1、纖維化學與物理課程教學模式改革模擬實驗設置實驗一、苯乙烯的懸浮聚合實驗一、實驗原理懸浮聚合是單體以小液滴狀懸浮在水中進行的聚合 , 單體中溶有引發劑 , 一個小液滴相當于本體聚合中的一個單元，從單體液滴轉變為聚合物固體粒子，中間經過聚合物單體粘性粒子階段，為了防止粒子相互粘接在一起，體系中需另加分散劑，以便在粒子表面形成保護膜。因此，懸浮聚合一般由單體、引發劑、水、分散劑四個基本組分組成。懸浮聚合的聚合機理與本體聚合相似，方法上兼有本體聚合的優點，且缺點較少，因而在工業上有廣泛的應用。苯乙烯（St）通過聚合反應生成如下聚合物。反應式如下：本實驗要求聚合物體具有一定的粒度。粒度的大小通過調節懸浮

2、聚合的條件來實現。懸浮聚合是由烯類單體制備高聚物的重要方法之一。由于水為分散介質，聚合熱可以迅速排除，因而反應溫度容易控制；生產工藝簡單；制成的成品呈均勻的顆粒狀，故又稱為珠狀聚合；產品不經造粒即可直接成型加工。工業上用懸浮聚合生產的聚乙烯是一種透明無定形熱塑性高分子材料；其分子量分布較寬；由于流動性能好而適于模壓注射成型；其制品有較高的透明度和良好的耐熱性和電絕緣性。懸浮聚合實質上是借助于較強烈的攪拌和懸浮劑的作用，將單體分散在單體不溶的介質中，單體以小液滴的形式進行本體聚合；在每個小液滴內，單體的聚合過程與本體聚合相似。由于單體在體系中受到攪拌和懸浮劑的作用，被分散成細小的液滴，使散熱面積

3、增大，解決了在本體聚合中不易散熱的問題。采用懸浮劑是使最后產物容易分離、清洗，可得到純度較高的顆粒狀聚合物。本實驗采用苯乙烯為單體，過氧化苯甲酰（BPO）為引發劑、聚乙烯醇為懸浮劑、水為介質，按自由基歷程進行懸浮聚合。二、實驗目的1、通過實驗掌握懸浮聚合的實施原理與方法，了解配方中各組分的作用。2、通過對聚合物顆粒均勻性和大小的控制，了解分散劑、升溫速度、攪拌槳型、攪拌速度等對懸浮聚合的重要性。三、主要儀器和試劑1、儀器：聚合裝置如圖1表面皿、吸管、移液管、攪拌馬達、水浴、布氏漏斗。圖1聚合裝置圖1. 攪拌器 2.四氟密封塞 3.溫度計 4.溫度計套管 5.冷凝管2、實驗配方如下表所示：組 分

4、試 劑規 格加料量單 體苯乙烯99.5%16ml分散劑聚乙烯醇（1.5%）DP=1750±5020ml引發劑過氧化苯甲酰（BPO）精制0.3g介 質水無離子水130ml四、實驗步驟按圖1安裝好實驗裝置，為保證攪拌速度均勻，整套裝置安裝要規范。尤其是攪拌器安裝后，用手轉動阻力小轉動輕松自如。用分析天平準確稱取0.3gBPO（用分析天平）放于100ml錐形瓶中。再用移液管按配方量取苯乙烯，加入錐形瓶中。輕輕振動，待BPO完全溶解于苯乙烯后將溶液加入三口瓶中。再加入20ml1.5%的聚乙烯醇溶液。最后用130ml無離子水分別沖洗錐形瓶和量筒后加入三口瓶中。通過冷凝水。啟動攪拌器并控制在一恒

5、定轉速，在20-30分鐘內將溫度升至85-90，開始聚合反應。在整個過程中除了要控制好反應溫度外，關鍵是要控制好攪拌速度。尤其是反應一個多小時以后，體系中分散的顆粒變得發粘，這時攪拌速度如果忽快忽慢或者停止都會導致顆粒粘在一起，或粘在攪拌器形成結塊，致使反應失敗。所以反應中一定要控制好攪拌速度。可在反應后期將溫度升至反應溫度上限，以加快反應，提高轉化率。反應1.5-2h小時后，可用吸管吸取少量顆粒于表面皿中進行觀察，如顆粒變硬發脆，可結束反應。停止加熱，撤出加熱器，一邊攪拌以便用冷水將聚合體系冷卻至室溫。停止攪拌，取下三口瓶。產品用布氏漏斗濾干，并用熱水洗數次。最后插屏在鼓風干燥箱烘干（50）

6、，稱重并計算產率。五、實驗注意事項1、反應時攪拌要快，均勻，使單體能形成良好的珠狀液滴；2、80+ 1 保溫階段是實驗成敗的關鍵階段，此時聚合熱逐漸放出, 油滴開始變粘易發生粘連，需密切注意溫度和轉速的變化；3、如果聚合過程中發生停電或聚合物粘在攪拌棒上等異?，F象，應及時降溫終止反應并傾出反應物，以免造成儀器報廢。六、實驗思考題1、結合懸浮聚合的理論，說明配方中各種組分的作用。如改為苯乙烯的本體聚合或乳液聚合，此配方需做哪些改動，為什么？2、分散劑作用原理是什么？如何確定用量，改變用量會產生什么影響？如不用聚乙烯醇可用什么別的代替？3、懸浮聚合對單體有何要求？聚合前單體應如何處理？討論控制懸浮

7、聚合的主要因素。4、根據實驗體會，結合聚合反應機理，你認為在懸浮聚合的操作中，應特別注意哪些問題？5、在整個過程中除了要控制好反應溫度外，關鍵是要控制好攪拌速度。尤其是反應一個多小時以后，體系中分散的顆粒變得發粘，為什么？6、為什么在實驗過程中停止加熱，撤出加熱器時，要一邊攪拌以便用冷水將聚合體系冷卻至室溫？7、為什么在實驗過程中停止攪拌，取下三口瓶后，產品要用布氏漏斗濾干，并用熱水洗數次？8、實驗過程中，三口瓶的顏色由藍色逐漸變白，在60可取樣觀察粒度, 隨著溫度的逐漸升高，形成大小分布均勻的白色粒子，出現上述現象是否為正?，F象？解釋上述現象的原因。9、實驗過程中，易發生暴聚而使產物結塊，造

8、成出料困難，最終使實驗儀器報廢，出現上述現象是否為正?，F象？解釋上述現象的原因。七、參考資料1、,Laboratory Preparation for Macromolecular Chemistry. MeGraw-Hill, N. Y. 1970. 2、蔣碩健，王盈康等譯，高分子化學實驗室制備.北京，科學出版社，1981.3、何平笙，楊海洋，朱平平，瞿保均編，高分子物理實驗.合肥，中國科技大學出版社，2002年.4、吳承佩等.高分子化學實驗.合肥，安徽科學技術出版社，1989年.5、于同隱.復旦大學.高分子實驗技術（修訂版），復旦大學出版社.1993年12月.6、焦劍，雷渭媛主編，高聚物結

9、構、性能與測試.北京，化工出版社，2003年.7、張俐娜，薛奇，莫志深，金熹高編著，高分子物理近代研究方法.武漢，武漢大學出版社，2003年.8、蔡再生編.纖維化學與物理.北京：中國紡織出版社.2009年3月.9、潘祖仁.高分子化學.北京：化學工業出版社.2003.10、何曼君，陳維孝，董西俠等.高分子物理.上海：復旦大學出版社.2007年3月.11、殷敬華，莫志深.中國科學院研究生教學叢書-現代高分子物理學（上、下冊）.北京：科學出版社.2001年3月.12、George Odian，PRINCIPLES OFPOLYMERIZATION, Fourth Edition. 2004 by J

10、ohn Wiley & Sons,2004實驗二、粘度法測定高聚物的分子量實驗分子量是高聚物的重要參數之一，它對高聚物力學性能、溶性、流動性有很大影響，因此通過測定分子量及分子量分布可以進一步了解高聚物的性能，用它來指導控制聚合物生產條件，以獲得需要的產品。粘度法測定高聚物分子量，設備簡單，操作便利，又有較好的實驗精確度。同時，這一方法一旦經驗常數被確定就能適用于各種分子量測定范圍，它是高聚物生產和科研中用得最廣泛，最常用的方法。一、目的要求1、掌握毛細管粘度計測定高聚物分子量的原理。2、學會用粘度法測定特性粘度。二、實驗原理測定聚合物分子量雖然方法很多，但各種方法都有它的優缺點和適用

11、的局限性，由不同方法得到的分產量的統計平均意義也不一樣。液體的流動是因受外力作用分子進行不可逆位移的過程、液體分子間存在著分子間作用力，因此當液體流動時，分子間就產生反抗其相對位移的摩擦力(內摩擦力)，液體的粘度就是液體分子間這種內摩擦力的表現，粘度法正是根據線型高聚物溶液的粘度隨分子量增加的原理來測定高聚物分子量的。采用稀溶液粘度法測定聚合物的分子量、所用儀器設備簡單，操作便利，適用的分子量范圍大，又有相當好的實驗精確度，因此粘度法是一種廣泛應用的測定聚合物分子量的方法。但它是一種相對方法因為特性粘數與分子量經驗關系式中的常數要用具它測定分子量的絕對方法予以制定、并且在不同的分子量范圍內，通

12、常要用不同常數的經驗式。通常，將純溶劑的粘度記作0，將高分子溶液的粘度記作，溶液粘度與純溶劑粘度之比/0稱為“相對粘度”，用r表示：r=/0 （1）而將溶液粘度增加的分數稱為“增比粘度”，用“sp”表示：sp =（-0）/0=r-1 （2）對于一般低分子溶液，其增比粘度sp 與濃度成正比關系，則sp /C為常數，sp /C又稱“比濃粘度”。對高分子溶液而言，由于大分子鏈的特殊性，比濃粘度表現出高粘度的特性，并且其增比粘度隨溶液粘度的增加而增加，為了得到粘度與分子量之間的對應關系，往往用消除濃度對增比濃度的影響來求得，即取濃度趨于零時的比濃粘度（因為濃度趨于零時，大分子間作用力可忽略不

13、記），用表示，稱為特性粘度（或特征粘度）。（毫升/克）或 （3）高聚物的特性粘度與分子量的關系，還與大分子在溶液里的形態有關。一般大分子在溶液中卷得很緊，當流動時，大分子中的溶劑分子隨大分子一起流動，則大分子的特性粘度與其分子量的平方根成正比；若大分子在溶液中呈完全伸展和松散狀，當流動時，大分子中溶劑分子是完全自由的，此時大分子的特性粘度與分子量成正比，而大分子的形態是大分子鏈段和大分子溶劑分子之間相互作用力的反映。因此，特性粘度與分子量的關系隨所用溶劑、測定溫度不同而不同，目前常采用一個包含兩個參數的馬克哈溫克經驗式來表示：（4）式中，K、是與聚合物種類、溶劑體系、溫度范圍等有關的常數，需經

14、測定分子量的絕對方法標定。對于常見的聚合物溶液體系，可以從有關手冊中查到，對于大部分高分子溶液來說，的數值在0.51.0之間。將上式化成對數形式：log=logK + logM（5）只要將經過仔細分級的樣品，測定各級分的和用光散射法、滲透壓法、超速離心等直接方法測定相對應的分子量，就可以作出logM的線性關系圖，此時直線的斜率為a，直線的截距為logK，從而求出K與a.三、粘度的求得1、特性粘度的求得（1）外推法多點法高分子溶液的粘度比純溶劑的粘度要大得多，溶液的粘度除了與聚合物的分子量有密切關系外，還對溶液濃度有很大的依賴性，所以用粘度法測定聚合物的分子量時要消除濃度對粘度的影響。特性粘度是

15、當溶液濃度超于零時的比濃粘度，表示它們關系的經驗式很多，其中常以兩個經驗式(Huggins方程式和Kraemer方程式)表達粘度對濃度的依賴關系：（6）（7）以sp/c 對C或lnr/c對C作圖都可以得 外推到）2C=0時的截距為。如下圖可知：溶液的濃度C與溶液的比濃粘度SP/C或與溶液的比濃對數粘度lnr/C成直線關系（如圖1），在給定體系中K和K”均為常數，這樣以SP/C對C或以lnr /C對C作圖并將其直線外推至C=0處，其截距均為。所以被定義為溶液濃度趨近于零時的比濃粘度或比濃對數粘度。圖1   sp /cc和lnc/cc圖外推法求特性粘度需要在幾個了同濃度下測定其

16、粘度，從而求得sp/c 或 lnr/c 對C的關系，因此又稱多點法，此方法比較麻煩，不適應于生產上快速測定的需要，現在經常采用簡化的“一點法”。（2）一點法通過測定一個濃度下的sp和r求得特性粘度的方法，稱為“一點法”。當時，由上（6）和（7）式解出下列關系： (8)C-溶液濃度（克/毫升）對于不同的高聚物-溶液體系生產上常采用不同的經驗方程式。許多實驗表明：很多高分子溶液中，其中順1，4聚丁二烯體系可采用此公式。在粘度法測定聚合物分子量時，測定溶液粘度的絕對值是很困難的，所以一般都是測定其相對粘度，本實驗采用的是毛細管計（烏氏粘度計）。如圖（2）一般被測溶液的濃度是比較稀的，所以在平時實驗中

17、選用純溶劑流出時間100-200秒之間，動能校正項可忽略。于是：（9）（10）通過實驗，測定純溶劑、溶液（不同濃度）流經毛細管a與b之間的時間t、t0，用一點法求得,再用此公式求得分子量M。2、設備儀器恒溫裝置（玻璃缸水槽）一個，攪拌馬達一臺，溫度計050一支，水銀接觸溫度050一支，繼電器一臺，秒表，最小讀數為0.1秒一塊，烏氏粘度計一支，加熱器一個，燒杯50ml一個，容量瓶25ml一個，砂蕊漏斗G2一個，吸耳球一個。3、藥品 聚乙烯醇，蒸餾水4、實驗操作：（1）純溶劑流出時t0的測定：將干凈烘干的粘度計，用過濾的純溶劑洗2到3次，再固定在恒溫30±0.1水槽中，使其保持垂直，并使

18、E球全部浸泡在水中并過a線，然后將過濾好的純溶劑從A管加入1050ml左右，恒溫1015分鐘，開始測定，閉緊C管上的乳膠管，用吸耳球從B管將純溶劑吸入G球的一半，拿下吸耳球打開C管，記下純溶劑流經ab刻度線之間的時間為t0。重復三次測定，每次誤差0.2秒，取三次的平均值。（2）溶液流經時間t的測定：取潔凈干燥的聚乙烯醇試樣，在分析天平下準確稱取0.05±0.001-0.002g，溶于50ml燒杯內（加純溶劑10ml左右），微微加熱，使其完全溶解，但溫度不宜高于60，待溶質完全溶解后用G2砂蕊漏斗濾至15ml容量瓶內，（用純溶劑將燒杯洗23次濾入容量瓶內）。恒溫15分鐘左右，用準備好的

19、純溶劑稀釋到刻度，反復搖均勻，再加入粘度計內，（15ml左右）。恒溫1015分鐘即測定，測定方法同測定溶劑一樣。四、數據記錄及處理測得數據記入下表：次數t0trsp123平均根據=KMa，聚乙烯醇在水溶液中，30C時，K=42.8×10-3 ，=0.64。五、注意事項1、恒溫水槽溫度嚴格控制30±0.1，如果高于或低于要重做。2、加熱器、恒溫玻璃水槽配用500600W之間加熱器為宜，否則功率太小，加熱時間長，功率太大溫度波動大。3、所用玻璃儀器洗凈烘干。4、所用儀器用純溶劑洗23次，然后裝滿純溶劑放好。5、溶劑、溶液倒入回收瓶。6、使用粘度計時要小心，否則易折斷粘度計管。六

20、、思考題1、粘度法測定聚合物分子量的原理是什么？2、聚合物分子量大小與其粘度有何關系？為什么？3、影響實驗結果的主要因素是什么？4、粘度法測定聚合物分子量應該注意什么？5、樣品溶液制備時，樣品分子量高低與相同溶解條件下溶解時間有何對應關系，請解釋原因？6、高聚物樣品分子量高低，與其流經時間長短有何對應關系？七、參考文獻1、焦劍，雷渭媛主編，高聚物結構、性能與測試.北京，化工出版社，2003年.2、張俐娜，薛奇，莫志深，金熹高編著，高分子物理近代研究方法.武漢，武漢大學出版社，2003年.3、何平笙，楊海洋，朱平平，瞿保均編，高分子物理實驗.合肥，中國科技大學出版社，2002年.4、吳承佩等.高

21、分子化學實驗.合肥，安徽科學技術出版社，1989年.5、北京大學.高分子物理實驗，北京大學出版社.1983.6、于同隱.復旦大學.高分子實驗技術（修訂版），復旦大學出版社.1993年12月.7、蔡再生編.纖維化學與物理.北京：中國紡織出版社.2009年3月.8、潘祖仁.高分子化學.北京：化學工業出版社.2003.9、何曼君，陳維孝，董西俠等.高分子物理.上海：復旦大學出版社.2007年3月.10、殷敬華，莫志深.中國科學院研究生教學叢書-現代高分子物理學（上、下冊）.北京：科學出版社.2001年3月.11、George Odian，PRINCIPLES OFPOLYMERIZATION, Fo

22、urth Edition. 2004 by John Wiley & Sons,2004.實驗三、雙折射法測試纖維的取向度實驗一、實驗目的高分子及其鏈段本身具有較大的長度，因此在空間上必然指向一定的方向。當高分子鏈段在空間隨機取向時，由概率論可知，此時分子或分子鏈段指向各個方向的幾率是相同的。在宏觀上，高分子的這種取向方式使高分子聚合物在各個方向上呈現相同的品質，即各向同性性質。高分子鏈段也可能沿某些方向規整地周期性排列，從而形成高分子晶體。在一些條件下如外力、流動等，相當數量的高分子鏈段會平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集態結構被稱作取向態結構。高分子鏈段平行地向同一方向排列的現

23、象叫做高分子聚合物的取向。二、實驗原理1.高分子聚合物中分子鏈的取向度 1.1 高分子聚合物的取向由于高分子聚合物取向后多數分子鏈段指向同一個方向，在這一方向上，高分子聚合物的宏觀性能顯然與其他方向存在差異，材料呈各項異性性質。在力學性能上，取向方向的強度、剛度會明顯提高，而與之垂直方向上的強度和剛度則可能會降低。在光學性能上，高分子聚合物的取向導致雙折射現象的出現。熱性能上，熱膨脹系數在取向和非取向方向上不同。高分子聚合物在外力作用下的取向有兩種方式：單軸取向和雙軸取向。單軸取向：高分子聚合物在單一方向上被外力拉伸；聚合物的長度增加，厚度和寬度減小。分子鏈受外力的影響指向受力方向。雙軸取向：

24、外力在兩個互相垂直的方向拉伸高分子聚合物。聚合物的在受力方向的長度增加，厚度減小，高分子鏈段相對于拉伸平面平行排列，在拉伸平面內則為隨機排列。可見，雙軸取向后，高分子聚合物在拉伸平面內的性能呈各項同性。1.2 取向度高分子聚合物中分子鏈段向特定方向排列的程度叫做取向度。取向度一般用取向函數F表示：F=0.5 (3cos21) （1）在定義取向函數時，通常取一特定的方向（如拉伸方向）作為參考方向，取分子的鏈軸方向與參考方向的夾角為取向角。對于實際的高分子聚合物，不是一個定值，而是按一定的方式分布，因此取向函數方程中的往往采用實際取向角的平均值。2.取向度的測定方法2.1 廣角X射線衍射法（WAX

25、S）選定取向單元（例如高分子主鏈軸、高聚物結晶主軸），然后選擇取向度的參考方向，如拉伸方向。用廣角X射線衍射儀獲取樣品的衍射圖，取赤道線上Debye環（常用最強環）的強度分布曲線的半高寬（單位為“度”），計算聚合物樣品中高分子鏈及微晶體的取向度： （2）式中，為聚合物樣品中高分子鏈及微晶體沿樣品被拉伸方向的取向度，H°為赤道線上Debye環強度分布曲線的半高寬度。值沒有明確物理意義，只能做相對比較的參考數據。2.2 雙折射法表征纖維的取向度。用偏光顯微鏡觀測浸于油中的纖維?！敖汀笔且阎酃庵笖档挠蛣?。變換不同折光指數的油劑浸泡纖維并置于偏光顯微鏡上進行觀測，直至偏光顯微鏡目鏡中不再

26、出現纖維和浸油界面因折射率不同而出現的黑線帶（貝克線）為止。此時，浸油的折光指數就是纖維在某一個方向的折光指數（例稱為n）。旋轉載物臺90度，用同樣的方法測定纖維垂直于前一方向的折光指數（例稱為n）。纖維在二個相互垂直方向折光指數的差值n，可以用來定性表征該纖維的取向度。nnn （3）需要指出的是，由雙折射法確定的取向度n是被觀測段內聚合物的取向，用其代表整個纖維中高分子鏈的取向時尚不全面。2.3 聲波傳播法沿分子鏈方向傳播的聲波是通過分子內鍵合原子的振動完成的，速度較快。在垂直于分子鏈的方向，聲波的傳播要靠非鍵合原子間的振動，速度較慢。聲波在未取向高分子聚合物中的傳播速度與其在小分子液體中的

27、傳播差不多，約為1-2km/s。在取向高分子聚合物的取向方向上，聲波的傳播速度則可以達到5-10km/s。如聲波在未取向試樣的傳播速度為cu在取向試樣中沿取向方向的傳播速度為co，則高分子聚合物的取向度：F1（cu/co）2 （4）2.4 紅外二向色性紅外光偏振光通過被測試樣時，試樣中某基團的吸光強度A與振動偶極矩M的變化方向有關。電矢量方向與偶極矩變化方向平行時紅外吸收最大，而當這兩個方向垂直時則不產生吸收。這種現象被叫做紅外二向色性。未取向高分子聚合物M的變化方向呈均勻性分布，而取向高分子聚合物的M也發生取向，因此，高分子聚合物的取向度可以用紅外二向色性來表征。二向色性之比與取向度的關系為

28、： （5）其中，為基團振動時躍遷偶極矩與分子鏈方向的夾角。完全取向時，F=1；二向色性最大；隨機取向時，F=0，二向色性消失。二向色性僅與高分子的性質有關，與所處的凝聚態無關。因此它既可以用來研究晶態高分子聚合物的取向，也可以用來研究非晶態高分子聚合物的取向。根據所選擇的紅外光譜譜帶的不同，可以分別確定晶區和非晶區的取向，也可以確定整個材料的的平均取向，根據振動譜帶是側基還是主鏈的基團，可以區分主鏈和側基的取向。紅外二向色性法可以獲得廣泛的取向參數。三、實驗儀器偏光顯微鏡(PLM)、廣角x射線衍射儀(WAXS)、紅外光譜儀四、思考題1、纖維大分子鏈取向度的測定原理是什么？2、纖維大分子鏈取向度

29、高低與纖維的那些性能相關？3、纖維生產加工過程中，影響纖維大分子鏈取向度的主要工藝因素是什么？為什么？4、取向度與結晶度是否一致？五、參考文獻1、焦劍，雷渭媛主編，高聚物結構、性能與測試.北京，化工出版社，2003年.2、張俐娜，薛奇，莫志深，金熹高編著，高分子物理近代研究方法.武漢，武漢大學出版社，2003年.3、何平笙，楊海洋，朱平平，瞿保均編，高分子物理實驗.合肥，中國科技大學出版社，2002年.4、北京大學.高分子物理實驗，北京大學出版社.1983.5、于同隱.復旦大學.高分子實驗技術（修訂版），復旦大學出版社.1993年12月.6、蔡再生編.纖維化學與物理.北京：中國紡織出版社.20

30、09年3月.7、潘祖仁.高分子化學.北京：化學工業出版社.2003.8、何曼君，陳維孝，董西俠等.高分子物理.上海：復旦大學出版社.2007年3月.9、殷敬華，莫志深.中國科學院研究生教學叢書-現代高分子物理學（上、下冊）.北京：科學出版社.2001年3月.10、George Odian，PRINCIPLES OFPOLYMERIZATION, Fourth Edition. 2004 by John Wiley & Sons,2004實驗四、透明度法聚合物熔點測定實驗物質的內在結構由晶態變為“液態”的過程被稱為熔融。對應于熔融的溫度為熔點，記為Tm，熔點是晶態聚合物最重要的熱轉變溫度

31、，是聚合物最基本的性質之一。與低分子物質不同，高分子聚合物的熔融不是發生在0.21ºC 左右的狹窄溫度范圍內，而是在一個較寬的溫度范圍，如10ºC左右。高分子聚合物的這種熔融溫度范圍被叫做熔限。聚合物的熔融溫度和它的流動性密切相關，通過熔融溫度可以了解聚合物在成型加工中形態的變化規律，研究聚合物流體在外場作用下的流動行為。因此聚合物熔點的測定對理論研究及對指導工業生產都有重要意義。聚合物在熔融時，許多性質都發生不連續的變化，如熱容量、密度、體積、折射率、雙折射及透明度等。具有熱力學一級相轉變特征，這些性質的變化都可用來測定聚合物的熔點。本實驗采用在顯微鏡下觀察聚合物在熔融時

32、透明度發生變化的方法來測定聚合物的熔點，此法迅速、簡便，用料及少，結果也比較準確，故應用很廣泛。一、實驗目的1、了解聚合物熔點及其相關影響因素。2、顯微熔點測定儀的工作原理。3、掌握顯微熔點測定儀的使用方法。4、觀察聚合物熔融的全過程。二、實驗原理2.1 聚合物的熔融過程如對高分子聚合物緩慢升溫，例如每升溫1ºC便維持恒溫24小時，待樣品的體積不變后測量其體積的變化，結晶高分子聚合物的熔融過程被發現為是一個接近于躍變的過程。熔融過程發生在34ºC的溫度范圍內，以體積變化為特征的熔融曲線上也對應有明顯的轉折。對由不同條件下獲得的同一種結晶聚合物進行這種測量，可以得到相同的轉折

33、溫度（熔融溫度）。由此證明了結晶高分子聚合物的熔融同低分子物質一樣，屬于熱力學上的一級相變過程。2.2 平衡熔點如果晶體在熔融時可以達到熱力學平衡，其自由能的變化G=0，即 HTS=0 （1） 其中，H 為物體的熔融熱，S為熔融熵，T為物體所處的環境溫度。因此對應于物體熔融的平衡熔融溫度（平衡熔點）T0m =H /S （2） 熔融熱和熔融熵是高分子聚合物結晶熱力學的二個重要參數，熔融熱，H表示分子或分子鏈段排布由有序轉換到無序所需要吸收的能量，與分子間作用力的大小密切相關。熔融熵代表了熔融前后分子的混亂程度，取決于分子鏈的的柔順程度。由上述的熱力學關系式

34、可見，當熔融熱增大或熔融熵減小時，平衡熔融點T0m會增高。  需要指出的是，由于高分子聚合物在結晶時一般難以達到熱力學平衡，在熔融時亦難以達到兩相平衡，因此通常不能直接得到平衡熔點，T0m，而需要用外推法獲得。具體做法為：將結晶高分子聚合物從高溫狀態冷卻，使之結晶；選擇不同的過冷度可以得到不同結晶溫度，Tc的試樣；把獲得的試樣加熱，在設定的升溫速率條件下測定熔點，Tm; 用Tm對Tc做圖，得一直線；將此直線向Tm=Tc直線外推，即可得到平衡熔融溫度，T0m。2.3 影響高分子聚合物熔融溫度的因素2.3.1 分子間作用力由熔融熱力學得出的平衡熔點方程可以看出，減小熔融熵，提高

35、熔融熱是提高熔融溫度的有效手段。增大分子間的作用力可以有效地增加高分子聚合物晶體由有序向無序轉變所需要的熱量。因此在實際工作中，為了提高高分子聚合物的熔融和使用溫度，一個通用的做法是在分子鏈上增加極性基團，如在主鏈上引入CONH，CONCO，NHCOO，NHCONH；側鏈上引入OH，NH2，CN，CF3等。極性基團的引入增大了分子間的作用力，并可能形成氫鍵。而氫鍵的形成則會降低分子鏈段的柔性，導致熔融熵的減小。2.3.2分子鏈的柔順性分子鏈的剛性與熔融熵相關。剛性分子鏈對應于較小的熔融熵。增大分子鏈剛性的基本方法是在分子主鏈上引入剛性基團，如苯環，芳雜環，或共軛雙鍵等。分子主鏈上接入較大體積的

36、側基或氫鍵的形成也可以達到增大剛性的目的。在分子主鏈上引入醚鍵或非共軛雙鍵等柔性基團則能有效增大分子鏈的柔性，增大熔融熵的數值。2.3.3 增塑劑或添加劑在高分子聚合物材料的加工過程中，往往需要加入一定量的增塑劑和添加劑以改善加工和使用性能。這些助劑通常會將減弱分子間的相互作用力，使結晶高分子聚合物的熔融溫度降低。這一現象被稱為增塑劑和添加劑的稀釋效應。 2.3.4 片晶厚度為了控制結晶高分子聚合物材料的性能，在加工過程中常采用淬火或退火的方法控制結晶度，同時也導致了片晶厚度和晶體的完善程度。人們發現，高分子聚合物的熔融溫度隨片晶的厚度增加。2.4 熔融溫度的試驗測量方法2.4.1

37、 差熱分析法利用熔融過程中的熱效應測定熔融溫度。2.4.2 示差掃描量熱法利用熔融過程中出現的熱效應，定量地測量得到高分子聚合物的熔點。2.4.3  偏光顯微鏡法檢測熔融過程中雙折射效應的變化，對應于雙折射消失的溫度即為高分子聚合物的熔融溫度。2.4.4 紅外光譜法對應于紅外光譜上結晶特征譜帶消失時的溫度，即是受測樣品的熔融溫度。2.4.5 X射線衍射法高分子聚合物晶體熔融時將不再能看到晶區的衍射圖象。相應于此的溫度為熔融點。2.4.6 其他方法利用高分子聚合物熔融時物理性質出現階躍（不連續性）的性質，可以用通過監測密度、折射率、熱容、體積、透明度等物理性質的變化的方法測定

38、高分子聚合物的熔融溫度。三、儀器結構及儀器原理儀器結構如圖1所示。圖1 XT4型顯微熔點測定儀儀器的光學系統由成像系統和照明系統兩部分組成，成像系統由目鏡、棱鏡和物鏡等組成；照明系統由加熱臺小孔和反光鏡等組成。將聚合物試樣置于熱臺表面中心位置，蓋上隔熱玻璃，形成隔熱封閉腔體，熱臺可按一定速度升溫，當溫度達到聚合物熔點時，可在顯微鏡下清晰地看到聚合物試樣的某一部分的透明度明顯增加并逐漸擴展到整個試樣。熱臺溫度用玻璃水銀溫度計顯示。在樣品熔化完瞬間，立即在溫度計上讀出此時的溫度，即為該樣品的熔點。四、儀器及試樣XT4型顯微熔點測定儀兩臺，單面刀片一盒，載玻片、蓋玻片數片，聚乙烯、聚丙烯粒料。五、實

39、驗步驟插上電源，將控溫旋鈕全部置于零位。儀器使用前必須將熱臺預熱除去潮氣，將控溫旋鈕調置100V處，觀察溫度計至120，潮氣基本消除之后將控溫旋鈕調至零位。再將金屬散熱片置于熱臺中，使溫度迅速下降到100以下。取一片干凈載玻片放在實驗臺臺面上，用單面刀片從試樣粒料上切下均勻的一小薄片試樣，放在載玻片上，蓋上蓋玻片，用鑷子將被測試樣置于熱臺中央，最后將隔熱玻璃蓋在加熱臺的上臺肩面上。旋轉顯微鏡手輪，使被測樣品位于目鏡視場中央,以獲得清晰的圖像。將控溫旋鈕旋到50V處，由微調控溫旋鈕控制升溫速度為23/分鐘，在距熔點10時，由微調控溫旋鈕控制升溫速度在1/分鐘以內，同時開始記錄時間和溫度，兩分鐘記

40、錄一次。當在顯微鏡中觀察到試樣某處透明度明顯增加時,聚合物即開始熔融,記錄此時的溫度,并觀察聚合物的熔融過程,當透明部分擴展到整個試樣時,熔融過程即結束,將此時的溫度記錄下來,此溫度即聚合物的熔點；而從剛開始熔融時的溫度到熔點之間的溫度段即為熔限。將金屬散熱片置于熱臺上，使熱臺溫度迅速下降，當溫度降到離高聚物熔點3040時，即可進行下次測量，重復測定三次。測定完畢，將控溫旋鈕與微調控溫旋鈕調至零位，再將物鏡調起一定高度，拔下電源。清理實驗臺上的測試完試樣，將實驗工具擺放好，結束實驗。六、實驗結果記錄：實驗結果記錄與下表中：1時間開始熔融熔融結束溫度2時間開始熔融熔融結束溫度3時間開始熔融熔融結

41、束溫度4熔限 熔點七、討論與思考1、聚合物熔融時為什么有一個較寬的熔融溫度范圍？2、列舉一些其它測定聚合物熔點的方法，并簡述測量原理。3、聚合物的熔融溫度是如何表征的？4、聚合物熔點的高低與大分子鏈長短、分子組成有何對應關系？5、一般而言，聚合物分質量大小、分布范圍與其實驗熔點間有何對應關系？為什么？6、影響高分子聚合物熔融溫度的主要因素有哪些？八、參考文獻1、焦劍，雷渭媛主編，高聚物結構、性能與測試.北京，化工出版社，2003年.2、張俐娜，薛奇，莫志深，金熹高編著，高分子物理近代研究方法.武漢，武漢大學出版社，2003年.3、何平笙，楊海洋，朱平平，瞿保均編，高分子物理實驗.合肥，中國科技

42、大學出版社，2002年.4、北京大學.高分子物理實驗，北京大學出版社.1983.5、于同隱.復旦大學.高分子實驗技術（修訂版），復旦大學出版社.1993年12月.6、蔡再生編.纖維化學與物理.北京：中國紡織出版社.2009年3月.7、潘祖仁.高分子化學.北京：化學工業出版社.2003.8、何曼君，陳維孝，董西俠等.高分子物理.上海：復旦大學出版社.2007年3月.9、殷敬華，莫志深.中國科學院研究生教學叢書-現代高分子物理學（上、下冊）.北京：科學出版社.2001年3月.10、George Odian，PRINCIPLES OFPOLYMERIZATION, Fourth Edition. 2

43、004 by John Wiley & Sons,2004實驗五、纖維拉伸強度和斷裂伸長率的測定實驗一、實驗目的1、通過實驗了解纖維材料（聚合物）拉伸強度及斷裂伸長率的意義，熟悉它們的測試方法；2、了解纖維材料（聚合物）在室溫下應力應變曲線的特點；3、通過測試應力應變曲線來判斷不同纖維材料（聚合物）的力學性能。二、實驗原理為了評價纖維材料（聚合物）的力學性能，通常用等速施力下所獲得的應力應變曲線來進行描述。這里，所謂應力是指拉伸力引起的在試樣內部單位截面上產生的內力；而應變是指試樣在外力作用下發生形變時，相對其原尺寸的相對形變量。不同種類纖維材料（聚合物）有不同的應力應變曲線。等速條件

44、下，無定形纖維材料（聚合物）典型的應力應變曲線如圖51所示。圖中的點為彈性極限，為彈性(比例)極限強度，t為彈性極限伸長。在點前，應力應變服從虎克定律：E （1）曲線的斜率E稱為彈性(楊氏)模量，它反映材料的硬性。y稱屈服點，對應的y和Ey稱屈服強度和屈服伸長。一般認為纖維材料（聚合物）變形包括分子鏈相互的滑移和分子鏈段段的取向結晶，對常溫下處于玻璃態的纖維材料的不可逆變形，伸長率稱為屈服伸長率。材料屈服后，可在t點處，也可在t點處斷裂。因而視情況，材料斷裂強度可大于或小于屈服強度。t (或t)稱斷裂伸長率，反映材料的延伸性。應力：單位面積上所受的應力，用表示： （2）P拉伸實驗期間某瞬間時施

45、加的負荷；S試件標線間初始截面積。應變：拉伸應力作用下相應的伸長率。用表示，以標距為基礎，標距試樣間的距離（拉伸前引伸儀兩夾點之間距離）。 （3）L0拉伸前試樣的標距長度；L實驗期間某瞬間標距的長度；L實驗期間任意時間內標距的增量即形變量。由圖可見，在開始拉伸時，應力與應變成直線關系即滿足胡克定律，如果去掉外力試樣能恢復原狀，稱為彈性形變。一般認為這段形變是由于大分子鏈鍵角的改變和原子間距的改變的結果。對應a點的應力為該直線上的最大應力（a），稱為為彈性模量用表示：/tga （4）曲線線性部分某應力的增量；與對應的形變增量。對于軟而脆的纖維材料（聚合物）曲線右移直線斜率小，彈性模量小。從曲線的

46、形狀以及t和t的大小。可以看出材料的性能，并借以判斷它的應用范圍。如從t的大小，可以判斷材料的強與弱；而從t的大小，更正確地講是從曲線下的面積大小，可判斷材料的脆性與韌性。從微觀結構看，在外力的作用下，聚合物產生大分子鏈的運動，包括分子內的鍵長、鍵角變化，分子鏈段的運動，以及分子間的相對位移。沿力方向的整體運動(伸長)是通過上述各種運動來達到的。由鍵長、鍵角產生的形變較小(普彈形變)，而鏈段運動和分子間的相對位移(塑性流動)產生的形變較大。材料在拉伸到破壞時，鏈段運動或分子位移基本上仍不能發生，或只是很小，此時材料就脆。若達到一定負荷，可以克服鏈段運動及分子位移所需要的能量，這些運動就能發生，

47、形變就大，材料就韌。如果要使材料產生鏈段運動及分子位移所需要的負荷較大，材料就較強及硬。圖5-1 無定形聚合物的應力應變曲線 圖5-2 結晶型聚合物的應力應變曲線結晶型纖維材料（聚合物）的應力應變曲線與無定形纖維材料的曲線是有差異的，它的典型曲線如圖5-2所示。微晶在c點以后將出現取向或熔解，然后沿力場方向進行重排或重結晶，故c稱重結晶強度，它同時也是材料“屈服”的反映。從宏觀上看，材料在c點將出現細頸，隨著拉伸的進行，細頸不斷發展，至d點細頸發展完全，然后應力繼續增大至t點時，材料就斷裂。對于結晶型纖維材料（聚合物），當結晶度非常高時(尤其當晶相為大的球晶時)，會出現纖維材料（聚合物）脆性斷

48、裂的特征?？傊?，當纖維材料（聚合物）的結晶度增加時，模量將增加，屈服強度和斷裂強度也增加，但屈服形變和斷裂形變卻減小。纖維材料晶相的形態和尺寸對材料的性能影響也很大。同樣的結晶度，如果晶相是由很大的球晶組成，則材料表現出低強度、高脆性傾向。如果晶相是由很多的微晶組成，則材料的性能有相反的特征。另外，纖維材料（聚合物）分子鏈間的化學交聯對材料的力學性能也有很大的影響，這是因為有化學交聯時，纖維材料（聚合物）分子鏈之間不可能發生滑移，黏流態消失。當交聯密度增加時，對于Tg以上的橡膠態聚合物來說，其抗張強度增加，模量增加，斷裂伸長率下降。交聯度很高時，聚合物成為三維網狀鏈的剛硬結構。因此，只有在適當的交聯度時抗張強度才有最大值。綜上所述，材料的組成、化學結構及聚態結構都會對應力與應變產生影響。歸納各種不同類纖維材料（聚合物）的應力應變線，主要有以下5種類型，如圖5-3所示。圖5-3 5種類型纖維材料（聚合物）的應力-應變曲線(a)軟而弱，(b)硬而脆