基于热效应特征研究高聚物材料形变过程的聚集态结构变化

The generation of heat during the deforming process of polymer materials are known as a result of molecular aggregation structure change, including dissipation heat by viscous friction, conformational entropic heat of molecular arrangement change, or the latent heat developed by crystallization. When the tests were performed on thicker samples with sufficiently fast extension rates, namely in approximate adiabatic conditions, the information of materials including molecular structure and molecular motion can be acquired by the feature of thermal effects. So in this project, method for determining the deformation thermal effects is to be established firstly, and then several special deformation mechanisms of polymer materials will be studied by the thermal effects, including the necking phenomenon of nonuniform plastic deformation and stress softening (Mullins effect) of elastomeric materials. The research aims to explore a new technology for the deformation mechanism of polymer materials, enriches and perfects the basic theory of relation of microstructure and macroscopic property, which will be helpful to quality assessment, forecast and control during polymer material processing and application. Therefore, this research has important academic value and promising application.

高聚物材料在受力形变过程中由于内部分子聚集结构的变化会导致各种形式的热生成，包括粘性摩擦引起的耗散热、分子链排列结构发生变化的构象熵热及结晶热焓。当材料样品足够厚或形变速率足够快，即近似绝热的情况下，通过这些热效应特征可获得材料分子结构和分子运动的信息。故本项目将首先建立测试高聚物材料形变热效应的方法，进而基于这种热效应分析研究高聚物材料的几种特殊形变机理，包括非均匀塑性形变的“颈缩”现象和弹性体材料的应力软化（Mullins效应）现象。本项目的研究旨在探索一条分析高聚物材料形变机理的新技术途径，丰富和完善高聚物微观结构与宏观性能关系的基础理论，对高聚物材料成型加工和应用过程中的质量评价、预测和控制将具有一定的指导和参考意义，因此具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

高聚物材料在受力形变过程中由于内部分子聚集结构的变化会导致各种形式的热生成，包括粘性摩擦引起的耗散热、分子链排列结构发生变化的构象熵热及结晶热焓。当材料样品足够厚或形变速率足够快，即近似绝热的情况下，通过这些热效应特征可获得材料分子结构和分子运动的信息。本项目通过红外热成像技术测试材料形变热效应，研究高聚物材料的几种特殊形变机理，包括非均匀塑性形变的“颈缩”现象、弹性体材料的“Mullins”效应。主要研究内容包括：（1）红外热成像技术研究PP纤维与PET纤维“颈缩”热效应，差示扫描量热法研究“颈缩”前后结晶度的变化，从而建立形变热力学分析高聚物材料成颈过程内能的变化规律，PP纤维颈缩阶段内能增加，可能是由于发生结晶熔化、新的缺陷界面形成、以及储存弹性应变能的原因。而PET纤维颈缩阶段内能减小，则可能是由于应变诱导结晶所致。（2）红外热成像技术研究弹性体材料“Mullins”效应，不管橡胶弹性体（AEM、NR和NBR）、热塑性弹性体TPU还是填充AT的复合材料，都展现出了明显的非弹性行为特征，表现为：在第一次循环形变过程，其温变特征具有不可逆性。而在第二次及随后的循环形变过程，温变值具有可逆性。不同的是这种不可逆性会随着纳米粒子含量的增加而增加，分析可能是由于纳米粒子的加入形成了物理交联点，增加了高分子链间的摩擦耗散作用。（3）红外热成像技术分析均匀塑性形变机理，由于UHMWPE材料温升值仅受拉伸比的影响，而与材料的拉伸速率无关。通过形变热效应特征分析其可能是由高分子链的有序排列过程产生的熵变热引起的，并从UHMWPE长的分子链结构和高的结晶性推断出其大变形本质是一种强迫高弹形变。本项目探索出一条分析高聚物材料形变机理的新技术途径，丰富和完善高聚物微观结构与宏观性能关系的基础理论，对高聚物材料成型加工和应用过程中的质量评价、预测和控制将具有一定的指导和参考意义，因此具有重要的学术价值和广阔的应用前景。