影響聚合物實際強度的因素

從分子結構的角度來看，聚合物之所以具有抵抗外力破壞的能力，主要靠分子內的化學鍵合力和分子間的范德華力和氫鍵。不考慮其它各種復雜的影響因素，我們可以由微觀角度計算出聚合物的理論強度，這種考慮方法是很有意義的，因為把理論計算得到的結果與實際聚合物的強度相比較，我們就可以了解它們之間的差距，這個差距將指引和推動人們進行提高聚合物實際強度的研究和探索。

如果高分子鏈的排列方向是平行于受力方向的，則斷裂時可能是化學鍵的斷裂或分子間的滑脫；如果高分子鏈的排列方向是垂直于受力方向的，則斷裂時可能是范德華力或氫鍵的破壞。通過對比三種情況的理論拉伸強度(或斷裂強度)和實際強度的數值，發現理論強度和實際強度存在著巨大的差距。可見，提高聚合物的實際強度的潛力是很大的。
影響聚合物實際強度的因素很多，總的來說可以分為兩類：一類是與材料本身有關的，包括高分子的化學結構、分子量及其分布、支化和交聯、結晶與取向、增塑劑、共混、填料、應力集中物等；另一類是與外界條件有關的，包括溫度濕度、光照、氧化老化、作用力的速度等。
1、高分子本身結構的影響

前面已經分析過高分子具有強度在于主鏈的化學鍵力和分子間的作用力，所以增加高分子的極性或產生氫鍵可使強度提高。例如低壓聚乙烯的拉伸強度只有15~16
MPa，聚氯乙烯因有極性基團，拉伸強度為50MPa，尼龍610有氫鍵，拉伸強度為60MPa。極性基團或氫鍵的密度愈大，則強度愈高，所以尼龍66的拉伸強度比尼龍610還大，達80MPa。如果極性基團過密或取代基團過大，阻礙著鏈段的運動，不能實現強迫高彈形變，表現為脆性斷裂，因此拉伸強度雖然大了，但材料變脆。

主鏈含有芳雜環的聚合物，其強度和模量都比族主鏈的高，因此新型的工程塑料大都是主鏈含芳雜環的。例如芳香尼龍的強度和模量比普通尼龍高，聚苯醚比族聚醚高，雙酚A聚碳酸酯比族的聚碳酸酯高。引入芳雜環側基時強度和模量也要提高，例如聚苯乙烯的強度和模量比聚乙烯的高。

分子鏈支化程度增加，使分子之間的距離增加，分子間的作用力減小，因而聚合物的拉伸強度會降低，但沖擊強度會提高。例如高壓聚乙烯的拉伸強度比低壓聚乙烯的低，而沖擊強度反而比低壓聚乙烯高。

適度的交聯可以有效地增加分子鏈間的聯系，使分子鏈不易發生相對滑移。隨著交聯度的增加，往往不易發生大的形變，強度增高。例如聚乙烯交聯后，拉伸強度可以提

高1倍，沖擊強度可以提高3~4倍。但是交聯過程中往往會使聚合物結晶度下降，取向困難，因而過分的交聯并不總是有利的。

分子量對拉伸強度和沖擊強度的影響也有一些差別。分子量低時，拉伸強度和沖擊強度都低，隨著分子量的增大，拉伸強度和沖擊強度都會提高。但是當分子量超過一定的數值以后，拉伸強度的變化就不大了，而沖擊強度則繼續增大。人們制取高分子量聚乙烯（M＝5×105~4×106）的目的之一就是為了提高它的沖擊性能。它的沖擊強度比普通低壓聚乙烯提高3倍多，在一40℃時甚至可提高18倍之多。
2、結晶和取向的影響
結晶度增加，對提高拉伸強度、彎曲強度和彈性模量有好處。例如在聚丙烯中無規結構的含量增加，使聚丙烯的結晶度降低，則拉伸強度和彎曲強度都下降(見下表)。然而，如果結晶度太高，則導致沖擊強度和斷裂伸長率的降低，聚合物材料就要變脆，反而沒有好處。

無規結構含量對聚丙烯性能的影響
無規結構的含量 ％拉伸強度 MPa彎曲強度 MPa
2.0
2.5
3.3
3.5
6.4
11.834.5
34.0
—
32.5
20.0
—56.5
46.0
45.0
45.0
41.0
40.0

對結晶聚合物的沖擊強度影響更大的是聚合物的球晶結構。如果在緩慢的冷卻和退火過程中生成大球晶的話，那么聚合物的沖擊強度就要顯著下降，因此有些結晶性聚合物在成型過程中加入成核劑，使它生成微晶而不生成球晶，以提高聚合物的沖擊強度。所以在原料選定以后，成型加工的溫度和后處理的條件，對結晶聚合物的力學性能有很大的影響。

取向可以使材料的強度提高幾倍甚至幾十倍。因為取向后高分子鏈順著外力的方向平行地排列起來，使斷裂時，破壞主價鍵的比例大大增加，而主價鍵的強度比范德華的強度高20倍左右。另外取向后可以阻礙裂縫向縱深發展。
3、應力集中物的影響

如果材料存在缺陷，受力時材料內部的應力平均分布狀態將發生變化，使缺陷附近局部范圍內的應力急劇地增加，遠遠超過應力平均值，這種現象稱為應力集中，缺陷就是應力集中物，包括裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質等，它們會成為材料破壞的薄弱環節，嚴重地降低材料的強度，是造成聚合物實際強度與理論強度之間巨大差別的主要原因之一。

各種缺陷在聚合物的加工成型過程中是相當普遍存在的，例如在加工時，由于混煉不勻、塑化不足造成的微小氣泡和接痕，生產過程中也常會混進一些雜質，更難以避免的是在成型過程中，由于制件表里冷卻速度不同，表面

物料接觸溫度較低的模壁，迅速冷卻固化成一層硬殼，而制體內部的物料，卻還處在熔融狀態，隨著它的冷卻收縮，便使制件內部產生內應力，進而形成細小的銀紋，甚至于裂縫，在制件的表皮上將出現龜裂。上述各類缺陷，盡管非常微小，有的甚至肉眼不能發現，但是卻成為降低聚合物力學性能的致命弱點。例如：膠粘劑由于蒸發、冷卻或化學反應固化時，通常體積減少，產生收縮和收縮力，從而在粘接端或膠粘劑空孔的周圍，產生應力集中，這種固化過程產生的內應力，對粘接系統給予致命影響。溶液膠粘劑，因為其固體含量通常為20.6％，所以固化過程中體積收縮最嚴重。熱熔膠粘劑，固化時體積收縮率也是較大的差異。縮聚反應時，有副產物逸出，體積收縮很嚴重，酚醛樹酯固化收縮率比環氧樹脂大5~10倍，烯類單體或預聚體的雙鍵發生加聚反應，兩個雙鍵由范德華力結合變成共價鍵結合，原子間距離大大縮短，體積收縮率也較大，如不飽和聚酯固化收縮率高達10％，比環氧樹脂高1~4倍。開環聚合時一對原子由范德華力作用變成化學鍵結合，而另一對原子由原來的化學鍵結合變成接近于范德華力的作用，所以體積收縮率較小，如開環聚合的環氧樹脂固化的體積收縮率比較小，這是它有較高力學強度的主要原因之
4、增塑劑的影響
增塑劑一般是低分子量的液體或固體有機化合物，增塑劑的加入對聚合物起了稀釋作用，減小了高分子鏈之間的作用，因而強度降低，強度的降低值與增塑劑的加入量約成正比。但是，增塑劑加入膠粘劑高分子化合物中，增加固化體系的可塑性和彈性，改進柔軟性和耐寒性、低溫脆性等。增塑劑的粘度低、沸點高，能增加樹脂的流動性，有利于浸潤、擴散和吸收。增塑劑隨著放置時間的增長而揮發，同時還向表面遷移，膠粘劑中的增塑劑失去，將使粘接強度下降。
5、填料的影響

填料的加入并不是單純的混合，而是彼此間存在次價力。這種次價力雖然很弱，但具有加和性，因此當聚合物相對分子質量較大時，其總力則顯得可觀，從而改變聚合物分子的構象平衡和松弛時間，還可使聚合物的結晶傾向和溶解度降低以及提高玻璃化溫度和硬度等。
聚合物中常加入—定數量的填料，以改善聚合物的如下性能：
（1）增大內聚強度；
（2）調節粘度或作業性；
（3）提高耐熱性；
（4）降低熱膨脹系數和減少收縮率：
（5）給與間隙填充性；
（6）給與導電性；
（7）降低成本。

填充劑的種類和添加的數量隨使用的目的而不同，而且與聚合物種類、性質、填充劑的形狀大小、以

及與聚合物的親和力大小等因素有關。一般，一定數量和大小粒子的填料，當施加應力時，對聚合物的分子運動是有影響的，多數填充劑，使分子運動困難，其結果，聚合物的熱膨脹系數降低，填充劑相能支持負荷或吸收能量，所以耐沖擊性增大。一般，加入無機填料，拉伸強度最初增大，填料過多時則下降。對于特定的物性，為獲得填充劑正確效果，在廣泛范圍內進行實驗是必要的。
6、共聚和共混的影響

共聚可以綜合兩種以上均聚物的性能。例如聚苯乙烯原是脆性的，如果在苯乙烯中引入丙烯腈單體進行共聚，所得共聚物的拉伸和沖擊強度都提高了。還可以進一步引入丁二烯單體進行接枝共聚，所得高抗沖聚苯乙烯和ABS樹脂，則可以大幅度地提高沖擊強度。

共混是一種很好的改性手段，共混物常常具有比原來組分更為優越的使用性能。最早的改性聚苯乙烯就是用天然橡膠和聚苯乙烯機械共混得到的，后來還用丁腈橡膠與AS樹脂共混（機械的或乳液的）的辦法制備ABS樹脂，它們的共同點都是達到了用橡膠使塑料增韌的效果。
7、外力作用速度和溫度的影響

由于聚合物是粘彈性材料，它的破壞過程也是—種松弛過程，因此外力作用速度與溫度對聚合物的強度有顯著的影響。如果一種聚合物材料在拉伸試驗中鏈段運動的松弛時間與拉伸速度相適應，則材料在斷裂前可以發生屈服，出現強迫高彈性。當拉伸速度提高時，鏈段運動跟不上外力的作用，為使材料屈服，需要更大的外力，即材料的屈服強度提高了；進一步提高拉伸速度，材料終將在更高的應力下發生脆性斷裂。反之當拉伸速度減慢時，屈服強度和斷裂強度都將降低。在拉伸試驗中，提高拉伸速度與降低溫度的效果是相似的。

在沖擊試驗中，溫度對材料沖擊強度的影響也是很大的。隨溫度的升高，聚合物的沖擊強度逐漸增加，到接近Tg時，沖擊強度將迅速增加，并且不同品種之間的差別縮小。例如室溫時很脆的聚苯乙烯，到Tg附近也會變成一種韌性的材料。低于Tg愈遠時，不同品種之間的差別愈大，這主要決定于它們的脆點的高低。對于結晶聚合物，如果其了。在室溫以下，則必然有較高的沖擊強度，因為非晶部分在室溫下處在高彈態，起了增韌作用，典型的例子如聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯-l等。熱固性聚合物的沖擊強度受溫度的影響則很小。

標簽：聚合物填料性能