涨姿势 | 塑料的热力学三态

顾大嫂

塑料的热力学三态

在自然界中,我们把物质在常温中的聚集状态分成三种:即气态、液态、和固态.

以非晶态线型高聚物为代表的高分子聚合物,由于分子结构的连续性,以及其巨大分子量,所以它们的聚集状态不同于一般低分子化合物,而是在不同的热力条件下,以其独特的三种形态存在:即玻璃态、高弹态、和粘流态.

高分子聚合物是不存在气态的,在受热而可能气化之前,分子结构已受到彻底的破坏,成为低分子的气化物质或碳化物.

高分子聚合物的玻璃态实际上是固态的一种表现形式,特点是在一定的温度范围内,呈现出固态物质普遍具有的性质,在某些力学特性上类似于普通的玻璃.

高分子聚合物的粘流态是一种独特的“液态”,在某个温度范围内,具有既可以流动又有别于普通低分子液体的力学性质.

高分子聚合物的高弹态是介乎玻璃态和粘流态温度范围的独有的形态.

高分子聚合物和其他物质一样,在特定的温度压力条件下都有一个相对稳定的形态.比如,在普通使用条件下,可以将有机玻璃视为玻璃态的代表,而将液体树脂视为粘流态的代表.

当外界温度、压力发生变化并达到某种水平时,高分子聚合物将改变原有的状态而转变成另外的状态.注塑加工厂的任务就是提供这些变化的条件,在加工过程中,塑料原料(以高分子聚合物为基体)受温度、压力、剪切作用时,其粘度、物理结构、形态等等都会出现变化,其中以温度影响最大,这是塑料热成型的理论依据.

非晶态线型高聚物在一定的压力、不同温度条件下,上述三种聚集态及其转变条件如图A所示,这是以相对形变率来表达的三态区间的划分.图中标示的温度为聚苯乙烯试样的温度.

高分子聚合物,包括有结晶倾向的高聚物,不管是热塑性的还是热固性的,都有这样类似的区间划分,只是曲线的形状各不相同.例如聚乙烯、聚丙烯等有结晶倾向的高聚物,其形变曲线如图B所示,这类高聚物在进入熔点后即出现粘流态,粘度迅速下降,不可逆形变在整体中发生.在图A、图B中形变曲线上有一个脆化温度Tx,低于这个温度,分子链段的自我振动被“冻结”下来,不可拉伸、扭转,亦无法吸收和分散外力.在外力作用下,链段很快断裂,塑料制品将显得象普通玻璃那样易于击碎.

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