寸公差符号名称尺寸L总长110d1端部宽度6.50.2R0端部半径6.5C中间平行部分长度9.5W端部宽度4

14、5R1表面半径75d0中间平行部分厚度3.2 b中间平行部分宽度25，0.2R2侧面半径75型试样见图7图7 型试样型试样的尺寸见表4表4 型试样的尺寸符号名称尺寸公差符号名称尺寸公差L总长（最小）250L1加强片间长度1505H夹具间距离1705 d0厚度210-G0标距（或有效部分）1000.5d1加强片厚度3-10-W宽度25或500.5加强片角度5-30-L2加强片最小长度50d2加强片- 注：纱布增强的热固性塑料板试样宽度采用50mm；玻璃纤维增强的热固性塑料板试样宽度采用5mm；除有争议外对玻璃纤维增强材料可省去加强片。(2)试样选择及速度试样选择见表5表5试样选择试样材料试样类型

15、试样制备方法试样最佳厚度实验速度硬质热塑性塑料热塑性增强塑料型注塑成型压制成型4B、C、D、E、F硬质热塑性塑料板热固性塑料板（包括层压板）机械加工4A、B、C、D、E、F、G软质热塑性塑料软质热塑性塑料板型注塑成型压制成型板材机械加工板材冲切加工2F、G、H、I热固性塑料包括经填充和纤维增强的塑料型注塑成型压制成型-C热固性增强塑料板型机械加工-B、C、D 实验速度设有以下九种：速度A 1mm/min50%； 速度F 50mm/min10%；速度B 2mm/min20%； 速度G 100mm/min10%；速度C 5mm/min20%； 速度H 200mm/min10%；速度D 10mm/m

16、in20%； 速度I 500mm/min10%；速度E 20mm/min10%；(3)试样数量：每组不少于5个。四、实验步骤和内容 塑料属于粘弹材料，它的应力松弛过程与变形速率密切相关，应力松弛需要一个时间过程。当低速拉伸时，分子链来得及位移、重排，呈现韧性行为，表现为拉伸强度减少，而断裂伸长率增大。高速拉伸时，高分子链段的运动跟不上外力作用速度，呈现脆性行为，表现为拉伸强度增加，断裂伸长率减少。由于塑料品种繁多，不同品种的塑料对拉伸速度的敏感程度不同。硬而脆的塑料对拉伸比较敏感，一般采用较低的拉伸速度。韧性塑料对拉伸速度的敏感性较小，一般采用较高的拉伸速度。1、检查设备运转情况及速度转换是否

17、正常可靠。2、根据材料的强度和试样的种类、大小，选择合适的砝码的数量；3、开启记录仪，调好零点，用标准砝码校正力值读数；4、测量试样中间平直部分的宽度和厚度，精确至0.01mm，型试样中间平直部分的宽度精确至0.05mm。每个试样测量三点，取算术平均值。5、测量伸长率时，应在试样平行部分作标线，此标线对测量结果应无影响。6、调试实验机的速度为所要求的速度。7、将试样夹持在夹具上，使试样纵轴与上、下夹具的中心连线相重合，且松紧要适宜。8、 开动实验机进行实验并记录下列数值。试样断裂时，记录负荷和标距伸长； 试样出现屈服，记录屈服时的负荷；测量模量时，记录负荷和相应形变值。试样断裂在标距之外，此试

18、样作废，另取试样补做。9、实验中用记录仪记录负荷形变曲线。经变换可得拉伸应力应变曲线。10、处理实验结果，写出实验报告并进行相关问题的讨论。五、实验数据处理1、拉伸强度、拉伸屈服应力按式4计算： （4）式中：拉伸强度或拉伸屈服应力，Mpa；P 最大负荷或屈服负荷，N；b 试样宽度，mm；d 试样厚度，mm。实验结果以每组试样测定的算术平均值表示，取三位有效数字。2、断裂伸长率按式5计算： （5） 式中：断裂伸长率，%； L试样断裂时标线间距离，mm； L0试样原始标距，mm.3、若要求计算标准偏（S），可按式6计算： （6） 式中：x单个测定值； 组测定值的算术平均值； n测定值的个数。六、思

19、考题1、影响聚合物试样拉伸强度的主要因素有哪些？2、同样是PP材料，为什么测定的拉伸强度及断裂生长率有差别？3、由应力应变曲线如何判断材料的性能？4、如果测定线性和支化聚乙烯，可以从哪些方面来研究他们之间的性能的差异？实验三 偏光显微镜观察聚合物结晶形态聚合物的各种性能是由其结构在不同条件下所决定的。结晶性聚合物随结晶条件不同，可形成多种晶体形态，如：单晶、球晶、树枝晶、纤维晶、串晶、及伸直链晶体等。在通常条件下，从聚合物浓溶液或熔体冷却结晶时，结晶性聚合物倾向于生成球晶。研究聚合物结晶结构的方法有X射线衍射、小角激光光散射、偏光显微镜和电子显微镜等。观察几十微米以上的球晶，可用简便的偏光显微

20、镜观察，若在偏光显微镜上装上热台和快速摄像装置，还可研究球晶的生长过程。球晶的完善程度和尺寸大小对结晶聚合物的实际性能有着很大影响，因此，对球晶形态的研究为体讨结晶聚合物制品的质量有理论和实际意义。其中偏光显微镜法是目前实验室中较为简便而实用的方法。一、实验目的 1、了解偏光显微镜的结构及使用方法。2、观察聚合物的结晶形态，估算聚丙烯球晶大小。3、测定溶液结晶的球晶尺寸，判断球晶的正负性。二、实验原理球晶的生长以晶核为中心，从初级晶核生长的片晶，在结晶缺陷点繁盛支化，形成新的片晶，它们在生长时发生弯曲和扭转，并进一步分支形成新的片晶，如此反复，最终形成以晶核为中心，三维向外发散的球形晶体。实验

21、证实，球晶中分子链垂直球晶的半径方向。图6-1 球晶生长示意图（a）晶片的排列与分子链的取向（其中a、b、c轴表示单位晶胞再各方向上的取向）；(b)球晶生长 (c)长成的球晶用偏光显微镜观察球晶结构是根据聚合物晶体具有双折射性质。当一束光线进入各向同性的均匀介质中，光速不随传播方向而改变，因此各方向都具有相同的折射率。而对于各向异性的晶体来说，其光学性质是随方向而异的。当光线通过它时，就会分解为振动平面互相垂直的两束光，它们的传播速度除光轴方向外，一般是不想等的，于是就产生两条折射率不同的光线，这种现象称之为双折射。晶体的一切化学性质都是和双折射有关。偏光显微镜是研究晶体形态有效工具之一，许多

22、重要的晶体光学研究都是在偏光镜的正交场下进行的，即起偏镜的振动面与检偏镜的振动面相互垂直。在正交偏光镜间可以观察到球晶的形态，大小，数目及光性符号等。当高聚物处于熔融状态时，呈现关学各向同性，入射光自起偏镜通过熔体时，只有一束与起偏镜振动方向相同的光波，故不能通过与起偏镜成90的检偏镜，显微镜的视野为暗场。高聚物自熔体冷却结晶后，成为光学各向异性体，当结晶体的振动方向与上、下偏光镜振动方向不一致时，视野明亮，就可以观察到晶体，其原因由图2作简要说明。图6-2中PP代表起偏镜的振动方向，AA代表检偏镜的振动方向，NN，MM是晶体内某一切面内的两个振动方向。 6-2 偏镜的振动方向由图可知，晶体切

23、面内的振动方向与偏光镜的振动方向不一致，设N振动方向与偏光镜振动方向PP间的夹角为。光先进入起偏镜，自起偏镜透出的平面偏光的振幅为OB，光继续射至晶片上，由于切面内两振动方向不与PP方向一致，因此要分解到晶体的两振动面中，分至N方向上光的振幅为OD，分至M方向上光的振幅为OE。自晶片透出的两平面偏光继续射至检偏镜上，由于检偏镜的振动方向与晶体切面内振动方向也不一致，故每一平面偏光都要一分为二，即OD振幅光分解为OF与DF振幅的光，OE振幅的光分解为EG和OG振幅的光。振幅为DF和EG的光 由于它们的振动方向垂直于检偏镜的振动面，因而不能透过，而振幅为OG和OF的光，它们均在检偏镜的振动面内，因

24、而能透过两光波在同一面内振动，必然要发生干涉，它们的合成波为： Y=OFOG=ODsinOEcos 6-1 OD=OBcosOB=Asint 又因晶片内N和M方向振动的两光波的速度不相等，折射率也不同，其位相差设为，则有：OD=OBcos 6-2OEOBsin=Asin(t)sin 6-3将（6-2）、（6-3）代入（6-1）整理得： Y=Asin2 sin cos（t） 6-4因合成光得强度与合成光振幅的平方成正比，故由（4）式可以得出： IA2sin22 sin2 6-5式中A为入射光的振幅，a是晶片内振动方向与起偏镜振动方向的夹角，转动载物台可以改变a，当a= /4 ，3/4 ，5/4

25、，7/5时，光的强度最大，视野最高。如果晶体切面内的两振动方向与上、下偏光镜的振动方向成45，此时晶体的亮度最大，当a= 0，/2 ，3/2时，I=0，视野全黑，如果晶体切面内的振动方向与起偏镜（或检偏镜）的振动方向平行时，即a= 0，则晶体全黑，当晶体的轴和起偏镜的振动方向一致时，也出现全黑现象。在正交偏光镜下，晶体切面上的光的振动方向与AA，PP平行或近于平行，将产生消光，故形成分别平行于AA，PP的两个黑带（消光影），它们互相正交而构成黑十字，即Maltese干涉图。如图6-3所示。图6-3 聚乙烯球晶的偏光显微镜照片用偏光显微镜观察聚合物球晶，在一定条件下，球晶呈现出更复杂的环状图案，

26、即在特征的黑十字消光图象上还重叠着明暗相间的消光同性圆环。这可能是晶片周期性扭转产生的。如图6-4所示。图6-4 带消光同心圆环的聚乙烯球晶的偏光显微镜照片三、仪器药品1、仪器偏光显微镜及附件、载玻片、盖玻片、电炉和油浴锅。图6-5 XPT-7型偏光显微镜1、目镜，2、镜筒，3、勃氏镜，4、粗动手轮，5、微调手轮，6、镜臂，7、镜座，8、上偏光镜，9、试板孔，10、物镜，11、载物台，12、聚光镜，13、锁光圈，14、下偏光镜，15、反光镜2、试样聚乙烯（颗粒状）、聚丙烯（颗粒状），工业级。四、实验步骤1、聚合物试样的制备（l）熔融法制备聚合物球晶。首先把已洗干净的载玻片、盖玻片及专用砝码放在

27、恒温熔融炉内在选定温度（一般比Tm高30）下恒温5min，然后把少许聚合物（几毫克）放在载玻片上，并盖上盖玻片，恒温10min使聚合物充分熔融后，压上砝码，轻压试样至薄并排去气泡，再恒温5min，在熔融炉有盖子的情况下自然冷却到室温。有时，为了使球晶长得更完整，可在稍低于熔点的温度恒温一定时间再自然冷却至室温。本实验制备聚丙烯（PP）和低压聚乙烯（PE）球晶时，分别在230和220熔融10min，然后在150和120保温30min，（炉温比玻片的实际温度高约20，实验温度为炉温）在不同恒温温度下所得的球晶形态是不同的。（2）直接切片制备聚合物试样。在要观察的聚合物试样的指定部分用切片机切取厚度

28、约为10m的薄片，放于载玻片上，用盖玻片盖好即可进行观察。为了增加清晰度，消除因切片表面凹凸不平所产生的分散光，可于试样上滴加少量与聚合物折射率相近的液体，如甘油等。（3）溶液法制备聚合物晶体试样。先把聚合物溶于适当的溶剂中，然后缓慢冷却，吸取几滴溶液，滴在载玻片上，用另一清洁盖玻片盖好，静置于有盖的培养皿中（培养皿放少许溶剂使保持有一定溶剂气氛，防止溶剂挥发过快。）让其自行缓慢结晶。或把聚合物溶液注在与其溶剂不相溶的液体表面，让溶剂缓慢挥发后形成膜，然后用玻片把薄膜捞起来进行观察，如把聚癸二酸乙二醇酯溶于100的溴苯中，趁热倒在已预热至70左右的水上，控制一定的冷却速度冷至室温即可。2、偏光

29、显微镜调节（l）正交偏光的校正。所谓正交偏光是指偏光镜的偏振轴与分析镜的偏振轴呈垂直。将分析镜推入镜筒，转动起偏镜来调节正交偏光。此时，目镜中无光通过，视区全黑在正常状态下，视区在最黑的位置时，起偏振镜刻线应对准0位置。（2）调节焦距，使物像清晰可见，步骤如下：将欲观察的薄片置于载物台中心，用夹夹紧。从侧面看着镜头，先旋转微调手轮，使它处于中间位置，再转动粗调手轮将镜筒下降使物镜靠近试样玻片，然后在观察试样的同时慢慢上升镜筒，直至看清物体的像，再左右旋动微调手轮使物体的像最清晰。切勿在观察时用粗调手轮调节下降，否则物镜有可能碰到玻片硬物而损坏镜头，特别在高倍时，被观察面（样品面）距离物镜只有0.20.5mm