《高分子化学与物理》课程实验指导书

高分子化学与物理实验指导书

高分子化学与物理实验指导书

高分子化学实验部分实验项目（一）引发剂的引发与阻聚作用（4学时）一、实验目的：了解自由基聚合过程中阻聚剂/缓聚剂的特点与作用。观察诱导期的出现特点。掌握引发剂的引发作用，熟悉引发剂的量对聚合转化率和聚合物粘稠度（分子量）的影响。二、实验原理：自由基聚合的单体，在运输过程中，为了防止运动撞击或者过热引起聚合，往往在单体中加入阻聚剂。由于阻聚剂/缓聚剂的存在，对聚合的引发造成了一定的阻碍作用。引发剂产生的自由基首先需要和阻聚剂/缓聚剂进行反应，从而消耗了引发剂的用量。同时，引发剂量决定了产生自由的多少，也决定了聚合物的转化率、粘度和分子量。三、实验场地：能源与交通学院高分子化学与物理实验室四、实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、温度计、试管（20m1）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯（未精制)、偶氮二异丁腈。五、实验步骤：1.打开恒温水浴锅，加满水，设定温度为90摄氏度，预热待用。2.取四只试管，分别编号1、2、3、4.3.1-4号试管分别用移液器量取5m1甲基丙烯酸甲酯（未精制）；4.1号试管不加入引发剂；2号试管加入0.2mg偶氮二异丁睛：3号试管加入0.4mg偶氮二异丁睛：4号试管加入0.6mg偶氮二异丁睛：5.将四只试管同时放入水浴中，并不断摇晃，记录时间，每五分钟观察一次现象并记录。6.时间到达30分钟时终止反应。7.清理实验现场

高分子化学实验部分 实验项目(一) 引发剂的引发与阻聚作用(4 学时) 一、实验目的：了解自由基聚合过程中阻聚剂/缓聚剂的特点与作用。观察诱导 期的出现特点。掌握引发剂的引发作用，熟悉引发剂的量对聚合转化率和聚合物 粘稠度（分子量）的影响。 二、实验原理：自由基聚合的单体，在运输过程中，为了防止运动撞击或者过热 引起聚合，往往在单体中加入阻聚剂。由于阻聚剂/缓聚剂的存在，对聚合的引 发造成了一定的阻碍作用。引发剂产生的自由基首先需要和阻聚剂/缓聚剂进行 反应，从而消耗了引发剂的用量。同时，引发剂量决定了产生自由的多少，也决 定了聚合物的转化率、粘度和分子量。 三、实验场地：能源与交通学院 高分子化学与物理实验室 四、实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、 温度计、试管（20ml）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯(未 精制)、偶氮二异丁腈。 五、实验步骤： 1. 打开恒温水浴锅，加满水，设定温度为 90 摄氏度，预热待用。 2. 取四只试管，分别编号 1、2、3、4. 3. 1-4 号试管分别用移液器量取 5ml 甲基丙烯酸甲酯(未精制)； 4. 1 号试管不加入引发剂；2 号试管加入 0.2mg 偶氮二异丁腈; 3 号试管加入 0.4mg 偶氮二异丁腈; 4 号试管加入 0.6mg 偶氮二异丁腈; 5. 将四只试管同时放入水浴中，并不断摇晃，记录时间，每五分钟观察一次现 象并记录。 6. 时间到达 30 分钟时终止反应。 7. 清理实验现场

实验项目（二）甲基丙烯酸甲酯本体聚合（4学时）一、实验目的通过实验了解本体聚合的基本原理和特点，并着重了解聚合温度对产品质量的影响。掌握有机玻璃制造的操作技术。二、实验原理本体聚合文称为块状聚合，它是在没有任何介质的情况下，单体本身在微量引发剂的引发下聚合，或者直接在热、光、辐射线的照射下引发聚合。本体聚合的优点是：生产过程比较简单，聚合物不需要后处理，可直接聚合成各种规格的板、棒、管制品，所需的辅助材料少，产品比较纯净。但是，由于聚合反应是一个链锁反应，反应速度较快，在反应某一阶段出现自动加速现象，反应放热比较集中；又因为体系粘度较大，传热效率很低，所以大量热不易排出，因而易造成局部过热，使产品变黄，出现气泡，而影响产品质量和性能，甚至会引起单体沸腾爆聚，使聚合失败。因此，本体聚合中严格控制不同阶段的反应温度，及时排出聚合热，乃是聚合成功的关键问题。当本体聚合至一定阶段后，体系粘度大大增加，这时大分子活性链移动困难，但单体分子的扩散并不受多大的影响，因此，链引发、链增长仍然照样进行，而链终止反应则因为粘度大而受到很大的抑制。这样，在聚合体系中活性链总浓度就不断增加，结果必然使聚合反应速度加快。又因为链终止速度减慢，活性链寿命延长，所以产物的相对分子质量也随之增加。这种反应速度加快，产物相对分子质量增加的现象称为自动加速现象（或称凝胶效应）。反应后期，单体浓度降低，体系粘度进一步增加，单体和大分子活性链的移动都很困难，因而反应速度减慢，产物的相对分子质量也降低。由于这种原因，聚合产物的相对分子质量不均一性（相对分子质量分布宽）就更为突出，这是本体聚合本身的特点所造成的。对于不同的单体来讲，由于其聚合热不同、大分子活性链在聚合体系中的状态（伸展或卷曲）的不同；凝胶效应出现的早晚不同、其程度也不同。并不是所有单体都能选用本体聚合的实施方法，对于聚合热值过大的单体，由于热量排出更为困难，就不易采用本体聚合，一般选用聚合热适中的单体，以便于生产操作的控制。甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的聚合热分别为56.5kJ/mol1和69.9kJ/mol

实验项目(二) 甲基丙烯酸甲酯本体聚合(4 学时) 一 、实验目的 通过实验了解本体聚合的基本原理和特点，并着重了解聚合温度对产品质量 的影响。掌握有机玻璃制造的操作技术。 二、实验原理 本体聚合又称为块状聚合，它是在没有任何介质的情况下，单体本身在微量 引发剂的引发下聚合，或者直接在热、光、辐射线的照射下引发聚合。本体聚合 的优点是: 生产过程比较简单，聚合物不需要后处理，可直接聚合成各种规格的 板、棒、管制品，所需的辅助材料少，产品比较纯净。但是，由于聚合反应是一 个链锁反应，反应速度较快，在反应某一阶段出现自动加速现象，反应放热比较 集中；又因为体系粘度较大，传热效率很低，所以大量热不易排出，因而易造成 局部过热，使产品变黄，出现气泡，而影响产品质量和性能，甚至会引起单体沸 腾爆聚，使聚合失败。因此，本体聚合中严格控制不同阶段的反应温度，及时排 出聚合热，乃是聚合成功的关键问题。 当本体聚合至一定阶段后，体系粘度大大增加，这时大分子活性链移动困难， 但单体分子的扩散并不受多大的影响，因此，链引发、链增长仍然照样进行，而 链终止反应则因为粘度大而受到很大的抑制。这样，在聚合体系中活性链总浓度 就不断增加，结果必然使聚合反应速度加快。又因为链终止速度减慢，活性链寿 命延长，所以产物的相对分子质量也随之增加。这种反应速度加快，产物相对分 子质量增加的现象称为自动加速现象(或称凝胶效应)。反应后期，单体浓度降低， 体系粘度进一步增加，单体和大分子活性链的移动都很困难，因而反应速度减慢， 产物的相对分子质量也降低。由于这种原因，聚合产物的相对分子质量不均一性 (相对分子质量分布宽)就更为突出，这是本体聚合本身的特点所造成的。 对于不同的单体来讲，由于其聚合热不同、大分子活性链在聚合体系中的状 态(伸展或卷曲)的不同；凝胶效应出现的早晚不同、其程度也不同。并不是所有 单体都能选用本体聚合的实施方法，对于聚合热值过大的单体，由于热量排出更 为困难，就不易采用本体聚合，一般选用聚合热适中的单体，以便于生产操作的 控制。甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的聚合热分别为 56.5 kJ/mol 和 69.9 kJ/mol

它们的聚合热是比较适中的，工业上已有大规模的生产。大分子活性链在聚合体系中的状态，是影响自动加速现象出现早晚的重要因素，比如，在聚合温度50℃时，甲基丙烯酸甲酯聚合出现自动加速现象时的转化率为10%15%，而苯乙烯在转化率为30%以上时，才出现自动加速现象。这是因为甲基丙烯酸甲酯对它的聚合物或大分子活性链的溶解性能不太好，大分子在其中呈卷曲状态，而苯乙烯对它的聚合物或大分子活性链溶解性能要好些，大分子在其中呈比较伸展的状态。以卷曲状态存在的大分子活性链，其链端易包在活性链的线团内，这样活性链链端被屏蔽起来，使链终止反应受到阻碍，因而其自动加速现象出现的就早些。由于本体聚合有上述特点，在反应配方及工艺选择上必然是引发剂浓度和反应温度较低，反应速度比其他聚合方法为低，反应条件有时随不同阶段而异，操作控制严格，这样才能得到合格的制品。三、实验场地：能源与交通学院高分子化学与物理实验室四、实验仪器和试剂实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、温度计、试管（20m1）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯（未精制）、偶氮二异丁睛、聚合成型模板。五、实验步骤1.将同样大小模具洗净放于70~80℃的烘箱中烘干。2.在20mL试管中称取单体质量的0.1%的偶氮二异丁，然后加入10mL的甲基丙烯酸甲酯单体，用包锡纸的软木塞盖上瓶口（软木塞上打两个孔，其一插上温度计，另一插上一支毛细管）摇匀后，在9095℃的水浴进行预聚，在预聚过程中仔细观察体系粘度的变化，当体系粘度稍大于甘油粘度时，立即取出放入冷水中冷却，停止聚合反应。预聚合时间约需20min左右。3.将以上制好的预聚物，通过小玻璃漏斗，小心地由开口处灌入模中（不要灌得太满，以免外溢）。4.将灌好预聚物的模具，放于烘箱中，按表1中规定的工艺条件聚合。5.将模具由烘箱中取出在空气中冷却，然后将模具放在冷水中浸泡，用小刀刮去封纸，取下玻璃片，即得到光滑无色透明的有机玻璃

它们的聚合热是比较适中的，工业上已有大规模的生产。大分子活性链在聚合体 系中的状态，是影响自动加速现象出现早晚的重要因素，比如，在聚合温度 50 ℃ 时，甲基丙烯酸甲酯聚合出现自动加速现象时的转化率为 10%~15%，而苯乙烯在 转化率为 30%以上时，才出现自动加速现象。这是因为甲基丙烯酸甲酯对它的聚 合物或大分子活性链的溶解性能不太好，大分子在其中呈卷曲状态，而苯乙烯对 它的聚合物或大分子活性链溶解性能要好些，大分子在其中呈比较伸展的状态。 以卷曲状态存在的大分子活性链，其链端易包在活性链的线团内，这样活性链链 端被屏蔽起来，使链终止反应受到阻碍，因而其自动加速现象出现的就早些。由 于本体聚合有上述特点，在反应配方及工艺选择上必然是引发剂浓度和反应温度 较低，反应速度比其他聚合方法为低，反应条件有时随不同阶段而异，操作控制 严格，这样才能得到合格的制品。 三、实验场地：能源与交通学院 高分子化学与物理实验室 四、实验仪器和试剂 实验仪器、设备及材料：天平、称量纸、药匙、带温度指示的恒温水浴锅、 温度计、试管（20ml）、试管架、试管夹、记号笔、移液器、甲基丙烯酸甲酯(未 精制)、偶氮二异丁腈、聚合成型模板。 五、实验步骤 1. 将同样大小模具洗净放于 70~80 ℃的烘箱中烘干。 2. 在 20mL 试管中称取单体质量的 0.1%的偶氮二异丁腈，然后加入 10mL 的 甲基丙烯酸甲酯单体，用包锡纸的软木塞盖上瓶口(软木塞上打两个孔，其一插 上温度计，另一插上一支毛细管)摇匀后，在 90~95 ℃的水浴进行预聚，在预聚 过程中仔细观察体系粘度的变化，当体系粘度稍大于甘油粘度时，立即取出放入 冷水中冷却，停止聚合反应。预聚合时间约需 20 min 左右。 3. 将以上制好的预聚物，通过小玻璃漏斗，小心地由开口处灌入模中(不要 灌得太满，以免外溢)。 4. 将灌好预聚物的模具，放于烘箱中，按表 1 中规定的工艺条件聚合。 5. 将模具由烘箱中取出在空气中冷却，然后将模具放在冷水中浸泡，用小 刀刮去封纸，取下玻璃片，即得到光滑无色透明的有机玻璃

聚合工艺条件附表 1保温板材厚度保温温度高温聚合条件8 /mm0/℃时间冷却速度无色透明有色片片e /℃t/ht/h以2~2.5h内1'1.55254101. 5100冷却至40℃2~3481. 55012100的速度冷却4~6481. 546201008~104040361. 510012~16382~33640100

附表 1 聚合工艺条件 板材厚度 δ/mm 保温温度 θ/℃ 保温 时间 高温聚合条 件 冷却速度 无色 透明 片 有色 片 t/h t/h θ/℃ 以 2~2.5h 内 冷却至 40℃ 的速度冷却 1~1.5 52 54 10 1.5 100 2~3 48 50 12 1.5 100 4~6 46 48 20 1.5 100 8~10 40 40 36 1.5 100 12~16 36 38 40 2~3 100

高分子物理部分实验项目（一）光学显微镜法观察聚合物的结晶形态（4学时）实验项目类型：综合性实验项目性质：核心实验项目目的：（1）熟悉偏光显微镜的构造及原理，掌握偏光显微镜的使用方法。（2）观察PBS的结晶形态，估算球晶增长速度实验场地及仪器、设备和材料：实验场地：食品楼“功能性包装材料实验室”，“高分子物理与化学实验室”实验仪器：偏光显微镜、计算机、熔融装置、镊子、载玻片、盖玻片实验材料：PBS实验项目内容：晶体和无定形体是聚合物聚集态的两种基本形式，很多聚合物都能结晶。结晶聚合物材料的实际使用性能（如光学透明性、冲击强度等）与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完善程度有着密切的联系。因此，对于聚合物结晶形态等的研究具有重要的理论和实际意义。聚合物在不同条件下形成不同的结晶，比如单晶、球晶、纤维晶等等，聚合物从熔融状态冷却时主要生成球晶，它是聚合物结晶时最常见的一种形式，对制品性能有很大影响。球晶是以晶核为中心成放射状增长构成球形而得名，是“三维结构”。但在极薄的试片中也可以近似的看成是圆盘形的“二维结构”，球晶是多面体。由分子链构成晶胞，晶胞的堆积构成晶片，晶片迭合构成微纤束，微纤束沿半径方向增长构成球晶。晶片间存在着结晶缺陷，微纤束之间存在着无定形夹杂物。球晶的大小取决于聚合物的分子结构及结晶条件，因此随着聚合物种类和结晶条件的不同，球晶尺寸差别很大，直径可以从微米级到毫米级，甚至可以大到厘米。球晶分散在无定形聚合物中，一般说来无定形是连续相，球晶的周边可以相交，成为不规则的多边形。球晶具有光学各向异性，对光线有折射作用，因此能够用偏光显微镜进行观察。聚合物球晶在偏光显微镜的正交偏振片之间呈现出特有的黑十字消光图象。有些聚合物生成球晶时，晶片沿半径增长时可以进行螺旋性扭曲，因此还能在偏光显微镜下看到同心圆消光图象。偏光显微镜的最佳分辨率为200nm，有效放大倍数超过500～1000倍与电子显微镜、X一射线衍射法结合可提供较全面的晶体结构信息。光是电磁波，也就是横波，它的传播方向与振动方向垂直。但对于自然光来说，它的振

高分子物理部分 实验项目(一) 光学显微镜法观察聚合物的结晶形态（4 学时） 实验项目类型：综合性 实验项目性质：核心 实验项目目的： （1）熟悉偏光显微镜的构造及原理，掌握偏光显微镜的使用方法。 （2）观察 PBS 的结晶形态，估算球晶增长速度。 实验场地及仪器、设备和材料： 实验场地：食品楼“功能性包装材料实验室”，“高分子物理与化学实验室” 实验仪器：偏光显微镜、计算机、熔融装置、镊子、载玻片、盖玻片 实验材料：PBS 实验项目内容： 晶体和无定形体是聚合物聚集态的两种基本形式，很多聚合物都能结晶。结晶聚合物材 料的实际使用性能（如光学透明性、冲击强度等）与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完善 程度有着密切的联系。因此，对于聚合物结晶形态等的研究具有重要的理论和实际意义。聚 合物在不同条件下形成不同的结晶，比如单晶、球晶、纤维晶等等，聚合物从熔融状态冷却 时主要生成球晶，它是聚合物结晶时最常见的一种形式，对制品性能有很大影响。 球晶是以晶核为中心成放射状增长构成球形而得名，是“三维结构”。但在极薄的试片中 也可以近似的看成是圆盘形的“二维结构”，球晶是多面体。由分子链构成晶胞，晶胞的堆积 构成晶片，晶片迭合构成微纤束，微纤束沿半径方向增长构成球晶。晶片间存在着结晶缺陷， 微纤束之间存在着无定形夹杂物。球晶的大小取决于聚合物的分子结构及结晶条件，因此随 着聚合物种类和结晶条件的不同，球晶尺寸差别很大，直径可以从微米级到毫米级，甚至可 以大到厘米。球晶分散在无定形聚合物中，一般说来无定形是连续相，球晶的周边可以相交， 成为不规则的多边形。球晶具有光学各向异性，对光线有折射作用，因此能够用偏光显微镜 进行观察。聚合物球晶在偏光显微镜的正交偏振片之间呈现出特有的黑十字消光图象。有些 聚合物生成球晶时，晶片沿半径增长时可以进行螺旋性扭曲，因此还能在偏光显微镜下看到 同心圆消光图象。偏光显微镜的最佳分辨率为 200 nm，有效放大倍数超过 500～1000 倍， 与电子显微镜、X－射线衍射法结合可提供较全面的晶体结构信息。 光是电磁波，也就是横波，它的传播方向与振动方向垂直。但对于自然光来说，它的振

动方向均匀分布，没有任何方向占优势。但是自然光通过反射、折射或选择吸收后，可以转变为只在一个方向上振动的光波，即偏振光。一束自然光经过两片偏振片，如果两个偏振轴相互垂直，光线就无法通过了。光波在各向异性介质中传播时，其传播速度随振动方向不同而变化，折射率值也随之改变，一般都发生双折射，分解成振动方向相互垂直、传播速度不同、折射率不同的两条偏振光。而这两束偏振光通过第二个偏振片时，只有在与第二偏振轴平行方向的光线可以通过。而通过的两束光由于光程差将会发生干涉现象。在正交偏光显微镜下观察，非晶体聚合物因为其各向同性，没有发生双折射现象，光线被正交的偏振镜阻碍，视场黑暗。球晶会呈现出特有的黑十字消光现象，黑十字的两臂分别平行于两偏振轴的方向。而除了偏振片的振动方向外，其余部分就出现了因折射而产生的光亮。实验方法与步骤：（1）切一小块聚乳酸薄膜或1/5～1/4粒料，放于干净的载玻片上，使之离开玻片边缘，在试样上盖上一块盖玻片。（2）加热至150℃放置2分钟，并等到融解后时用镊子将样品尽量铺满玻片以使样品更薄。（3）观察球晶形态。开启显微镜钠光灯，调至显微镜视野最亮，然后将加热台与样品一起置于载物台上，调节显微镜上的粗、细准螺旋可观察到样品，并进行拍照，（4）将加热台取下，迅速降温到80、85、90℃后迅速放置显微镜观察台面上，可以观察到结晶出现，选取一个容易观察的视野，待可以清楚得观察到结晶时开始记录图像，每隔30s记录一次，记录十张左右。（5）估算球晶增长速率。每张照片中选5个球晶作为平行样，每个球晶选取最清晰的连续的六张，用画图工具打开，比对显微尺的刻度，算出实际半径，作图算出球晶增长速率。（6个连续半径做6个点，拟合直线，其斜率即球晶增长速率。每组5条直线，即五个增长速率，求出平均增长速率，即该组最终的增长速率）实验要求：（1）实验报告中详细描述球晶的增长方式及形貌变化，列出不同温度下的代表性球晶图片。（2）计算出每个温度下的球晶增长速率，并画出相关图。（3）进行误差分析（4）此部分需手写，实验报告雷同者不计分

动方向均匀分布，没有任何方向占优势。但是自然光通过反射、折射或选择吸收后，可以转 变为只在一个方向上振动的光波，即偏振光。一束自然光经过两片偏振片，如果两个偏振轴 相互垂直，光线就无法通过了。光波在各向异性介质中传播时，其传播速度随振动方向不同 而变化，折射率值也随之改变，一般都发生双折射，分解成振动方向相互垂直、传播速度不 同、折射率不同的两条偏振光。而这两束偏振光通过第二个偏振片时，只有在与第二偏振轴 平行方向的光线可以通过。而通过的两束光由于光程差将会发生干涉现象。 在正交偏光显微镜下观察，非晶体聚合物因为其各向同性，没有发生双折射现象，光线 被正交的偏振镜阻碍，视场黑暗。球晶会呈现出特有的黑十字消光现象，黑十字的两臂分别 平行于两偏振轴的方向。而除了偏振片的振动方向外，其余部分就出现了因折射而产生的光 亮。 实验方法与步骤： （1）切一小块聚乳酸薄膜或 1/5～1/4 粒料，放于干净的载玻片上，使之离开玻片边缘， 在试样上盖上一块盖玻片。 （2）加热至 150℃放置 2 分钟，并等到融解后时用镊子将样品尽量铺满玻片以使样品 更薄。 （3）观察球晶形态。开启显微镜钠光灯，调至显微镜视野最亮，然后将加热台与样品 一起置于载物台上，调节显微镜上的粗、细准螺旋可观察到样品，并进行拍照。 （4）将加热台取下，迅速降温到 80、85、90℃后迅速放置显微镜观察台面上，可以观 察到结晶出现，选取一个容易观察的视野，待可以清楚得观察到结晶时开始记录图像，每隔 30s 记录一次，记录十张左右。 （5）估算球晶增长速率。每张照片中选 5 个球晶作为平行样，每个球晶选取最清晰的 连续的六张，用画图工具打开，比对显微尺的刻度，算出实际半径，作图算出球晶增长速率。 （6 个连续半径做 6 个点，拟合直线，其斜率即球晶增长速率。每组 5 条直线，即五个增长 速率，求出平均增长速率，即该组最终的增长速率） 实验要求： （1）实验报告中详细描述球晶的增长方式及形貌变化，列出不同温度下的代表性球晶 图片。 （2）计算出每个温度下的球晶增长速率，并画出相关图。 （3）进行误差分析 （4）此部分需手写，实验报告雷同者不计分

实验项自（二）应力应变曲线实验（4学时）实验项目类型：综合性实验项目性质：核心实验项目目的：(1)了解高聚物在室温下应力一应变曲线的特点。并掌握测试方法。(2）学习并掌握薄膜取向后的力学性能的改善程度与取向度之间的关系。(3)了解电子拉力实验机的使用。实验项目内容：高聚物能得到广泛应用是因为它们具有机械强度。应力一应变实验是用得最广泛得力学性能模量，它给塑料材料作为结构件使用提供工程设计得主要数据。但是由于塑料受测量环境和条件的影响性能变化很大，因此必须考虑在广泛的温度和速度范围内进行实验。抗张强度通常以塑料试样受拉伸应力直至发生断裂时说承受的最大应力（cm）来测量。影响抗张强度的因素除材料的结构和试样的形状外，测定时所用的温度、湿度和拉力速度也是十分重要的因素。为了比较各种材料的强度，一般拉伸实验是在规定的实验温度、湿度和拉伸速度下，对标准试样两端沿其纵轴方向实加均匀的速度拉伸，并使破坏，测出每一瞬间时说加拉伸载荷的大小与对应的试样标线的伸长，即可得到每一瞬间拉伸负荷与伸长值（形变值），并绘制除负荷-形变曲线。如下图2-1所示：4负荷量P/(kg)形变量△L(mm)图2-1.拉伸时的负荷-形变曲线试样上所受负荷量的大小是由电子拉力机的传感器测得的。试样性变量是由夹在试样标线上的引申仪来测得的。负荷和形变量均以电信号输送到记录仪内自动绘制出负荷一一应变曲线。有了负荷一形变曲线后，将坐标变换，即所得到应力一一应变曲线。如下图所示：

实验项目(二) 应力应变曲线实验（4 学时） 实验项目类型：综合性 实验项目性质：核心 实验项目目的： (1)了解高聚物在室温下应力—应变曲线的特点。并掌握测试方法。 (2) 学习并掌握薄膜取向后的力学性能的改善程度与取向度之间的关系。 (3)了解电子拉力实验机的使用。 实验项目内容： 高聚物能得到广泛应用是因为它们具有机械强度。应力—应变实验是用得最广泛得力学 性能模量，它给塑料材料作为结构件使用提供工程设计得主要数据。但是由于塑料受测量环 境和条件的影响性能变化很大，因此必须考虑在广泛的温度和速度范围内进行实验。 抗张强度通常以塑料试样受拉伸应力直至发生断裂时说承受的最大应力（cm）来测量。 影响抗张强度的因素除材料的结构和试样的形状外，测定时所用的温度、湿度和拉力速度也 是十分重要的因素。为了比较各种材料的强度，一般拉伸实验是在规定的实验温度、湿度和 拉伸速度下，对标准试样两端沿其纵轴方向实加均匀的速度拉伸，并使破坏，测出每一瞬间 时说加拉伸载荷的大小与对应的试样标线的伸长，即可得到每一瞬间拉伸负荷与伸长值（形 变值），并绘制除负荷————形变曲线。如下图 2-1 所示： 图 2-1. 拉伸时的负荷-形变曲线 试样上所受负荷量的大小是由电子拉力机的传感器测得的。试样性变量是由夹在试样标 线上的引申仪来测得的。负荷和形变量均以电信号输送到记录仪内自动绘制出负荷——应变 曲线。有了负荷—形变曲线后，将坐标变换，即所得到应力——应变曲线。如下图所示：

Ot液变(%)Eb图6-2拉伸时应力应变曲线图2-2.拉伸应力-应变曲线应力：单位面积上所受的应力，用表示：P(KG/cm2)0P—拉伸实验期间某瞬间时施加的负荷S一试件标线间初始截面积应变：拉伸应力作用下相应的伸长率。用表示，以标距为基础，标距试样间的距离（拉伸前引伸仪两夹点之间距离）Z -+100%=会AL*100%LoLoLo——拉伸前试样的标距长度L实验期间某瞬间标距的长度AL一一实验期间任意时间内标距的增量即形变量。除用引申仪测量外还可以用拉伸速度V1记录纸速度V2和记录纸位移AI测量，并求得Z。AL=L-L=V,*{=V, *△1/V,若塑料材料为脆性：则在a点或Y点就会断裂，所以应是具有硬而脆塑料的应力应变曲线。此图是具有硬而韧的塑料的应力一一应变曲线，由图可见，在开始拉伸时，应力与应变成直线关系即满足胡克定律，如果去掉外力试样能恢复原状，称为弹性形变。一般认为这段形变是由于大分子链键角的改变和原子间距的改变的结果。对应a点的应力为该直线上的最大应力（oa），称为为弹性模量用E表示：E=△o/c=tgaAc——曲线线性部分某应力的增量c—与 △对应的形变增量对于软而脆的塑料曲线右移直线斜率小，弹性模量小

图 2-2. 拉伸应力-应变曲线 应力：单位面积上所受的应力，用 σ 表示： P 2 KG/cm ) S ＝ （ P——拉伸实验期间某瞬间时施加的负荷 S——试件标线间初始截面积 应变：拉伸应力作用下相应的伸长率。用 Σ 表示，以标距为基础，标距试样间的距离（拉 伸前引伸仪两夹点之间距离）。 0 0 0 L *100 *100 L L L L     ％＝ ％ L0——拉伸前试样的标距长度 L——实验期间某瞬间标距的长度 ΔL——实验期间任意时间内标距的增量即形变量。除用引申仪测量外还可以用拉伸速度 V1 记录纸速度 V2 和记录纸位移 Δl 测量，并求得 Σ。   L L L V *t V * 1/ ＝ － 0 1 1 2 ＝ ＝ V 若塑料材料为脆性：则在 a 点或 Y 点就会断裂，所以应是具有硬而脆塑料的应力—— 应变曲线。此图是具有硬而韧的塑料的应力——应变曲线，由图可见，在开始拉伸时，应力 与应变成直线关系即满足胡克定律，如果去掉外力试样能恢复原状，称为弹性形变。一般认 为这段形变是由于大分子链键角的改变和原子间距的改变的结果。对应 a 点的应力为该直线 上的最大应力（σa），称为为弹性模量用 Ε 表示： Ε＝Δσ/Δε＝tga Δσ——曲线线性部分某应力的增量 Δε——与 Δσ 对应的形变增量 对于软而脆的塑料曲线右移直线斜率小，弹性模量小

Y点称为屈服点，对应点的应力为屈服极限，定义为在应力一应变曲线上第一次出现增量而应力不增加时的应力。当伸长到Y点时，应力第一次出现最大值即α称为屈服极限或屈服应力，此后略有降低，在Y点以后再去掉外力试样便不能恢复原状就产生了塑性变形。一般认为塑料变形包括分子链相互的滑移和分子链段段的取向结晶，对常温下处于玻璃态的塑料的不可逆变形。伸长率称为屈服伸长率。B点为断裂点，b点的应力为断裂应力或极限强度，它随材料结构不同，在拉伸过程中有无取向结晶形成。它可能高于屈服点，也可能低于屈服点。因此计算材料的抗张强度时应该是应力一一应变曲线上最大的应力点cm。伸长率ε称为断裂伸长率或极限伸长率。实验方法与步骤：（1）试样制备：选择不同取向度的PLLA膜，分别标记为R=1、R=2、R=3，R=4和R=5用哑铃型刻模器将材料刻成规定大小的哑铃型试样，每种试样至少三条。（2）数据准备：取一条试样，用电子螺旋测微器在在哑铃状样品中间位置选取五个测点测得样品膜厚度，并最终取得厚度的算术平均值。其他样品如上测试，备用。（3）拉伸测试①开启计算机和拉伸机开关，双击计算机屏幕中的快键图标TM2101”。②点击菜单“设置”→“联机”，选择COMI口进行联机。③点击“测定前设置项”一“试样资料选择”栏中的“修改”，填写所测试样的平均厚度。④点击上升”或“下降"按钮，保持两个架子间的距离在3cm到3.5cm之间。③将所测的哑铃型试样两端垂直加在上下两个架子之间并且夹紧。③点击“清零”，再点击”清零”，使数据归零。点击“开始测试”，试样断裂后屏幕会自动弹出数据，将数据保存后，点击“清零”。更换试样并重复5-9步骤并记录数据。③将所得数据在软件中转化成文档格式，保存。10关闭TM2101"窗口，关闭拉伸机电源及计算机（4）根据负荷一形变曲线（找出屈服负荷PY断裂负荷Pb和相应的形变值ALY和ALb填入表格内，并计算出它们相应的应力值8，op和相应的伸长率eeb。（5）根据同一速度下的五个试样的应力和应变值。求其平均值。绘制不同速度下的应力一形变曲线，并计出弹性模量E，比较说明速度对应应力一形变曲线的影响。（6）根据不同速度下的应力一形变曲线求出材料的抗张强度om断裂伸长率cm和弹性模量E。（7）计算材料抗张强度的标准偏差值（S）

Y 点称为屈服点，对应点的应力为屈服极限，定义为在应力—应变曲线上第一次出现增 量而应力不增加时的应力。当伸长到 Y 点时，应力第一次出现最大值即 σ 称为屈服极限或 屈服应力，此后略有降低，在 Y 点以后再去掉外力试样便不能恢复原状就产生了塑性变形。 一般认为塑料变形包括分子链相互的滑移和分子链段段的取向结晶，对常温下处于玻璃态的 塑料的不可逆变形。伸长率称为屈服伸长率。 B 点为断裂点，b 点的应力为断裂应力或极限强度，它随材料结构不同，在拉伸过程中 有无取向结晶形成。它可能高于屈服点，也可能低于屈服点。因此计算材料的抗张强度时应 该是应力——应变曲线上最大的应力点㎝。伸长率 ε 称为断裂伸长率或极限伸长率。 实验方法与步骤： （1）试样制备：选择不同取向度的 PLLA 膜，分别标记为 R=1、R=2、R=3，R=4 和 R=5， 用哑铃型刻模器将材料刻成规定大小的哑铃型试样，每种试样至少三条。 （2）数据准备：取一条试样，用电子螺旋测微器在在哑铃状样品中间位置选取五个测 点测得样品膜厚度，并最终取得厚度的算术平均值。其他样品如上测试，备用。 （3）拉伸测试 ①开启计算机和拉伸机开关，双击计算机屏幕中的快键图标“TM2101”。 ②点击菜单“设置” →“联机”，选择 COM1 口进行联机。 ③点击“测定前设置项” →“试样资料选择”栏中的“修改”，填写所测试样的平均厚度。 ④点击“上升”或“下降”按钮，保持两个架子间的距离在 3cm 到 3.5cm 之间。 ⑤将所测的哑铃型试样两端垂直加在上下两个架子之间并且夹紧。 ⑥点击“清零”，再点击”清零”，使数据归零。 ⑦点击“开始测试”，试样断裂后屏幕会自动弹出数据，将数据保存后，点击“清零”。 ⑧更换试样并重复 5-9 步骤并记录数据。 ⑨将所得数据在软件中转化成文档格式，保存。 ⑩关闭“TM2101”窗口，关闭拉伸机电源及计算机。 （4）根据负荷—形变曲线（找出屈服负荷 PY 断裂负荷 Pb 和相应的形变值 ΔLY 和 ΔLb 填入表格内，并计算出它们相应的应力值 δ，σb 和相应的伸长率 εyεb。 （5）根据同一速度下的五个试样的应力和应变值。求其平均值。绘制不同速度下的应力 —形变曲线，并计出弹性模量 Е，比较说明速度对应应力—形变曲线的影响。 （6）根据不同速度下的应力—形变曲线求出材料的抗张强度 σm断裂伸长率 εm和弹性模 量 Е。 （7）计算材料抗张强度的标准偏差值（S）