《Mechanics of Solid Polymers》-1.1-1.3

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1.1 简介

聚合物是一类广泛使用的材料，包括传统的工程材料，如弹性体（橡胶）、热塑性塑料和大多数类型的粘合剂。除了这些人造材料外，许多天然和生物物质也是聚合物，例如DNA、蛋白质、皮肤组织、头发等等。尽管这些材料在行为上显然有所不同（基于我们的日常经验），但它们在力学响应方面有许多重要的共同特征。本文的目的是概述这些特征，并使用分析或计算工具来预测力学响应。在详细讨论这些主题之前，有必要对聚合物材料的历史做基本介绍，并了解聚合物加工和聚合物力学的基础知识。本章为接下来的分析奠定了基础，并介绍了以下讨论所需的定义和术语。

1.2 什么是聚合物？

要回答这个问题，首先问一个很有启发性的补充性问题：什么不是聚合物？事实证明，所有的固体材料都可以分为三种基本类型：金属、陶瓷或聚合物。除了这些基本材料类型，还有两组可以被视为这些类型的子集或组合：复合材料和半导体。让我们从金属开始考虑：金属是一种材料，其中原子通过金属键（图1.1）相互结合。正电子之间的强相互作用和电子的离域使得金属具有诸如良好的导热性和导电性等特征。金属键允许相对滑动大量原子，从而实现塑性变形和延展性[1]。同样，陶瓷材料可以被定义为一种材料，其中原子通过正负离子形成的离子键（图1.2）相互结合。许多陶瓷材料具有高的抗压强度，但缺乏可塑性。最后，聚合物是一种材料，其特点是原子通过共价键（图1.3）相互结合。共价键是原子间最强的键，但其特点是相对固定的，因此聚合物的塑性变形和延展性都很低。

图1.1 金属中的原子结合方式

图1.2 陶瓷材料中原子结合方式

图1.3 聚合物的微观结构包含许多不同的尺度。在最局部的水平上，

原子团单体（a）单体连接成分子链（b）分子链形成大分子网络（c）

许多陶瓷材料具有良好的刚度和抗压强度特性，特别是在高温下[2]。在陶瓷材料中，电子被紧密地固定，导热和导电性很差。第三种主要材料类型是聚合物。作为非正式的定义，聚合物是一种具有许多不同长度尺度的材料（图1.3）。在最局部的尺度上，原子被排列成单体单位，并使用共价键相互结合。单体单位然后被连接成长链状结构。不同的大分子（有时被称为分子链）可以通过交联或缠结排列成网络结构，它们通过弱范德华力相互作用。聚合物主链的原子由共价键相互结合，共享电子，从而产生非常强大的键，电子移动性非常小（图1.4）。因此，聚合物通常是导热和导电性差的。分子之间的弱键创造了非常有趣的力学特性，其特点是低刚度和高延展性。这些特征行为的细节以及如何对其进行建模将在本书的后续章节中给出。

图1.4 聚合物分子中的原子由共价键相互结合

1.3 聚合物的种类

由于聚合物和聚合物行为的广泛多样性，将聚合物分类为不同的组别通常是很有用的。一种方法是区分天然聚合物和合成聚合物（图1.5）。天然聚合物，也称为生物聚合物，包括各种各样的材料。例如，所有的植物和动物主要由生物聚合物组成。植物通常由纤维素（例如棉花和木材）或淀粉（例如土豆和胡萝卜）构成，两者都是多糖类物质。另一种常见的天然聚合物是蛋白质，是由氨基酸形成的。其他生物聚合物的例子有：DNA、RNA、肽、酶、皮肤、头发、丝绸和几丁质。人造聚合物，也称为合成聚合物，包括大多数传统的工程聚合物，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和丁腈橡胶。

图1.5 天然聚合物和合成聚合物的分类

另一种有用的聚合物分类方法是分热塑性和热固性（图1.6）。热塑性是一种不会永久交联的聚合物，在加热时会变软并可以重新塑形。热塑性通常可以反复经受温度循环而不会发生明显的降解，因此适合回收利用。热固性是一种通过添加能量（通常是热能或辐射）交联（固化）的聚合物。在固化过程中，大分子被交联并永久性地包含在分子网络结构中。热固性通常比热塑性更坚硬、更强，但不能重新塑形或熔化。

图1.6 热塑性塑料和热固性塑料的分类

聚合物的第三种分类方法是分为非晶态和半晶态聚合物（图1.7）。在非晶态聚合物中，聚合物分子形成一种缠结的网络，其特征是随机性和缺乏长程结构。在半晶态聚合物中，分子结构的部分是晶体，部分是非晶态的。晶体结构通常被认为是由分层的层状晶体组成的（图1.8）。在更大的尺度上，非晶态和晶体相经常聚集形成超分子结构。这些特点将在本书的后续章节中更详细地讨论。

当晶化发生时，如果没有流动或机械变形，球状晶是最常见的晶体结构形式。聚合物结晶动力学非常复杂，仍然是一个活跃的研究领域。非晶态和半晶态聚合物通常表现出不同的力学行为。半晶态聚合物具有真正的熔点（Tm），在该温度下，晶体区域破碎并变得无序。非晶态聚合物没有熔点，但在其玻璃转变温度（Tg）以上会显著变软。在Tg以上的温度，大的片段运动被激活，聚合物开始表现出液态的特性。

在过去几年中，为聚合物工业提供可持续和生物友好的产品变得越来越重要 [3]。这一趋势受到全球可持续技术的推动和强调。目前有许多不同的聚合物产品可用，它们基于可再生资源，并且易于回收和利用。聚乳酸（PLA）就是其中一个例子。这种聚合物是从玉米合成的，在使用后可以在堆肥条件下生物降解。在许多应用中，PLA是PET和PVC的替代品，它目前被用于糖果包装、光学膜和热收缩标签等。PLA的主要缺点是比一些传统的工程聚合物密度稍高和价格稍高。