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1、结构力学-矩阵位移法答案（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）第七章 矩阵位移法（参考答案）四、1、 2、， 3、4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、15、 16、 17、 18、 19、 20、21、 22、 23、 24、25、 26、 27、28、 29、 30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 ， 37、 38、 39、40、 41、 42、 43、 44、 45、 46、 47、(压 力 ) 48、49、 50、51、 52、 :/ paper.edu 聚氯乙烯/霞石复合材料的结构流变学及力学性能吴德
2、峰*,赵洪卫,吴兰峰,张明(扬州大学化学化工学院,江苏,扬州,225002王景清(江苏琼花集团,江苏,扬州,225111摘要:采用熔融共混制备了聚氯乙烯/霞石复合材料(PVC/NE,并对其形态、结构流变学和力学性能进行了测试。小振幅振荡剪切(SAOS测试结果表明,霞石用量存在着最佳值,用量过多对复合体系介观结构的贡献不大。形态及力学性能测试结果表明,霞石均匀分散在聚氯乙烯基体中,且填充量约为50phr时,复合体系冲击强度和表面硬度最佳。关键词:聚氯乙烯,霞石,复合材料,结构流变学,力学性能中图分类号:文献标识码:A 文章编号:Structural Rheology and Mechanic P
3、roperties of PolyvinylChloride/Nepheline CompositesWu De-feng, Zhao Hong-wei, Wu Lan-feng, Zhang Ming(School of Chemistry & Chemical Engineering, Yangzhou University, Jiangsu, Yangzhou, 225002,ChinaWang Jing-qing(Jiangsu Qionghua Group Co. LTD, Jiangsu, Yangzhou, 225111, ChinaAbstract: Polyvinyl Chl
4、oride/Nepheline composites (PVC/NE were prepared by melt mixing. The morphology and structural rheology as well as mechanic properties of PVC/NE were investigated. The results from small amplitude oscillatory shear (SAOS measurements show that the nepheline loadings present a best value and, the exc
5、essive addition of nepheline has few contributions to the mescoscopic structure of composites. The results from morphology and 收稿日期:*江苏省物理化学重点学科开放基金作者简介:吴德峰,江苏扬州人,1974年生,工学博士,副教授,主要从事聚合物复合材料的功能化,多相多组分复杂体系流变学等方向,0514-*-9115,dfwuyzu.edu mechanic properties characterization show that the nepheline is w
6、ell dispersed in PVC matrix. The impact strength and surface hardness of those PVC/NE composites with nepheline loadings of about 50phr are best.Keywords: PVC; Nepheline; Composites; Structural rheology; Mechanic properties聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC是最早工业化的塑料品种之一,也是产量较大的一种通用塑料,但其存在着热稳定性欠佳、抗冲性能较差等缺点,
7、因此,对于PVC的改性研究一直非常活跃。其中,PVC的增韧是其改性工作的一个重要方向。研究者们通常采用弹性体或聚烯烃与PVC共混来提高复合材料的冲击性能,但弹性体的引入往往又会导致材料加工性能的下降。因此采用刚性粒子如纳米CaCO3、纳米SiO2、硅灰石、凹凸棒、水滑石等对PVC进行填充改性成为提高PVC复合材料综合性能的又一途径之一。1霞石(Nepheline,NE又称为霞石正长岩(Nepheline Syenite。其主要成分是硅铝酸钾钠。在国外,霞石已广泛用于陶瓷材料、塑料和涂料填料,尤其是作为塑料与涂料的填充改性材料,由于其良好的物理力学性能、光学性能及卫生性而受到广泛的重视。2与其他
8、刚性粒子相比,采用霞石改性PVC的研究工作相对较少,且研究重点主要集中在PVC/霞石复合材料(PVC/NE的力学性能上。3本文则主要研究PVC/NE复合体系的结构流变学,目的在于找出流变行为与其内部介观结构和宏观力学性能间的相互联系,相关研究未见文献报道。1. 实验部分1.1 实验原料PVC:贵州遵义碱厂(型号SG5;霞石粉:嘉晋工业矿产(江阴;助剂:工业级硫酸铅,硅烷偶联剂YDH-560。1.2 实验设备转矩流变仪:HAAKE polylab型,Thermo Electron公司,美国;液压成型机:YJ-450型,余姚市华城液压机电,中国;平板硫化仪:DRO-110E型,无锡蠡园化工电子设备
9、厂,中国;扫描电镜(SEM:XL30-ESEM型,荷兰Philips 公司;旋转流变仪:RS600型,Thermo Electron公司,美国;微机控制电子万能试验机:(WDW_5,上海华龙测试仪器厂,中国;悬臂梁冲击试验机:江都试验机械厂,中国;电动塑料洛氏硬度计:XHRD-150型,中国。1.3 PVC/NE复合材料的制备称取一定量的霞石粉用偶联剂YDH-560表面处理后,按一定比例与PVC 及其助剂混合均匀,置于转矩流变仪中在150,转子转速50rpm/min 下共混8min 即得PVC/NE 复合材料。物料随后在160,15Mpa 下模压成型,以备测试。复合材料的质量组成及代号见表1。
10、表1 PVC/NE 复合材料的质量组成及代号Table 1 Abbreviation of the PVC/NE composites with various compositionsPVC/NE blend PVCNE10NE30NE50NE70NE90PVC100100 100 100 100 100NE0 10 30 50 70 901.4 性能测试扫描电子显微镜(SEM :将试样液氮冷冻脆断,断面喷金后在SEM 下观察表面形态,加速电压20kV 。流变行为测量:将样片置于20mm 平行板夹具中,升温至预设温度熔融,停留5min 以消除热历史;然后分别进行动态和稳态扫描。(a 动态应力
11、扫描:频率1Hz ,应力扫描范围0.01-100Pa ;(b 动态频率扫描:扫描范围0.01-100Hz ,固定应力50Pa 进行小振幅振荡剪切(SAOS 。力学性能测试:拉伸性能按GB/T1040-1993测试;U 型缺口冲击强度按GB/T1043-1992测试。2. 结果与讨论2.1 PVC/NE 复合材料相形态图1为PVC 和NE50试样断面的SEM 照片。可以看出,纯PVC 试样断面光滑,且应力条纹清晰规则,表现出脆性断裂的典型特征(见图1(a ;而填加了50质量份的霞石后,试样断面高低起伏,应力条纹紊乱,如图1(b 所示,说明霞石的加入在一定程度上增加了复合体系的韧性。 图1 (a
12、PVC 和(b NE50试样断面的SEM 照片,标尺100mFig 1 SEM photographs of (a PVC and (b NE50 samples at the magnitude of 200a b从图2(a 可以明显看出填入的霞石直径大小约2-3m ,且由于其表面的硅烷偶联剂与PVC 基体有较好的亲和力从而使两相具有较好的界面粘结;此外,由图2(b 可见,即便在填充了90phr 的霞石后,霞石在PVC 基体中分散依然比较均匀。 图2 (a NE10和(b NE90试样断面的SEM 照片 Fig 2 SEM photographs of (a NE10 and (b NE90
13、 samples2.2 PVC/NE 复合材料结构流变学一般而言,聚合物复合材料在熔融加工过程中的流动与变形会强烈影响材料最终的结构和性能。迄今为止,针对单一聚合物材料流变行为的研究已经有了大量的成果。4,5 然而,对于刚性粒子填充的聚合物复合材料其结构流变学的研究则相对较少。 G (P a Stress (PaV is c o s it y(P a .s Stress (Pa图3 动态应力扫描中PVC/NE复合体系(a 动态弹性模量和(b 动态复数粘度随应力的变化Fig 3 The dependence of (a dynamic storage modulus and (b complex
14、 viscosity on the stress forthe PVC/NE composites图3为PVC/NE 复合体系动态应力扫描结果。可以看出,在测试的应力范围内,霞石的填入不影响PVC 基体的线形粘弹范围,表明复合体系内部介观结构对施加的剪切变性并不敏感,从而仍然表现出典型的牛顿流动。这是由于PVC 基体本身就是一个高凝胶化体系所致。因此,接下来的小振幅振荡剪切(SAOS 的测试选取的应力为50Pa 。此外,复合体a b系无论是动态弹性模量还是复数粘度都随霞石含量的增加而逐渐上升,显然,高模量的霞石起着增强的作用。图4给出了PVC/NE 复合体系动态频率扫描结果。显然,与图3结果相
15、一致,随霞石含量增加,复合体系的弹性模量和复数粘度都逐渐上升。值得注意的是,即便是PVC 空白样,其低频区弹性模量的频率依赖性都非常弱,远远偏离了Cox-Merz 法则,说明PVC 基体本身就是一个非均相体系,凝胶化程度较高,这使其在低频区的流动表现出典型的非线性流动的特点,从而使粘度即使在低频范围内也没有牛顿平台,如图4(b 所示。随霞石的填入,复合体系低频区模量的斜率没有明显改变,这至少说明两点:(1霞石组分对PVC 凝胶化程度影响不大;(2高含量的霞石组分一旦形成逾渗网络结构,其对体系的粘弹性贡献也不如PVC 基体凝胶网络的贡献显著。 103104105106107108G (P a f
16、requency (Hz101010101010v i s c o s i t y (P a .s frequency (Hz图4 动态频率扫描中PVC/NE 复合体系(a 动态弹性模量和(b 动态复数粘度随频率的变化Fig 4 The dependence of (a dynamic storage modulus and (b complex viscosity on the frequencyfor the PVC/NE composites那么,霞石的用量对复合体系粘弹性的贡献究竟如何呢?图5显示了霞石含量对复合体系能够反映结构松弛信息的低频模量的影响。显然,随霞石含量增加,模量迅速上
17、升,但逐渐趋于平缓。这意味着霞石用量存在着最佳值,而一旦当霞石用量过多,则对复合体系的介观结构贡献不大甚至会在一定程度上破坏结构的完善性,从而就有可能影响到复合材料的宏观性能。6,7 为了进一步证明从结构流变学中得到的结论,接下来的实验对PVC/NE 复合体系的力学性能进行了测试。 :/ paper.edu 10 7 G0.1Hz (Pa 10 6 10 5 0 20 40 60 80 100 NE (phr 图 5 PVC/NE 复合体系 0.1Hz 下的动态弹性模量随霞石含量变化图 Figure 5 The curves of dynamic storage modulus at 0.01
18、Hz as a function of nepheline loadings for the PVC/NE composites 2.3 PVC/NE 复合材料力学性能 图 6 为霞石含量对 PVC/NE 复合体系洛氏硬度的影响。 可以看出， 随着霞石的加入，PVC 的表面硬度明显提高，但是随着填加量的越来越大，表面硬度的增加幅度变小。一方面由于 霞石颗粒与聚合物紧密结合， 导致聚合物间自由体积降低； 同时霞石本身的高硬度使其具有 较强的抗形变能力，从而使复合体系表面硬度增加。随其含量增高，体系表面粒子增多，体 系硬度不断提高。而当表面粒子达到饱和时，硬度则不再明显提升，基本保持不变。8 因
19、此，霞石用量为 40-50phr 是合适的，过多对 PVC/NE 复合体系洛氏硬度的贡献不大。 100 90 HRM 80 70 60 0 20 40 60 80 100 NE (phr 图 6 PVC/NE 复合体系洛氏硬度随霞石含量变化图 Fig 6 The curves of Rockwell hardness as a function of nepheline loadings for the PVC/NE composites 图 7 则给出了霞石含量对 PVC/NE 复合体系冲击强度的影响。可以看出，当霞石填加 10-50phr 时，复合体系抗冲性能有所提高，这已在 SEM 测试
20、结果中得以证明。而霞石用量 6 :/ paper.edu 超过 50phr 时，体系的抗冲性能呈降低趋势。当霞石含量较低时，吸收能量的主要是界面变 形与材料的断裂，应力传递只沿受力平面方向进行，此时抗冲击强度不大；当含量进一步提 高时，材料与填料的界面发生形变， 使应力在三维方向传递，扩大受力面积，同时基材发 生屈服而引起塑性变形，此时抗冲击强度提高幅度最大；而当含量过高时，由于基材的受冲 击面积减少及塑性变形少，所吸收的冲击能减少，此时的抗冲击强度有所下降。因此，合适 的霞石用量约为 50phr，过多反而会使 PVC/NE 复合体系冲击强度降低。显然，力学性能测 试的结果与结构流变学的分析相
21、一致。 6 Impact strength (kJ/m 2 5 4 3 2 0 20 40 60 80 100 NE (phr 图 7 PVC/NE 复合体系冲击强度随霞石含量变化图 Fig 7 The curves of impact strength as a function of nepheline loadings for the PVC/NE composites 3. 结论 （1）对于霞石填充的 PVC 复合材料，霞石组分对 PVC 凝胶化程度影响不大；即便高 含量的霞石组分形成逾渗网络结构，其对体系弹性的贡献也不如 PVC 基体凝胶网络的贡献 显著。 （2）霞石填充量约为 50
22、phr 时， PVC/NE 复合体系冲击强度和表面硬度达到最佳值。 过多则贡献不大，甚至反而可能使性能下降。 参考文献 1 付东升，朱光明塑料科技 J2003， （3） ：60-64 2 李瑞海，盛兆碧，何贵才四川联合大学学报1999，3（6） ：47-51 3 何贵才，李瑞海，盛兆碧矿产综合利用1999， （2） ：28-30 7 :/ paper.edu 4 周持兴，俞炜聚合物加工理论北京：科学出版社，2004 5 周持兴，俞炜聚合物流变学实验与应用上海：上海交通大学出版社，2003 6 Wu D F, Zhou C X, Zheng H, Mao D L, Zhang B. Polym
23、Degrad & Stab, 2005, 87: 511 8 Wu D F, Zhou C X, Yu W, Xie F. J Polym Sci Part B Polym Phys, 2005, 43: 2807 8 胡圣飞中国塑料1999 （6） ：29 8 心肺复苏法猝死、溺水、触电、窒息、中毒、失血过多时，常会造成心脏停跳。心跳、呼吸骤停的急救，简称心肺复苏，主要有人工呼吸法和胸外挤压法。人工呼吸法：应急要点将病人头偏向一侧，清除病人口鼻中的异物，然后用一只手按住病人的脑门儿，另一只手的食指、中指将他的下巴托起，使头向后仰。眼睛注视病人胸部，看胸部是否有起伏。脸颊靠近病人口鼻,感觉是否
24、有空气流动，以确定病人是否呼吸停止。人工呼吸法：保持呼吸道打开的状态，用拇指、食指捏紧病人鼻孔，吸足一口气后，用嘴严密地包住病人的嘴，以中等力量将气吹入病人口内，不要漏气。当看到病人的胸廓扩张时停止吹气，离开病人的口唇，松开手指，施救者再侧转头吸入新鲜空气。反复进行2次，每次成人2秒钟，儿童为1至1.5秒钟。吹气两次后，施救者将食指和中指放到病人的喉结处，再向外滑至同侧气管与颈部肌肉所形成的沟中,按压观察10秒钟，感觉颈动脉是否有搏动。如果没有搏动，应开始配合实施胸外按压。胸外按压法：施救者以靠近病人下肢的手（又叫定位手）的中指沿病人的肋缘自下而上移动至肋缘交会处，伸出食指与中指并排，另一手掌根部置于此两指旁，再以定位手叠放于这只手的手背上，手指相扣，贴腕跷指，手指跷起不要压到胸肋，以髋关节（大胯）用力，肘关节伸直向下压（垂直用力），手掌下压深度为3.5至4.5厘米，每分钟约做100次。连续对病人实施心肺复苏法，尽量不要停止，直到病人恢复呼吸、脉搏，或有专业急救人员到达现场。专家提醒心跳骤停3至4分钟内，可实施心肺复苏法。进行胸外心脏按压时，只用掌根部，手指不要压病人胸肋，以免造成肋骨骨折。在实施胸外心脏按压的同时，应交替进行人工呼吸。通常单人抢救时每做30次胸外按压做2次人工呼吸，双人抢救时与单人抢救比例相同。