关于有机玻璃热力学性能的研究 摘要： 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）俗称有机玻璃，本篇文章主要是研究有机玻璃的热力学性能。有机玻璃表面的薄膜是采用溶液铸造法以四氢呋喃 （THF）作为溶剂制成的。可以用来测定有机玻璃的力学性能，比如储能模量、损耗模量、 Tan 等力学性能，并采用动态机械分析仪 (DMA) 测定它们的应力应变关系。为了确定纯PMMA 样品的物理状态和其他属性如其韧性和刚度，其玻璃转化温度已经知道。我们所要做的就是采用动态机械分析仪 (DMA)分析其从 32 度到140度范围内的储能模量 (E)、 损失模量 (E) 和Tan 。据观察，由于薄膜的热膨胀，有机玻璃的存储弹性模量随温度的升高而降低。另一方面，随着温度的升高，玻璃开始融化 ，Tan 应该是减小的趋势，然而，相反的是，随着温度的升高Tan逐渐增大，PMMA的玻璃化转变温度 （Tg） 是82.1oC.，已经测定出有机玻璃薄膜在室温以及从32 oC 90 oC范围内的应力应变曲线，结果表明，它的弹性模量、韧性和刚度等机械性能随温度的升高而减少，可以用真空理论来解释它的机械性能的不同趋势。关键词: 有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃化转变温度、 力学性能、 MMA分类号： 81.05.Lg、 64.60.Bs、 65.40.De、 07.10.Lw1 绪论众所周知，聚合物被广泛应用在不同的领域，例如在航空航天、 微电子、汽车、 医疗，甚至在提高材料的性能和制造的灵活性方面。聚合物被视为其主要原料的一个不错的选择，因为它们可以用来生产具有多种物理属性像长期稳定性和灵活加工性等的。在其可能的实际应用的制备方面，聚合物的强度、 刚度和延展性等力学性能至关重要。玻璃化 转变温度(软化温度) 在高分子科学中具有重要作用，因为加工温度和最终使用温度都高度依赖于它。聚合物在涉及应力的运用过程中经常使用。例子包括住房、 齿轮、 绳索、 结构、 复合材料等。在使用聚合物负载轴承的应用过程中，研究压力对其产生的影响很有必要。聚甲基丙烯酸甲酯或称有机玻璃是最常用的聚合物，它具有高的光化学性质，很好的耐化学腐蚀性和高抗拉强度1。调查表明，它被广泛的应用在汽车、镜片、浴室配件、机窗、 家用电器等方面。 在特定的应用方面，这些材料的使用需要在有效的工作极限温度内。有机玻璃板在室温以及较高的温度下的有效使用极限已经通过动态机械分析仪 (DMA) 测定出。2 实验部分2.1 原料和样品制备从埃萨阿尔法处购买粉末状的有机玻璃，聚甲基丙烯酸甲酯的薄膜已通过铸造技术得以解决。首先，将 0.5克 的聚甲基丙烯酸甲酯放在四氢呋喃溶液中溶解。并不断搅拌 两 小时，以使其混合均匀。然后将溶解液置于玻璃器皿中直到形成厚度 为0.15 毫米的薄膜。将薄膜置于室温下24小时即可干燥，然后将其放在真空炉为中6 小时直到残留溶剂消除2。2.2 材料性能测试在实验室中，使用DMA（Tritec2000）测定机械性能。在这个仪器中，力以正弦波形式被施加到样本上，可以测量出其产生的位移，从而计算出振幅和相位3,4。被施加到样品上的正弦波应力产生了一个正弦应变或称位移。通过测量形变时应力与应变两个正弦波的振幅和相位差，可以计算出如模量，粘度和阻尼大小等5。当该材料与所施加的波的响应是完全弹性时，输入与输出相位滞后00，即=00 ，当样品具有粘性时产生的相位为900，即= 900。粘弹性材料的相变落在这两个极端之间，即00 900。在这种技术中，材料的动态特性可以用下列关系式给出：E* = E + iE.(1)其中，复合模量E *被定义为同相或弹性响应E的总和（与存储的能量成正比）和粘性响应E（与耗能成正比）。机械损耗因子（Tan）是另一个有用的参数，对于比较不同材料的粘弹性能是非常有用的，其中Tan = E / E.(2)玻璃化转变温度（Tg）即是产生最大阻尼时的温度。Tg代表的是聚合物的重大转变，即材料从硬质玻璃态转移到软橡胶状的状态6。在32至140的温度范围内并以2oC/min的加热速度（斜率）测量Tan，已测定出室温和32 - 90的应力 - 应变，拉伸过程中采用恒定负载（10N）。在线性粘弹性区域内应变振幅的频率大小被分别为固定的1赫兹和0.01毫米。3 结果与讨论3.1 储能模量，损耗模量和玻璃化转变从室温到140oC的温度范围内，纯有机玻璃的储能模量，损耗模量和玻璃化转变随温度的变化如图3-1所示。从图3-1观察可知，有机玻璃的储能模量（E）随温度的上升刚开始慢慢减小。随温度的进一步上升，模量快速递减，超过70后，达到一个恒定值。随着温度从室温到140oC，有机玻璃的储能模量值从3.37GPa急剧下降到0.02 GPa温度。储能模量随温度的这种变化现象可以用分子的流动性解释。在较低的温度范围内，由于其低运动能量，分子的平均振幅小。室温时弹性模量达到最大值， 在这种状态下，该聚合物结构紧凑。当温度增加时，分子的运动能量 增加，从而分子的平均振幅增加或分子振荡的频率增加，从而分子链之间的自由体积增大，因而储能模量降低7。温度图3-1：纯有机玻璃的储能模量、损耗模量和玻璃化转变随温度变化图图3-1所示的是制得的样品随温度的变化损耗因子(Tan )的变化。据图表可知，在 Tan 增大到最大值时的温度被定义为玻璃化转变温度Tg（也称为阿尔法过渡 温度），当温度超过玻璃化转变温度后，随温度的快速增大Tan 减小。纯PMMA薄膜的Tg为82.1oC。Tg表示的是这些聚合物材料从硬玻璃态过度到软橡胶态的温度。3.2 应力 - 应变特性PMMA薄膜在不同温度下的应力 - 应变特性如图3-2所示。该图显示两个特征区以及每个薄膜的相变。第一区域的特征在于，最初应力应变线性增加。第二个区域的特征在于应变随应力的增加小幅度变化，这是由于塑性变形增加而增加的压力。在这个区域内，随着压力越来越大，样品的塑性变形增大且不可逆 3。在该塑性变形区域中，应变随应力变话较小，而且往往低 于屈服强度。聚合物的过渡态也叫屈服点或者塑料软化温度。有机玻璃的杨氏模量、极限抗张强度、韧性的值 （断裂能）和断裂伸长率随温度的变化情况归纳于表3-1。 图3-2 PMMA薄膜应力应变特性图表3-1 纯有机玻璃的机械性能温度（0C）杨氏模量（MPa）极限拉伸强度（MPa）断裂能（JX10-3）伸长率（）32159714.630.641.3450124011.133.279.7370580.810.2611.639050.140.0711.68表3-1的结果表明，该机械性能，即杨氏模量，韧性（断裂能）和拉伸强度随着温度的升高而降低，而伸长率随温度的升高而增大。如前所述，温度上升，聚合物单体的自由体积增加， 进一步导致材料的软化。这最终导致了杨氏模量，韧性和 拉伸强度的递减。温度升高，分子链中分子的运动加剧，导致分子的伸长率增大， 从而产生更大的压力，最终导致断裂。3.3 结论聚甲基丙烯酸甲酯薄膜在室温下以及较高的温度下的热机械性能的研究已经在进行中了。从这些结果，可以推断，在接近室温时，PMMA显示了良好的性能 。在较高的温度下，急剧下降的机械性能表明聚甲基丙烯酸甲酯具有易碎的性质。4 鸣谢 参考文献1. D. R. Paul and C.B.Bucknall, Polymer Blends,1, New York: John Wiely&Son s, 1999.2. W. P. Hsu, J. Appl.Polym. Sci.80,2842-2850 (2001).3. M. Dixit, V. Shaktawat, K. B. Sharma, N.S. Saxena and T.P. Sharma, “Mechan ical Characterization of Poly methylmethacrylate and Polycarbonate Blends” in Thermophysical Properties of Materials and Devices-NCTP 07, edited by P.P r edee petal., AIP Conference Proceeding 1004, American Institute of Physics, M elv ille,NY,2008, pp.311-315.4. V. Shaktawat, N. Jain, N.S. Saxena, K. B. Sharma and T.P. Sharma, J. Poly.ci. Series 49, 236-239 (2007).5. A. Boztug,H. B.Zengin and S.Basan, Journal of Molecular Structure 69, 61-64 (2004).6. J. R. Fried, Polymer Science and Technology, New Delhi: Printice Hall of Indi Ltd., 1999.7. K. P. Menard, Dynamic Mechanical Analysis: A practical introduction, Bocarato CRC press LLC, 1999. AIP会议文集的版权归美国物理研究所所有，未经许可，其内容不得复制或通过电子邮件发送到其他网站或发布到其他服务站。但是，用户可以打印，下载或通过电子邮件发送以供个人使用。