第6章高分子化工概述主要內容第一節材料和高分子材料1第二節高分子材料分類2第三節高分子材料的相關概念、術語3

第四節高分子材料的性能452第五節高分子材料的研究方法第一節材料和高分子材料材料、能源和信息作為科學技術的三大支柱促進了社會的迅速發展。其中材料是工業發展的基礎，是一個國家科學技術水平、經濟發展水平和人民生活水平的重要標志，也是一個時代的重要標志。人類社會的發展史就是一部材料的發展史。人類社會發展史回顧石器時代青銅器時代鐵器時代非金屬材料時代復合材料和功能材料時代第一節材料和高分子材料金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料材料分為三大類每一次材料的重大發現和制造、使用都推動了人類社會向更新更高的階段，材料是現代社會經濟的先導，是社會新的飛躍的標志。第一節材料和高分子材料材料－人類社會文明大廈的基石

金屬材料－－長盛不衰金屬材料與人類文明從神秘的形狀記憶合金到未來能源材料之星－－儲氫合金古老的陶瓷－－舊貌換新顏從一個古老的材料王國到現代無機材料的再度輝煌。威力無比的先進結構陶瓷到奇妙無窮的功能陶瓷。年輕的高分子材料－－千姿百態

20世紀新興的材料王國－－現代生活的高分子材料功能高分子各顯神通先進的復合材料－－巧奪天工

新型功能材料－－人類文明進步的階梯生物材料、信息材料、環境材料、納米材料、能源材料和智能材料第一節材料和高分子材料材料科學技術幾個活躍領域1．生物材料:包括生物醫用材料和仿生材料2．智能材料:如壓電陶瓷和形狀記憶合金。3．環境材料;4．納米材料5．功能高分子材料:吸水性高分子、導電高分子、發光有機高分子、高分子形狀記憶、高分子電解質、高分子壓電、有機非線性光學材料、可降解高分子及高分子液晶等。6．計算機模擬與材料設計:通過計算機模擬來預測材料的結構、性能及其間的關系，從而達到材料設計，形成了一門“計算材料科學”。第一節材料和高分子材料現代生活中的高分子材料－普通塑料第一節材料和高分子材料現代生活中的高分子材料－工程塑料第一節材料和高分子材料現代生活中的高分子材料－橡膠第一節材料和高分子材料現代生活中的高分子材料－纖維第一節材料和高分子材料高分子材料在高科技領域應用也很廣泛第一節材料和高分子材料高分子的概念始于20世紀20年代，但應用更早。1839年，美國人Goodyear發明硫化橡膠。1868年，英國科學家Parks用硝化纖維素與樟腦混合制得賽璐珞。1893年，法國人DeChardonnet發明粘膠纖維。1907年，第一個合成高分子—酚醛樹脂誕生。1920年，德國人Staudinger發表了“論聚合”的論文，提出了高分子的概念，并預測了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的結構。1953年獲諾貝爾化學獎。高分子材料發展簡史研究對象之二—橡膠的發展橡樹之淚第一節材料和高分子材料1935年，Carothers發明尼龍66，1938年工業化。1839年，30年代，許多烯烴類加聚物被開發出來，PVC（1927～1937）,PMMA（1927～1931）,PS（1934～1937）,PVAc（1936）,LDPE（1939）。40年代，二次大戰促進了高分子材料的發展，一大批重要的橡膠和塑料被合成出來。丁苯橡膠（1937）,丁腈橡膠（1937）,丁基橡膠（1940）,有機氟材料（1943）,滌綸樹脂（1940～1950）,ABS（1947）。高分子材料發展簡史ABS樹脂（丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物，ABS是AcrylonitrileButadieneStyrene的首字母縮寫）是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料。

第一節材料和高分子材料50年代，Ziegler和Natta發明配位聚合催化劑，制得高密度PE和有規PP，低級烯烴得到利用。1963年，Ziegler和Natta分享諾貝爾化學獎。1956年，美國人Szwarc發明活性陰離子聚合，開創了高分子結構設計的先河。50年后期至60年代，大量高分子工程材料問世。聚甲醛（1956），聚碳酸酯（1957），聚砜（1965），聚苯醚（1964），聚酰亞胺（1962）。高分子材料發展簡史第一節材料和高分子材料60年代以后，特種高分子和功能高分子得到發展。

特種高分子：高模量高強度、耐高低溫、耐輻射、高頻絕緣、半導體等。功能高分子：分離材料（離子交換樹脂、分離膜等）、導電高分子、感光高分子、高分子催化劑、高吸水性樹脂、醫用高分子、藥用高分子、高分子液晶等。

80年代后，新結構的聚合物有：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星狀聚合物、樹枝狀聚合物、超支化聚合物、含富勒烯(C60)聚合物等等。高分子材料發展簡史為表彰在導電高分子的發展方面所作的貢獻，2000年，日本科學家白川英樹（H.Shirakawa）、美國科學家黑格（A.J.Heeger）和麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）分享諾貝爾化學獎。Fromfossilfuelbasedpolymerintroductions……Slidebasedon1881年3月23日生于德國萊因蘭—法耳次州的沃爾姆斯；1907年畢業于施特拉斯堡大學，獲博士學位。同年聘為卡爾斯魯厄工業大學副教授。1912年于蘇黎世工業大學任為化學教授。1920年，發表“論聚合反應”的論文，提出高分子的概念；

1932年，出版劃時代的巨著《高分子有機化合物》

1953年獲諾貝爾化學獎；1965年9月8日在弗賴堡逝世，終年84歲。第一節材料和高分子材料施陶丁格爾小傳(HermannStaudinger)(1881—1965)KarlZiegler(1903-1979)GiulioNatta(1898-1973)K.Ziegler

（德國）,G.Natta

（意大利）（1963年諾貝爾獎得主）第一節材料和高分子材料50年代，Ziegler和Natta發明配位聚合催化劑，制得高密度PE和有規PP，低級烯烴得到利用。

Ziegler和Natta創造了聚烯烴塑料的新紀元第一節材料和高分子材料

P.J.PaulJohnFlory(1910～1985)美國高分子科學家。1934年在俄亥俄州州立大學獲物理化學博士學位，后任職于杜邦公司，進行高分子基礎理論研究。1948年在康奈爾大學任教授。1957年任梅隆科學研究所執行所長。1961年任斯坦福大學化學系教授，1975年退休。1953年當選為美國科學院院士。

弗洛里在高分子物理化學方面的貢獻，幾乎遍及各個領域。他是實驗家又是理論家，是高分子科學理論的主要開拓者和奠基人之一。（1974年諾貝爾獎）"forhisfundamentalachievements,boththeoreticalandexperimental,inthephysicalchemistryofthemacromolecules"第一節材料和高分子材料HidekiShirakawa(1936~)AlanJ.Heeger(1936~)AlanG.MacDiarmid(1927~)（2000年諾貝爾獎得主）H.Shirakawa白川英樹(日本),AlanG.MacDiarmid

(美國),AlanJ.Heeger

(美國)

：對導電聚合物的發現和發展。2005NobelChemistryPrize:Grubbs,Schrock,AFranceScientistinIndustryContribution:MAOcatalysts第一節材料和高分子材料我國近代高分子科學的發展我國高分子研究起步于50年代初，唐敖慶于1951年，發表了首篇高分子科學論文。

長春應化所1950年開始合成橡膠工作（王佛松，沈之荃）；馮新德50年代在北京大學開設高分子化學專業。何炳林50年代中期在南開大學開展了離子交換樹脂的研究。錢人元于1952年在應化所建立了高分子物理研究組，開展了高分子溶液性質研究。錢保功50年代初在應化所開始了高聚物粘彈性和輻射化學的研究。徐僖先生50年初成都工學院（四川大學）開創了塑料工程專業。王葆仁先生1952年上海有機所建立了PMMA、PA6研究組

第一節材料和高分子材料高分子材料的應用高分子材料遍及各行各業，各個領域：包裝、農林牧漁、建筑、電子電氣，交通運輸、家庭日用、機械、化工、紡織、醫療衛生、玩具、文教辦公、家具等等。農用塑料：①薄膜②灌溉用管。建筑工業：①給排水管PVC、HDPE②塑料門窗③涂料油漆④復合地板、家具人造木材、地板⑤PVC天花板。包裝工業：①塑料薄膜：PE、PP、PS、PET、PA等②中空容器：PET、、PE、PP等③泡沫塑料：PE、PU等。汽車工業：塑料件、儀表盤、保險機、油箱內飾件、坐墊等。軍工工業：飛機和火箭固體燃料（低聚物）、復合纖維等。第一節材料和高分子材料電氣工業：①絕緣材料（導熱性、電阻率）等、導電高分子；

②電子：通訊光纖、電纜、電線、光盤、手機、電話；③家用電器：外殼、內膽（電視、電腦、空調）等。醫療衛生中的應用：人工心臟、人工臟器、人工腎（PU）、人工肌肉、輸液管、人工肌肉、輸液管、血袋、注射器、可溶縫合線等。

防腐工程：耐腐蝕性，防腐結構材料。如水管閥門（PTFE）：230～260℃長期工個作，適合溫度高腐蝕嚴重的產品。

功能高分子：離子交換樹脂、高分子分離膜、高吸水性樹脂、光刻膠、感光樹脂、醫用高分子、液晶高分子、高導電高分子、電致發光高分子等。

高分子材料的應用第二節高分子材料的分類天然高分子材料改性的天然高分子材料合成高分子材料一按來源分改性合成高分子材料

為了獲得具有各種實用性能或改善其成型加工性能，除基本組分聚合物之外，還要添加各種添加劑，因此嚴格地說，高分子化合物與高分子材料的涵義是不同的。第二節高分子材料的分類碳鏈聚合物：指高分子化合物的的主鏈完全由碳原子組成，絕大部分聚烯烴及其衍生物都屬于此類。雜鏈聚合物：雜鏈聚合物是指大分子主鏈中除了碳原子外，還有氧、氮、硫等雜原子。常見的雜環聚合物有聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲、聚硫橡膠、聚砜等。元素有機聚合物：指大分子主鏈中沒有碳原子，主要由硅、硼、鋁、氧、硫、磷等原子組成。典型的例子是有機硅橡膠。二按主鏈結構分

材料的組成及各成分之間的配比從根本上保證了制品的性能，作為主要成分的高分子化合物對制品的性能起主宰作用。第二節高分子材料的分類重要的碳鏈化合物第二節高分子材料的分類重要的雜鏈化合物第二節高分子材料的分類典型的元素有機聚合物有機硅----聚甲基硅氧烷第二節高分子材料的分類三按用途分涂料粘合劑復合材料纖維塑料橡膠123456

實際上，按用途分才是真正把高分子材料從材料的角度進行分類的一種方法。第二節高分子材料的分類功能高分子材料高分子信息轉換材料高分子透明材料高分子模擬酶醫用、藥用高分子材料高分子記憶材料生物降解高分子材料

功能高分子材料除具有聚合物的一般力學性能、絕緣性能和熱性能外，還具有物質、能量和信息的轉換、傳遞和儲存、生物性能等等特殊功能。已實用的有高分子信息轉換材料、高分子透明材料、高分子模擬酶、生物降解高分子材料、高分子形狀記憶材料和醫用、藥用高分子材料。按用途分又分為功能高分子材料普通高分子材料第二節高分子材料的分類四按受熱后形態變化分類熱塑性高分子在受熱后會從固體狀態逐步轉變為流動狀態。這種轉變理論上可重復無窮多次。或者說，熱塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和滌綸樹脂等均為熱塑性高分子。熱塑性高分子：熱固性高分子在受熱后先轉變為流動狀態，進一步加熱則轉變為固體狀態。這種轉變是不可逆的。換言之，熱固性高分子是不可再生的。能通過加入固化劑使流體狀轉變為固體狀的高分子，也稱為熱固性高分子。典型的熱固性高分子如：酚醛樹脂、環氧樹脂、氨基樹脂、不飽和聚酯、聚氨酯、硫化橡膠等。熱固性高分子：第三節高分子材料的相關概念、術語1234通用塑料：工程塑料：熱塑性塑料：指產量大、價格便宜、力學性能一般、主要作為非結構材料使用的一類塑料。

指可以作為結構材料使用，具有優異的力學性能、耐熱性能、耐磨性能和良好的尺寸穩定性的一類塑料。指在特定的溫度范圍內，具有可反復加熱軟化、冷卻硬化特性的塑料品種。熱固性塑料：指在特定的溫度下加熱或通過固化劑可發生交聯反應，變成既不熔融，也不溶解的塑料制品的塑料品種。第三節高分子材料的相關概念、術語5實際應用中常常指的是用化學合成方法生產出的一種與天然樹脂類似的高分子化合物，是一種新型的合成材料、如果一合成樹脂為基料，加上各種助劑，記過加工，即可制成具有一定特性的可塑材料，通常稱為“塑料”。6有合成的高分子化合物制成的纖維。如聚酯纖維（滌綸）、聚酰胺纖維（棉綸）、聚丙烯晴纖維（晴綸）.7以天然高聚物為原料，經過化學處理與機械加工制成的纖維。其中以含有纖維素的物質如棉短絨、木材為原料的，稱為纖維素纖維；以蛋白質為預料的，稱為蛋白質纖維。8在一定溫度下，熔融狀態的高聚物在一定負荷下，10min內從規定直徑和長度的標準毛細管中流出的質量，也稱熔體指數。合成樹脂合成纖維人造纖維熔體流動速率第三節高分子材料的相關概念、術語生膠再生膠硫化塑化9101112天然的或合成的高分子化合物經過化學處理或加工制成濃縮膠乳或干膠，前者直接用于乳膠制品，后者即為橡膠制品中的生膠。用過的硫化橡膠經過化學、熱、機械加工處理后所制得的，具有一定的可塑性，可重新硫化的橡膠材料，再生膠可部分代替生膠使用。膠料在一定條件下，橡膠大分子由線型機構轉變成網狀結構的交聯過程。指塑料在加工設備內經過加熱達到流動狀態經具有良好的可塑性。第三節高分子材料的相關概念、術語13141516微孔高分子材料：復合材料：門尼粘度：

指內部具有大量微小氣孔的一類高分子材料，以樹脂為基體的稱為泡沫塑料；以生膠或膠乳為基體的稱為泡沫橡膠，俗稱為海綿橡膠。

由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質，用適當的工藝方法組合起來，得到的具有復合效應的多相固態材料。指膠料在模腔內對粘度計轉子轉動所產生的剪切阻力。捻度：

指將拉細的纖維或幾根纖維相互抱合在一起，在特定的加捻機上進行，這種工藝過程叫加捻。加捻的程度叫捻度，即纖維每米長度上的捻回數，捻形的方向有你S形和Z形之分。第三節高分子材料的相關概念、術語17

將高聚物加熱熔融制成熔體，并經噴絲頭噴成細流，在空氣或水中冷卻而凝固成纖維的方法稱為熔融紡絲。18

將高聚物溶于溶劑中以制得粘稠的紡絲液，由噴絲頭噴成細流，通過凝固介質使之凝固而形成纖維，這種方法稱為溶液紡絲。19

它是溶液紡絲的一種，因為凝固介質為液體，故稱為濕法紡絲。從噴絲頭小孔中壓出的粘液細流，在液體中通過，這時細流中的成纖高聚物便凝固成細絲。20

也是溶液紡絲的一種，因為介質為干態的氣相介質，稱為干法紡絲。粘液細流被引入通有熱空氣的通道中，溶劑快速揮發，而粘液細流脫去溶劑后很快變成細絲。熔融紡絲溶液紡絲濕法紡絲干法紡絲第三節高分子材料的相關概念、術語21222324聚合物共混：界面：疲勞破壞：指兩種或兩種以上聚合物經混合制成宏觀均勻的材料過程，是聚合物改姓最為簡便而且有效的方法。指基體與增強劑或填料之間化學成分有顯著的變化，構成彼此結合的、能其負載傳遞作用的微小區域。指材料在交變負載的作用下，獨漸形成裂縫，并不斷擴大引起的低應力破壞。、線密度：表示纖維粗細的程度，1000m長纖維質量的克數作為線密度的單位，名稱”特克絲”，單位符號為tex。第四節高分子材料的性能高分子材料的力學性能一高分子材料的物理性能2高分子材料的化學性能三4四二高分子溶液主要內容高分子材料應用如此廣泛的一個很重要的原因，是高分子材料具有其它材料所不可比擬的性能。第四節高分子材料的性能一高分子材料的力學性能1基本指標2高彈性能3粘彈性5力學強度4力學屈服6摩擦與磨損7疲勞強度8蠕變9應力馳豫應力與應變彈性模量硬度

強度拉伸強度彎曲強度

沖擊強度動態粘彈性靜態粘彈性

對大多數高分材料來說，力學性能是最總有的性能指標。聚合物的力學性能是有結構特性所決定的。第四節高分子材料的性能1力學性能的基本指標⑴：應力與應變

應力：物體由于外因(受力、濕度變化等)而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置。在所考察的截面某一點單位面積上的內力稱為應力。

應變：物體受力產生變形時，體內各點處變形程度一般并不相同。用以描述一點處變形的程度的力學量是該點的應變。為此可在該點處到一單元體，比較變形前后單元體大小和形狀的變化。材料在外力作用下所表現出的變形和破壞方面的特性，稱為材料的力學性能。材料的力學性能通常都是通過實驗來認識的，最基本的實驗是材料的軸向拉伸和壓縮實驗。常溫靜載下的軸向拉伸試驗是材料力學中最基本、應用最廣泛的試驗。通過拉伸試驗，可以較全面地測定材料的力學性能指標。第四節高分子材料的性能1力學性能的基本指標⑴：應力與應變

應力與應變是相輔相成的，有應力就有應變；有應變，就有應力，應力與應變間的關系，完全由材料決定，反映了材料所固有的力學性質。不同的材料會反映出不同的應力應變關系。材料的力學性能和應力應變關系要通過實驗得到。萬能材料實驗拉力機幾種常見材料的應力應變曲線第四節高分子材料的性能1力學性能的基本指標（2）：彈性模量彈性模量：彈性模量簡稱模量，是單位應變所需應力的大小，是材料抵抗形變的表征。模量的倒數稱為柔量，是材料容易變形程度的一種表征。相應的三種形變對應的模量分別為拉伸模量（E，也稱楊氏模量），剪切模量（G），彎曲模量；壓縮模量。1力學性能的基本指標（3）：硬度硬度：硬度是衡量材料抵抗壓力的一種指標。實驗方法不同名稱各異。硬度的大小與材料的拉伸強度與彈性模量有關。分邵氏硬度；巴氏硬度；布式硬度和洛氏硬度。應力-應變曲線的類型Typesofstress-straincurve1力學性能的基本指標⑴：應力與應變第四節高分子材料的性能1力學性能的基本指標（4）：強度

拉伸強度：

屈服或斷裂前材料試樣所承受的最大力（載荷與橫切面積之比）稱為拉伸強度。一般用MPa為單位

彎曲強度：

也稱擾曲強度、抗彎強度，是在規定的條件下對標準試樣施加靜彎曲力矩，直到試樣折斷為止，然后根據最大載荷和最大尺寸，按照公式計算彎曲強度。

沖擊強度：

曾稱抗沖強度，是衡量材料韌性的一種強度指標。定義為試樣受沖擊載荷破裂時單位面積所吸收的能量。第四節高分子材料的性能2高彈性能

高彈性能是高分子材料極其重要的性能，其中橡膠一高彈性能作為主要特征。聚合物在高彈態都能表現出一定程度的高彈性，但并非都可以作為橡膠材料使用，作為橡膠材料必須具有一下特點：彈性模量小，形變大，一般材料的形變量為1%左右，而橡膠的高彈形變很大，可以拉伸5~10倍，彈性模量只有一般材料的萬分之一左右。⑴彈性模量與絕對溫度成正比，一般材料的溫度隨溫度的提高而下降。⑵⑶形變時有熱效應，伸長時吸熱，回縮時放熱。⑷在一定條件下，高彈形變表現出明顯的松弛現象。第四節高分子材料的性能3粘彈性

聚合物的粘彈性是指聚合物既有粘性又有彈性的性質，實質上是聚合物的力學松弛行為。在玻璃化轉變溫度以上，非晶態線形聚合物的粘彈性最為明顯。對理想的粘性液體即牛頓流體，其應力應變行為遵從牛頓定律；對虎克體，其應力應變行為遵從虎克定律。⑴靜態粘彈性高聚物的靜態粘彈性指在固定應力（或應變）下形變（或應力）隨時間的延長而發展的性質。典型的表現是蠕變與應力松弛。⑵動態粘彈性高聚物的動態粘彈性指在應力周期性變化下的力學行為，也稱動態力學性質。蠕變：指在一定溫度、一定應力作用下材料的形變隨時間而增加的現象。應力松弛：在溫度、應力一定的條件下，材料的內應力隨時間延長而杜漸減小的現象。第四節高分子材料的性能4聚合物的力學屈服典型晶態聚合物的應力－應變曲線NYDBAO應力應變Y－N段為屈服段，縮頸（應變變大，應力下降）Y點為屈服點，屈服點對應的應力稱為屈服強度或屈服應力，一般來講，屈服應力是聚合物作為結構材料使用的最大應力。非晶態聚合物在Tg之下，晶態聚合物在Tm之下，一般都有明顯的拉伸屈服現象，屈服的本質是高彈形變，從分子機理而言是大分子鏈構象改變的結果，對結晶聚合物還包括晶粒的取向、滑移、片晶的破裂、熔化、重結晶等過程。

屈服前就斷裂的玻璃態聚合物表現為脆性，屈服后斷裂的玻璃態聚合物表現為韌性第四節高分子材料的性能5聚合物的摩擦與磨耗摩擦與磨耗在高分子材料的性能指標中沒有明顯的定量理論，但也屬于聚合物重要的力學性能指標。

摩擦與磨耗是同一現象的兩個方面。聚合物的摩擦機理與金屬材料的并不一樣，這是因為聚合物在摩擦過程中要發生粘彈形變。

對于兩種硬度差別較大的材料，如聚合物和金屬，進行相對滑動時，較硬的材料的凸凹不平處嵌入軟質材料表面，形成凹槽。當嵌入的尖端移動時，凹處或者復原，或者軟質材料被刮落下來。粘合或嵌入的形變均可因剪切而使材料從軟質的表面磨去，這稱為磨耗。摩擦可用摩擦系數表示；磨耗可用臨界PV值表示，P摩擦壓力，V摩擦速度，PV值越高，材料越耐磨。

第四節高分子材料的性能6聚合物的疲勞強度概念：疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。

聚合物在周期性交變應力作用下在低于靜態強度的應力下破裂，這種現象稱為疲勞現象。同樣的疲勞現象也可在應力作用下由裂紋發展引起。在一定負荷的反復作用下，材料的疲勞壽命隨聚合物的分子量的增加而提高。疲勞強度和靜強度的比值，對大多數熱塑性聚合物為1/4，增強材料稍大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可達到0.4~0.5。一般來講，這個比值隨著分子量及溫度的提高而增加。第四節高分子材料的性能7聚合物的蠕變、應力松弛與滯后現象1、蠕變在恒溫下施加較小的恒定外力時，材料的形變隨時間而逐漸增大的力學松弛現象。如掛東西的塑料繩慢慢變長。e1e2+e3e1e2e3t2t1te應用：蠕變影響了材料的尺寸穩定性。例如，精密的機械零件必須采用蠕變小的工程塑料制造；相反聚四氟乙烯的蠕變性很大，利用這一特點可以用作很好的密封材料（即用于密封水管接口等的“生料帶”）第四節高分子材料的性能

2、應力松弛所謂應力松弛，就是在固定的溫度和形變下，聚合物內部的應力隨時間增加而逐漸衰減的現象。例如橡膠松緊帶開始使用時感覺比較緊，用過一段時間后越來越松。也就是說，實現同樣的形變量，所需的力越來越少。實際意義：成型過程中總離不開應力，在固化成制品的過程中應力來不及完全松弛，或多或少會被凍結在制品內。這種殘存的內應力在制品的存放和使用過程中會慢慢發生松弛，從而引起制品翹曲、變形甚至應力開裂。消除的辦法是退火或溶脹（如纖維熱定形時吹入水蒸汽）以加速應力松弛過程。7聚合物的蠕變、應力松弛與滯后現象第四節高分子材料的性能例如，自行車行駛時橡膠輪胎的某一部分一會兒著地，一會兒離地，因而受到的是一個交變力（圖7-58）。在這個交變力作用下，輪胎的形變也是一會兒大一會兒小的變化。形變總是落后于應力的變化，這種滯后現象的發生是由于鏈段在運動時要受到內摩擦力的作用。當外力變化時，鏈段的運動跟不上外力的變化，所以落后于應力，有一個相位差δ。相位差越大，說明鏈段運動越困難。當外力不是靜力，而是交變力（即應力大小呈周期性變化）時，應力和應變的關系就會呈現出滯后現象。所謂滯后現象，是指應變隨時間的變化一直跟不上應力隨時間的變化的現象。7聚合物的蠕變、應力松弛與滯后現象

3、滯后現象第四節高分子材料的性能輪胎在高速行使相當長時間后，立即檢查內層溫度，為什么達到燙手的程度？高聚物受到交變力作用時會產生滯后現象，上一次受到外力后發生形變在外力去除后還來不及恢復，下一次應力又施加了，以致總有部分彈性儲能沒有釋放出來。這樣不斷循環，那些未釋放的彈性儲能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉化成熱量放出。這種由于力學滯后而使機械功轉換成熱的現象，稱為內耗。8聚合物的內耗第四節高分子材料的性能

●總論高聚物具有體積電阻率高（1016～1020Ω·cm）、介電常數小（≤2）、介質損耗低（＜10－4）等絕緣體、半導體特殊優良的電性能，同時某些高聚物還具有優良的導電性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在電器方法應用廣泛。1高聚物的電性能二高分子材料的其它物理性能第四節高分子材料的性能●高聚物的介電性▲定義高聚物的介電性是指高聚物在電場的作用下，表現出對靜電能的儲蓄的損耗的性質。影響高聚物介電性的因素高聚物的極性高聚物的極化介電性的表示方法介電常數介電損耗▲高聚物的極性類別強極性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛樹脂、氨基樹脂等）高聚物的極性類別非極性高聚物（PE、PP、PTFE等）弱極性高聚物（PS、PIP等）極性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等）介電常數（儲存電能）；介電損耗（消耗電能）tg第四節高分子材料的性能▲高聚物的極化（polarization）非極性高分子：感應極化(電子云位移）（電導損耗：小）極性高分子：取向極化（分子電場中取向）（極化損耗：大，與電場頻率、溫度有關）（溫度，分子鏈運動，極化程度；交聯，取向，介電性；枝化，分子間作用力，取向，介電性）非均向高分子：界面極化（界面極性不同，電場引起電荷聚集）第四節高分子材料的性能

高聚物的極化形式極化形式極化機理特點適用對象電子極化電子云的變形極快，10－12～10－15s；無能量損耗；不依賴溫度和頻率所有高聚物原子極化各原子之間的相對位移稍快，10－12s；損耗微量能量；不依賴溫度所有高聚物偶極極化極性分子（或偶極子）沿電場方向轉動，從優取向慢，10－9s以上；損耗較大能量；依賴溫度和頻率極性高聚物界面極化載流子在界面處聚集產生的極化極慢，幾分之一秒至幾分鐘、幾小時共混、復合材料＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－高聚物在電場中極化示意圖第四節高分子材料的性能▲高聚物的介電常數（dielectricconstant）

△定義顯然，高聚物極化程度越大，極板感應產生的電荷Q’越大，介電常數越大

△常見高聚物的介電常數高聚物計算值實驗值高聚物計算值實驗值聚乙烯（外推到無定型）聚丙烯（無定型）聚氯化苯乙烯聚四氟乙烯（無定型）聚氯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯聚α-氯代丙烯酸甲酯2.202.152.552.822.03.202.943.452.32.22.552.62.12.252.6/3.73.4聚α-氯代丙烯酸乙酯聚甲基丙烯酸乙酯聚丙烯腈聚甲醛聚苯醚聚對苯二甲酸乙二酯(無定型)聚碳酸酯聚已二酰已二胺3.202.803.262.952.653.403.004.143.12.7/3.43.13.12.62.9/3.22.6/3.04.0第四節高分子材料的性能▲高聚物的介電損耗（dielectricloss）△定義是電介質在交變電場的作用下，將一部分電能轉變為熱能而損耗的現象。一般用損耗角的正切值表示。VVIIcδφab高聚物介電損耗示意圖式中－分子為實驗測得的介電常數；－分母為高聚物將電能轉變為熱能損耗的程度。電流與電壓相位角90-=△介電損耗的原因對非極性高聚物在交變電場中，所含的雜質產生的漏導電流，載流子流動時，克服內摩擦阻力而作功，使一部分電能轉變為熱能，屬于歐姆損耗。對極性高聚物在交變電場中極化時，由于黏滯阻力，偶極子的轉動取向滯后于交變電場的變化，致使偶極子發生強迫振動，在每次交變過程中，吸收一部分電能成熱能而釋放出來，屬于偶極損耗。損耗的大小取決于偶極極化的松弛特性不利于高頻絕緣，而有利于高頻焊接第四節高分子材料的性能△部分高聚物的介電損耗高聚物介電損耗（tanδ）60Hz103Hz106Hz高密度聚乙烯低密度聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚碳酸酯聚已內酰胺聚已二酰已二胺聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚偏乙烯ABS聚甲醛0.00020.00050.00050.0001～0.0003＜0.00020.00090.014～0.040.010～0.060.04～0.060.08～0.150.007～0.020.004～0.0340.0040.0020.00050.0002～0.00080.0001～0.0003＜0.00020.00210.02～0.040.011～0.060.03～0.050.07～0.160.009～0.0170.002～0.0120.00030.00050.0001～0.00050.0001～0.0004＜0.00020.0100.03～0.040.03～0.040.02～0.030.04～0.1400.006～0.0190.007～0.0260.004第四節高分子材料的性能▲影響高聚物介電性的因素:影響高聚物介電性的因素高聚物的分子結構交變電場的頻率溫度濕度增塑劑

規律：ω與T一定，極性↑、極性基團密度↑，介電常數與介電損耗↑。△高聚物分子結構對介電性的影響

△頻率對高聚物介電性的影響

隨頻率增加而降低。隨頻率增加存在極大值，并且，頻率較高和較低時為零。

ε′(T1)ε′(T1)ε′(T1)ε″(T1)ε″(T1)ε″(T1)ε′ε″ωT1＜T2＜T3第四節高分子材料的性能△溫度對高聚物介電性的影響對非極性高聚物，溫度對電性能影響不大（介電常數稍微下降）；對極性高聚物，隨溫度的升高而出現峰值。2.002.052.102.302.352.40020406080100～～～～1234溫度（℃）介電常數ε′非極性高聚物的介電常數與溫度的關系1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE50607080901003579121000Hz1000Hz60Hz60Hzε′ε″PVAC的介電性能與溫度的關系溫度（℃）△濕度對高聚物介電性的影響介電性介電常數（50Hz）介電損耗（50Hz）相對濕度酚醛樹脂聚氯乙烯（電纜料）31.7%

63%

97%9.71

10.4

15.87.40

7.50

8.0031.7%

63%

97%0.342

0.358

0.4480.111

0.113

0.136濕度↑，介電常數與介電損耗↑第四節高分子材料的性能△增塑劑對高聚物介電性的影響規律：對極性高聚物，隨增塑劑量的增加，介電常數和介電損耗增大。▓實例

PVC20406080100T(℃)051015ε′20406080100T(℃)00.51.01.5ε″03915200391520增塑劑加入量對PVC介電性能的影響

●高聚物的導電性▲高聚物的導電類型高聚物的導電類型電子導電離子導電氧化還原導電第四節高分子材料的性能▲導電高聚物的應用導電高聚物的應用電子導電高聚物導電材料（涂料）電極材料電顯示材料化學反應催化劑有機分子開關離子導電高聚物代替電解質材料全固態電池氧化還原導電高聚物各種電極材料特種電極修飾材料第四節高分子材料的性能▲高聚物的絕緣電阻高聚物絕緣電阻的表示形式表面電阻率體積電阻率平等電極環狀電極△●高聚物的靜電現象（electrostaticeffect）▲高聚物靜電現象的產生主要產生于高聚物與成型加工設備之間的摩擦、拉幅、拉絲等過程。AAABBB電中性兩相電荷帶電＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋|||||||||||||||||||||||接觸或摩擦分離第四節高分子材料的性能▲靜電的利與弊靜電的有利之處靜電噴涂、靜電印刷、靜電照像、靜電吸塵等。靜電的不利之處影響外觀、相互黏結、電器準確性、靜電火花、磁帶雜音、吸塵等。高聚物的其他電性能高聚物駐極體的壓電、熱電性能力能轉換成電訊號熱能轉換成電訊號光能轉換成電訊號高聚物光電性能靜電復印機鼓激光打印機鼓●高聚物的其他電性能第四節高分子材料的性能高聚物的熱物理性能耐熱性比熱容與焓導熱率熱膨脹系數高聚物材料線膨脹系數×105，1/K高聚物材料線膨脹系數×105，1/K石英玻璃熱固性塑料酚醛樹脂（填充木粉）脲醛樹脂硫化天然橡膠熱塑性塑料聚苯乙烯0.12～53386～207聚甲基丙烯酸甲酯尼龍聚丙烯聚乙烯聚氯乙烯纖維素的醚及酯4.56～96～1011～13(HDPE)13～20(LDPE)5～18.5(未增塑)6～17部分高聚物材料室溫下的線膨脹系數：2高聚物的熱物理性能耐熱性（HDT）:維卡耐熱溫度馬丁耐熱溫度熱變形溫度第四節高分子材料的性能3高聚物的光性能高聚物的光學性能光的透過光的吸收光的折射光的反射光的偏振●光的折射與反射▲透明高聚物的光學性質：透光率，霧度（光折射的關系）高聚物折射率光透過率，%高聚物折射率光透過率，%聚甲基丙烯酸甲酯醋酸纖維聚乙烯醇縮丁醛1.491.491.48948771聚苯乙烯酚醛樹脂1.601.609085▲高聚物的光學應用光的傳遞材料（鏡片、光導纖維等）；發光、反光裝飾材料（指示燈、反光鏡片等）第四節高分子材料的性能4高聚物的滲透性高聚物滲透性能的應用透氣性能越大越好包裝薄膜透氣性能越小越好輪胎氣球真空包裝氣墊船橡皮水壩橡皮水壩選擇性滲透海水淡化污水處理富氧氣體物料分離第四節高分子材料的性能●常用高聚物的滲透系數高聚物氣體或蒸汽滲透系數（標準狀態）×1010,cm3·mm/cm2·s·cmHg柱N2O2CO2H2O天然橡膠聚酰胺聚丁二烯丁腈橡膠丁苯橡膠氯丁橡膠聚乙烯聚對苯二甲酸乙二酯聚甲醛聚丙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚偏二氯乙烯硅橡膠840.1～0.264.52.4～2563.511.83.3～200.050.224.43～800.4～1.70.01－2300.381919.5～821724011～590.30.382315～2501.2～60.051000～600013301.6138075～636124025043～2801.01.99275～37010～370.296000～3000030000700～1700049000100002400018000120～2001300～23005000～10000700100002600～630014100106000

引起高聚物性能變壞的類型發硬、變脆是交聯的結果發黏、變色、強度下降、破壞是降解、取代基脫除的結果高聚物熱降解氧化降解光降解臭氧降解水解吸水率，%PEPPPSPMMAPVC聚四氟乙烯滌綸尼龍-66ABS樹脂高中中中低高中中中低低中高低高高低低低（發脆）低（發脆）低（變色）高低（變色）高中（變色）低（發脆）低（變色）高高高高高高高高高高高高高高高中中高＜0.01＜0.010.03-0.100.1-0.40.04＜0.010.021.50.2-0.45第四節高分子材料的性能某些高聚物對各種因素影響的抵抗能力情況

是指高聚物在使用或儲存過程中，由于受到環境的光、熱、氧、潮、霉、化學試劑等的作用，引起高聚物性能變壞的反應。●高聚物的老化三高分子的化學性能第四節高分子材料的性能●高聚物的降解指在化學因素或物理因素作用下高聚物分子的聚合度降低的過程。降解對高聚物性能的直接影響：引起高聚物材料性能改變，如彈性消失、強度降低、黏性增加等。高聚物降解反應的利用與克服利用以便于加工為目的，如橡膠塑煉，纖維素水解以回收單體為目的，如有機玻璃的降解以獲取燃料為目的，如高聚物材料的熱降解以三廢處理為目的，如廢高聚物的生物降解在高聚物有效使用過程中要防止降解降解方式化學降解物理降解受熱降解氧化降解光降解化學降解機械降解克服第四節高分子材料的性能●高分子材料的耐化學腐蝕和耐酸堿性能高分子耐溶劑性有時又叫抗試劑性，就是指高分子材料在化學試劑作用下，抗拒化學試劑的能力，不發生開裂、銀紋、溶脹等。高分子材料耐溶劑性能良好，在溶劑侵蝕下仍能保持其機械物理性能。高分子耐酸堿能力常被稱為耐腐蝕能力，主要指抗耐酸能力。第四節高分子材料的性能●高分子材料的燃燒性能大多數高分子材料是可以燃燒的，其燃燒過程是一種復雜的自由基鏈式反應，首先熱降解產生碳氫物片段，再與氧氣反應產生自由基，然后開始鏈式反應，最終生成有毒的揮發物質。為了防止高分子材料的燃燒，在使用時通常加入阻燃劑，使其具有良好的阻燃性能，阻燃劑大多數是無機物和含鹵素、磷原子的有機物。衡量高分子的阻燃性氧指數：16~35垂直燃燒試驗：V-0；V-1；V-2；HB第四節高分子材料的性能四高分子溶液一、高聚物的溶解●非晶態高聚物的溶解條件：足夠量的溶劑、一定量的非晶態高聚物溶解過程與運動單元：運動單元：溶劑分子部分鏈段運動單元：溶劑分子大部分鏈段少部分高分子鏈運動單元：溶劑分子所有鏈段所有高分子鏈溶脹無限溶脹溶解過程的關鍵步驟是溶脹（swelling）。其中無限溶脹就是溶解，而有限溶脹是不溶解。第四節高分子材料的性能●結晶高聚物的溶解▲非極性結晶高聚物的溶解條件：足夠量的溶劑，一定量的非極性結晶高聚物，并且加熱到熔點附近。溶解過程：加熱使結晶熔化，再溶脹、溶解。

▲極性溶解高聚物的溶解條件：足夠量的強極性溶劑，一定量的極性結晶高聚物，不用加熱。溶解過程：通過溶劑化作用溶解～C－N－