由于聚合物材料的強(qiáng)度主要決定于主鏈的化學(xué)鍵力和分子間的作用力,增加主鍵的強(qiáng)度或增加分子間的作用力都可使聚合物的強(qiáng)度增加,聚合物的極性和分子間的氫鍵可增加分子間作用力,因而可增加強(qiáng)度。
例如低壓聚乙烯的拉伸強(qiáng)度只有15-16MPa,而聚氯乙烯因有極性基團(tuán),拉伸強(qiáng)度為50MPa;尼龍6-10因有氫鍵,拉伸強(qiáng)度為60MPa。
分子鏈支化程度增加,使鏈分子間的距離增加,分子間的作用力減少,因而拉伸強(qiáng)度降低,適度交聯(lián),使分子鏈不易發(fā)生相對滑移,增加了分子鏈間的作用,因而強(qiáng)度增加、在考慮分子間力或主鏈化學(xué)鍵強(qiáng)度對強(qiáng)度貢獻(xiàn)時,不能忽略了由于力學(xué)松弛或內(nèi)耗對聚合物強(qiáng)度的貢獻(xiàn),這兩者往往是予盾的,例如極性基團(tuán)過密,或取代基過大,阻礙了鏈段運(yùn)動,不能實現(xiàn)強(qiáng)迫高彈形變,聚合物會變脆、即拉伸強(qiáng)度雖然大了,但沖擊強(qiáng)度下降,支鏈減少了分子間作用力,可使鏈段活動較為自由,因而沖擊強(qiáng)度增加:一般說來,取代基小,數(shù)量少,極性弱,分子間作用力小的大分子鏈,柔順性好,有利于大分子鏈段運(yùn)動,可提高抗沖擊性,但相應(yīng)地會使拉伸強(qiáng)度變低,硬度變低;增加主鏈的化學(xué)鍵強(qiáng)度,如使主鏈含有苯環(huán)、雜環(huán)等,可使材料的強(qiáng)度增加。共聚合可以用于調(diào)節(jié)分子鏈的結(jié)構(gòu),因而是改善聚合物強(qiáng)度的重要手段。
如果材料中存在缺陷,受力時材料內(nèi)部的應(yīng)力平均分布的狀態(tài)將發(fā)生變化,使缺陷附近局部的應(yīng)力急劇增加,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)力平均值,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。缺陷包括裂紋、空隙、缺口、銀紋和雜質(zhì)。各種缺陷在漆膜形成過程中是普遍存在的,例如,顏料分散過程不理想,顏料體積濃度PVC超過CPVC,溶劑揮發(fā)時產(chǎn)生的氣泡,成膜時體積的收縮導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力引起的細(xì)小的銀紋或裂縫。
缺陷是材料破壞的薄弱環(huán)節(jié),當(dāng)局部應(yīng)力超過局部強(qiáng)度時,缺陷就發(fā)展,最終導(dǎo)致斷裂,因而可嚴(yán)重地降低材料的強(qiáng)度,它是造成聚合物實際強(qiáng)度下降的主要原因。
每一聚合物鏈的末端可以說也是一種微小的缺陷,因此相對分子質(zhì)量愈低,缺陷愈多,強(qiáng)度也愈低。減少缺陷是提高強(qiáng)度的一個重要措施。
聚合物的強(qiáng)度和聚合物的凝聚態(tài)的形態(tài)有很大的關(guān)系,聚合物形態(tài)往往可以影響裂縫發(fā)展的速度例如氯乙烯-乙酸乙烯共聚物用純甲基異丁酮(MIBK)為溶劑所得的薄膜,其斷裂伸長很低,脆性很大、MIBK是氯乙烯-乙酸乙烯共聚物的良溶劑,當(dāng)在MIBK中混入少量不良溶劑,如甲氧基丁醇(MOB)后,所得薄膜的斷裂伸長明顯增加,特別是當(dāng)MIBK和MOB的比例為90:10時,情況最為明顯(如不良溶劑過多,強(qiáng)度又會明顯下降),其原因在于有適量的不良溶劑時,所得薄膜中可形成大量極細(xì)小的空隙,這種空隙可以控制住裂縫發(fā)展的速度,減緩了應(yīng)力集中強(qiáng)度;由此可知,合適的形態(tài),使裂縫在較大的區(qū)域內(nèi)緩慢發(fā)展,而不使應(yīng)力高度集中到少數(shù)部位,可避免斷裂,這是設(shè)計抗沖擊涂料配方需予考慮的。
另一方面,在無定形漆膜中的微觀多相性也可使漆膜的韌性增加。用接枝、嵌段共聚合,或者用共混方法可以得到具有微觀多相性的材料、如和橡膠共混的ABS或聚苯乙烯,其中橡膠以微粒狀分散于連續(xù)的塑料相之中,由于塑料相的存在,使材料的彈性模量和硬度不至于有過分的下降,而分散的橡膠微粒則作為大量的應(yīng)力集中物,當(dāng)材料受到?jīng)_擊物時,它們可引發(fā)大量的銀紋,從而吸收大量沖擊能量,同時由于大量銀紋之間應(yīng)力場的相互干擾,又可阻止銀紋的進(jìn)一步發(fā)展,從而可以大大提高聚合物材料的韌性,涂料也可用類似的方法形成增韌的薄膜,例如利用核殼結(jié)構(gòu)的乳膠,便可得到連續(xù)相為硬而強(qiáng)的聚合物,分散相為軟而韌的聚合物的結(jié)構(gòu)。加入顏料也是形成多相體系的手段,它可提供大量使單個的銀紋發(fā)生分枝的位置,也可使銀紋的發(fā)展方向偏轉(zhuǎn),從而提高漆膜的強(qiáng)度。
漆膜與底材的附著力如果很好,作用在漆膜上的應(yīng)力可以較好地得到分散,因而漆膜不易被破壞。
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