高分子的热运动和玻璃化转变温度(2)

2019-09-01 10:05

较准确的估算用下式(Gordon-Taylor方程):

式中:经验常数成上一式。

,为前后膨胀系数之差,当=1时此式还原

(3)共聚(这里又称内增塑)

无规共聚物的方程)估算:

介于两种均聚物(A和B)的之间,可用下式(也称Gordon-Taylor

此式推导中已假定了两组分的密度相等,所以用重量分数代替了体积分数。

共混物根据相容性的好坏而不同,相容性好的得到一个分别接近于纯组分的(4)适度交联

,部分相容体系得到两个

交联妨碍链段运动,适度交联提高,进一步交联成网状高分子,不存在

式中:和分别为已交联和未交联高分子的;为常数;为交联密度(单

位体积的交联点数)。 (5)结晶

对半结晶聚合物的精细测定可区分出2个的

,较低的是纯非晶部分产生的,较高

是受邻近晶体限制的非晶部分产生的,后者随结晶度增大而升高。

(6)相对分子质量

相对分子质量对的影响主要是链端的影响,处于链末端的链段比链中间的链段受

的牵制要小些,所以运动比较剧烈些。链端浓度与数均相对分子质量成反比,因而与

有线性关系如下:

存在临界相对分子质量,超过它后链端比例可以忽略,玻璃化转变温度记为(7)测定条件的影响

与关系不大,此时的

张力促进链段运动,使下降;压力减少自由体积,使上升。外力作用频率太快偏高。

或升温速度太快,链段运动来不及响应,都会使测得的玻璃化转变具有多维性:

一般情况是在固定压力、频率等条件下改变温度得到。其实只不过是玻璃化转

变的一个指标,如果保持温度不变,而改变其他因素,也能观察到玻璃化转变现象,例如玻璃化转变频率、玻璃化转变压力和玻璃化转变相对分子质量等。 提高高分子材料耐热性的途径归纳起来有三条:

(1)增加链刚性:引入环状结构、笨大侧基或大共轭键结构等。 (2)增加分子间作用力:引入强极性基团,能形成氢键的基团或交联等。 (3)结晶:或加入填充剂、增强剂等,起到类似结晶的物理交联作用。 这三条也是Mark提出的三角形关系的三个角。同时具有两条或三条,效果更好。 6.3高聚物的黏性流动

聚合物的黏流发生在以上,热塑性塑料、合成纤维和橡胶的加工成型都是在黏流

都低于300℃,比一般无机材料低得多,给加

态下进行的。由于大多数高分子的

工成型带来很大方便,这也是高分子得以广泛应用的一个重要原因。 聚合物的黏流有以下主要特点:

(1)黏流是通过链段的相继跃迁实现的,黏流活化能与相对分子质量无关。 (2)一般不符合牛顿(Newton)流体定律,即不是牛顿流体,而是非牛顿流体,常是假塑性流体(图6-3),这是由于流动时链段沿流动方向取向,取向的结果使黏度降低。

牛顿流体

非牛顿流体

式中:为剪切速率;称为非牛顿性指数(<1称为假塑性);表观黏度比高聚物真正的黏度(零剪切黏度

)小。

为表观黏度,

图6-3假塑性流体的流动曲线

完整的流动曲线(包括熔体和溶液)见图6-4,该曲线分五个区,分述如下: ①第一牛顿区:剪切力太大,高分子链为无规线团,有缠结存在。 ②假塑性区:线团解缠结,链段沿流动方向取向。 ③第二牛顿区:分子链完全取向,黏度达恒定值。 ④胀流区:发生拉伸流动,黏度急剧上升,为胀塑性流体。

⑤湍流(熔体破裂)。

该曲线的形状和分子机理与高分子固体的应力-应变曲线(见第九章)非常相似。

图6-4高聚物的完整流动曲线

(3)黏流时伴有高弹形变

表现在以下三种现象:模口膨胀(又称Barus巴拉斯效应),包轴现象(又称Weisenberg韦森堡效应)和熔体破裂(又称不稳定流动、湍流)。

熔融黏度(或表观本体黏度(1)毛细管挤出式

)的检测方法主要有以下方式:

毛细管流变仪或工业上常用的熔体流动速率仪(旧称熔融指数测定仪),后者所测值称为熔体流动速率或熔融指数(Melting Index, 简称MI)定义为在一定温度和一定压力下10min流过毛细管的物料克数。对于一定的高聚物,MI越大表示流动性越好,黏度越小。另外也能表明相对分子质量越小。 (2)转动式

包括锥板式、平板式和共轴圆筒式。 (3)落球式

工业上还采用其他一些条件黏度计,如涂4杯(Ford)杯(对涂料)、门尼黏度(对橡胶)等。

影响熔融黏度的因数是: (1)温度

①在以上,~关系遵循Arrhenius(阿累尼乌斯)方程:

式中:为常数,为黏流活化能。

②在以下,不再是常数,必须用自由体积理论处理,~关系适用WLF方~

+100K)

程(适用范围为

对于大多数聚合物,他温度下的黏度。 (2)相对分子质量

=1012 Pa·s(即1013泊),从而通过上式可以计算其

对于加成聚合物,相对分子质量低于临界值(即缠结相对分子质量)时

=

相对分子质量高于时

=

此规律为Fox-Flory经验方程(或称3.4次方规律)。柔顺性越大的高分子,越易缠结,

越小。

(3)剪切力和剪切速率的影响

剪切力和剪切速率增加,使分子取向程度增加,从而黏度降低。

升温和加大剪切力(或速率)均能使黏度降低而提高加工性能,但对于柔性链和刚性链影响不一样(图6-5和图6-6),对于刚性链宜采用提高温度的方法,而对柔性链宜采用加大剪切力(或速率)的方法。

图6-5温度对熔融黏度的影响图6-6剪切力(或速率)对熔融黏度的影响

是表征黏流特性的另一物理量。影响的因素有:

(1)分子结构:柔顺性差,分子间作用力大,较高;

(2)相对分子质量:相对分子质量越大,越大,不存在临界值;

(3)外力大小和作用时间:增加外力和作用时间都有利于分子链运动,而降低


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