熱機械分析法測定聚合物的溫度－形變曲線 

 

      熱機械分析法（TMA）是測定聚合物力學性質變化的一種重要方法。它是在程序控制溫度下，測定聚合物在非振動負荷下形變與溫度關系的一種技術。實驗時對具有一定形狀的聚合物樣品上施加恒定外力，在一定范圍內改變溫度，觀察樣品隨溫度變化而發生形變的情況，以形變或相對形變對溫度作圖，所得的曲線，通常稱為溫度-形變曲線，又稱為熱機械曲線。根據所測樣品的溫度－形變曲線就可以得到樣品在不同溫度時的力學性質。  

1．掌握測定聚合物溫度－形變曲線的方法。 

2．測定聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的玻璃化轉變溫度Tg，粘流溫度Tf；加深對線型非晶聚合物的三種力學狀態理論的認識。 

3．掌握現代精密儀器熱機械分析儀（NETZSCH TMA202）的使用  

     材料的力學性質是由其內部結構通過分子運動所決定的，對于聚合物材料，由于其結構單元的多重性而導致了運動單元的多重性。它們的運動又具有溫度依賴性，所以，在不同的溫度下，外力恒定時，聚合物可以呈現不同的力學行為，這些性質及轉變都可以被溫度－形變曲線反映出來。測定溫度－形變曲線，是研究聚合物力學性質的一種重要方法。聚合物的許多結構因素（包括化學結構、分子量、結晶、交聯、增塑和老化）的改變，都會在溫度形變曲線上有明顯的反映，因而材料的溫度－形變曲線，也可以提供許多關于試樣內部結構的信息，了解聚合物分子運動與力學性能的關系，并分析聚合物的結構形態，如結晶、交聯、增塑、分子量等，可以得到聚合物的特性轉變溫度，如：玻璃化轉變溫度Tg,,粘流溫度Tf和熔點等，對于評價被測試樣的使用性能，確定適用溫度范圍和選擇加工條件很有實用意義。     www.hpmila.cn

      對于線型非晶聚合物有三種不同的力學狀態：玻璃態，高彈態，粘流態。溫度足夠低時，高分子鏈和鏈段的運動被“凍結”，外力的作用只能引起高分子鍵長和鍵角的變化，因此，聚合物的彈性模量大，形變－應力關系服從虎克定律，其機械性能與玻璃相似，表現出硬而脆的物理機械性質，這時聚合物處于玻璃態，在玻璃態溫度區間內，聚合物的這種力學性質變化不大，因而在溫度—形變曲線上玻璃區是接近橫坐標的斜率很小的一段直線(見圖1)；隨著溫度的上升，分子熱運動能量逐漸增加，到達玻璃化轉變溫度Tg后，分子運動能量已經能夠克服鏈段運動所需克服的位壘，鏈段首先開始運動，這時聚合物的彈性模量驟降，形變量大增，表現為柔軟而富于彈性的高彈體，聚合物進入高彈態，溫度－形變曲線急劇向上彎曲，隨后基本維持在一“平臺”上。溫度進一步升高至粘流溫度Tf，整個高分子鏈能夠在外力作用下發生滑移，聚合物進入粘流態，成為可以流動的粘液，產生不可逆的永久形變，在溫度－形變曲線上表現為形變急劇增加，曲線向上彎曲。