聚合物纤维丝弹性模量测量

        聚合物材料通常是晶体相和非晶体相的混合物，聚合物纤维丝在受拉状态下，材料在滑移和转动过程中产生塑性变形，发生与链间滑移相结合的链系矫直，晶体相沿最易取向定向排列，其机械特性也将随取向程度的变化而变化。不过，在与定向排列相垂直的方向上其晶体仍然呈各向异性排列。

        测量丝材的弹性模量多采用低频谐振技术。Ballou和Siverman采用图9-11所示的装置，通过测量声波的传播速度，测定了聚合物纤维丝的弹性模量。测量结果表明：弹性模量随取向度的增加而增加，但结晶度则保持不变。

图9-11  早期测量长细丝弹性模量的测量装置

         Nolle采用类似Ballou和Siverman所采用的方法，对填有炭黑的聚合物材料丁腈橡胶进行了研究，通过测量不同温度下相速度和声衰减随检测频率的变化(见图9-12)， 得到了不同温度下弹性模量随检测频率的变化曲线(见图9-13)。

图9-12  不同温度下相速度和声衰减随检测频率的变化             

       a）炭黑丁腈橡胶粘接纤丝的相速度-频率曲线                                  

   b）炭黑丁腈橡胶粘接纤丝的衰减-频率曲线                                  

图9-13  炭黑丁腈橡胶粘接纤丝的动态弹性

模量与频率之间的关系     

注：1dyne=10-5N

        Hillier和Kolsky借助聚乙烯、聚氯丁橡胶和尼龙研究了应力对弹性模量的影响以及聚合物中晶体相的取向效应。研究认为：聚氯丁橡胶在未拉伸时，其分子链是卷曲的。当施加应力时，分子链开始伸展，对应低的弹性模量，待分子链完全伸展之后继续拉伸，通过链束角度的改变可导致弹性模量相应升高。图9-14中的动态弹性模量与应变曲线说明：对聚乙烯和尼龙施加应力的直接效果是把链排列成行。起初的链系是随机取向的，存在着某些聚合物结晶集团。在施加应力的过程中，结晶体沿拉伸轴线方向定向排列，在完全排列成行之后，材料将呈弹性。从图9-15可以看出，在初始阶段动态弹性模量下降，随后平滑地上升直至材料被破坏。分析认为，动态弹性模量初始阶段的降低是拉伸过程中随机结晶集团解体引起的。当材料受到小的应变时，分子链的移动可能比未受应变的材料更为自由，在按最易取向排列之后，弹性模量相应增加。在接近破坏时，如果完全实现了按最易取向排列的话，单纯的Hookean(胡克)特性将不再延续，这可从聚乙烯纤丝10℃时的声速测量中反映出来(见图9-16)。

                 图9-14  聚氯丁橡胶纤丝的动态弹性                 

                                    模量与应变之间的关系                                   

                       注：1dyn=10-5N                      

图9-15  尼龙纤丝的动态弹性

模量与应变之间的关系  

注：1dyn=10-5N

图9-16  在10℃时聚乙烯纤丝的声

衰减和相速度的实验测量结果