高分子物理实验讲义武汉理工大学材料学院
1 高分子 物 理 实 验 讲 义 武汉理工大学 材料学院
实验注意事项高分子物理是一门实验性很强的学科，学习高分子物理必须做好实验。为了保证实验的顺利进行和养成良好的实验习惯和工作作风，要求学生必须遵守下列规则：1、实验前必须认真预习有关实验的全部内容，并作好预习笔记和安排。通过预习，明确实验目的和要求及实验的基本原理、步骤和有关的操作技术，熟悉实验所用的样品、仪器和装置，了解实验中的注意事项。2、作好一切准备工作后方能开始实验。3、必须遵守实验室的纪律和各项规章制度。实验中不大声喧哗、不擅离实验岗位、不乱拿乱放、不将公物带出实验室、借用公物应自觉归还、损坏东西要如实登记，出问题必须要及时报告。4、实验进行中必须严格按操作规程进行操作。仔细观察、积极思考、及时准确实事求是地做好实验记录。5、遵从教师和实验室工作人员的指导，若有疑难问题或发生意外事故必须立即报请教师及时解决和处理。6、应自始至终注意实验室的整洁。做到桌面、地面、水槽、和仪器四净。7、公用药品仪器和工具，应在指定地点使用，用后立即归还原处并保持其整洁。严格控制药品的规格和用量。8、实验完毕，必须及时做好后处理工作（包括清洗仪器、处理废物、检查安全等）将记录交教师审阅。待教师签字后方可离开实验室。9、每次实验后，必须尽快地认真地写出实验报告。2
2 实验注意事项 高分子物理是一门实验性很强的学科，学习高分子物理必须做好实验。为了保证实验的 顺利进行和养成良好的实验习惯和工作作风，要求学生必须遵守下列规则： 1、实验前必须认真预习有关实验的全部内容，并作好预习笔记和安排。通过预习，明 确实验目的和要求及实验的基本原理、步骤和有关的操作技术，熟悉实验所用的样品、仪器 和装置，了解实验中的注意事项。 2、作好一切准备工作后方能开始实验。 3、必须遵守实验室的纪律和各项规章制度。实验中不大声喧哗、不擅离实验岗位、不 乱拿乱放、不将公物带出实验室、借用公物应自觉归还、损坏东西要如实登记，出问题必须 要及时报告。 4、实验进行中必须严格按操作规程进行操作。仔细观察、积极思考、及时准确实事求 是地做好实验记录。 5、遵从教师和实验室工作人员的指导，若有疑难问题或发生意外事故必须立即报请教 师及时解决和处理。 6、应自始至终注意实验室的整洁。做到桌面、地面、水槽、和仪器四净。 7、公用药品仪器和工具，应在指定地点使用，用后立即归还原处并保持其整洁。严格 控制药品的规格和用量。 8、实验完毕，必须及时做好后处理工作（包括清洗仪器、处理废物、检查安全等）将 记录交教师审阅。待教师签字后方可离开实验室。 9、每次实验后，必须尽快地认真地写出实验报告
实验1聚合物温度一形变曲线的测定一、实验目的1.掌握测定聚合物温度一形变曲线的方法。2.测定聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的玻璃化温度Tg；粘流温度Tr，加深对线型非晶聚合物的三种力学状态理论的认识。二、实验原理聚合物试样上施加恒定荷载，在一定范围内改变温度，试样形变随温度的变化以形变或相对形变对温度作图，所得的曲线，通常称为温度-形变曲线，又称为热机械曲线。聚合物的许多结构因素的改变，都会在其温度一形变曲线上有明显的反映，因而测定温度一形变曲线，可以提供许多关于试样内部结构的信息，了解聚合物分子运动与力学性能的关系，并可分析聚合物的结构形态和聚合物的特性转变温度，如：玻璃化温度Tg，粘流温度Tr，和熔点T等，对于评价被测试样的使用性能、确定适用温度范围和选样加工条件很有实用意义。高分子运动单元具有多重性，它们的运动又具有温度依赖性，所以在不同的温度下，外力恒定时，聚合物链段可以呈现完全不同的力学特征。对于线型非晶聚合物有三种不同的力学状态：玻璃态，高弹态，粘流态。温度足够低时，高分子链和链段的运动被“冻结”，外力的作用只能引起高分子键长和键角的变化，因此聚合物的弹性模量大，形变一应力的关系服从虎克定律，其机械性能与玻璃相似，表现出硬而脆的物理机械性质，这时聚合物处于玻璃态，在玻璃态温度区间内，聚合物的这种力学性质变化不大，因而在温度一形变曲线上玻璃区是接近横坐标的斜率很小的一段直线（见图1)随着温度的上升，分子热运动能量逐渐增加，到达玻璃化转变温度Tg后，分子运动能量已经能够克服链段运动所需克服的位垒，链段首先开始运动，这时聚合物的弹性模量骤降，形变量大增，表现为柔软而富于弹性的高弹体，聚合物进入高弹态，温度一形变曲线急剧向上弯曲，随后基本维持在一“平台”上。温度进一步升高至粘流温T，整个高分子链能够在外力作用下发生滑移，聚合物进入粘流态，成为可以流动的粘液，产生不可逆的永久形变，在温度一形变曲线上表现为形变急剧增加，曲线向上弯曲。3
3 实验 1 聚合物温度—形变曲线的测定 一、实验目的 1．掌握测定聚合物温度－形变曲线的方法。 2．测定聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的玻璃化温度 Tg；粘流温度 Tf，加深对线型非晶 聚合物的三种力学状态理论的认识。 二、实验原理 聚合物试样上施加恒定荷载，在一定范围内改变温度，试样形变随温度的变化以形变或 相对形变对温度作图，所得的曲线，通常称为温度-形变曲线，又称为热机械曲线。 聚合物 的许多结构因素的改变，都会在其温度—形变曲线上有明显的反映，因而测定温度－形变曲 线，可以提供许多关于试样内部结构的信息，了解聚合物分子运动与力学性能的关系，并可 分析聚合物的结构形态和聚合物的特性转变温度，如：玻璃化温度 Tg，粘流温度 Tf，和熔 点 Tm等，对于评价被测试样的使用性能、确定适用温度范围和选样加工条件很有实用意义。 高分子运动单元具有多重性，它们的运动又具有温度依赖性，所以在不同的温度下，外力恒 定时，聚合物链段可以呈现完全不同的力学特征。 对于线型非晶聚合物有三种不同的力学 状态：玻璃态，高弹态，粘流态。 温度足够低时，高分子链和链段的运动被“冻结”，外力的作用只能引起高分子键长和键 角的变化，因此聚合物的弹性模量大，形变－应力的关系服从虎克定律，其机械性能与玻璃 相似，表现出硬而脆的物理机械性质，这时聚合物处于玻璃态，在玻璃态温度区间内，聚合 物的这种力学性质变化不大，因而在温度—形变曲线上玻璃区是接近横坐标的斜率很小的一 段直线(见图 1) 随着温度的上升，分子热运动能量逐渐增加，到达玻璃化转变温度 Tg 后，分子运动能 量已经能够克服链段运动所需克服的位垒，链段首先开始运动，这时聚合物的弹性模量骤降， 形变量大增，表现为柔软而富于弹性的高弹体，聚合物进入高弹态，温度－形变曲线急剧向 上弯曲，随后基本维持在一“平台”上。 温度进一步升高至粘流温 Tf，整个高分子链能够在外力作用下发生滑移，聚合物进入 粘流态，成为可以流动的粘液，产生不可逆的永久形变，在温度－形变曲线上表现为形变急 剧增加，曲线向上弯曲
高弹态玻态粘流态T.T,温度图1非晶线型高聚物的温度一形变曲线玻璃态与高弹态之间的转变温度就是玻璃化温度T.，高弹态与粘流态之间的转变温度就是粘流温度Tr。前者是塑料的使用温度上限，橡胶类材料的使用温度下限，后者是成型加工温度的下限。L.增塑A结晶N堂M, >M,增塑交联轻度结品7TnT.Te图2不同类型高聚物的温度一形变曲线本实验使用热机械分析仪进行测量。仪器包括温度控制和测量系统，温度控制为分段智能程序控温，以及计算机处理系统等组成部分三、仪器和试剂1.自制JWB全自动温度一形变测试系统。2.聚甲基丙烯酸甲酯试样。四、实验步骤1.样品的制备：截取原厚的聚甲基丙烯酸甲酯薄片试样，试样直径在12~20mm，用游4
4 玻璃态与高弹态之间的转变温度就是玻璃化温度 Tg，高弹态与粘流态之间的转变温度就 是粘流温度 Tf。前者是塑料的使用温度上限，橡胶类材料的使用温度下限，后者是成型加 工温度的下限。 本实验使用热机械分析仪进行测量。仪器包括温度控制和测量系统，温度控制为分段智 能程序控温，以及计算机处理系统等组成部分 三、仪器和试剂 1．自制 JWB 全自动温度—形变测试系统。 2．聚甲基丙烯酸甲酯试样。 四、实验步骤 1. 样品的制备：截取原厚的聚甲基丙烯酸甲酯薄片试样，试样直径在 12~20mm，用游
标卡尺测量试样高度和直径。2.仪器调节：设置温度控制和测量系统，P0设置为1，P1为温度设置，240℃，P2为升温时间设置，120min；P3为加热效率，设置70%。调整测量系统，使之保持轴线垂直。3.将试样安放在样品台上，让压杆触头压在试样的中央，调节测量系统保持垂直和充分形变。4.打开计算机程序软件JWB.exe，系统自动记录温度-形变曲线。5.打开风机散热，取出试样。五、数据处理1.从温度形变曲线上求得聚甲基丙烯酸甲酯Tg、Tr2.计算平均升温速度3.描述试样变化4.根据压杆和码的重量以及压杆触头的截面积计算压杆所受的压缩应力(MPa)六、思考题1聚合物的力学模量是怎样随温度改变而改变的？为什么？2.哪些实验条件会影响Tg和Tr的数值？它们各产生何种影响？3.本实验条件测定的高聚物的玻璃态、高弹态、粘流态之间的转变，为什么并不是相变？4.本实验所测得的T与膨胀计法所测得的Tg是否一致？5
5 标卡尺测量试样高度和直径。 2. 仪器调节：设置温度控制和测量系统，P0 设置为 1，P1 为温度设置，240℃，P2 为 升温时间设置，120min；P3 为加热效率，设置 70%。调整测量系统，使之保持轴线垂直。 3. 将试样安放在样品台上，让压杆触头压在试样的中央，调节测量系统保持垂直和充分 形变。 4. 打开计算机程序软件 JWB.exe，系统自动记录温度-形变曲线。 5. 打开风机散热，取出试样。 五、数据处理 1. 从温度形变曲线上求得聚甲基丙烯酸甲酯 Tg、Tf 2. 计算平均升温速度 3. 描述试样变化 4. 根据压杆和砝码的重量以及压杆触头的截面积计算压杆所受的压缩应力(MPa) 六、思考题 1. 聚合物的力学模量是怎样随温度改变而改变的？为什么？ 2. 哪些实验条件会影响 Tg和 Tf的数值？它们各产生何种影响？ 3. 本实验条件测定的高聚物的玻璃态、高弹态、粘流态之间的转变，为什么并不是相变？ 4. 本实验所测得的 Tg与膨胀计法所测得的 Tg是否一致？