高聚物結構與效能的關係

2022-05-20 13:54:09 字數 2212 閱讀 3748

但這裡需要強調的是,高聚物分子鏈的運動作用。我們知道結構是死的,如何在固定的分子結構基礎上演變出千變萬化的效能來呢?那就得靠「分子運動」正是通過高分子鏈特有的鏈段運動,高聚物才呈現豐富多彩的玻璃化轉變現象,在高於玻璃化溫度以上呈現特有的高彈性,才會有與通常阿累尼烏斯方程不同的特有溫度依賴性—wlf方程。

也正是由於雜鏈節或-so2基在低於玻璃化溫度的玻璃態能發生運動才使得雜鏈高聚物,如聚碳酸酯及聚芳碸能在外力作用時通過雜鏈節的運動吸收能量,使得這些高聚物在玻璃態具有優良的機械力學效能(抗衝效能)。在晶態高聚物方面的例子是聚四氟乙烯在19~31℃的晶形轉變導致它在最常見的溫度範圍內力學效能的不穩定,而正是通過與少量六氟丙烯的共聚,阻止了聚四氟乙烯的晶形轉變,才使氟塑料成為實用的材料。

2.2聚集態結構與力學效能的關係

高聚物材料的特點之一是它們的力學效能不完全取決於它們的化學結構。化學結構一定的某種高聚物可以由於不同的聚集態(凝聚態結構)而顯示出不同的效能來。這不同的聚集態又大多是由不同的加工成形方法和條件而造成的。

與一般的小分子有機化合物不一樣,高聚物主要是作為材料來使用的,這裡,重要的是它們的物理力學效能而不是它們的化學效能(某些功能高聚物除外)。因此,對其物理力學效能有重要影響的凝聚態結構就顯得特別重要。因為即使高聚物的化學組成是一定的,也會由於其凝聚態結構不同,而產生出完全不同的物理力學效能。

2.2.1 結晶的影響

材料的結晶狀況對力學效能影響很大。在結晶區中高聚物分子排列有序,分子內相互作用較強,因此晶區的存在往往給材料增加剛硬的特性。在非晶區或結晶不完善的區域中分子堆砌較鬆,分子運動較為容易,它們的存在有助於增加高聚物的柔韌性。

因此一般如模量、屈服應力、強度、硬度等隨結晶度增加而提高,斷裂伸長、抗衝擊效能等則下降,隨著溫度的變化,由於t g對結晶高聚物力學效能影響較小,因此它們能在熔點以下較寬的溫度範圍內保持其力學效能。由此可知,一切能影響結晶狀況的因素都將對材料的效能帶來影響。

2.2.2 取向的影響

在高分子的多重運動單元,最重要的是整鏈(大尺寸單元)和鏈段(小尺寸單元)的運動,表現在受拉伸應力時可能產生所謂的大尺寸取向和小尺寸解取向。由於取向對效能的重大影響,人們一直企圖造成高度取向以獲得高強度和高模量的材料。取向造成了力學效能的各向異性。

在取向方向上強度、模量等效能明顯增大而伸長下降。以單軸取向的聚對苯二甲酸乙二醇酯屈服應力各向異性為例。對單軸方向高度取向的材料,在垂直於取向的方向上強度很小,很容易裂開。

雙軸取向時,在該兩軸構成的平面內效能均勻,不存在薄弱方向。

對於力學效能與取向程度間的關係有不少研究。關於全同立構聚丙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯的研究結果表明,單軸取向的纖維和薄膜在取向方向上的模量是取決於試樣中晶區和非晶區的總的平均取向,而強度則是由非晶區的分子取向決定的,均與試樣的製備歷史無關。

2.2.3 多組分的影響

聚集態結構上的多組分體系包括的面是很廣的,它們的結構特點就是存在著多種相態。實際中應用的高聚物材料多半是或多或少以這種結構形式出現的。例如用橡膠改性的耐衝擊塑料或以塑料改性的橡膠往往是兩種高聚物的共混物或共聚物,互不混溶形成不均一的相態。

高聚物材料中的填料、玻璃纖維等也是不同於樹脂的相態。廣義來說結晶高聚物也是一種結構上多組分的體系。改變多組分體系的結構狀態可以在很大程度上變化材料的效能。

這時一般具有兩相結構,一相是連續相,一相是分散相,以一定的大小和形狀分散在連續相中。對這一類材料有一些共同的因素是在研究效能時應該注意的。

①兩相的組成。就是什麼組分構成連續相,什麼組分構成分散相。一般說,數量上少的組成構成分散相,數量上佔優勢的組分構成連續相並由它決定材料的基本效能。

但這不是絕對的,尤其對共混共聚體系來說,兩相的組成和形態很易受加工條件和使用條件的影響,當然效能也隨之發生變化。例如由苯乙烯、丁二烯組成的sbs嵌段共聚物,由不同的溶劑體系得到的試樣效能完全不同,以聚丁二烯為連續相的樣品呈現橡膠狀的拉伸特性而以聚苯乙烯為連續相的樣品則呈現典型的塑料行為。同樣,在力學作用下兩相的結構狀況也會變化,因此拉伸過的樣品的效能就會與原先的樣品不同。

②兩相間的相互作用。兩相間有一定的相互作用有利於應力的傳遞,因而有助於加強分散相對連續相效能的影響。例如用橡膠來改進聚苯乙烯的抗衝擊效能時,用接枝的辦法往往比共混的效果好。

又例如用短玻璃纖維增強聚丙烯時,若將聚丙烯改性,使之在加工過程中與玻璃纖維間形成一定的鍵的連線,增強了玻璃纖維對整體效能的影響,能使耐溫性能有較大的改善。

3.總結

上面所講的不是乙個全面的系統的總結,只是通過一些例子說明效能是由結構決定的,以及對高聚物材料來說有影響的結構因素和影響的程度。關於高聚物的結構以及結構和力學效能的關係等方面都有待進一步的深人研究和新的突破。

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