聚合物的银纹 实验目的 1、观察在张应力作用下聚合物银纹的形成和生长 2.了解溶剂对银纹形成的影响。 、实验原理 银纹现象是高分子材料所特有的一种力学现象。银纹与裂纹有着本质的不同:裂纹中不含 有任何高分子村抖,而银纹中却仍然有30一50%体积分数的高分子材料。这些取向的高分子以 微纤维的形式系着银纹的两银纹面(图1),银纹依然具有强度,其力学性能也有粘弹现象。银 纹的另一个特点是银纹的平面垂直于产生银纹的张应力,在张应力作用下能产生银纹的局部区 域内,聚合物呈塑性变形,高分子链在张应力方向高度取向,并吸收能量。在材料表面的银纹 总可见一凹槽,在体内的银纹也有一定的空穴。这是由于聚合物的塑性伸长引起的体积增加尚 不足于补偿因横向收缩导致体积的减小,致使在银纹内产生大量的空穴,因此其密度及折光指 数下降。由于银坟的折光指数低于聚合物本体,因此在银纹和聚合物之间的界面有全反射现象 因此可以对聚合物材料所出现的银纹现象进行观测在纯应力作用下引发的银纹,称为应力银纹, 受应力和溶剂联合作用引发的银纹称为应力一溶剂银纹。(聚合物材料环境应力银纹和环境应 力开裂的特性在工业上可用来检查制品的内应力.只要在一定温度范围内,在规定的溶剂中浸泡 定时间,制品上不出现银纹即为合格,相当简单.)溶剂对银纹的形成和影响主要表现在以下 两个方面:①导致在低应力条件下银纹的形成和生长:②在银纹已形成的条件的条件下加速银 纹生长成裂纹,导致材料的断裂和破坏。图2为在常应变作用下聚苯乙烯引发银纹的动力学曲 线,从图中可以看出溶剂的存在将大大降低产生银纹所需的张应力。 银纹是与断裂密切相关的现象。许多聚合物材料,特别是热塑性塑料,其制品在储存和使 用过程中,由于应力以及环境的影响,住住会因出现银纹而影响其使用性能。银纹的生成是玻 璃态高聚物脆性断裂的先兆。银纹中物质的破裂往往造成裂纹的引发和生成,以至于最后发生 断裂现象。银纹还与裂缝不同,它有可逆性。在压力下或在玻璃化温度以上退火时,银纹就回 缩以至消失。例如应力银纹的聚苯乙烯,聚甲基丙烯酸甲酯,聚碳酸酯在加热到各自软化点以 上时,可回复到未开裂时的光学均一状态。聚碳酸酯在160℃加热几分钟,银纹就消失了。 本次实验以非结晶性聚合物聚苯乙烯薄板为原料,通过在板中央穿孔导致的应力集中,然 后将样品装上夹具进行拉伸,观察银纹的形成,了解溶剂对银纹生长的的影响
1 聚合物的银纹 一、实验目的 1、观察在张应力作用下聚合物银纹的形成和生长； 2． 了解溶剂对银纹形成的影响。 二、实验原理 银纹现象是高分子材料所特有的一种力学现象。银纹与裂纹有着本质的不同：裂纹中不含 有任何高分子村抖，而银纹中却仍然有 30 一 50%体积分数的高分子材料。这些取向的高分子以 微纤维的形式系着银纹的两银纹面（图 1），银纹依然具有强度，其力学性能也有粘弹现象。银 纹的另一个特点是银纹的平面垂直于产生银纹的张应力，在张应力作用下能产生银纹的局部区 域内，聚合物呈塑性变形，高分子链在张应力方向高度取向，并吸收能量。在材料表面的银纹 总可见一凹槽，在体内的银纹也有一定的空穴。这是由于聚合物的塑性伸长引起的体积增加尚 不足于补偿因横向收缩导致体积的减小，致使在银纹内产生大量的空穴，因此其密度及折光指 数下降。由于银坟的折光指数低于聚合物本体，因此在银纹和聚合物之间的界面有全反射现象， 因此可以对聚合物材料所出现的银纹现象进行观测在纯应力作用下引发的银纹，称为应力银纹， 受应力和溶剂联合作用引发的银纹称为应力一溶剂银纹。（聚合物材料环境应力银纹和环境应 力开裂的特性在工业上可用来检查制品的内应力.只要在一定温度范围内,在规定的溶剂中浸泡 一定时间,•制品上不出现银纹即为合格,相当简单.）溶剂对银纹的形成和影响主要表现在以下 两个方面：①导致在低应力条件下银纹的形成和生长；②在银纹已形成的条件的条件下加速银 纹生长成裂纹，导致材料的断裂和破坏。图 2 为在常应变作用下聚苯乙烯引发银纹的动力学曲 线，从图中可以看出溶剂的存在将大大降低产生银纹所需的张应力。 银纹是与断裂密切相关的现象。许多聚合物材料，特别是热塑性塑料，其制品在储存和使 用过程中，由于应力以及环境的影响，住住会因出现银纹而影响其使用性能。银纹的生成是玻 璃态高聚物脆性断裂的先兆。 银纹中物质的破裂往往造成裂纹的引发和生成，以至于最后发生 断裂现象。银纹还与裂缝不同，它有可逆性。 在压力下或在玻璃化温度以上退火时，银纹就回 缩以至消失。例如应力银纹的聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯， 聚碳酸酯在加热到各自软化点以 上时，可回复到未开裂时的光学均一状态。聚碳酸酯在160℃加热几分钟，银纹就消失了。 本次实验以非结晶性聚合物聚苯乙烯薄板为原料，通过在板中央穿孔导致的应力集中，然 后将样品装上夹具进行拉伸，观察银纹的形成，了解溶剂对银纹生长的的影响
银纹表面 图1.由高聚物圆前状纤维条組成的银紋(示图) 银纹是聚合物在张应力作用下在材料某些薄弱地方应力集中而出现的并且为聚合物所特有 的一种力学现象。为了在高分子材料内部出现张应力,可以对高分子材料进行拉伸或做三点弯 曲实验。考虑到银纹内部含有大量的空穴,银纹的折光指数要低于聚合物本体,因此在银纹和 本体聚合物之间的界面上有全反射现象,如果从全反射角度进行观察,将非常方便清楚地观察 到银纹。正是因为对银纹的观察需要从特定的角度进行,因此通过拉力机拉伸聚合物样品来观 察银纹现象是既不方便,也没必要。本实验利用自制的微型拉力机即可非常方便地观察到银纹 现象。为了减小出现银纹拉力机所提供的拉伸力,同时也为了使银纹在样品特定的区域出现以 便于对此进行观察,可以在样品的中间穿一小孔使得应力在小孔的两边产生集中。根据弹性力 学理论,如果对一个中央有一圆形小孔的大而薄的板子的两边进行拉伸(图3),则小孔周围的 时间 在气1变實3甲酸的 边力半 图3薄板中圆孔的应力集中
2 银纹是聚合物在张应力作用下在材料某些薄弱地方应力集中而出现的并且为聚合物所特有 的一种力学现象。为了在高分子材料内部出现张应力，可以对高分子材料进行拉伸或做三点弯 曲实验。考虑到银纹内部含有大量的空穴，银纹的折光指数要低于聚合物本体，因此在银纹和 本体聚合物之间的界面上有全反射现象，如果从全反射角度进行观察，将非常方便清楚地观察 到银纹。正是因为对银纹的观察需要从特定的角度进行，因此通过拉力机拉伸聚合物样品来观 察银纹现象是既不方便，也没必要。本实验利用自制的微型拉力机即可非常方便地观察到银纹 现象。为了减小出现银纹拉力机所提供的拉伸力，同时也为了使银纹在样品特定的区域出现以 便于对此进行观察，可以在样品的中间穿一小孔使得应力在小孔的两边产生集中。根据弹性力 学理论，如果对一个中央有一圆形小孔的大而薄的板子的两边进行拉伸（图3），则小孔周围的 图3 薄板中圆孔的应力集中 r x y
应力分布为: (1+ [ 这里是取了极坐标(r,θ)。当r=r0时,即在小孔的边缘上,只剩下剪应力为 由此可见,在和应力平行的方向上,即θ=0或θ=π时,应力得到集中,并且为原来 应力值σ的3倍。本实验所用样品为长约6至8厘米,宽为0.8至1厘米的聚苯乙烯薄板,在样品的 中央穿孔后,应力会在孔的两边产生集中,尽管此时应力集中因子并不刚好是3倍。显然银纹总 是首先在孔的两边出现(图3)。因为银纹具有一定的力学强度,如果此时维持拉伸力不变,则 银纹并不会立即发展为裂纹。但是如果溶剂存在情况将另当别论。从图2可以看出,溶剂的存在 会使出现银纹所需的张应力大大降低。如果银纹已经形成,则溶剂的存在必然会使银纹迅速发 展为裂纹,这一点可以从最终的实验结果中得到证实。 三、仪器和试剂 自制切样机一台,电钻一个,偏光显微镜一台,聚苯乙烯薄板若干,甲醇溶剂一瓶。样品 将被固定在自制简易拉力机上,图4为拉力机的平面和剖面示意图。其中A为固定端,B为自 由端,转动手柄,则螺杆的转动会带动B端在滑杆上移动,从而对样品进行拉伸。 银纹 样品 螺杆 手柄 图4自制简易拉力机的平面和剖面示意图
3 应力分布为： ) cos 2 ] r 3r (1 r r [1 2 )sin 2 r 2r r 3r (1 2 ) cos 2 ] r 4r r 3r (1 r r [1 2 4 4 0 2 2 0 2 2 0 4 2 0 r 2 2 0 4 2 0 2 2 0 rr + − + = + − + = − − + + − = 这里是取了极坐标（r，）。当r=r0时，即在小孔的边缘上，只剩下剪应力为 = (1− 2cos 2) 由此可见，在和应力平行的方向上，即 = 0 或 = 时，应力得到集中，并且为原来 应力值的3倍。本实验所用样品为长约6至8厘米，宽为0.8至1厘米的聚苯乙烯薄板，在样品的 中央穿孔后，应力会在孔的两边产生集中，尽管此时应力集中因子并不刚好是3倍。显然银纹总 是首先在孔的两边出现（图3）。因为银纹具有一定的力学强度，如果此时维持拉伸力不变，则 银纹并不会立即发展为裂纹。但是如果溶剂存在情况将另当别论。从图2可以看出，溶剂的存在 会使出现银纹所需的张应力大大降低。如果银纹已经形成，则溶剂的存在必然会使银纹迅速发 展为裂纹，这一点可以从最终的实验结果中得到证实。 三、仪器和试剂 自制切样机一台，电钻一个，偏光显微镜一台，聚苯乙烯薄板若干，甲醇溶剂一瓶。样品 将被固定在自制简易拉力机上，图4为拉力机的平面和剖面示意图。其中 A 为固定端，B 为自 由端，转动手柄，则螺杆的转动会带动 B 端在滑杆上移动，从而对样品进行拉伸。 图4 自制简易拉力机的平面和剖面示意图 银纹 样品 螺杆 滑杆 手柄 A B
四、操作步骤 1、打开自制切样机电源开关,切下一块长8至10cm,0。8至lcm宽的聚苯乙烯薄板(无 划痕的磁带盒即可) 2、将所得到的样品两边用细沙纸磨平并且将用切制样品导致样品边缘增厚的部分磨去: 在磨的过程中不要破坏样品的表面以便对银纹进行观察 3、在板于的中间钻出一直径为04至0.6cm的圆孔。 4、将样品装上夹具进行拄伸,夹紧样品时用力要均匀,防止在局部区域产生应力集中。 5、对样品进行拄伸,直到出现银坟为止,拉伸速度不要太快。 6、从全反射角度迎着光线或在偏光显微镜下直接对银纹进行观察,留意银纹面的取向和 银纹出现的区域。 7、加一滴甲醇溶剂,观察在溶剂作用下银纹的生长。 五、思考题 1、在制样过程中为何要将样品的两边磨平? 2、银纹主要出现在样品的哪些区域?为什么? 3、为什么说银纹是聚合物特有的现象,它与聚合物材料的断裂有什么关系? 六、参考文献 1.徐种德,何平笙,周漪琴,马德柱等,《高聚物的结构与性能》,科学出版社,北京, 1981,1983,1986,1987:马德柱,何平笙,徐种德,周漪琴,第二版1995,198,1999 2.吕锡慈,《高分子材料的强度与破坏》,四川教育出版社,1988。 3.何平笙,《高聚物的力学性能》,中国科学技术大学出版社,1997
4 四、操作步骤 1、 打开自制切样机电源开关，切下一块长8至10 cm， 0。8至1 cm宽的聚苯乙烯薄板（无 划痕的磁带盒即可）。 2、 将所得到的样品两边用细沙纸磨平并且将用切制样品导致样品边缘增厚的部分磨去： 在磨的过程中不要破坏样品的表面以便对银纹进行观察。 3、 在板于的中间钻出一直径为0.4至0.6 cm的圆孔。 4、 将样品装上夹具进行拄伸，夹紧样品时用力要均匀，防止在局部区域产生应力集中。 5、 对样品进行拄伸，直到出现银坟为止，拉伸速度不要太快。 6、 从全反射角度迎着光线或在偏光显微镜下直接对银纹进行观察，留意银纹面的取向和 银纹出现的区域。 7、 加一滴甲醇溶剂，观察在溶剂作用下银纹的生长。 五、思考题 1、在制样过程中为何要将样品的两边磨平？ 2、银纹主要出现在样品的哪些区域？为什么？ 3、为什么说银纹是聚合物特有的现象，它与聚合物材料的断裂有什么关系？ 六、参考文献 1. 徐种德，何平笙，周漪琴，马德柱等，《高聚物的结构与性能》， 科学出版社，北京， 1981，1983，1986，1987; 马德柱，何平笙，徐种德，周漪琴，第二版 1995，1998，1999 2. 吕锡慈，《高分子材料的强度与破坏》，四川教育出版社，1988。 3. 何平笙，《高聚物的力学性能》，中国科学技术大学出版社，1997