塑料的热力学性能分析

塑料的物理、力学性能与温度密切相关，温度变化时塑料的受力行为发生变化，呈现出不同的物理状态，表现出分阶段的力学性能特点。塑料在受热时的物理状态和力学性能对塑料的成型加工有着非常重要的意义。

1、塑料的热力学性能

塑料在不同的温度下所表现出来的分子热运动特征称为聚合物的物理状态。

热塑性塑料的物理状态分为玻璃态（结晶型聚合物亦称结晶态）、高弹态和粘流态。图1-3所示为线型无定形聚合物和线型结晶型聚合物受恒定压力时变形程度与温度关系的曲线，也称热力学曲线。

（1） 线型无定形聚合物在受热时的物理状态

1） 玻璃态

塑料在温度1以下的状态是坚硬的固体，称之处于玻璃态，它是大多数塑件的使用状态。处于此状态的塑料，在外力作用下分子链只能发生很小的弹性变形并且弹性变形服从胡克定律。

1称为玻璃化温度，是聚合物从玻璃态转变为高弹态（或高弹态转变为玻璃态）的临界温度，是多数塑料使用的上限温度，也是合理选择塑料的重要参数。

聚合物在1以下还存在一个脆化温度1，聚合物在此温度下受力很容易断裂，所以1是塑料使用的下限温度。1~2的范围越宽，表明塑料的使用温度范围越宽广。

2） 高弹态

当塑料受热温度超过3时，由于聚合物的链段运动，塑料进入高弹态。处于这一状态的塑料类似橡胶状态的弹性体，其形变能力显著增大，但仍具有可逆的形变性质。从图1.3曲线1可以看到，线型无定形聚合物有明显的高弹态。

图1-3 线型聚合物的热力学曲线 
1—线型无定形聚合物 2—线型结晶聚合物

3） 粘流态

当塑料受热温度超过1时，由于分子链的整体运动，塑料开始有明显的流动，塑料开始进入粘流态变成粘流液体，通常也称之为熔体。在这种状态下，塑料熔体在不太大的外力作用下就能引起宏观流动，此时形变主要是不可逆的塑性形变，一经成型和冷却后，其形变会永远保持下来。

1称为粘流温度，是聚合物从高弹态转变为粘流态（或从粘流态转变为高弹态）的临界温度。当塑料继续加热至温度1时，聚合物开始分解变色。1称为热分解温度，是聚合物在高温下开始分解的临界温度，聚合物的分解会降低产品的物理性能、力学性能或产生外观不良等缺陷。1是塑料成型加工的重要的参考温度，1~1的范围越宽，塑料成型加工就越容易进行。

（2）线型结晶型聚合物在受热时的物理状态

对于线型结晶型聚合物，它与上述的无定形聚合物在热力学曲线上的主要区别有两点：一是和1对应的温度叫熔点1，是结晶型聚合物熔融和凝固之间的临界温度；二是从曲线2可看到，；线型结晶型聚合物在1~1之间无明显的高弹态，称之为结晶态。但结晶型聚合物一般不可能完全结晶，都含有非结晶的部分，所以它们在高弹态温度阶段仍能产生一定程度的变形，只不过比较小而已。

由于线型结晶型聚合物不存在明显的高弹态，可在1~1之间的温度范围内使用，扩大了使用温度范围。

（3）热固性塑料在受热时的物理状态

热固性塑料在受热时伴随着化学反应，它的物理状态变化与热塑性塑料明显不同。开始加热时，由于树脂是线型结构，和热塑性塑料相似，加热到一定温度时树脂分子链运动的结果使之很快由固态变成粘流态，这使它具有成型的性能。

但这种流动状态存在的时间很短，很快由于化学反应的作用，分子结构变成网状，塑料硬化变成坚硬的固体。再加热分子运动仍不能恢复，化学反应继续进行，分子结构变成体型，塑料还是坚硬的固体。当温度升到一定值时，塑料开始分解，即遇热不熔，高温时则分解。