高分子材料成型加工-第2讲
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高分子加工思考题解答
第一章绪论1．高分子材料分为哪几类？（高分子材料是一定配合的高分子化合物（由主要成分树脂或橡胶和次要成分添加剂组成）在成型设备中，受一定温度和压力的作用熔融塑化，然后通过模塑制成一定形状，冷却后在常温下能保持既定形状的材料制品。
分为塑料、橡胶、纤维三类）2．塑料、橡胶、纤维分类？3．名词解释：工程塑料通用塑料特种塑料化学纤维合成纤维4．生产塑料制品的完整工序有哪五个？原料准备、成型、机械加工、修饰和装配5. 热塑性高分子材料和热固性高分子材料得物理性质及加工性能比较（见讲义）。
第二章高分子材料成型原理1．高分子材料的熔融性能热传递三种方式：热传导、对流、辐射聚合物的加热与冷却都不易由于聚合物的表观粘度随摩擦升温而降低，使物料熔体烧焦的可能性不大2．聚合物的流动和流变性能拉伸流动和剪切流动，各类型流体的流动曲线，影响高聚物熔体粘度的因素，粘度、流动稠度、流动指数、流动性的关系，熔体流动速率熔体流动速率——在规定的温度、压力（2160×9.81×10-3N）下，每10min内通过国标指定尺寸（书P76装料筒直径φ9.55±0.025mm, 出料口直径φ2.095±0.005mm）毛细管的试样总质量（克数）单位：克/10分钟3．聚合物熔体的弹性流动缺陷：管壁上的滑移，端末效应，离模膨胀，弹性对层流的干扰，熔体破裂，鲨鱼皮，产生原因熔体破裂——当挤出速率逐渐增加，挤出物表面将出现不规则现象（畸变、支离和断裂），甚至使内在质量受到破坏。
离模膨胀——被挤出的聚合物熔体断面积远比口模断面积大，称为离模膨胀鲨鱼皮——挤出物周边具有周期性的皱褶波纹。
4．高分子材料的成型性能聚合物的聚集态:结晶态、玻璃态、高弹态、粘流态等聚集态可挤压性、可模塑性、可纺性、可延性概念5．成型过程中的取向作用拉伸取向（薄膜双向拉伸后，拉伸后的薄膜在拉伸方向上的拉伸强度和抗蠕变性能会提高。
6．高分子材料的降解与交联交联、交联度熟化降解——高分子材料化学键的断链、交联、主链化学结构改变、侧基改变以及上述四种作用的综合交联——线性大分子链之间以新的化学键连接、形成三维网状或体型结构的反应。
《材料制备与成型加工技术》课件——绪论
成型加工(Forming and processing)
02
料制品各种成型方法及操作，成型工艺特点，成型工艺的适应性，成型工艺流程，成型设备结构及作用原理，成型工艺条件及其控制，成型工艺在橡胶、塑料、纤维加工中的共性和特殊性，各种高分子材料制品的成型加工过程，成型加工新工艺和新方法。
高分子材料（macromolecule material
按照高聚物来源分类
结构高分子材料－－利用它的强度、弹性等力学性能功能高分子材料－－利用它的声、光、电、磁、热和生物等功能
按照材料学观点
天然高分子材料－－天然高聚物(natural)合成高分子材料－－合成高聚物(compound)
2、高分子材料的分类（Classification of Polymer Materials）
2、高分子材料加工(Polymer material processing)
通常是使固体状态（粉状或粒状）、糊状或溶液状态的高分子化合物熔融或变形，经过模具形成所需的形状，并保持其已经取得的形状，最终得到制品的工艺过程。制造过程如下：
（1）成型加工过程的四个阶段
00
原材料的准备
01
使原材料产生变形或流动，并成为所需的形状
工程塑料(Engineering plastic)
01
是指拉伸强度大于50MPa ，冲击强度大于6kJ/m2，长期耐热温度超过100℃的、刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀性能等优良的、可替代金属用作结构件的塑料。
02
No.1
（3）橡 胶(rubber)
No.2
橡胶是室温下具有粘弹性的高分子化合物，在适当配合剂存在下，在一定温度和压力下硫化（适度交联）而制得的弹性体材料（橡胶制品）。按用途和性能可将橡胶分为通用橡胶和特种橡胶。
《高分子材料成型机械》教学大纲
《高分子材料成型机械》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《高分子材料成型机械》（Polymer Molding Machinery ）课程号（代码）：300007030课程类别：专业选修课学时：48 学分：3二、教学目的及要求高分子材料成型机械是高分子材料制品成型的必要手段，是聚合物工业发展的基础。
本课程结合聚合物成型加工的特点，从机械原理和机械设计角度出发，利用多媒体教学手段，以形象、生动、直观的方式剖析、讲授聚合物成型机械的工作结构与原理。
本课程涵盖聚合物成型加工工程中的各主要机械，以注塑机和挤出机为主，是聚合物加工工程中不可或缺的重要环节。
使学生能够全面理解和掌握聚合物成型机械在聚合物成型加工中的应用、成型机械的工作与原理、结构特点以及主要部件的设计原则。
对毕业要求及其分指标点支撑情况：（1）毕业要求2，分指标点2.5；（2）毕业要求3，分指标点3.3；三、教学内容（含各章节主要内容、学时分配，并红字方式注明重点难点）绪论（1学时）简要介绍高分子材料成型机械的定义及分类，高分子材料成型机械的现状及发展趋势。
使学生对本课程的学习内容和学习方法建立整体概念。
要点：高分子材料成型机械的定义、分类高分子材料成型机械的现状及发展趋势课程学习的目的、方法、要求第一章液压传动（13学时）高分子材料成型机械中普遍使用到液压传动，本章从液压元件的基本原理、结构入手，阐述其功能和应用。
讲解液压系统的基本回路和典型的注塑机液压系统。
使学生能够看懂常用的液压回路，能设计简单的液压回路。
1、液压传动的基本原理（1学时）要点：传动原理液压系统的组成：液压传动的主要特点液压传动系统压力等级2、油泵及油马达（2.0学时）要点：油泵及油马达的功能叶片泵及叶片油马达柱塞泵和柱塞油马达齿轮泵及其油马达3、油缸（1学时）要点：油缸种类，包括活塞式油缸、柱塞式油缸、摆动式油缸和组合油缸油缸的密封（动密封）油缸的缓冲与排气装置4、液压控制阀（4学时）要点：压力控制阀，包括溢流阀、减压阀和顺序阀流量控制阀，包括节流阀和调速阀方向控制阀，包括单向阀和换向阀比例控制阀5、液压控制基本回路（5学时）要点：速度控制回路，以节流调速回路为主，还包括容积调速回路、分级控制调速回路和快速回路压力控制回路，包括调压回路、卸荷回路、减压回路、增压回路和保压与背压回路方向控制回路，包括换向回路和锁紧回路顺序动作回路安全回路典型高分子材料成型机械液压控制系统实例第二章挤出成型机（18学时）挤出成型是高分子材料成型的重要方法之一，其成型过程连续，生产效率高，能生产管材、棒材、板材、型材等众多高分子制品。
汽车塑料高分子材料培训课程讲义
3
第一篇 汽车塑料基础知识
二、汽车用塑料主要特点： 高分子汽车材料有很多以往传统材料没有的优点。主要表现在重量轻、有良好的外观装饰
效果、有多种实际应用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、节约能源，可持续利用等各方 面。高分子汽车材料的主要特点如下。
1．重量轻 高分子汽车材料最突出的优点之一就是具有轻质高强度的特性。由于各种塑料的平均比重
进行配方组合进行改性，让它的低温抗冲击强度得到改善。
7
第一篇 汽车塑料基础知识
#4、具有可燃烧性： 与钢材相比，塑料的另一个缺点是具有可燃烧性。这是近年来高分子汽车材料应用过程中 最受人们关注的问题之一，也是很多场合中最不放心使用高分子材料的主要原因之一。塑料可 分为两类，一类是不可燃烧的，另一类是可燃烧的。但是，由于塑料具有可配方组合和改性的 功能，可燃烧的塑料可以通过在配方中加入阻燃剂和不可燃烧的填充改性物，对其进行改性， 使之成为阻燃或不可燃的塑料，让们放心使用。 #5、耐老化性能： 塑料的老化性能是长期以来影响高分子汽车材料应用发展的又一个原因。但是，实际上应 该比较客观地看待塑料建材的老化问题。高分子材料不仅要考虑耐热老化，还要考虑耐光老化 和耐经常接触介质的老化。可以通过在配方中通过加入各种抗老化剂防止老化。 高分子建筑材料具有相当多的优点，但由于上述缺点，较多的仍然是以汽车内装饰用材 和 车厢内功能性汽车制品应用为主。随着科学技术的发展，越来越多的高分子新材料不断研 究成 功，许多高分子材料已经正在克服这些缺点，这将使汽车高分子材料的应用领域和范围 得到更 大的发展。
子汽车材料的工作温度都在摄氏 80 度以下，该温度以上常会发生热变形，
使高分子材料不能维持原来的形状和结构，性能也会发生很大变化。
#3、抗冻性能差：
第一篇 汽车塑料基础知识
二、汽车用塑料主要特点： 高分子汽车材料有很多以往传统材料没有的优点。主要表现在重量轻、有良好的外观装饰
效果、有多种实际应用功能、有良好的理化性能、容易加工成型、节约能源，可持续利用等各方 面。高分子汽车材料的主要特点如下。
1．重量轻 高分子汽车材料最突出的优点之一就是具有轻质高强度的特性。由于各种塑料的平均比重
进行配方组合进行改性，让它的低温抗冲击强度得到改善。
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第一篇 汽车塑料基础知识
#4、具有可燃烧性： 与钢材相比，塑料的另一个缺点是具有可燃烧性。这是近年来高分子汽车材料应用过程中 最受人们关注的问题之一，也是很多场合中最不放心使用高分子材料的主要原因之一。塑料可 分为两类，一类是不可燃烧的，另一类是可燃烧的。但是，由于塑料具有可配方组合和改性的 功能，可燃烧的塑料可以通过在配方中加入阻燃剂和不可燃烧的填充改性物，对其进行改性， 使之成为阻燃或不可燃的塑料，让们放心使用。 #5、耐老化性能： 塑料的老化性能是长期以来影响高分子汽车材料应用发展的又一个原因。但是，实际上应 该比较客观地看待塑料建材的老化问题。高分子材料不仅要考虑耐热老化，还要考虑耐光老化 和耐经常接触介质的老化。可以通过在配方中通过加入各种抗老化剂防止老化。 高分子建筑材料具有相当多的优点，但由于上述缺点，较多的仍然是以汽车内装饰用材 和 车厢内功能性汽车制品应用为主。随着科学技术的发展，越来越多的高分子新材料不断研 究成 功，许多高分子材料已经正在克服这些缺点，这将使汽车高分子材料的应用领域和范围 得到更 大的发展。
子汽车材料的工作温度都在摄氏 80 度以下，该温度以上常会发生热变形，
使高分子材料不能维持原来的形状和结构，性能也会发生很大变化。
#3、抗冻性能差：
高分子材料成型加工(华东理工大学)
分成/构结
质性
工加/成合 素要四料材
能性用使
料材子分高机有 料材属金非机无 料材属金
料材大
念概料材大、1
工加型成料材子分高、一
泛广用应 �3� 途前展发有最 �2� 力命生有�科学轻年 �1� �位地中料材大在料材子分高 。点特的备具须必�的有固料材有所 。性生再 �6� �性济经 �5��性用使 �4� �状形 �3�� 性工加 �2� � 成组 �1� � 性通的料材
维纤
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胶橡 料塑
料材成合大三
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能性的品制、3
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高分子材料的成型与加工 配方设计原则和程序
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
(4) 样品的初步设计 包括配方设计、工艺设计、结构设计和 模具设计等，涉及原材料、工艺、成本、质 量等诸多因素。 (5) 样品试制 在初步设计的基础上，对试制样品作整 体检验，通过试模，检验并分析样品的尺寸 精度、粗糙度、成型时间、成型难易程度和 设计的合理性等，获得多种方案的工艺条件 和样品，供测试评价。
高聚物生产技术
项目八 高分子材料的成型与加工
任务一：高分子材料的配方与设计
第1讲：配方设计原则和程序
聚氯乙烯生产技术
1
高聚物生产技术
一、配方设计原则
配方设计是一个富于挑战性的、专业性 很强的技术工作。因此，配方设计决不是各 种原材料之间简单的、经验性的组合，而是 对高分子材料结构与性能关系充分研究的综 合结果。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
(2) 形状造型设计 主要考虑制品的功能、刚度、强度和成 型工艺等，应力求做到形状对称、造型轻巧 、结构紧凑以及画出草图等。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
(3) 合理选材 在满足材料性能要求与成型加工特点的 基础上，选择多种候选材料，试制出样品。 经性能测试，收集用户使用意见后，通过的。每种材料各 有优缺点，选材时应做到在满足制品性能要 求的前提下，“扬长避短、合理使用”。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
二、配方设计程序
制品设计是在对制品形状、结构和使用 性能科学地预测和判定的前提下，通过充分 把握并正确选用高分子材料，制定出一套完 整的制造过程的实施方案和程序。
高聚物制品设计的一般程序，如下图所 示。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
聚氯乙烯生产技术
9
制品设计必须贯彻“实用、高效、经济 ”的原则，即制品的实用性要强，成型加工 工艺性要好，生产效率要高，成本要低，主 要从以下几个方面考虑。
高聚物生产技术
(4) 样品的初步设计 包括配方设计、工艺设计、结构设计和 模具设计等，涉及原材料、工艺、成本、质 量等诸多因素。 (5) 样品试制 在初步设计的基础上，对试制样品作整 体检验，通过试模，检验并分析样品的尺寸 精度、粗糙度、成型时间、成型难易程度和 设计的合理性等，获得多种方案的工艺条件 和样品，供测试评价。
高聚物生产技术
项目八 高分子材料的成型与加工
任务一：高分子材料的配方与设计
第1讲：配方设计原则和程序
聚氯乙烯生产技术
1
高聚物生产技术
一、配方设计原则
配方设计是一个富于挑战性的、专业性 很强的技术工作。因此，配方设计决不是各 种原材料之间简单的、经验性的组合，而是 对高分子材料结构与性能关系充分研究的综 合结果。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
(2) 形状造型设计 主要考虑制品的功能、刚度、强度和成 型工艺等，应力求做到形状对称、造型轻巧 、结构紧凑以及画出草图等。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
(3) 合理选材 在满足材料性能要求与成型加工特点的 基础上，选择多种候选材料，试制出样品。 经性能测试，收集用户使用意见后，通过的。每种材料各 有优缺点，选材时应做到在满足制品性能要 求的前提下，“扬长避短、合理使用”。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
二、配方设计程序
制品设计是在对制品形状、结构和使用 性能科学地预测和判定的前提下，通过充分 把握并正确选用高分子材料，制定出一套完 整的制造过程的实施方案和程序。
高聚物制品设计的一般程序，如下图所 示。
聚氯乙烯生产技术
高聚物生产技术
聚氯乙烯生产技术
9
制品设计必须贯彻“实用、高效、经济 ”的原则，即制品的实用性要强，成型加工 工艺性要好，生产效率要高，成本要低，主 要从以下几个方面考虑。
有机高分子材料讲课文档
提示①消除环境污染;②分类回收塑料制品是回收利用的条件之一;③
增产节约,符合可持续发展的观念。
第七页，共24页。
二
一
一、线型结构、体型结构高分子材料比较
线型结构
举例
结构特点
溶解性
热塑性、
热固性
体型结构
合成纤维、塑料(如
聚乙烯)
以共价键结合成高分
子链,链与链之间以
分子间作用力结合
可溶,但溶解速率比
小分子化合物小,最
3
4
5
)
A.聚乙烯塑料的老化是因为发生了加成反应
B.煤经过气化和液化等物理变化可转化为清洁燃料
C.合成纤维、人造纤维及碳纤维都属于有机高分子材料
D.利用粮食酿酒经历了淀粉→葡萄糖→乙醇的化学变化过程
解析：A项错误,聚乙烯塑料老化是因为发生了氧化反应;B项错误,煤
的气化和液化均属于化学变化;C项错误,碳纤维不属于有机高分子材
2
3
4
5
)
A.线型结构和体型结构的有机高分子都可以溶解在适当的溶剂里
B.某些高分子化合物具有热固性,它们在受热时不会熔化
C.高分子链之间存在较强的作用力,因此高分子材料的强度都较高
D.普通高分子材料存在易被氧化、不耐高温等特点
解析：线型结构的有机高分子可以用适当的溶剂溶解,而体型结构
的有机高分子一般不易被溶解;热固性高分子化合物受热时不会熔化;强
度高是高分子材料的重要特性;含不饱和键的高分子材料易被氧化,线型
结构的高分子材料不耐高温。
答案：A
第二十页，共24页。
1
2
3
4
5
4下列材料中属于功能高分子材料的是(
)
增产节约,符合可持续发展的观念。
第七页，共24页。
二
一
一、线型结构、体型结构高分子材料比较
线型结构
举例
结构特点
溶解性
热塑性、
热固性
体型结构
合成纤维、塑料(如
聚乙烯)
以共价键结合成高分
子链,链与链之间以
分子间作用力结合
可溶,但溶解速率比
小分子化合物小,最
3
4
5
)
A.聚乙烯塑料的老化是因为发生了加成反应
B.煤经过气化和液化等物理变化可转化为清洁燃料
C.合成纤维、人造纤维及碳纤维都属于有机高分子材料
D.利用粮食酿酒经历了淀粉→葡萄糖→乙醇的化学变化过程
解析：A项错误,聚乙烯塑料老化是因为发生了氧化反应;B项错误,煤
的气化和液化均属于化学变化;C项错误,碳纤维不属于有机高分子材
2
3
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5
)
A.线型结构和体型结构的有机高分子都可以溶解在适当的溶剂里
B.某些高分子化合物具有热固性,它们在受热时不会熔化
C.高分子链之间存在较强的作用力,因此高分子材料的强度都较高
D.普通高分子材料存在易被氧化、不耐高温等特点
解析：线型结构的有机高分子可以用适当的溶剂溶解,而体型结构
的有机高分子一般不易被溶解;热固性高分子化合物受热时不会熔化;强
度高是高分子材料的重要特性;含不饱和键的高分子材料易被氧化,线型
结构的高分子材料不耐高温。
答案：A
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5
4下列材料中属于功能高分子材料的是(
)
高分子物理第2讲聚合物的玻璃化转变
链柔顺性与Tg关系
链柔顺性定义
链柔顺性是指高分子链能够改变其构象的性质，即分子链的 弯曲能力。
柔顺性与Tg关系
链柔顺性越好，分子链越容易运动，Tg越低。因此，增加链 柔顺性可以降低聚合物的Tg。
03
实验方法测定聚合物Tg值
差热分析法(DSC)
原理
利用物质在加热或冷却过程中产生的热效 应与温度的关系，通过测量样品与参比物 之间的温差变化，得到物质的热性质。
测量方法
Tg可以通过多种实验手段进行测量，如差示扫描量热法 （DSC）、动态力学分析法（DMA）等。
影响因素
Tg受聚合物的化学结构、分子量、分子链柔性、交联程度 等多种因素影响。
影响因素及意义
影响因素
除了上述提到的化学结构、分子量等，聚合物的制备条件、加工历史、添加剂等 也会对玻璃化转变产生影响。
定义
玻璃化转变是高分子材料从玻璃 态到高弹态的转变，表现为材料 的力学、热学、电学等物理性质 的突变。
特点
玻璃化转变是一个可逆过程，伴 随着体积、热容、模量等物理量 的变化，但材料的化学性质不发 生变化。
玻璃化转变温度Tg
定义
玻璃化转变温度Tg是指高分子材料在升温过程中从玻璃态转变为高弹 态的临界温度，或在降温过程中从高弹态转变为玻璃态的临界温度。
粘弹性行为
聚合物在玻璃化转变过程中表现出粘弹性行为，即既有粘性流动又 有弹性变形。
动力学模型
建立动力学模型，如WLF方程，可以描述聚合物在不同温度下的粘 弹性行为，进而解释玻璃化转变现象。
05
聚合物玻璃化转变在实际 应用中的考虑因素
加工过程中避免结晶问题
选择合适的添加剂
添加一些能够抑制结晶的添加剂，如增塑剂、 稀释剂等。
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11
应 力
Y A N D
B
O
应变
典型晶态聚合物的 应力－应变曲线
一、高分子材料的力学性能
5、聚合物的摩擦与磨耗
摩擦与磨耗在高分子材料的性能指标中没有明显的定量理论， 但也属于聚合物重要的力学性能指标。 对于两种硬度差别较大的材料，如聚合物和金属，进行相对滑 动时，较硬的材料的凸凹不平处嵌入软质材料表面，形成凹槽。 当嵌入的尖端移动时，凹处或者复原，或者软质材料被刮落下 来。粘合或嵌入的形变均可因剪切而使材料从软质的表面磨去， 这称为磨耗。 摩擦可用摩擦系数表示；磨耗可用 临界PV 值表示，P 摩擦压 力，V 摩擦速度，PV值越高，材料越耐磨。
▲高聚物的介电性
高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出 对静电能的储蓄的损耗的性质。
影响高聚物介电性的因素：高聚物的极性和高聚物的极化
介电性的表示方法：介电常数、介电损耗
介电常数（储存电能）；介电损耗（消耗电能）tg
▲高聚物的极性类别
非极性高聚物（PE、PP、PTFE等） 弱极性高聚物（PS、PIP等） 极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等） 强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂等）
△定义
C Q0 Q ' C0 Q0
显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q’越大， 介电常数越大 常见高聚物的介电常数
高聚物
聚乙烯（外推到无定型） 聚丙烯（无定型） 聚氯化苯乙烯 聚四氟乙烯（无定型） 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
计算值
2.20 2.15 2.55 2.82 2.0 3.20 2.94 3.45
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
－ － － － － －
－ － － － － － － －
共混、复合材 料
－
－
－ － － －－ －－ －
高聚物在 电场中极 化示意图
17
二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的介电常数（dielectric constant）
二、高分子材料的物理性能
部分高聚物的介电损耗
高 聚 物 介电损耗（tanδ）
60Hz
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 聚已内酰胺 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 0.0002 0.0005 0.0005 0.0001～0.0003 ＜0.0002 0.0009 0.014 ～0.04 0.010 ～0.06 0.04 ～0.06 0.08 ～0.15 0.007 ～0.02 0.004 ～0.034 0.004
应力与应变是相辅相成的，有应力就有应变；有应变，就 有应力，应力与应变间的关系，完全由材料决定，反映了材料 所固有的力学性质。不同的材料会反映出不同的应力应变关系。 材料的力学性能和应力应变关系要通过实验得到。
万能材料实验拉力机
几种常见材料的应力应变曲线 5
一、高分子材料的力学性能
1、力学性能的基本指标（2）：强度 拉伸强度：屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与 横截面积之比）称为拉伸强度。一般用MPa为单位。 弯曲强度：也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对 标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，得到的最大 载荷与受力面积之比为弯曲强度。
二、高分子材料的物理性能
▲导电高聚物的应用
电子导电高聚物 导电材料（涂料） 电极材料 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关 代替电解质材料 全固态电池
离子导电高聚物
各种电极材料 氧化还原导电高聚物 特种电极修饰材料
21
二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的绝缘电阻
S RV 体积电阻率 V d
12
一、高分子材料的力学性能
6、聚合物的疲劳强度
概念：疲劳强度是指材料在无限多次(1× 107)交变载荷作 用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
聚合物在周期性交变应力作用下在低于静态强度的应力下破裂， 这种现象称为疲劳现象。同样的疲劳现象也可在应力作用下由裂 纹发展引起。在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合 物的分子量的增加而提高。 疲劳强度和静强度的比值，对大多数热塑性聚合物为1/4，增强材 料稍大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可达到 0.4~0.5。一般来讲，这个比值随着分子量及温度的提高而增加。
13
二、高分子材料的物理性能
1、高聚物的电性能
高聚物具有体积电阻率高（1016～1020Ω· cm）、介电常数小 （≤2）、介质损耗低（＜10－4）等特殊优良的电性能，同 时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成 型加工容易，品型多，故在电器方法应用广泛。
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二、高分子材料的物理性能
二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的介电损耗（dielectric loss） 是电介质在交变电场的作用下，将一部分电能转变为热能 而损耗的现象。一般用损耗角的正切值表示。
W 每周期内介电损耗的能量 '' tan ' VI C 每周期内介电储存的能量
△介电损耗的原因
对非极性高聚物 在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流， 载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热 能，属于欧姆损耗。 对极性高聚物 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的 转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在 每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极 损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。 19
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的极化（polarization）
非极性高分子：感应极化(电子云位移），电导损耗小 极性高分子：取向极化（分子电场中取向），极化损耗大 非均向高分子：界面极化（界面极性不同，电场引起电荷 聚集）
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的极化（polarization）
3
一 高 分 子 材 料 的 力 学 性 能
一、高分子材料的力学性能
1、力学性能的基本指标（1）：应力与应变 应力：物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互 作用的内力，以抵抗变形。单位截面面积上的内力称为应力。
应变：物体受力产生变形时，用以描述变形程度的物理量为应 变。一般受力变形时物体内各点处变形程度并不相同。
作为橡胶材料必须具有一下特点：
（1）弹性模量小，形变大。橡胶的高弹形变很大，可以拉伸5-10 倍，弹性模量只有一般材料的万分之一左右；而一般材料的 形变量仅为1%左右。 （2）弹性模量与绝对温度成正比，一般材料的温度随温度的提高 而下降； （3）形变时有热效应，伸长时吸热，回缩时放热； （4）在一定条件下，高弹形变表现出明显的松弛现象。
103Hz
0.002 0.0005 0.0002 ～0.0008 0.0001 ～0.0003 ＜0.0002 0.0021 0.02 ～0.04 0.011 ～0.06 0.03 ～0.05 0.07 ～0.16 0.009 ～0.017 0.002 ～0.012
106Hz
0.0003 0.0005 0.0001 ～0.0005 0.0001 ～0.0004 ＜0.0002 0.010 0.03 ～0.04 0.03 ～ 0.04 0.02 ～0.03 0.04 ～0.140 0.006 ～0.019 0.007 ～0.026 20 0.004
极化形式 极化机理 特点
极快，10－12～10－15s；无能量 损耗；不依赖温度和频率
适用对象
所有高聚物
电子极化 电子云的变形 原子极化 各原子之间的相对位移
稍快， 10－12s；损耗微量能量； 所有高聚物 不依赖温度
偶极极化 极性分子（或偶极子）沿 慢， 10－9s以上；损耗较大能量；极性高聚物 电场方向转动，从优取向 依赖温度和频率 界面极化 载流子在界面处聚集产生 极慢，几分之一秒至几分钟、 的极化 几小时
实验值
2.3 2.2 2.55 2.6 2.1 2.25 2.6/3.7 3.4
高聚物
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 聚对苯二甲酸乙二酯 聚碳酸酯 聚已二酰已二胺
计算值
3.20 2.80 3.26 2.95 2.65 3.40 3.00 4.14
实验值
3.1 2.7/3.4 3.1 3.1 2.6 2.9/3.2 2.6/3.0 4.0 18
高聚物绝缘电阻 的表示形式 表面电阻率
平等电极
2 R S 环状电极 S ln D2 D1
l S RS b
▲高聚物的静电现象（electrostatic effect）
主要产生于高聚物与成型加工设备之间的接触或摩擦等
●静电的利与弊
利：静电喷涂、静电印刷、静电照像、静电吸尘除尘等 弊：影响外观、相互黏结、电器准确性、静电火花、吸尘等
高分子材料成型与加工 第二讲
1
第三节 高分子材料的主要性能
一 二
高分子材料的力学性能
高分子材料的物理性能 高分子材料的化学性能
三
四
高分子溶液
高分子材料 应用如此广泛 的一个很重要 的原因，是高 分子材料具有 其它材料所不 可比拟的性能。
2
第三节 高分子材料的性能
1. 2. 3. 4. 5. 6. 应力与应变 拉伸强度 弯曲强度 强度 基本指标 冲击强度 弹性模量 硬度 高弹性能 对大多数 静态粘弹性 高分材料来说， 粘弹性 动态粘弹性 力学性能是最 重要的性能指 力学屈服 标。聚合物的 力学性能是由 摩擦与磨损 结构特性所决 疲劳强度 定的。
材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材 料的力学性能。材料的力学性能通常都是通过实验来认识的，最基本 的实验是材料的轴向拉伸和压缩实验。 常温静载下的轴向拉伸试验是材料力学中最基本、应用最广泛的 试验。通过拉伸试验，可以较全面地测定材料的力学性能指标。
应 力
Y A N D
B
O
应变
典型晶态聚合物的 应力－应变曲线
一、高分子材料的力学性能
5、聚合物的摩擦与磨耗
摩擦与磨耗在高分子材料的性能指标中没有明显的定量理论， 但也属于聚合物重要的力学性能指标。 对于两种硬度差别较大的材料，如聚合物和金属，进行相对滑 动时，较硬的材料的凸凹不平处嵌入软质材料表面，形成凹槽。 当嵌入的尖端移动时，凹处或者复原，或者软质材料被刮落下 来。粘合或嵌入的形变均可因剪切而使材料从软质的表面磨去， 这称为磨耗。 摩擦可用摩擦系数表示；磨耗可用 临界PV 值表示，P 摩擦压 力，V 摩擦速度，PV值越高，材料越耐磨。
▲高聚物的介电性
高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出 对静电能的储蓄的损耗的性质。
影响高聚物介电性的因素：高聚物的极性和高聚物的极化
介电性的表示方法：介电常数、介电损耗
介电常数（储存电能）；介电损耗（消耗电能）tg
▲高聚物的极性类别
非极性高聚物（PE、PP、PTFE等） 弱极性高聚物（PS、PIP等） 极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等） 强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂等）
△定义
C Q0 Q ' C0 Q0
显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q’越大， 介电常数越大 常见高聚物的介电常数
高聚物
聚乙烯（外推到无定型） 聚丙烯（无定型） 聚氯化苯乙烯 聚四氟乙烯（无定型） 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
计算值
2.20 2.15 2.55 2.82 2.0 3.20 2.94 3.45
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
－ － － － － －
－ － － － － － － －
共混、复合材 料
－
－
－ － － －－ －－ －
高聚物在 电场中极 化示意图
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的介电常数（dielectric constant）
二、高分子材料的物理性能
部分高聚物的介电损耗
高 聚 物 介电损耗（tanδ）
60Hz
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 聚已内酰胺 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 0.0002 0.0005 0.0005 0.0001～0.0003 ＜0.0002 0.0009 0.014 ～0.04 0.010 ～0.06 0.04 ～0.06 0.08 ～0.15 0.007 ～0.02 0.004 ～0.034 0.004
应力与应变是相辅相成的，有应力就有应变；有应变，就 有应力，应力与应变间的关系，完全由材料决定，反映了材料 所固有的力学性质。不同的材料会反映出不同的应力应变关系。 材料的力学性能和应力应变关系要通过实验得到。
万能材料实验拉力机
几种常见材料的应力应变曲线 5
一、高分子材料的力学性能
1、力学性能的基本指标（2）：强度 拉伸强度：屈服或断裂前材料试样所承受的最大力（载荷与 横截面积之比）称为拉伸强度。一般用MPa为单位。 弯曲强度：也称扰曲强度、抗弯强度，是在规定的条件下对 标准试样施加静弯曲力矩，直到试样折断为止，得到的最大 载荷与受力面积之比为弯曲强度。
二、高分子材料的物理性能
▲导电高聚物的应用
电子导电高聚物 导电材料（涂料） 电极材料 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关 代替电解质材料 全固态电池
离子导电高聚物
各种电极材料 氧化还原导电高聚物 特种电极修饰材料
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的绝缘电阻
S RV 体积电阻率 V d
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一、高分子材料的力学性能
6、聚合物的疲劳强度
概念：疲劳强度是指材料在无限多次(1× 107)交变载荷作 用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
聚合物在周期性交变应力作用下在低于静态强度的应力下破裂， 这种现象称为疲劳现象。同样的疲劳现象也可在应力作用下由裂 纹发展引起。在一定负荷的反复作用下，材料的疲劳寿命随聚合 物的分子量的增加而提高。 疲劳强度和静强度的比值，对大多数热塑性聚合物为1/4，增强材 料稍大一些，而一些工程材料，如聚甲醛和聚四氟乙烯可达到 0.4~0.5。一般来讲，这个比值随着分子量及温度的提高而增加。
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二、高分子材料的物理性能
1、高聚物的电性能
高聚物具有体积电阻率高（1016～1020Ω· cm）、介电常数小 （≤2）、介质损耗低（＜10－4）等特殊优良的电性能，同 时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成 型加工容易，品型多，故在电器方法应用广泛。
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二、高分子材料的物理性能
二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的介电损耗（dielectric loss） 是电介质在交变电场的作用下，将一部分电能转变为热能 而损耗的现象。一般用损耗角的正切值表示。
W 每周期内介电损耗的能量 '' tan ' VI C 每周期内介电储存的能量
△介电损耗的原因
对非极性高聚物 在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流， 载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热 能，属于欧姆损耗。 对极性高聚物 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的 转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在 每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极 损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。 19
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的极化（polarization）
非极性高分子：感应极化(电子云位移），电导损耗小 极性高分子：取向极化（分子电场中取向），极化损耗大 非均向高分子：界面极化（界面极性不同，电场引起电荷 聚集）
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二、高分子材料的物理性能
▲高聚物的极化（polarization）
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一 高 分 子 材 料 的 力 学 性 能
一、高分子材料的力学性能
1、力学性能的基本指标（1）：应力与应变 应力：物体由于外因而变形时，在物体内各部分之间产生相互 作用的内力，以抵抗变形。单位截面面积上的内力称为应力。
应变：物体受力产生变形时，用以描述变形程度的物理量为应 变。一般受力变形时物体内各点处变形程度并不相同。
作为橡胶材料必须具有一下特点：
（1）弹性模量小，形变大。橡胶的高弹形变很大，可以拉伸5-10 倍，弹性模量只有一般材料的万分之一左右；而一般材料的 形变量仅为1%左右。 （2）弹性模量与绝对温度成正比，一般材料的温度随温度的提高 而下降； （3）形变时有热效应，伸长时吸热，回缩时放热； （4）在一定条件下，高弹形变表现出明显的松弛现象。
103Hz
0.002 0.0005 0.0002 ～0.0008 0.0001 ～0.0003 ＜0.0002 0.0021 0.02 ～0.04 0.011 ～0.06 0.03 ～0.05 0.07 ～0.16 0.009 ～0.017 0.002 ～0.012
106Hz
0.0003 0.0005 0.0001 ～0.0005 0.0001 ～0.0004 ＜0.0002 0.010 0.03 ～0.04 0.03 ～ 0.04 0.02 ～0.03 0.04 ～0.140 0.006 ～0.019 0.007 ～0.026 20 0.004
极化形式 极化机理 特点
极快，10－12～10－15s；无能量 损耗；不依赖温度和频率
适用对象
所有高聚物
电子极化 电子云的变形 原子极化 各原子之间的相对位移
稍快， 10－12s；损耗微量能量； 所有高聚物 不依赖温度
偶极极化 极性分子（或偶极子）沿 慢， 10－9s以上；损耗较大能量；极性高聚物 电场方向转动，从优取向 依赖温度和频率 界面极化 载流子在界面处聚集产生 极慢，几分之一秒至几分钟、 的极化 几小时
实验值
2.3 2.2 2.55 2.6 2.1 2.25 2.6/3.7 3.4
高聚物
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 聚对苯二甲酸乙二酯 聚碳酸酯 聚已二酰已二胺
计算值
3.20 2.80 3.26 2.95 2.65 3.40 3.00 4.14
实验值
3.1 2.7/3.4 3.1 3.1 2.6 2.9/3.2 2.6/3.0 4.0 18
高聚物绝缘电阻 的表示形式 表面电阻率
平等电极
2 R S 环状电极 S ln D2 D1
l S RS b
▲高聚物的静电现象（electrostatic effect）
主要产生于高聚物与成型加工设备之间的接触或摩擦等
●静电的利与弊
利：静电喷涂、静电印刷、静电照像、静电吸尘除尘等 弊：影响外观、相互黏结、电器准确性、静电火花、吸尘等
高分子材料成型与加工 第二讲
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第三节 高分子材料的主要性能
一 二
高分子材料的力学性能
高分子材料的物理性能 高分子材料的化学性能
三
四
高分子溶液
高分子材料 应用如此广泛 的一个很重要 的原因，是高 分子材料具有 其它材料所不 可比拟的性能。
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第三节 高分子材料的性能
1. 2. 3. 4. 5. 6. 应力与应变 拉伸强度 弯曲强度 强度 基本指标 冲击强度 弹性模量 硬度 高弹性能 对大多数 静态粘弹性 高分材料来说， 粘弹性 动态粘弹性 力学性能是最 重要的性能指 力学屈服 标。聚合物的 力学性能是由 摩擦与磨损 结构特性所决 疲劳强度 定的。
材料在外力作用下所表现出的变形和破坏方面的特性，称为材 料的力学性能。材料的力学性能通常都是通过实验来认识的，最基本 的实验是材料的轴向拉伸和压缩实验。 常温静载下的轴向拉伸试验是材料力学中最基本、应用最广泛的 试验。通过拉伸试验，可以较全面地测定材料的力学性能指标。