高分子物理实验

高分子物理实验

指 导 书

刘艳辉 周金华

材料科学与工程学院

目 录

实验一、偏光显微镜法观察聚合物球晶 .............................................................................................. 2 实验二、聚合物熔体流动速率的测定 .................................................................................................. 4 实验三、聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定 .................................................................................. 6 实验四、聚合物材料弯曲强度的测定 .................................................................................................. 9 实验五、聚合物材料冲击强度的测定 ................................................................................................ 11 实验六、聚甲基丙烯酸甲酯温度—形变曲线的测定 ........................................................................ 13 实验七、介电常数及介电损耗测定 .................................................................................................... 14 实验八、聚合物电阻的测量 ................................................................................................................ 17 实验九、用旋转黏度计方法测定聚合物浓溶液的流动曲线 ............................................................ 18 实验十、 稀溶液粘度法测定聚合物的分子量 .................................................................................. 20 实验一 偏光显微镜观察聚合物的结晶形态 ................................................................................ 28 实验二 激光小角散射法测聚合物球晶 .............................................................................................. 30 实验三 相差显微镜法观察共混物的结构形态 .................................................................................. 34 实验四 粘度法测定高聚物的分子量 .............................................................................................. 37 实验五 高聚物熔融指数的测定 ...................................................................................................... 42 试验六 高分子材料的电阻值的测定 ................................................................................................ 45 实验七 应力——应变曲线实验 .......................................................................................................... 52 附：塑料冲击实验 ................................................................................................................................ 58

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实验一、偏光显微镜法观察聚合物球晶

一、实验目的

1.熟悉偏光显微镜的构造，掌握偏光显微镜的使用方法。

2.观察不同结晶温度下得到的球晶的形态，估算聚丙烯球晶大小。 3.测定聚丙烯在不同结晶度下晶体的熔点。 4.测定25℃下聚丙烯的球晶生长速度。 二、实验原理

聚合物的结晶受外界条件影响很大，而结晶聚合物的性能与其结晶形态等有密切的关系，所以对聚合物的结晶形态研究有着很重要的意义。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，而其中球晶是聚合物结晶时最常见的一种形式。球晶可以长得比较大，直径甚至可以达到厘米数量级．球晶是从一个晶核在三维方向上一齐向外生长而形成的径向对称的结构，由于是各向异性的，就会产生双折射的性质。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形，因此，普通的偏光显微镜就可以对球晶进行观察。

偏光显微镜的最佳分辨率为200 nm，有效放大倍数超过100—630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。

球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的片晶，球晶是从一个中心(晶核)在三维方向上一齐向外生长晶体而形成的径向对称的结构，即—个球状聚集体。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。—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。在偏振光条件下，还可以观察晶体的形态，测定晶粒大小和研究晶体的多色性等等。 三、实验仪器和材料

1.偏光显微镜(图1-1)及电脑一台、附件一盒、擦镜纸、镊子； 2.热台、恒温水浴、电炉。 3.盖玻片、裁玻片。 4.聚丙烯薄膜。 四、实验步骤

1.启动电脑,打开显微镜摄像程序AVerMedia EZCapture. 2.显徽镜调整

(1)预先打开汞弧灯10min，以获得稳定的光强，插入单色滤波片。

(2)去掉显微镜目镜，起偏片和检偏片置于90°，边观察显微镜筒，边调节灯和反光镜的位置，如需要可调整检偏片以获得完全消光(视野尽可能暗)。

2

3.聚丙烯的结晶形态观察

(1)切一小块聚丙烯薄膜，放于干净的载破片上，使之离开玻片边缘，在试样上盖上一块盖玻片。

(2)预先把电热板加热到200℃，将聚丙烯样品在电热板上熔融，然后迅速转移到50℃的热台使之结晶，在偏光显微镜下观察球晶体，观察黑十字消光及干涉色。

(3)拉开摄像杆,微调至在屏幕上观察到清晰球晶体,保存图象，把同样的样品在熔融后于100℃和0℃条件下结晶，分别在电脑上保存清晰的图案。

3.聚丙烯球晶尺寸的测定

测定聚合物球晶体大小。聚合物晶体薄片放在正交显微镜下观察，用显微镜目镜分度尺测量球晶直径，测定步骤如下；

(1)将带有分度尺的目镜插入镜筒内，将载物台显微尺置于载物台上，使视区内同时见两尺。

(2)调节焦距使两尺平行排列、刻度清楚。并使两零点相互重合，即可算出目镜分度尺的值。

(3)取走载物台显微尺，将预测之样品置于载物台视域中心，观察并记录晶形，读出球晶在目镜分度尺上的刻度，即可算出球晶直径大小。

4.球晶生长速度的测定

(1)将聚丙烯样品在200度下熔融，然后迅速放在25度的热台上，每隔10min把球晶的形态保存下来、直到球晶的大小不再变化为止。

(2)对照照片，测量出不同时间球晶的大小，用球晶半径对时间作图，得到球晶生长速度。

5.测定在不同温度下结晶的聚丙烯晶体的熔点

(1)预先把电热板调节到200℃，使聚丙烯充分熔融，然后分别在20℃、25℃、30℃下结晶。每个结晶样品置于偏光显微镜的热台上加热，观察黑十字开始消失的温度、消失一半的温度和全部消失的温度，记下这三个熔融温度。

(2)实验完毕，关掉热台的电源，从显微镜上取下热台。 (3)关闭汞弧灯。

1仪器底座 2视场光阑

3粗动调焦 手轮 4微动调焦手轮 5起偏器 6聚光镜 7旋转工作台 8物镜 9检偏器

图 1-1 偏光显微镜结构示意图

五、思考题

1.聚合物结晶过程有何特点?形态特征如何(包括球晶大小和分布、球晶的边界、球晶的颜色等)结晶温度对球晶形态有何影响?

3

2.利用晶体光学原理解释正交偏光系统下聚合物球晶的黑十字消光现象。

实验二、聚合物熔体流动速率的测定

一、实验目的

1.了解聚合物熔体流动速率的意义，以及负荷与剪切应力、熔体流动速率与剪切速率的关系。

2.测定不同负荷下聚乙烯的熔体流动速率，并计算剪切应力、聚乙烯熔体的流动曲线。 3.学习掌握XRN-400AM型熔体流动速率测定仪的使用方法。 二、实验原理

聚合物的剪切粘度(以下简称聚合物的粘度)是它的重要物性指标，与聚合物的加工成型密切相关、在科学研究中，聚合物的粘度可由毛细管挤出流变仪、同轴圆筒粘度计和锥板粘度计精确测定，在不具备上述粘度计时，有时可用小球(如自行车用的小钢珠)在聚合物熔体的自由落下来测定熔体粘度。但在工业上，聚合物熔体的粘度可用熔体指数或熔体流动速率来方便地表征。熔体流动速率是指在一定温度和负荷下，聚合物熔体每10min通过标准口摸的质量，通常用英文缩写MFR(Melt Flow Rate)表示，它是衡量聚合物流动性能的—个重要指标。对于同一种聚合物，在相同的条件下，单位时间内流出量越大，熔体流动速率就越大，说明其平均分子量越低，流动性越好。但对于不同聚合物，由于测定时所规定的条件不同，不能用熔体流动速率的大小来比较它们的流动性。

不同的用途和不同的加工方法，对聚合物的熔体流动速率有不同的要求。一般情况下，注射成型用的聚合物其熔体流动速率较高；挤出成型用的聚合物熔体流动速率较低；吹塑成型的介于两者之间。但熔体流动速率是在给定的切应力下测得的。而在实际加工过程中，聚合物熔体处在一定的剪切速率范围内，因此在生产中经常出现熔体流动速率值相同而牌号不同的同一种聚合物表现出不同的流动行为，而熔体流动速率值不同却有相似的加工性能的现象。

熔体流动速率的测量是在熔体流动速率测定仪上进行的。熔体流动速率测定仪装置相对简单，使用方便，价格也比较低，在聚合物工业中应用很普遍。本质上熔体流动速率测定仪是一种固定压力型的毛细管流变仪，因此可以应用毛细管流变仪的理论对其进行数据处理。

4-1

在通常的加工条件下，聚合物熔体的粘度很高，剪切速率一般都小于10s，雷诺数很小。聚合物熔体在毛细管中的流动是一种不可压缩的粘性流体的稳定流动。当毛细管两端的压力差为ΔP时，管壁处的剪切应力δr和剪切速率Y与压力差、熔体流动速率的关系式为：

δr=rΔP/2L 2-1

3

Y=4Q/πr 2-2

式中r为毛细管的半径，cm；L为毛细管的长度,cm；ΔP为毛细管两端的压力差，Pa;Q

3

为熔体体积流动速率cm／s。

对于熔体流动速率测定仪,毛细管两端的压力差ΔP和熔体体积流动速率Q分别为：

2

ΔP=G/πR, Q=MFR/600d 2-3 式中G为实验所加负荷；R为活塞头的半径,cm；MFR为在此负荷下测定的熔体流动速率，

3

g/10 min;d为被测样品的密度,g／cm。则剪切应力和剪切速率与试验负荷和熔体流动速率分别有如下关系：

2

δr=rG/2πRL 2-4

3

Y=MFR/150πrd 2-5

4

而表观粘度ηα与熔体流动速率的关系则为：

2

ηα=δr/Y=[75r″d/RL][G/MFR]

由此,利用熔体流动速率测定仪，在恒定温度下测定不同负荷下的聚合物的熔体流动速率，由(2-4)～(2-6)式可计算得到相应的剪切应力和剪切速率以及表观粘度,并可绘制出聚合物熔体的流动曲线,由毛细管流变仪和熔体流动速率测定仪测得的聚合物流动曲线基本一

-0.52.5-1-13-1

致，熔体流动速率测定仪测得的速率范围(10∽10s)比流变仪测得的范围(10-10/s)稍窄。

Y修正= [(3n+1)/4n]Y修正

由于绝大多数的聚合物熔体属于非牛顿流体，必须对其流动行为进行非牛顿修正。修正的公式是Rabinnowitsch—Mooney经验式在剪切速率范围不大的情况下，聚合物熔体流动曲线的过渡区近似直线，以此直线的斜率来表征流动的非牛顿性程度，n就称为非牛顿性指数。

由于熔体流动速率测定仪所用的毛细管长径比约为4，远远小于40，其入口效应不可忽略，入口处的流动过程中存在着—个压力降，因此由式(4-4)计算出的剪切应力比实际作用于流体的应力大， 出于实际剪切应力的减小与毛细管有效长度的延长是等价的，所以毛细管人口压力降的校正，可假想一段管长(er)加到实际的毛细管长度L上；用(er+L)作为毛细管的总长度；用Δp/(er+L)作为均匀的压力梯度来补偿入口端压力的较大下降，这时真实的剪切应力计算为：

δ=Δp/2(er+L)=1/(1+er/L)δγ修正

γ 2-7

式中r为毛细管的半径；e为与流动速率有关的经验常数，可以通过如下方法测得：在某一剪切速率下，测定不同长径比的标准口模(1.180 mm，2.095mm)压力降ΔP，以ΔP对L／D作曲，得一直线，在L／D轴上的截距即为—e。

入口效应的校正过程比较繁琐，工作量很大。若测试数据仅用于实验对比时，可不做入口校正。

三、实验仪器与材料

电子天平（万分之一）

XNR—400AM熔体流动速率测定仪 主要参数（mm）为：

口模直径 口模长度 料筒直径 料筒长度 2.095±0.005 8.000±0.025 9.550±0.025 152±0.1 试样：聚苯乙烯粒料 四、实验步骤

本仪器负荷分八级：

3.187N(0.325kg)：由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号砝码组成。

11.77N(1.200kg)：由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号+2号砝码组成。 21.18N(2.160 kg)：由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号+3号砝码组成。 49.03N(5.000kg)：由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号+5号砝码组成。 98.07N（10.000kg）：由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号+5号+6号砝码组成。

122.58N(12.500kg): 由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号+5号+6号+7号砝码组成。 211.82N(21.600kg): 由活塞杠+砝码托盘+隔热套+1号+2号+3号+4号+5号+6号+7号砝码组成。

具体步骤：

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1.仪器安放平稳，用水平仪调节水平。

2.将标准口模从上端放人料筒底部，并用装料杆将其压到与口模挡板接触为止。 3.打开控制面板上的电源开关，在实验参数页设定温度至190℃，刮料次数设定为7/s,开始升温。实际温度达到设定值后，恒温15min。

4.带上手套，取出活塞杆，将事先准备好的试样4g加入料筒。试样经压料杆压实后插入活塞、此操作需在1min内完成。

5.加49.03N负荷，预热4min。如果试样的MFR>10，在预热期间可不加或少加负荷. 6. 当活塞杆下降到其上的下环形标记与套管的上表面相平时，按“开始”键并将取样盘放到出料口下方。

7.保留连续切取的无气泡样条3-5个，冷却后，测量样条的直径，计算挤出胀大比B。 8.分别称取上述3-5个样条质量，取平均值，在实验主页输入平均值，按“确认”键，仪器自动计算出熔体流动速率值，并在界面主页显示出来。按“打印”键，打印实验报告。称量样条的质量，计算熔体流动速率。并测量样条的直径，计算口模胀大比B。

9.带上手套趁热清理口模与料筒。拉出口模锁板，可使口模从料简下端落下；用口模清理杆清理口模；料筒用料筒清理杆顶端绕棉纱布清理至内壁光洁明亮为止。

10重复步骤3—9，测定负荷11.77N时聚乙烯的熔体流动速率。 11.关机。工具及砝码各归原位，以备下次试验使用。 五、数据处理

1.熔体流动速率计算: MFR=600W/T

式中，MFR为熔体流动速率，g/10min;w为样条质量的算术平均值，g；T为切样时间间隔，s, 计算结果取二位有效数字。

2.挤出胀大比B: B=Ds/D

式中,Ds为挤出样条的直径,cm；D为口摸内径，cm。 3.流动曲线的绘制

按式(2—4)和式(2—5)、由不同负荷下测定的聚苯乙烯熔体流动速率值计算出相应的剪切应力和剪切速率，并列入记录表中。同时在双对数坐标纸中绘制剪切应力对剪切速率的曲线。在剪切速率不大的范围内可得一条直线，该直线的斜率即为作牛顿件指数(n)。

表2-1 数据记录

编号 负荷/kg 熔体流动速率/(g/10min) 剪切应力/Pa 剪切速率/s -1表观粘度/Pa.s 六、思考题

1.聚合物的分子量与其熔体流动速率有什么关系?为什么熔体流动速率不能在结构不同的聚合物之间进行比较?

2.如何利用流动曲线分析聚合物熔体流体的类型? 3.为什么要进行“非牛顿修正”和“入口修正”？

实验三、聚合物拉伸强度和断裂伸长率的测定

一、实验目的

通过实验了解聚合物材料拉伸强度及断裂伸长率的意义，熟悉它们的测试方法；并通过

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测试应力—应变曲线来判断不同聚合物材料的力学性能。 二、实验原理

为了评价聚合物材料的力学性能，通常用等速施力下所获得的应力—应变曲线来进行描 述。这里，所谓应力是指拉伸力引起的在试样内部单位截面上产生的内力；而应变是指试样 在外力作用下发生形变时，相对其原尺寸的相对形变量。不同种类聚合物有不同的应力—应 变曲线。

等速条件下，无定形聚合物典型的应力应变曲线如图3—1所示。图中的。α点为弹性极限，σα为弹性(比例)极限强度，εt为弹性极限伸长。在α点前，应力—应变服从虎克定律： σ＝Eε。曲线的斜率E称为弹性(杨氏)模量，它反映材料的硬性。y称屈服点，对应的σy′ 和Ey′称屈服强度和屈服伸长。材料屈服后，可在t点处，也可在t′点处断裂。因而视情况， 材料断裂强度可大于或小于屈服强度。εt (或εt′)称断裂伸长率，反映材料的延伸性。

从曲线的形状以及σt和εt的大小。可以看出材料的性能，并借以判断它的应用范围。 如从σt的大小，可以判断材料的强与弱；而从εt的大小，更正确地讲是从曲线下的面积大 小，可判断材料的脆性与韧性。从微观结构看，在外力的作用下，聚合物产生大分子链的运 动，包括分子内的键长、键角变化，分子链段的运动，以及分子间的相对位移。沿力方向的 整体运动(伸长)是通过上述各种运动来达到的。由键长、键角产生的形变较小(普弹形变)，而链段运动和分子间的相对位移(塑性流动)产生的形变较大。材料在拉伸到破坏时，链段运动或分子位移基本上仍不能发生，或只是很小，此时材料就脆。若达到一定负荷，可以克服链段运动及分子位移所需要的能量，这些运动就能发生，形变就大，材料就韧。如果要使材料产生链段运动及分子位移所需要的负荷较大，材料就较强及硬。

图3-1 无定形聚合物的应力—应变曲线 图3-2 结晶型聚合物的应力—应变曲线

结晶型聚合物的应力—应变曲线与无定形聚合物的曲线是有差异的，它的典型曲线如图3-2所示。微晶在c点以后将出现取向或熔解，然后沿力场方向进行重排或重结晶，故σc称重结晶强度，它同时也是材料“屈服”的反映。从宏观上看，材料在c点将出现细颈，随着拉伸的进行，细颈不断发展，至d点细颈发展完全，然后应力继续增大至t点时，材料就断裂。对于结晶型聚合物，当结晶度非常高时(尤其当晶相为大的球晶时)，会出现聚合物脆 性断裂的特征。总之，当聚合物的结晶度增加时，模量将增加，屈服强度和断裂强度也增 加，但屈服形变和断裂形变却减小。聚合物晶相的形态和尺寸对材料的性能影响也很大。同样的结晶度，如果晶相是由很大的球晶组成，则材料表现出低强度、高脆性倾向。如果晶相是由很多的微晶组成，则材料的性能有相反的特征。 另外，聚合物分子链间的化学交联对材料的力学性能也有很大的影响，这是因为有化学 交联时，聚合物分子链之间不可能发生滑移，黏流态消失。当交联密度增加时，对于Tg以 上的橡胶态聚合物来说，其抗张强度增加，模量增加，断裂伸长率下降。交联度很高时，聚 合物成为三维网状链的刚硬结构。因此，只有在适当的交联度时抗张强度才有最大值。综上所述，材料的组成、化学结构及聚态结构都会对应力与应变产生影响。归纳各种不同类聚合物的应力—应变线，主要有以下5种类型，如图3-3所示。应力—应变实验所得的数据也与温度、湿度、拉伸速度有关，因此，应规定一定的测试条件。

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三、实验仪器

采用RGT-10型微电子拉力机。最大测量负荷10KN，速度0.01l～500mm／min，试验类型有拉伸、压缩、弯曲等。

图3-3 5种类型聚合物的应力-应变曲线 (a)软而弱，(b)硬而脆(c)硬而强，(d)软而韧，(e)硬而韧

四、试样制备

拉伸实验中所用的试样依据不同材料可按国家标准GB 1040—70加工成不同形状和尺寸。每组试样应不少于5个。试验前，需对试样的外观进行检查，试样应表面平整，无气 泡、裂纹、分层和机械损伤等缺陷。另外，为了减小环境对试样性能的影响，应在测试前将 试样在测试环境中放置一定时间，使试样与测试环境达到平衡。一般试样越厚，放置时间应 越长，具体按国家标准规定。

取合格的试样进行编号，在试样中部量出10cm为有效段，做好记号。在有效段均匀取 3点，测量试样的宽度和厚度，取算术平均值。对于压制、压注、层压板及其他板材测量精 确到0.05mm；软片测量精确到0.01mm；薄膜测量精确到0.001mm。 五、试验步骤

1．接通试验机电源，预热15min。 2．打开电脑,进入应用程序。

３.选择试验方式(拉伸方式)，将相应的参数按对话框要求输入，注意拉伸速度，(拉伸速度应为使试样能在0.5—5min试验时间内断裂的最低速度。本实验试样为PET薄膜，可采用100mm/mm的速度)。

４.按上、下键将上下夹具的距离调整到l0cm。并调整自动定位螺丝。 将距离固定。记录试样的初始标线间的有效距离。

５．将样品在上下夹具上夹牢。夹试样时，应使试样的中心线与上下夹具中心线一致。 ６．在电脑的本程序界面上将载荷和位移同时清零后，按开始按钮，此时电脑自动画出 载荷-变形曲线。

７.试样断裂时，拉伸自动停止。记录试样断裂时标线间的有效距离 ８.重复３～７操作。测量下一个试样。

９. 测量实验结束，由“文件”菜单下点击“输出报告”，在出现的对话框中选择“输出到EXCEL”。然后保存该报告。 六、数据处理

1．断裂强度σt的计算：σt＝［P/(bd)］×104(Pa) 式中Ｐ—最大载荷(由打印报告读出)，Ｎ；

b—试样宽度，cm d—试样厚度,cm

2. 断裂伸长率εt计算：εt=［（Ｌ－Ｌ０）/Ｌ０］×100% 式中Ｌ０—试样的初始标线间的有效距离。

L一试样断裂时标线间的有效距离。

把测定所得各值列入下表，计算，算出平均值，并和电脑计算的结果进行比较。

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编号 1 2 3 4 5 d/cm b/cm bd/cm2 P/N L０/cm L/cm σt/Pa εt 平均σt= 打印报告中平均σt′= 二者偏差率＝︱σt－σt′︳×100%= 平均εt= 打印报告中平均εt′＝ 二者偏差率＝︱εt－εt′︳×100%= 注意事项：

①为了仪器的安全，测试前应根据自己试样的长短，设置动横梁上下移动的极限； ②夹具安装应注意上下垂直在同一平面上，防止实验过程中试样性能受到额外剪切力 的影响；

③对于拉伸伸长很小的试样，可安装微形变测量仪测量伸长。 七、思考题

１.如何根据聚合物材料的应力—应变曲线来判断材料的性能? ２.在拉伸实验中，如何测定模量?

实验四、聚合物材料弯曲强度的测定

一、实验目的

了解聚合物材料弯曲强度的意义和测试方法，掌握用电子拉力机测试聚合物材料弯曲性 能的实验技术。 二、实验原理

弯曲是试样在弯曲应力作用下的形变行为。弯曲负载所产生的应力是压缩应力和拉伸应 力的组合，其作用情况见图４—1所示。表征弯曲形变行为的指标有弯曲应力、弯曲强度、 弯曲模量及挠度等。

图4—1 支梁受到力的作用而弯曲的情况

弯曲强度σf，是试样在弯曲负荷下破裂或达到规定绕度时能承载的最大应力，弯曲应变εf是试样跨度中心外表面上单元长度的微量变化，用无量纲的比值或百分数表示。挠度和应变的关系为：s=εfL2/sh(L为试样跨度，h为试样厚度)。

弯曲性能测试有以下主要影响因素。

①试样尺寸和加工。试样的厚度和宽度都与弯曲强度和挠度有关。

②加载压头半径和支座表面半径。如果加载压头半径很小，对试样容易引起较大的剪 切力而影响弯曲强度。支座表面半径会影响试样跨度的准确性。

③应变速率。弯曲强度与应变速率有关，应变速率较低时，其弯曲强度也偏低。

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④试验跨度。当跨厚比增大时，各种材料均显示剪切力的降低，可见用增大跨厚比可 减少剪切应力，使三点弯曲试验更接近纯弯曲。

⑤温度。就同一种材料来说，屈服强度受温度的影响比脆性强度的大。现行塑料弯曲性能实验的国家标准为GB/T9341-2000。 三、实验仪器

采用RGT-10型微电子拉力机。最大测量负荷10KN，速度0.01l～500mm／min，试验类型有拉伸、压缩、弯曲等。 四、试样制备

弯曲试验所用试样是矩形截面的棒，可从板材、片材上切割，或由模塑加工制备加工。一般是把试样模压成所需尺寸。常用试样尺寸为(GB／T 9341—1800)长度80mm：宽度10mm；厚度4mm。每组试样应不少于5个。试验前，需对试样的外观进行检查，试样应表面应平整，无气泡、裂纹、分层和机械损伤等缺陷。另外，在测试前应将试样在测试环境中放置—定时间，使试样与测试环境达到平衡。取合格的试样进行编号，在试样中间的1／3跨度内任意取3点测量试样的宽度和厚度，取算术平均值。试样尺寸小于或等于10mm的，精确到０.02mm；大于10mm的，精确到０.05mm。 五、试验步骤

1．接通试验机电源，预热15min。 2．打开电脑,进入应用程序。

３.选择试验方式(压缩方式)，将相应的参数按对话框要求输入，注意压缩速度应使试样应变速率接近l％／min。本实验试样为ＰＰ样条，采用１０mm/min 的速度。

４.将样品放置在样品支座上，按下降键将压头调整至刚好与试样接触。

５.在电脑的本程序界面上将载荷和位移同时清零后，按开始按钮。此时电脑自动画出 载荷-变形曲线。

６.试样断裂时，拉伸自动停止。记录试样断裂时标线间的有效距离 ７.重复３～７操作。测量下一个试样。

８. 测量实验结束，由“文件”菜单下点击“输出报告”，在出现的对话框中选择“输出到EXCEL”。然后保存该报告。

注意事项：

①安装压头和支座时，必须注意保持压头和支座的圆柱面轴线相平行； 六、数据处理

1．弯曲强度σf的计算：σf＝3PL/(2bh2) (MPa) 式中Ｐ—最大载荷(由打印报告读出)，Ｎ；

L—跨距，mm b—试样宽度,mm h—试样厚度,mm

2. 计算弯曲强度算术平均值、标准偏差和离散系数

算术平均值：标准偏差：离散系数：

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式中Ｘi—每个试样的测试值。

n一试样数。

把测定所得各值按上式算出平均值，并和电脑计算的结果进行比较。 七、思考题

１.试样的尺寸对测试结果有何影响?

２.在弯曲实验中，如何测定和计算弯曲模量?

实验五、聚合物材料冲击强度的测定

一、实验目的

1．了解高分子材料的冲击性能。

2．掌握冲击强度的测试方法和摆锤式冲击试验机的使用。 二、实验原理

冲击强度是衡量材料韧性的一种强度指标，表征材料抵抗冲击载荷破坏的能力。通常定 义为试样受冲击载荷而折断时单位面积所吸收的能量。 α＝[A／(bd)]×103

式中，α为冲击强度,J/cm2; A为冲断试样所消耗的功,J；b为试样宽度，mm； d试样厚度，mm。冲击强度的测试方法很多，应用较广的有以下3种测试方法： ①摆锤式冲击试验； ②落球法冲击试验； ③高速拉伸试验。

本实验采用摆锤式冲击试验法。摆锤冲击试验，是将标准试样放在冲击机规定的位置上，然后让重锤自由落下冲击试样，测量摆锤冲断试样所消耗的功，根据上述公式计算试样的冲击强度。摆锤冲击试验机的基本构造有3部分：机架部分、摆锤冲击部分和指示系统部分。根据试样的按放方式，摆锤式冲击试验又分为简支梁型(Charpy法)和悬臂梁型。前者试样两端固定，摆锤冲击试样的中部；后者试样一端固定，摆锤冲击自由端。如图5—1所示。

图5—1 摆锤冲击试验中试样的安放方式

试样可采用带缺口和无缺口两种。采用带缺口试样的目的是使缺口处试样的截面积大为 减小，受冲击时，试样断裂一定发生在这一薄弱处，所有的冲击能量都能在这局部的地方被 吸收，从而提高试验的准确性。

测定时的温度对冲击强度有很大影响。温度越高，分子链运动的松弛过程进行越快， 冲击强度越高。相反，当温度低于脆化温度时，几乎所有的塑料都会失去抗冲击的能力。当 然，结构不同的各种聚合物，其冲击强度对温度的依赖性也各不相同。

湿度对有些塑料的冲击强度也有很大影响。如尼龙类塑料，特别是尼龙6、尼龙66等 在湿度较大时，其冲击强度更主要表现为韧性的大大增加，在绝干状态下几乎完全丧失冲击 韧性。这是因为水分在尼龙中起着增塑剂和润滑剂的作用。

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试样尺寸和缺口的大小和形状对测试结果也有影响。用同—种配方，同一种成型条件而厚度不同的塑料作冲击试验时，会发现不同厚度的试样在同一跨度上作冲击试验，以及相同厚度在不同跨度上试验，其所得的冲击强度均不相同，且都不能进行比较和换算。而只有用相同厚度的试样在同一跨度上试验，其结果才能相互比较，因此在标准试验方法中规定了材料的厚度和跨度。缺口半径越小，即缺口越尖锐，则应力越易集中，冲击强度就越低。因此， 同一种试样，加工的缺口尺寸和形状不同，所测得冲击强度数据也不——样。这在比较强度数据时应该注意。 三、实验仪器

XJU-22J型悬臂梁冲击实验机（其基本结构如图5-2示），10～150mm游标卡尺

1、摆体 2、冲击刀 3、摆杆 4、固定螺栓 5、连接套 6、主动指针 7、被动指针 8、支锤轴 9、按钮 10、固定架 11、活动座 12、丝杠 13、旋转手轮 14、底板

四、实验步骤

15、电源按钮 图5-2 XJU-22J型悬臂梁冲击实验机结构简图 1、按标准要求制备冲击试样。本实验材料为聚丙烯，宽度15mm,厚度10mm，缺口深

度3mm。

2、测量试样中部的宽度和厚度，缺口试样应测量缺口宽度，准确至0.05mm。测量3 点，取平均值。

3、根据试样的冲击韧性，选用适当能量的摆锤(本机备有三种能量的摆锤，其能量分 别是5.5J、11J、22J)。所选用的摆锤，应使试样断裂所消耗的能量在摆锤总储量的l％一90％范围内。

4、将所选用的摆锤上连接套(5)安装在摆轴上并用紧固螺钉(4)紧固。

5、为了使冲击后指针能正确地进行工作，在试验前应使摆锤处于铅垂位置，并检查被 动指针是否与主动指针靠紧。被动指针指示的位置是否处于最大能量处(目视即可)。如不重合则需松开主动指针上的螺钉，将被动指针与主动指针靠紧，使被动指针指示在最大能量处，然后将螺钉紧固。

6、试样装夹方法图5-3：松开旋转手轮(6)准备装试样，如果试样厚度为10，则应加厚度调整块（1），如果试样厚度为12.7，则不用加厚度调整块。使用对中样板(4)，将试样校准后，转动旋转手轮(6)，使试样夹紧。同时记下手轮刻线的位置，以保证相同厚度的一批试样具有相同的夹持力。

7、试验时将摆锤扬起1600后，按动按钮(9)，支锤轴（8）自动伸出，使摆锤固定在1600

位置上，然后将被动指针拨至最大能量处，按下按钮开关(15)放摆冲断试样，冲击后度盘上记录冲断功的数值。

8、试验数据处理：按GBl843—80《塑料悬臂粱冲击试验方法》有关条款执行。

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1、厚度调整块 2、固定钳口 3、试样 4、对中样板 5、活动钳口 6、手轮 五、数据处理

图5-3 钳口总成结构简图

1．计算冲击强度

无缺口冲击强度 aK＝A／(bh)(kJ／m2) 缺口冲击强度 aK＝A／b[(h-a)](kJ／m2) 式中 A——冲断试样所消耗的功。

标准试样：宽度b=15mm，厚度h=10mm，缺口深度a=3mm。 2．计算所测冲击强度值的算术平均值、标准偏差和离散系数 算术平均值：标准偏差：离散系数：

式中Ｘi—每个试样的测试值。 n一试样数。

实验六、聚甲基丙烯酸甲酯温度—形变曲线的测定

一、目的要求

1．通过聚甲基丙烯酸甲酯温度—形变曲线的测定，了解所合成聚合物在受力情况下的形变特征。

2．掌握温度—形变曲线的测定方法及玻璃化转变温度Tg的求取。 二、基本原理

当线形非晶态聚合物在等速升温条件下，受到恒定外力作用时，在不同的温度范围内表现出不同的力学行为，这是高分子链在运动单元上的宏观体现，处于不同行为的聚合物，因为提供的形变单元不同，其形变行为也不同。对于同一种聚合物材料，由于相对分子量不同，它们的温度-形变曲线也是不同的。随着聚合物相对分子质量的增加，曲线向高温方向移动。温度形变曲线的测定同样也受到各种操作因索的影响，主要是升温速率、载荷大小、及样品尺寸。一般来说，升温速率增大，Tg向高温方向移动。这是因为力学状态的转变不是热力学的相变过程，而且升温速率的变化是运动松弛所决定的。而增加载荷有利于运动过程的进行，因此Tg就会降低。温度—形变曲线的形态及各区域的大小，与聚合物的结构及实验条件有密切关系，测定聚合物温度—形变曲线对估计聚合物使用温度的范围，制定成型工艺条件，估计相对分子质量的大小，配合高分子材料结构研究有很重要的意义。 三、仪器

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德国XWK-500B型热机分析仪 四、实验步骤

1．制样 本实验样品为直径4.5mm，厚6mm的圆柱形样品，所制得的样品以保证上下两个平面完全平行。

2．压缩、针入度试验：首先将压缩试验室放入吊筒内，把升降架探出的测温探头对正插入试验室内，把吊筒缩紧在升降试架上，保证吊筒对正高温炉体内中心孔。摇动升降手轮，使吊筒进入炉体内，锁紧升降试架。把测量杆压头穿入升降试架上方孔内，同时把传感器托片对正传感器压头，紧固在测量杆压头上。调整螺旋测微仪，恒温后放上所需砝码进行试验。一个试验作完后，松开升降试架手柄，摇动升降手轮，使吊筒提出炉外，再更换另一个试样，进行下一个试验。

3. 打开计算机，在计算机控制桌面上用鼠标左键双击XWJ-500B图标，进入本实验系统，此时计算机屏幕上会出现 “欢迎您使用XWJ-500B热机分析仪’’滚动显示。

4.输入密码：进入到用户管理界面后，用户既可对本试验操作。（1）在试验的种类 “试验方法’’窗口中选择本次试验的种类“压缩”。（2）在“试验尺寸”窗口中选择本次试验的试样尺寸。（3） 在“载荷选配表”窗口中选择本次试验的砝码质量并加载到试验架上。（4）速率的设定：根据试验方法来选择升、降温速率。升温速率：0.5—5℃/min，之间任意设定。降温速率：-0.5—2℃／min之间任意设定。（5） 根据试验的经验值设定升温的上限温度和下限温度。（6） 变形量的选择：根据试验的理论值来设置变形量，其中膨胀变形的最大值为0.5mm。（7） 试验架位移传感器的调零：当开始调零或膨胀试验调零不在零点附近时，调整试验架的位移传感器，使之在零点附近。（8） 当上述参数设置完成后，单击“开始试验”按钮，稍后即开始试验，开始后会出现两个界面，即温度一变形曲线和时间一温度曲线。（9） 打印报告：当试验完成后，蜂鸣器报警，用户必须在“试验”菜单下选择消音按钮来解除报警。在“试验’’菜单下选择“打印”按钮， 即弹出打印试验报告报表，用户根据报告提示输入要求的内容，连结好打印机，选择“确定’’按钮，即可打印报告和试验的变形曲线。 五、数据处理

1、根据温度—形变曲线，求出转变温度。

2、将所得的温度—形变曲线转换为模量-温度曲线。 六、思考题

1、实验中影响玻璃化温度的主要因素是什么？

2、画出高相对分子质量、低结晶聚合物的温度-形变曲线。

实验七、介电常数及介电损耗测定

一、目的要求

1．加深理解介电常数、介电损耗的物理意义。 2．掌握优值计(Q表)的使用方法。 二、基本原理

介电常数ε能表征电介质贮存电能的能力大小，是介电材料的一个十分重要的性能指标。介电损耗tgσ是指电介质在交变电场中，每周期内介质的损耗能量与贮存能量之比值。

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这种损耗由通过介质的漏导电流引起的漏导电流损耗和由吸收电流引起的吸收损耗所组成。为了表明交变电场下介电损耗，实际计算时常利用电容器的等效电路。

如果选择介电测定的温度，使链段运动的松弛时间可与实验所用的频率相比较，则可 用介电测量方法来检测极性聚合物在玻璃化转变时才表现出的链段运动。此时，因为聚合物的偶极跟不上电场方向的改变，所以介电常数随频率增加而减小，同时介质损耗系数经 过一极大值。根据聚合物作为电介质的电容器的电容和损耗因子，来计算介电常数和介质 损耗系数。大多数测定Tg的方法(如膨胀计或热测量)都是很慢的，松弛时间一般超过100s，而介电方法相反，只需10-2—10-6s。用WLF方程可以算出与上面所述的松弛时间之差相对应的Tg变化值。

测定介电常数和介电损耗的仪器常用优值计(Q表)。优值计由高频信号发生器、LC谱振回路、电子管电压表和稳压电源组成。其原理如图6-1所示。在这个线路中，R作为一个耦合元件：，且设计成无感的。如果保持回路中电流不变，那么当回路发生谐振时，其谐振电压比输入电压高Q倍，即正E0＝QEi，因此，直接把电压指示刻度记作Q值，Q又称为品优因数。

图6-1 Q表工作原理图

不加样品时，回路的能量损耗小，Q值最高：加了样品后，Q值降低。分别测定不加样品与加样品时的Q值(以Q1，Q2表示)以及相应的谐振电容C1,C2，则介电常数和介电损耗的计算公式如下：

ε=14.4d(C1-C2)/D2，

式中，d为样品厚度，cm；D为电极直径，cm。 tgσ=[C1(Q1-Q2)]/[Q1Q2(C1-C2)]

材料的ε和tgσ影响因素很多，如湿度、温度、施于样品上的电压、接触电极材料等都对ε和tgσ有影响。因此，在测试时必须在标准湿度、温度、一定的电压范围内条件下才能进行。 三、仪器与样品

1.WY2851Q表(如图6—2所示)。

2.WY914介质损耗测试装置：用该装置和WY2851Q表电感器（LK-3，LK-9）配用，能对绝缘材料进行高频介质损耗角正切值和介电常数的测试。

3.LKI-2型电感组：其中LK-3专用于15MHz测ε和tgσ值；LK-9专用于1MHz测ε和tgσ值。

4.实验样品：样品要求为圆形，直径为25.4～31.0mm，厚度可在l～5mm之间，若太薄或太厚测试精度会下降。样品尽可能平直，表面平滑，无裂纹、气泡或机械杂质。本实验使用PP、PE注射成型样品。在测定前用溶剂(对试样无作用)清洁试样表面，并在25（±2）℃或25（±5）℃，相对湿度为65(±5)％的环境中放置16h以上。

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图6-1 Q表的结构图

1、电源开关 2、电源指示灯 3、ΔQ和Q选择，按下时为ΔQ测量 4、Q予置设置 5、Q予置合格显示LED（GO） 6、Q量程选择 7、Q零位调节 8、ΔQ调零位细调 9、ΔQ调零位粗调 10、频率调节 11、频率频段选择 12、频率显示 13、频率单位MHz 14、频率单位MHz 15、测试回路接线柱 16、调谐电容刻度 17、刻度指针座 18、慢速调谐旋钮 19、微调电容刻度 20、微调谐旋钮 21、Q和ΔQ指示电表 22、测电感时相应频率表格 四、实验步骤

1.测试前准备

①检查仪器Q值指示电表的机械零点是否准确。

②将Q表主调协电容器置于最小电容，即顺时针转到底。调谐电容量及调节振荡频率时，当刻度已达最大或最小时，不要用力继续再调，以免损坏刻度和调节机构。

③选择适当电感量的线圈接在LX接线柱上，本实验选用标准电感LKI-3（L=0.996μH、C=5PF、 Q≥250）

④将介电损耗测试装置插到Q表测试回路的“电容”即“CX”两个端口上。

2.接通电源，仪器预热150min，待频率读数稳定方可进行有效测试。注意测试时手不得靠近被测样品，以免人休感应影响。

3.选择合适频率挡(本实验选择高频段)，分别用粗调和细调两个旋钮调节频率开关，使测量频率处于本实验所需的1 5MHz。

4.选择Q 值量程(选样高量程时，低量程按钮同时按下。本文验选1000，注意把31、100、310、1000挡的开关都一起按下)。

5.调节平板电容器测微杆，使二个极片相接为止，读取刻度值记为D0,测微杆应在0附近。

6.松开二极片，将被测样品插入二极片之间，调节平板电容器测微杆顶端调节头

使二极片夹住样品，读取新的刻度值，记为D1,这样可测得样品的厚度D2= D1- D0。 7.调节圆筒电容器使其刻度置于5.0mm。

8.使测试频率保持不变 (以电子板上的读数为准，可调节调频旋钮使频率不变)，改变Q表调协电容，使之谐振，读得Q值(即Q最大值)。

9.先顺时针方向，后逆时针方向，调节圆筒电容器，读取当Q表指示为原来最大值一半时测微杆上的两个刻度值，取这两个刻度差为M1。

10.调节圆筒电容器，使 Q表再次谐振（谐振时，Q值应与前次谐振值一致），此时，圆筒电容器从新回到刻度5.0mm处。

11.取出平板电容器中的样品，这时Q表又失谐，调节平板电容器，使Q表再次谐振,读取测微杆刻度值记为D3,其变化值为D4= D3- D0。

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12.和步骤9操作一样，得到新的两个刻度值之差，记为M2，M2总比M1小。

13.测试完毕，顺时针旋转调谐钮，使Q表主调协电容器重新置于最小电容处，关闭仪器电源。

五、数据处理

记录测试条件及计算。

式样名称： 室温： 湿度： 被测样品的介电常数：ε=D2/D4

被测样品的介电损耗：tgσ=K(M1-M2)/15.5 K为圆筒电容器的线形系数，K=0.32mm 六、思考题

1.影响样品厚度测定的因素有什么？ 2. 影响样品介电损耗因素有什么？

实验八、聚合物电阻的测量

一、实验目的

1.了解聚合物电阻与结构的关系

2.掌握用PC28型高阻计测定绝缘材料电阻的方法。 二、基本原理

聚合物的导电性通常用与尺寸无关的体积电阻率（ρv）和表面电阻率（ρs）来表示。ρv表示聚合物截面积为1cm2和厚1cm的单位体积对电流的阻抗。

ρv=RvS/h (Ω?cm)

式中Rv为体积电阻，S为测量电极的面积；h为式样的厚度。表面电阻率ρs表示聚合物长为1cm和宽为1cm的单位表面对电流的阻抗

ρv=RsL/b (Ω)

式中Rs为表面电阻，L为平行电极的长，b为平行电极间距；电导率是电阻率的倒数。电导是表征物体导电能力的物理量。它是在电场的作用下物体中的载流子移动的现象。高分子是由许多原子以共价键连接起来的，分子中没有自由电子，也没有可流动的自由离子(除高分子电解质含有离子外)，所以它是优良的绝缘材料。其导电能力很低。一般认为，聚合物的主要导电因素是小杂质所引起，称为杂质电导。但也有特殊结构的聚合物呈现半导体的性质，如聚乙炔、聚乙烯基咔唑等。 当聚合物被加于直流电压时，流经聚合物的电流最初随时间而衰减，最后趋于平稳。其中包括3种电流，即瞬时允电电流、吸收电流和漏导电流(见图7-1)

图7-1 流经聚合物的电流

由于吸收电流的存在，在测定电阻（电流）时，要统一规定读取数值时间（1min）。另

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外，在测定中，通过改变电场方向反复测量取平均值，以尽量消除电场方向对吸收电流的影响所引起的误差。 三、实验仪器

PC68型数字高阻计 四、实验步骤

1.使用前的准备和检查 （1）检查测试环境的温度和湿度是否在允许范围内，尤其当环境湿度高于80％以上时，对测量较高的绝缘电阻(>1010Ω)及微电流（<10-8A)时可能会导致较大的误差。

（2）检查交流电源电压是否符合220V±22V。

（3）将数字高阻计接通电源，合上电源开关，显示屏有显示：如发现显示屏不显示，应立即切断电源，待查明原因后方可使用。

（4）接通电源预热5min。 2. 测量电阻：

(1)将被测试样，用测量电缆线接至R输入端钮和高压端钮 (2)按面板上的“R” 键。 (3)按面板上的“充电” 键

(4)按面板上的“自动”键。根据测试电压的需要调节▲键或▼键。 (5)按面板上的“测量”键，直读显示屏上显示的数据。

(6)一个试样测试完毕，先按“放电”键，再按“复位”键，取出试样，对电容量较大的试样(约在0.01uF以上者)需经1min左右的放电，方能取山试样，否则测试者将受到电容中残余电荷的电击。

(7)按“复位”键，进入—个试样的测试，具体操作步骤如前。

(8)数字高阻计使用完毕后，应先切断电源，安放好所有接线，将数字高阻计安放至保管处。注：在测试试样电阻时，如发现数据有不断上升的现象，这是由介质的吸收现象所致，若在很长时间内未能稳定时，一般情况下是取其合上测量键后lmin时的读数作为试样的绝缘电阻值。在测量>1010Ω的高值电阻时，要使用屏蔽箱，以保证测量数据的稳定性。 五、数据处理

记录原始数据

式样名称： 室温： 湿度：

主电极直径 D1= cm 保护环直径D2= cm 样品厚度 h= 平均h= cm Rv= 平均Rv= Ω

Rs= 平均Rs= Ω

按照基本原理中的公式计算Rv、Rs，其中ρv=RvS/h=ЛD12Rv/4h (Ω?cm) D1为测量电极直径，本电极直径为5cm。 六、思考题

1.影响电阻测定的因素有什么？ 2.用电性能研究结构有什么优点？

实验九、用旋转黏度计方法测定聚合物浓溶液的流动曲线

一、实验目的

1．学会使用NDJ—79型旋转黏度计。

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2．计算恒温条件下，当剪切速率变化时被测流体黏度值，并绘制流体的流动曲线。 3．求出流动幂律指数n和稠度系数K，并根据流动幂律指数n判定所测流体性质。 二、基本原理

取相距为dy的两薄层流体，下层静止，上层有一剪切力F，使其产生一速度du“。由于流体间有内摩擦力影响，使下层流体的流速比紧贴的上一层流体的流速稍慢一些，至静止面处流体的速度为零，其流速变化呈线性。这样，在运动和静止面之间形成一速度梯度du／dy，也称之为剪切速率。在稳态下，施于运动面上的力F，必然与流体内因黏性而产生的内摩擦力相平衡，据牛顿黏性定律，施于运动面上的剪切应力σ与速度梯度du／dy成正比，即：

σ=F/A=ηdu／dy=ηγ

式中：η－黏度系数，又称为黏度；du／dy－剪切速率，用γ表示，以剪切应力对剪切速率做图，所得的图形称为剪切流动曲线，简称流动曲线。

(1)牛顿流体的流动曲线是通过坐标原点的一直线。其斜率即为黏度，即牛顿流体的剪切应力与剪切速率之间的关系完全服从于牛顿黏性定律：η=σ／γ， 水、酒精、醇类、酯类、油类等均属于牛顿流体。

(2)凡是流动曲线不是直线或虽为直线但不通过坐标轴原点的流体，都称之为非牛顿流体。此时黏度随剪切速率的改变而改变，这时将黏度称为表观黏度，用ηa表示。聚合物浓溶液、熔融体、悬浮体、浆状液等大多属于此类。聚合物流体多数属于非牛顿流体，它们与牛顿流体的确有不同的流动特性，两者的动量传递特性也有所差别。进而影响到热量传递、质量传递及反应结果。对于某些聚合物的浓溶液通常用幂律定律来描述它的黏弹性，即：

σ=kγn

式中：n－流动幂律指数；k－稠变系数（常数）。表观黏度又可表示为： ηa= kγn-1，

幂律定律在表征流体的黏弹性上的优点是通过n值的大小来判定流体的性质。n>1为胀塑性流体；n<1为假塑性流体；n＝1为牛顿流体。几种流体可以用图8-1表示。将σ=kγn取对数得

lgσ=lgk+nlgγ

用lgσ对lgγ作图得一直线，n值及k值即可定量求出。

图8-1 几种典型的流变曲线

三、仪器与样品

1.仪器：NDJ-79型旋转黏度计

2.样品： 聚乙烯醇浓溶液；硅油 四、实验步骤

1．将黏度计放置平稳后接通电源，空载调零。

2. 将被测溶液小心地倒入测试容器，直至液体能完全浸没转子为止。

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3.将测试器放在仪器托架上，并将转筒悬于仪器联轴挂钩上。 4.打开测试旋钮，待指针稳定后开始读数。

5.关闭测试旋钮，取下转筒，换上另一个，重复2—4操作。 6.测试完毕，切断电源，洗干净转筒容器。 五、数据处理

1.准确完整记录实验数据列入下表中 项目 剪切速率/s-1 黏度计常数 黏度计读数 η/P I号转筒 2000 1 II号转筒 350 10 III号转筒 175 100 项目 I号转筒 II号转筒 III号转筒 lgσ lgσ lgγ 2.计算出剪切速率下的σ值。 3.画出lgσ—lgγ的流动曲线。 4.求出n和k值

5.讨论试样属于何种流体。 六、思考题

1.牛顿流体与非牛顿流体的主要区别是什么？ 2.浓溶液的浓度对测量结果有什么影响？

实验十、 稀溶液粘度法测定聚合物的分子量

一、实验目的

1.了解聚合物分子量的统计平均的意义。

2.掌握测定聚合物稀溶液粘度的实验技术和粘度法表征聚合物分子量的基本原理。 3.通过对聚环氧乙烷水溶液的粘度测定来反映聚环氧乙烷的分子量。 二、实验原理

测定聚合物分子量虽然方法很多，但各种方法都有它的优缺点和适用的局限性，由不同方法得到的分产量的统计平均意义也不一样。

采用稀溶液粘度法测定聚合物的分子量、所用仪器设备简单，操作便利，适用的分子量范围大，又有相当好的实验精确度，因此粘度法是一种广泛应用的测定聚合物分子量的方法。但它是一种相对方法．因为特性粘数与分子量经验关系式中的常数要用具它测定分子量的绝对方法予以制定、并且在不同的分子量范围内，通常要用不同常数的经验式。

液体的流动是因受外力作用分子进行不可逆位移的过程、液体分子间存在着分子间作用力，因此当液体流动时，分子间就产生反抗其相对位移的摩擦力(内摩擦力)、液体的粘度就是液体分子间这种内摩擦力的表现。

依照Newton的粘性流动定律，当两层流动液体面间(设面积为A)由于液体分子间的内摩擦产生流速梯度时(图10-1)，液体对流动的粘性阻力是

f=Aη?υ/?z 10-1

η为液体的粘度，单位是Pa·S.

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图10-1 液体的流动示意图 图4-2 毛细管示意图

当液体在半径为R、长度为L的毛细管里流动时(图10—2)，如果在毛细管两端间的压力差为P，并且假使促进液体流动的力(πR2P)全部用以克服液体对流动的粘滞阻力。那么在离轴r和(r+dr)的两圆柱面间的流动服从下列方程式：

Лr2p+2ЛrLηdυ/dr =0 10-2

式(10-2)决定了液体在毛细管里流动时的流速分布υ(r)。假如液体可以润滑管壁，管壁与液体间没有滑动，则υ(R)＝o，那么

10-3

所以平均流出容速，即时间t内流出液体体积是v时流出容速，

10-4

则液体的粘度可表示为 η=ЛPR4t/8LV 10-5

但是液体粘度的绝对值测定是很困难的，一般都测定相对粘度。在用稀溶液粘度法表征聚合物分子量时，也只要测定溶液与溶剂的相对粘度。

高分子溶液的粘度比纯溶剂的粘度要大得多，溶液的粘度除了与聚合物的分子量有密切关系外，还对溶液浓度有很大的依赖性。所以用粘度法测定聚合物的分子量时要消除浓度对粘度的影响。常以两个经验式(Huggins方程式和Kraemer方程式)表达粘度对浓度的依赖关系：

ηsp/c=[η]+k[η]2c 10-6 lnηr=[η]-β[η]2c 10-7

式中，ηr为溶液的相对粘度；ηsp为溶液的增比粘度；K和β均为常数，其中为Huggins参数。若以ηu表示纯溶剂的粘度，η表示溶液的粘度。则

ηr=η/η0 10-8

ηsp =[η-η0]/η0=ηr-1 10-9 limηsp/c =lim [lnηr]/c=[η] 10-10 c→0 c→0

[η]就是高分子溶液的特性粘数，与溶液浓度无关．单位可与浓度的单位相对应、通常是ml/g或dl/g.

大部分线形柔性链高分子—良溶剂体系在稀溶液范围都满足(10-6)和(10-7)式。所以按(10-6)、(10-7)式用ηsp/c对c 和ln ηsp/c对c作团，外推到c→0别所得的截距应重合于一点．即[η]值(图10-3)。

当溶液体系确定后．在一定温度下，高分子溶液的特性粘数只与聚合物分子量大小有关，所以有时也用[η]来表示分子量的大小 。

在早期工作中，许多人用理论的方法来推导聚合物的特性粘数与分子量的关系时，证明

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在溶液内高分子线团如果卷得很紧，在流动时线团内的溶剂分子随着高分子一起流动，则高分子的特性粘数与分子量的平方根成正比，[η]∽M1/2；假如线团松懈，在流动时线团内的溶剂分子是完全自由的、那么高分子的特性粘数应与分子量成正比，[η]∽M。所以高分子的特性粘数和分子量的关系式视高分子在溶液里的形态而异，而高分子的形态是高分子链段间和高分子—溶剂分子间相互作用力的反映，因此特性粘数—分子量关系随所用溶剂、测定温度而不同，目前，常用一个包含两个参数的Mark—Houwink经验式表示：

α

[η]=KM 10-11

式中的K、α需经测定分子量的绝对方法标定。对于常见的聚合物溶液体系，A可以从有关手册中查到，对于大部分高分子溶液来说，α的数值在0.5—1.0之间。注意，(10-11)式所表示的[η]和M间的函数形式，不能认为是有基础意义的、只能看作是在一定分子量范围内[η]和M关联的近似内插公式，在某些情况下、其它函数形式可能更好地表达实验数据测定。

测定高分子溶液的粘度以ubbelohde式稀释粘度计最为合适(10-4)。 将液体自L管加入，在M管将液体吸至E线以上后、任其流下、这样促使流动的力，就是液柱高h的压力，h值在he和hf间逐渐改变、并且假设促使液体流动的力全部用于克服内摩擦力，即认为液体在流动时没有消耗能量(一般选择纯溶剂流出时间大于100s的粘度计，就可以略去流动时能量损耗的主要部分—动能消耗的影响)，这样(10-5)式即为：

η=ЛghρR4t/8LV 10-12

式中g为重力加速度；h为流经毛细管的液柱的平均高度，所测液体的密度；ρ为液面从E线流到F线所需的时间。

A=ЛghR4/8LV

显然A是由粘度计所决定的常数，与液体性质无关，则高分子溶液的粘度为η＝Aρt,纯溶剂的粘度为η0＝Aρ0t0，当测定的溶液很稀时ρ=ρ0，所以

ηr=η/η0≈t/t0 ηsp=ηr-1≈t/t0-1

这样只要在同一温度下测定纯溶剂和不同浓度的聚合物溶液流经E、F线的时间t0和t(t1,t2, t3,t4 ,t5)就可算出不同浓度溶液的ηr和ηsp。

图10-3 η

sp /c—c

和lnηc/c—c图 图 4-4 乌式稀释粘度计示意图

三、实验仪器和材料

乌式粘度计—个；恒温水槽一套(包括：自动搅拌器、继电器、水银接触温度计、调压器、加热器、50℃温度计)；秒表一块；5mL、10mL移液管各一支；25mL、50mL容量瓶各一个；2#或3#熔砂漏斗两个；聚环氧乙烷样品；蒸馏水 。 四、实验步骤

1.玻璃仪器的洗涤：先用经熔砂漏斗滤过的水洗涤粘度计，倒挂下燥后，用新鲜温热的

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铬酸洗液(滤过)浸泡粘度计数小时后，再用(经熔砂漏斗滤过的)蒸馏水洗净，烘后待用。其它如容量瓶、移液管也需无尘洗涤．干燥后待用。

2.高分子溶液的配制：准确称取聚环氧乙烷0.25-0.35g，在烧杯中用少量水〔10—15mL〕使其全部溶解，移入25mL容量瓶中．用水洗涤烧杯3—4次，洗液一并转入容量瓶中．并稍梢摇晃作初步混匀，然后将容量瓶置于恒温水槽(30℃)中恒温，用水稀释至刻度，摇匀溶液．再用熔砂漏斗将溶溶液滤入一只25mL的无尘干燥的容量瓶中，放入恒温水槽中待用。盛有纯溶剂的容量瓶也放入恒温水槽中恒温待用。

3.溶液流出时间的测定：在粘度计的M、N管上小心地接入乳胶管，用固定夹夹住粘度计的管并将粘度计垂直放入恒温水槽，使水面浸没F线上方的小球．用移液管从L管注入10 mL溶液，恒温10min后，用乳胶管夹夹住N管上的乳胶管，在M管乳胶管上接—注射器、缓慢抽气，待液面升到E上方的小球一半时停止抽气，先拔下注射器，而后放开N管的夹子，让空气进入K管下端的小球，使毛细管内溶液与L管下端的球分开，此时液面缓慢下降，用秒表记下液面从E线流到F线的时间，重复3次，每次所测的时间相差不越过0.2s，取其平均值，作为t1。然后再移取5mL溶剂注入粘度计，将它充分混合均匀，这时溶液浓度为原始溶液浓度的2/3，再用同样方法测定t2。用同样操作方法再分别加入5mL、10 mL和15mL溶剂。使溶液浓度分别为原始溶液的1／2、1／3和1／4．测定各自的流出时间 t3,t4 ,t5。

4.纯溶剂流出时间的测定：将粘度计中的溶液倒出，用无尘溶剂(本实验中溶剂是水)洗涤粘度计数遍，测定纯溶剂的流山时间t0。

五、数据处理

粘度计号： 测定温度： 纯溶剂： 聚环氧乙烷重量： 原始溶液浓度c0= g/mL，纯溶剂流出时间：1： s 2： 3： s，取平均值t0= s。 为作图方便，若原始溶液浓度为c0，稀释后溶液浓度为c，c=c0 c′为稀释后溶液的相对浓度。那么依次加入5mL、5mL、10mL、10mL溶剂的溶液的相对浓度分别为2/3、1/2、1/3、1/4。以ηsp/ c′和lnηr/ c′分别对c′作图，作图时可以在横坐标上以坐标纸的12格作为相对浓度c′=1，即原始溶液，则其它溶液就位于8、6、4、和3处，外推得到截距，那么[η]=A/c0,

α

已知[η]=KMa,那么,Mη=([η]/K)1/，从polymer Handbook 查到聚环氧乙烷-水溶液在30℃时,K=1.25×10-2,α=0.78,带入上式计算Mη 加入溶剂/mL 5 5 10 10 相对浓度 /c′ 1 2/3 1/2 1/3 1/4 第1次 第2次 流出时间/s 第3次 平均值 t1= t2= t3= t4= t5= ηr ηsp ηsp /c lnηr /c 六、注意事项

1.粘度计和待测液体的洁净是决定实验成功的关键；由于粘度计内毛细管细小，很小的杂质如灰尘、纤维等都能阻塞毛细管或影响液体的流动．使测定的流出时间不可靠，所以放入粘度计的液体必须经2#或3#熔砂漏斗滤过，这里不能使用普通的滤纸．因为使用滤纸可能将纤维带入，新的熔砂漏斗使用前也应细加洗涤，务必使玻璃屑全部除去，洗涤时所用的溶剂、洗液、自来水、蒸馏水等都应经过过滤，以保证粘度计等玻璃仪器的清洁无尘。

2.使用乌式粘度计时，要在同一支粘度计内测定一系列浓度成简单比例关系的溶液的流

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出时间．每次吸取和加入的液体的体积要很准确。为了避免温度变化可能引起的体积变化，溶液和溶剂应在同一温度下移取。

3.在每次加入溶剂稀释溶液时，必须将粘度计内的液体混合均匀，还要将溶液吸到E线上方的小球内两次，润洗毛细管，否则溶液流出时间的重复性差。

4.在使用有机物质作为聚合物的溶剂时，盛放过高分于溶液的玻璃仪器，应先用这种溶剂浸泡和润洗，待洗去聚合物吹干溶剂等有机物质后，才可用铬酸洗液去浸泡，否则有机物质会把铬酸洗液中的重铬酸钾还原，洗液将失效。

5.本实验中测定溶液和溶剂流出时间的顺序是参考了有关文献，测定高分子溶液的流过时间后再测纯溶别的流过时间，因为测定高分子溶液的流过时间时，常会有高分子吸附在毛细管管壁，所以相当于高分子溶液流过了较细的毛细管，为了得到高分子溶液真实的相对粘度，后测纯溶剂的流出时间，这样，纯溶剂流过的也是较细的毛细管，消除了高分子在毛细管上的吸附对结果的影响。反之如果在测定溶液之前测定纯溶剂的流过时间，此时毛细管并未被高分子吸附，纯溶剂将在较短的时间内流过毛细管，测定纯溶剂流过时间的毛细管状态就和测定溶液流过时间时的状态不一致，如果高分子在毛细管管壁的吸附严重时，ηsp/ c对c的作图将是一条凹形的曲线。 七、思考题

1.从手册上查K、α位时要注意什么?

2.能否先测纯溶剂的流出时间再测溶液的流出时间? 3.配制高分子溶液时，选择多大浓度较为适合?

4.你对测定聚合物分子量的其它方法有多少了解?

高分子物理实验

实验一 偏光显微镜观察聚合物的结晶形态 ................................................................................................. 28 实验二 激光小角散射法测聚合物球晶 ............................................................................................................... 30 实验三 相差显微镜法观察共混物的结构形态 ................................................................................................... 34 实验四 粘度法测定高聚物的分子量 ............................................................................................................... 37 实验五 高聚物熔融指数的测定 ....................................................................................................................... 42 试验六 高分子材料的电阻值的测定 ................................................................................................................. 45 实验七 应力——应变曲线实验 ........................................................................................................................... 52 附：塑料冲击实验 ................................................................................................................................................. 58

李 丽 陈国文 袭建人编写

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山东大学（南校区）材料工程学院、材料科学系2006、03、01

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目 录

实验一 偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态 ……………… 2

实验二 激光小角散射法测聚合物的球晶 ……………… 4

实验三 7

实验四 9

实验五 13

试验六 15

实验七 17

附： 23

附录一：36

附录二：37

相差显微镜法观察共混物的结构形态 ……………… 粘度法测定高聚物的分子量 ……………………… 高聚物熔融指数的测定 …………………………高分子材料的电阻值的测定 ………………………… 应力——应变曲线实验 ………………………… 塑料冲击试验 …………………………… 电位记录仪Y轴负荷值标定的操作 …………………

电位记录仪X轴形变值标定的操作 ……………………26

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实验一 偏光显微镜观察聚合物的结晶形态

用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是一种简便而实用的方法。众所周知，随着结晶条件的不同，聚合物的结晶，可以具有不同的形态，如：单晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等，熔体冷却结晶或浓溶液中析出结晶体时，聚合物倾向于生成球状多晶聚集物，称为球晶，球晶可以长得很大，直径甚至可达厘米数量级，对于几微米以上的球晶，用普通的偏光显微镜可以进行观察。

结晶高聚物的使用性能，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密切的联系，因此，对于聚合物的结晶形态的研究具有重要的理论和实际意义。

一、目的要求

1、了解偏光显微镜的结构及使用方法；

2、学习用熔融法制备高聚合物球晶；

3、观察聚丙烯的结晶形态，估算聚丙烯球晶大小；

二、原理

球晶的基本结构单元是具有折叠结构的片厚度在100A 左右。许多这样的晶片从一个

中心（晶核）向四面八方生长，发展成为一个球状聚集体。

图1-1 球晶内晶片的排列与分子链取向

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图1-2 球晶中双折射示意图

图1-1示意地说明球晶中分子链是垂直球晶半径的方向排列的。分子链的取向排列使球晶在光学性质上是各向异性的，即在平行于分子链和垂直于分子链的方向上有不同的折光率。在正交偏光显微晶下观察时，在分子链平行于起偏镜或检偏镜或检偏镜的方向上将产生消光现象。呈现出球晶特有的黑十字消光图案（称为Maltase十字）。

球晶在正交偏光显微镜下出现Maltase十字的现象可以通过图1-2来理解。图中起偏镜的方向垂直于检偏镜的方向（正交）。设通过起偏镜进入球晶的线偏振光的电矢量OR,即偏振光方向沿OR方向。图1-2 绘出了任意两个方向上偏振光的折射情况， 偏振光OR通过与分子链发生作用，分解为平行于分子链η 和分子链ε两部分，由于折光率不同，两个分量之间有一定的相差。显然ε和η不能全部通过检偏镜，只有振动方向平行于检偏镜方向的分量OF和OE能够通过检偏镜。由此可见，在起偏镜的方向上，η为零，OR =ε；在检偏镜方向上，ε为零，OR=η；在这些方向上分子链的取向使偏振光不能透过检偏镜，视野呈黑暗，形成Maltase十字。

此外，在有的情况下，晶片会周期性地扭转，从一个中心向四周生长，这样，在偏光显中就会看到由此而产生的一系列消光同心圆环。

三、仪器和试样

1、偏光显微镜及附件：

照明条件：波长λ=0.55微米 媒质：空气n=1.000

物镜:放大倍数：25×（可选用不同倍数的物镜）数值孔径a=0.4 分辨率：???a

目镜放大倍数10×

2、载玻片和盖玻片；电炉热台；重锤；镊子。

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3、等规聚丙烯粒料。

四、实验步骤

1、制备样品

首先将1/3--1/4粒聚丙烯树脂放在已于240～260℃电炉热台上恒温的载波片上，待树脂熔融后，加上盖玻片加压成膜。保温两分钟，然后将制成的

薄膜样品迅速移至另一个温度为140～150℃的热台上，结晶半小时后取出，使样品自然冷却到室温。 2、观察球晶形态

安装上偏光显微镜的目镜、物镜后，开启钠光灯，显微镜反光镜对准光源，调至显微镜视野最亮，然后，将结晶样品置于载物台上，调节显微镜上粗动、微动旋转钮准焦后即可观察球晶形态。 3、标定分度尺

取下样品，把显微镜放在载物台上，准焦后，在视野中找到非常清晰的显微尺，显微尺长1.00毫米，等分为100格，每格为0.01毫米。然后换上带有分度尺的目镜，调显微尺与目镜的分度尺基本重合。分度尺n格正好与显微尺N格相等，则目镜分度尺每格为0.01×

Nn毫米，记下标定结果。 4、估算球晶半径

不改变显微镜上的粗动旋钮，样品换下显微尺，测量：读出被测球晶半径（直径）对应的分度尺格数即可得到球晶的半径（直径）大小。

五、结果讨论

1、影响球晶生长的主要因素有哪些？ 2、本实验中应注意哪些问题？

实验二 激光小角散射法测聚合物球晶

一、

实验目的

（1）了解激光小角散射的基本原理； （2）学会激光小角散射仪的使用方法；

（3）用激光小角散射仪测定聚合物球晶的半径；

二、 试验原理

激光小角散射法（Samll Angle Linght Scattering 简写为SALS）六十年代初问世。它适合用于研究从几千埃至几十微米大小结构，这与聚合物球晶的大小范围相当。由于该方法实验装置简单，测定快速而又不破坏试样，对光学显微镜难以辨认的小球晶能有效的测量，还能在动态条件下快速测量结构随时间的变化，所以它已经成为研究聚合物聚集台的有效方法之一。他与电子显微镜、X射线衍射法以及光学显微镜等方法相结合可以提供较全面的关于晶体结构的信息。目前已广泛应用研究聚合物的结晶过程接近形态以及聚合物的薄膜拉伸过程中形态结构的变化。图2-1位激光小角散射的原理图

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图2-1激光小角散射原理图

一束准直性和单色性很好的激光束，经过起偏镜射到样品上，由于样品内的密度

和极化率不均匀而引起光的散射。散射光经过检偏镜以后被照相底片记录下来，或供直接测量。图中θ为散射角，它是某一束散射光与如射光方向之间的夹角；μ为方位角，它是某一束散射光记录面的交点P和中心点O的连线OP与Z轴之间的夹角。

如果起偏镜和检偏镜的偏振方向平行，则称为Vv散射；如果起偏镜和检偏镜方向垂直，则称为HV散射。在研究结晶性聚合物时，用得较多的是Hv图。

光散射理论有“模型法”和”统计法”两种,对于聚合物球晶用模型法较为方便。 实验证实：球晶中聚合物分子链总是垂直于球镜径向，分子链的这种排列使得球晶光学上呈各项异性，即球晶的极化率在径向和切向不同。假设聚合物球晶是一个均匀而各向异性的球，考虑光与圆球体系的相互作用，推导出用模型参数表示的散射光强度公式

IHv?AV02(322?2)[(???)cos()sinucosu(4sinU?UcosU?3sinU)]rtU32

(1)

式中IHv表示IHv散射光强度，A为比例系数，Vo为球晶体积，αr为球晶的径向和切向极化率,θ是散射角,μ为方位角,U为形状因子,定义为

U?4?Rsin()?2?

(2)

式中R为半径,λ为光在介质中的波长,Sin定义为下面的定积分:

sinU??UOsinxdx （3） x从公式(1)可以看出,Hv散射强度与球晶的光学各向异性项(αr-αt有关,还与散射角θ,方位角μ有关。

0000

从公式可以看出，当μ=0、90、180、270时，Sinμ Cosμ =0，所以IHV=0,er而当0 000

μ=45、135、225、315时,SinμCosμ有极值，因而散射光强度也出现极大值。这四强四弱相间排列一周就成了Hv散射图的四叶瓣形状。

当方位角μ 固定时,散射角光强是散射角θ 的函数,当取??论和实验证明,IHv出现极大值时U值恒等于4.09,即

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2n?1?时(n为整数)理4Umax?所以

4?R?sin(am)?4.09 （4） 2R?1.09?4?sin(?m2 （5）

)本实验中说用光源为He－Ne激光器,其工作波长为6328A,如果再考虑到测定聚合物球晶半径实际上是一种平均值,所以(5)式变成

R?0.206sin(?m(um) )（6）

2三、实验设备及原料

SD4860激光小角散射仪主要组成部分如图所示。 盖玻片、热台、镊子、刀片、聚乙烯（PE）、粒料。

四、 试验步骤

1、制样

（1）热台升温至一定温度（160～200） （2）将盖玻片置于热台上。

（3）用刀片切上少许原料置于热台上的盖玻片上，待原料熔融后，盖上一片盖玻片稍用力

压成薄膜。

（4）选择一种结晶条件（热结晶、自然冷却或快速冷却等）制成试样，以备观察和测定。 θm为入射角光与最强散射光之间的夹角，如图2-3所示，L为从样品到记录面之间的距离。d为记录面上HIV图中心到最大散射光点的距离，实验测得L和d就可以计算出θm； ?m?arctgd （7） L 32

图2－3散射仪示意图

2、小角激光散射观测

（1） 接通总电源开关及激光器电源和微电流放大器电源开关。

（2） 调节电流调节器旋钮、使毫安表电流指示为5mA，这时激光器应发出稳定的红

光。

（3） 把快门置“常开”位置，把试样放在试样台上，在毛玻璃上观察山色图形。 （4） 起偏镜偏振方向是固定，检偏镜的偏振方向可以调节，调节检偏镜使散射光强

或中心亮点达到最暗时，起、检偏镜的偏振方向垂直。

（5） 照相时根据散射光强，选择适当的曝光时间。

（6） 微电流放大计预热30分钟，可用光探头（光电池）在；亮叶瓣对称线方向上移

动，读出中心点对称的两光强最大点位置X1和X2。

（7） 记录载样台的位置H。

（8） 把激光管电流调小后，关掉其电源。关掉微电流放大计电源及总电源。

六、注意事项

1、 使用小角激光散射仪之前应检查接地是否良好。必须检查高压输出端是否接好

及激光器是否完好方能接通激光器电源。必须在证实电流放大器的输出端与检测探头间连接确实可靠后才能接通电流放大器开关。

2、 电流放大器严禁在输出端开路下工作，它需要在预热30分钟后才能工作 3、 照相时，调节曝光时间及按动快门时，注意手尽量要远离激光器电极，高压危

险。

七、试验报告要求：

实验目的、仪器及简要的实验原理，必须认真记录制样条件和实验中观察到的现象，球晶平均半径测量的结果（要求右X1、X2L及R）。

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八、思考题：

1.简述球晶大小与制样条件的关系。 2.聚合物的结构对其结晶性有何影响？

实验三 相差显微镜法观察共混物的结构形态

一、实验目的及要求

本实验是采用相差显微镜方法考察高分子共混物的相容性和共混分散的形态。要求学会制备相差显微镜样品，了解相差显微镜的基本原理，熟悉显微镜的基本构造和使用方法，正确分析和讨论所得的实验结果。

二、实验原理

从热力学上讲，绝大多数高分子共混体系是不相容的，即各组分之间没有分子水平的化学反应发生。例如，在熔融状态下进行共混，不同的高分子组分受到应力场的作用，混合成宏观上均一的共混材料，而这种材料在亚微观上看（几微米至几十微米）则是分相的。由于共混体系的各组分在普通光学显微镜的条件下均为无色透明的，所以用普通的光学显微镜不能分辨出这种分相结构。由于共混体系中各组分的折光率不同，可以通过相差显微镜观察共混物的分相结构，其基本原理是：学波在进入同一厚度但折光率不同的共混物薄膜（透明）样品后，因光程不同而产生一定的相位差：

??2??(nA?nB)l

其中λ为光波波长；

nA 和nB为组分A和B的折光率； L为光波在薄膜内所走的距离。

利用光的干涉和衍射现象，这种相位差在相差显微镜中被反映出来，我们可以看到两种组分间有明暗的差别，从而可以考察共混物的结构形态。

高分子共混物的研究对于改善材料的性能，特别是力学性能，具有重要的实际意义。在共混体系中分散相与连续相的相容性如何、分散相的分散程度和颗粒大小、以及分散相与连续相的都直接地影响材料的性能。相差显微镜是从事这方面研究的有效方法之一。

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? 加热器 一个 ? 烧杯50ml 一个 ? 容量瓶25ml 一个 ? 砂蕊漏斗G2 一个 ? 吸耳球 一个 ?

3、药品 聚乙烯醇，蒸馏水 4、实验操作：

（1）纯溶剂流出时t0的测定：将干净烘干的粘度计，用过滤的纯溶剂洗2到3次，再固定在恒温30±0.1℃水槽中，使其保持垂直，并使E球全部浸泡在水中并过A线，然后将过滤好的纯溶剂从A管加入10～50ml左右，恒温10～15分钟，开始测定，闭紧C管上的乳胶管，用吸耳球从B管将纯溶剂吸入G球的一半，

拿下吸耳球打开C管，记下纯溶剂流经AB刻度线之间的时间为--。重复三次测定，每次误差＜0.2秒，取三次的平均值。 （2）溶液流经时间t的测定：

取洁净干燥的聚乙烯醇试样，在分析天平下准确称取0.05±0.001-0.002g，溶于50ml烧杯内（加纯溶剂10ml左右），微微加热，使其完全溶解，但温度不宜高于60℃，待溶质完全溶解后用G2砂蕊漏斗滤至15ml容量瓶内，（用纯溶剂将烧杯洗2～3次滤入容量瓶内）。恒温15分钟

左右，用准备好的纯溶剂稀释到刻度，反复摇均匀，再加入粘度计内，（15ml左右）。恒温10～15分钟即测定，测定方法同测定溶剂一样。

四、数据记录及处理

1、 测得数据记入下表 次数 1 2 3 平均 t0

t ηr ηsp [η]

根据

[η]=KMa

聚乙烯醇在水溶液中，30C时，K=42.8×10

-3

α=0.64-----

2、画出实验装置草图 五、注意事项

1、恒温水槽温度严格控制30±0.1℃，如果高于或低于要重做。

2、加热器、恒温玻璃水槽配用500～600之间加热器为宜，否则功率太小，加热时间长，功率太大温度波动大。

3、所用玻璃仪器洗净烘干。

4、所用仪器用纯溶剂洗2～3次，然后装满纯溶剂放好。 5、溶剂、溶液倒入回收瓶。

6、使用粘度计时要小心，否则易折断粘度计管。

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六、思考题

1、用一点法测分子量有什么优越性？

2、资料里查不到K、α值，如何求得K、α值？ 3、在测定分子量时主要的要注意哪几点？

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实验五 高聚物熔融指数的测定

一、实验目的

1、了解熔融指数仪的构造及使用方法

2、了解热塑性高聚物的流变性能在理论研究和生产实践上的意义

二、实验原理

熔融指数(MI)是指热塑性塑料在一定温度，一定压力下，熔体在10分钟时间内通过标准毛细管的重量，用克/10分钟来表示。用来区别各种热塑性高聚物在熔融态时的流动性。同一种高聚物是以用熔融指数来比较高聚物分子量大小，用来指导合成工作，一般说，同一种类高聚物(结构一定)，其熔融指数愈小，分子量就愈高。反之，熔融指数愈大，分子量愈小，加工时的流动性就好一些。但是从熔融指数仪中得到的流动性数据是在人低切变速率下获得的，而实际成型加工过程往往是在较高切变速率下进行的。因此，在实际加工工艺过程中，还要研究熔体粘度与温度切应力的依赖关系，对某一热塑性高聚物来讲，只有当熔融指数与加工条件、产品性能从经验上联系起来之后，才具有较多的实际意义。此外，由于结构不同的聚合物测定熔融指数时选择的温度、压力均不相同，粘度与分子量之间的关系户也不一样。因此，熔融指数只能表示同一结构聚合物在分子量或流动性能方面的区别，而不能在结构不同的聚合物之间进行比较。

由于熔融指数仪及其测试方法的简易性，国内生产的热塑性树脂常附有熔融指数的指标。熔融指数测定已在国内外广泛应用。

三、仪器构造(XRZ----400C型)

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熔融指数仪是一种简单的毛细管式的低切变速率下工作的仪器，熔融指数由主体和加热控制两个部分组成。

主体结构见5---7，其中主要部分说明如下：

1、砝码：砝码重量应包括压料杆在内以便计算方便。 2、料筒：由不锈钢组成，长度为160mm，内径为9.55±2.02mm。 3、压料杆（压料活塞）：由不锈钢制成，长度为210±0.1mm，直径9mm，杆上有相距30mm的刻线，为割取试样的起止线。

4、出料口：几钨钴合金制成，内径为2.095±0.005mm。

5、炉体；用导热快、热容量大的金属材料黄铜制成，中间长孔是放料筒的，铜体四周绕以电阻丝进行通电加热。筒体另开对称两长孔，一是放置电阻做感温元件，提供控温讯号，另一长孔放置EA—2热电偶，与XCZ--101高温计连接，用来监视加热炉的温度。 6、控温系统由控温定值电桥、调制解调放大器、可控制及其触发电路组成。

7、温度数值由XCE--101高温计指示，也可利用测温插口外接电位差计或用温度计插入进行直接测温。后两种方法较精确。

四、实验条件选择

1、温度、负荷的选择：测试温度选择的依据，首先要考虑热塑性高聚物的流动温度。所选择温度必须高于所测材料的流动温度，但不能过高，否则易使材料在受热泪盈眶过和中分解。负荷选择要考虑到熔体粘度的大小(即熔融指数的大小)，对粘度大的试样应取较大的负重，对小粘度小的试样应取较小的负重。

根据美国ASTM(美国材料与试验协会标准)规定，对聚乙烯可用190℃/2160克或125℃/325克。聚丙烯可用230℃/2160克。

2、试样量选择：试样是可以放入圆筒中的热塑性粉料、粒料、条状、条状薄片或模压块料。取样量和熔融指数(MI)关系，见下表(供参考)

熔融指MI(g/10min) 0.1～1.0 1.0～3.5 3.5～10 10～20

数试样量g 2.5～3 3～5 5～8 4～8 毛细管孔径mm 切取试条的间隔时间min 2.095 2.095 2.095 2.095 6.00 3.00 1.00 0.50 五、实验步骤

1、样品称取：(样品使用前要恒温干燥除水)聚乙烯4克选用190℃荷重2160克，聚丙烯4克选用230℃荷重2160克，分别进行测定。

2、调正和恒温：接通电源，旋转“控温定值”旋钮到所选取的温度值9每一数码相当于50℃，每一小格相当于0.5℃)，并注意温度校正。也可将水银温度计放入“测温孔”观察温度，调正旋钮到所需的温度值。

3、装出料口：将活底板向里推进，然后由炉口将出料口垂直放下，如有阻力可用清料杆轻轻推到底。

4、装料：温度稳定到定值后通过漏斗向料筒中装入称好试样，用活塞杆将料压实，开始用秒表记时。

5、取样：试样在料筒中经5--6分钟的熔融预热，装上导向套，在活塞顶部装上选定的负荷砝码，试样从出料口挤出。自柱塞第一道刻线与炉口平行时开始取样，到第二道刻线与炉口平行时取样截止。切取五个切割段：样品为聚乙烯，每隔2分钟切一段；样品为聚丙烯，

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每隔3分钟切一段。含有气泡的切割段弃去。

6、计算：取五个切割段，分别称其重量，并按下式计算熔融指数(MI)：

(MI)?W×600 （克/10分）t其中W：五个切割段平均重量(g)t:

取样间隔时间(秒)

7、清洗：测定完毕，挤出余料，拉出活底板。用清料杆由上推出出料口，将出料口各压料清洗干净。把清料杆按上手柄缠上棉纱清理料筒。

六、结果和讨论

1、列出数据，并分别计算出聚乙烯、聚丙烯的MI。 2、讨论影响MI的主要因素。

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试验六 高分子材料的电阻值的测定

一、实验目的及要求

1.对两种不同高分子样品进行电阻值的测量，说明两种样品电阻值不同的原因。 二、仪器介绍

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c36型高阻计是一种直读式的超高电阻和微电流两用仪器。仪器的最高量限10Ω，电

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阻值(测试电压为1000v)和10A微电流。适用于科研、工厂、学校、企业部门对绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝缘电阻测量和高压值兆欧电阻的测量，也可用着微电流测量。

1.仪器的正常工作条件：

环境温度 0～+40 ℃； 相对温度 ≤80％． 工作室内无辐射源。 2.校验标准气候环境条件：

环境温度 20±2℃： 相对湿度 65％±l 5％。 3.工作电源

电压 ～220v允差±10％； 频率 50Hz； 消耗功率约l5w。

4.仪器的测试电压及测试范围：

高电阻的测试电压：

(1)电压共分五档：10、100、250、500、1000V； (2)电压偏差不大干5％； (3)电压稳定度：不大于0.2%. 高电阻测量：

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(1)测量范围1 ×l0～1×10Ω，共分八档(1 ×10Ω为最大检测值，此时测试电 压为1000V)；

(2)各档测试量限及仪器基本误差如附表1所示（在标准气候环境条件及稳定的工作 电源下)； 5.微电流测量：

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(1)测量范围：1×10-1×10A共分八档 {1×10A为最小检测值)； (2)电流极性：“+”或“-”；

(3)各档测试量限及仪器的基本误差如附表2所示(在标准气候环境条件及稳定的工作电

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源下)。

6.仪器的零点漂移：

仪器在稳定的工作电压及无信号输入时(输入短路)通电Ih后，在8小时内零点漂移不 大于全标尺±4％。

7.仪器的时间响应：小于30s． 8.仪器可连续工作8h。

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9.体枳：l×b×h；mm:420×310×136。 10.重量：约10kg

三、电路结构：主要由下列五部分组成如图1所示。

l.直流高压测试电源：10、100、250、500、1000V五档。

2.测试放电装置(包括输入短路开关)将具有电容性较大的试样在测试前后进行充电和 放电，以减少介质吸收电流及电容充电电流对仪器的冲击和保证 操作人员的安全。 3.高阻抗直流放大器：将被测微电流讯号放大后输至指示仪表。 4.指示仪表：作为被测绝缘电阻和微电流的指示。 5.电源：是供给仪器各部分工作电源。

图1 仪器的方框图

四、仪器外形

仪器的外形如图2所示，面板上的各调节器名称及名称如下：

图2

l.指款表头。 2.倍率选择开关。

3.测试电压选择开关，选择绝缘材料测试电压之用。 4.“+””极性开关，当旋钮指向“+”时 ，测量“+”的直流信号，指号“―”时，测量“―”的直流信号，指向“0”时，表头开路。

5.放电一测试开关．当旋钮指向“放电”位置时。测试电压加不到被测的试样上，当旋钮指向“测试”位置时，测试电压经接线柱(红色)加到被测试样上。

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6.指示灯。 7.电源开关。

8.满度调整旋钮，调整表头指向满度。

9.“0、∞”调整旋钮，调整表头指向“0、∞”处。

10.“输入短路”开关，当开关拨向“短路”位置时，被测信号被短路，表头也就没有指示。 11.高压端钮(红色)，测试电压由这里引出。 l2.接地端钮。

13.输入端钮，被测信号从这里引入。 五、实验原理

仪器作为高阻测试时其主要原理如图③所示。测试时，被测试样与高阻抗直流放人器 的输入电阻“R。串联井跨接于直流高压测试电源上(由直流高压发生器产生)。高阻抗 直流放大器将其输入电阻上的分压讯号经放人后输出至指示仪表，由指示仪表直接 读出被测绝缘电阻值。

图中： U-测试电压（伏）

R0-输入电阻（欧）其上电压为U0伏 Rx-被测试样的绝缘电阻（欧） 由于Rx 〉〉R0 Rx?UR

0 U01.以其对U采用10～1000V对R0(即倍率)采用1×10、1×10、1×10、1×10、1×10、

101112

1×10、1×10、1×10Ω八只电阻，直流放大器的量限（U0）为0～1000mA最小可检测

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10mV，因此仪器测量范围为1×10～1×10Ω。

2.仪器作为微电流测量时，仅利用高阻抗直流放大器将被测微电流讯号（在R0上产生的压

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降U0）进行放大，由指示仪表直接指示，测量范围为1×10～1×10A（极性分“正”或“负”）。 六、实验步骤 1.使用前准备：

使用前面板上的各开关位置应如下： （1）测试电压开关置于“10V”处。

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（2）倍率开关置于最低档位置(1×10Ω及1×10A)。 （3）“放电—测试”开关置，“放电”位置。 （4）电源开关置于“断”的位置。

（5）输入短路开关置于“短路”位置。 （6）极性开关置于“0”位置。

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2.检查测试环境的温度和湿度是否在允许范围内．尤其当环境湿度高于 80％以上时，对测量。

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较高的绝缘电阻>10Ω及<10A时微电流可能会导致较大的误差。 3.检查交流电源电压是否符合220V允差±10％。 4.将仪器接地端用导线妥善接地。

5.将仪器接通电源．合上电源开关，指示灯发亮，并有峰鸣声．如发现指示灯不亮．立即切断电源，待查明原因后方可使用。

6.接通电源预热30分钟，将极性开关置于“+”处(一般测试均置于“+” 处．只有在测试负极性微电流时才置于“-”处)，此处可能发现指示仪表的指针会离开“∞”及“0”处，这时可慢慢调节“∞”及“0”电位器．使指针置于“∞”及“0”处，直至不再变动。

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7.将倍率选择开关由×10、×10位置转至“满度”位置(这时输入端开关应拨向开路)这时 指针将从“∞”位置指于“满度”，如果不到或超过“满度”则可调节“满度”电位器．使

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之调到“满度”，然后再把倍率开盖拨到×10、×10处．使指针仍指于“∞”及“0”处,这样反复多次即把仪器灵敏度调好。在测试中应经常检查满度及“∞”,以保证仪器的测试精度。

2.测试步骤： 高阻测量：

(1)将被测试样．用测量电缆线和导线接至Rx测试端钮和高压接线柱。 (2)将测试电压选择开关置于需要的测试电压档。

(3)将“放电—测试”开关置于测试档，短路开关仍置于“短路”档对试样进行一定时间的充电后（视试样容量大小而定，一般为15S，电容量大时，可适当延长充电时间），即可将输入短路开关打开，进行读数，若发现指针很快打出满度，则立即将输入短路开关拨到“短路”，“放电—测试”开关拨到放电位置，待查明原因进行测试。

(4)当输入短路开关打开后，如发现表头无读数，或指示很小。可将倍率开关升高一档，并重复“2”“3”的操作步骤，这样逐档升高，倍率开关直至读数清晰为止（尽量取在仪表刻度上1～10的那段刻度）

(5)将仪表上的读数（单位为兆欧）乘以倍率开关所指示的倍率及测试电压开关所指的系数（10V为0.01；100V为0.1；250V为0.25；500V为0.5；1000V为1）即为被测试样的绝缘

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电阻值。例如：读书为3.2×10Ω倍率开关所指系数为10，测量电压为500V，被测电阻即

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为3.2×10×10×0.5=1.6×10Ω。

(6)在测试绝缘电阻时，如发现指针有不断上升的现象，这是由介质的吸收现象所致，若在很

长时间内未能稳定，由一般情况下是取其合上测试开关后一分钟时的读教，作为试样的绝缘 电阻值。

(7)一个试样测试完毕，即将“放电一测试”开关拨到“放电”位置，输入短路开关拨到“短路”位置，取出试样，对电容量较大的试样(约在0.OlμF以上者)需经一分钟左右的放电，方能取出试样，否则测试者将受到电容器中残余电荷的袭击中。 (8)然后进入下一个试样的测试，具体操作步骤如前。

(9)仪器使用完毕后，应先切断电源，并将面板上各开关恢复到测试前的位置。拆除所有接 线，将仪器安放在保管处。

(10)在用三电极系统测试绝缘电阻的体积电阻(Rv)和表面电阻(Rs)时可按照图4接线，三 电极其主要尺寸依据中华人民共和国国家标准GBl410-78电工绝缘材料通用电性能试验方法的规定制成。

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