实验21 聚合物材料的动态力学性能测试.doc

实验21 聚合物材料的动态力学性能测试.doc实验15聚合物材料的动态力学性能测试
在外力作用下，对样品的应变和应力关系随温度等条件的变化进行分析，即为动态力学 分析。动态力学分析能得到聚合物的动态模量(E，)、损耗模量(E")和力学损耗(tan®。这些物 理量是决定聚合物使用特性的重要参数。同时，动态力学分析对聚合物分子运动状态的反应 也十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其他条件的变化的特性可得到聚合物结 构和性能的许多信息，如阻尼特性、相结构及相转变、分子松弛过程、聚合反应动力学等。
实验目的
了解聚合物黏弹特性，学会从分子运动的角度来解释高聚物的动态力学行为。
了解聚合物动态力学分析(DMA)原理和方法，学会使用动态力学分析仪测定多频率 下聚合物动态力学温度谱。
实验原理
高聚物是黏弹性材料之一，具有黏性和弹性固体的特性。它一方面像弹性材料具有贮存 械能的特性，这种特性不消耗能量；另一方面，它又具有像非流体静应力状态下的黏液，会 损耗能量而不能贮存能量。当高分子材料形变时，一部分能量变成位能，一部分能量变成热 而损耗。能量的损耗可由力学阻尼或内摩擦生成的热得到证明。材料的内耗是很重要的，它 不仅是性能的标志，而且也是确定它在工业上的应用和使用环境的条件。
如果一个外应力作用于一个弹性体，产生的应变正比于应力，根据虎克定律，比例常数 就是该固体的弹性模量。形变时产生的能量由物体贮存起来，除去外力物体恢复原状，贮存 的能量又释放出来。如果所用应力是一个周期性变化的力，产生的应变与应力同位相，过程 也没有能量损耗。假如外应力作用于完全黏性的液体，液体产生永久形变，在这个过程中消 耗的能量正比于液体的黏度，应变落后于应力90°,如图2-61(a)所示。聚合物对外力的响应 是弹性和黏性两者兼有，这种黏弹性是由于外应力与分了链间相互作用，而分了链又倾向于 排列成最低能量的构象。在周期性应力作用的情况下，这些分子重排跟不上应力变化，造成 了应变落后于应力，而且使一部分能量损耗。图2-61(b)是典型的黏弹性材料对正弦应力的 响应。正弦应变落后一个相位角。应力和应变可以用复数形式表示如下。
*
o =ooexp(zc«/)
Y*=Yo exp[/ (cot-8)]
式中，oo和为应力和应变的振幅；e是角频率；7是虚数。用复数应力/除以复数形变 便得到材料的复数模量。模量可能是拉伸模量和切变模量等，这取决于所用力的性质。 为了方便起见，将复数模量分为两部分，一部分与应力同位相，另一部分与应力差一个90° 的相位角，如图2-61(c)所示。对于复数切变模量
E*=e，+/E" (2-60)
式中
E - | E* | cos8
E"= | E* I sing
显然，与应力同位相的切变模量给出样品在最大形变时弹性贮存模量，而有相位差的切 变模量代表在形变过程中消耗的能量。在一个完整周期应力作用内，所消耗的能量△卩与 所贮存能量卩之比，即为黏弹性物体的特征量，叫做内耗。它与复数模量的直接关系为
这里tan5称为损耗角正切。
Y1 B•性〉
图2-61应力和应变相位角关系
聚合物的转变和松弛与分子运动有关。由于聚合物分子是一个长链的分子，它的运动有 很多形式，包括侧基的转动和振动、短链段的运动、长链段的运动以及整条分子链的位移各 种形式的运动都是在热能量