目 录

正式出版教材

高分子材料与工程专业实验教程/1

高分子化学实验教程/27

高分子化学实验讲义/33

高分子物理实验讲义/70

材料化学实验讲义/108

材料物理实验讲义/120

无机非金属实验讲义/144

塑料工艺实验讲义/186

橡胶工程实验讲义/215

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高分子化学实验讲义

材料学院材料化学教研室

2006.9

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1

目 录

第一部分 聚合方法……………………………………………………………………… 2

第二部分 实验…………………………………………………………………………… 9

实验一 甲基丙稀酸甲酯的本体聚合及其热机曲线测试……………………………… 9

实验二 苯乙烯的悬浮聚合……………………………………………………………… 14

实验三 醋酸乙烯乳液聚合……………………………………………………………… 16

实验四 溶液聚合----聚醋酸乙烯酯的合成…………………………………………… 19

实验五 脲醛树脂的制备………………………………………………………………… 21

实验六 环氧树脂的制备………………………………………………………………… 24

实验七 引发剂分解速率常数的测定…………………………………………………… 27

第三部分 附录………………………………………………………………………… 30

附录一 高分子化学实验须知…………………………………………………………… 30

附录二 高分子实验室安全制度………………………………………………………… 30

附录三 常用仪器操作规定……………………………………………………………… 30

附录四 单体的精制……………………………………………………………………… 33

附录五 引发剂的精制…………………………………………………………………… 33

附录六 聚合物精制……………………………………………………………………… 34

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2

第一部分 聚合方法

1．概述

与无机、有机合成不同，聚合物合成除了要研究反应机理外，还存在一个聚合方法问

题，即完成一个聚合反应所采用的方法。从聚合物的合成看，第一步是化学合成路线的研

究，主要是聚合反应机理、反应条件（如引发剂、溶剂、温度、压力、反应时间等）的研 究；

第二步是聚合工艺条件的研究，主要是聚合方法、原料精制、产物分离及后处理等研究。

聚合方法的研究虽然与聚合反应工程密切相关，但与聚合反应机理亦有很大关联。

聚合方法是为完成聚合反应而确立的，聚合机理不同，所采用的聚合方法也不同。连

锁聚合采用的聚合方法主要有本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合和乳液聚合。进一步看，由

于自由基相对稳定，因而自由基聚合可以采用上述四种聚合方法；离子型聚合则由于活性

中心对杂质的敏感性而多采用溶液聚合或本体聚合。逐步聚合采用的聚合方法主要有熔融

缩聚、溶液缩聚、界面缩聚和固相缩聚。

反应机理相同而聚合方法不同时，体系的聚合反应动力学、自动加速效应、链转移反

应等往往有不同的表现，因此单体和聚合反应机理相同但采用不同聚合方法所得产物的分

子结构、相对分子质量、相对分子质量分布等往往会有很大差别。为满足不同的制品性能，

工业上一种单体采用多种聚合方法十分常见。如同样是苯乙烯自由基聚合 ( 相对分子 质

量 100000～400000, 相对分子质量分布 2～4), 用于挤塑或注塑成型的通用型聚苯乙烯

(GPS) 多采用本体聚合，可发型聚苯乙烯 (EPS) 主要采用悬浮聚合，而高抗冲聚苯乙烯

(HIPS) 则采用溶液聚合-本体聚合联用。聚合体系和实施方法示例见表1-1。

表 1-1聚合体系和实施方法示例

聚合物-单体〈或溶剂〉体系 单体-介质体系 聚合方法

均相聚合 沉淀聚合

本体聚合

气态 乙烯高压聚合 -

液态 苯乙烯、丙烯酸醋类 氯乙烯、丙烯睛

均相体系 固态 - 丙烯酷胶

苯乙烯-苯 苯乙烯-甲醇

溶液聚合 丙烯酸-水 丙烯酸-己烧

丙烯脯-二甲基甲酷胶 丙烯睛-水

悬浮聚合 苯乙烯 氯乙烯

非均相体系 甲基丙烯酸甲醋 -

乳液聚合 苯乙烯、丁二烯 氯乙烯

聚合方法本身没有严格的分类标准，它是以体系自身的特征为基础确立的，相互间既

有共性又有个性 ， 从不同的角度出发可以有不同的划分。上面所介绍的聚合方法种类，

主要是以体系组成为基础划分的。如以最常用的相溶性为标准，则本体聚合、溶液聚合、

熔融缩聚和溶液缩聚可归为均相聚；悬浮聚合、乳液聚合、界面缩聚和固相缩聚可归为非

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均相聚合。但从单体-聚合物的角度看，上述划分并不严格。如聚氯乙烯不溶于氯乙烯，

则氯乙烯不论是本体聚合还是溶液聚合都是非均相聚合；苯乙烯是聚苯乙烯的良溶剂，则

苯乙烯不论是悬浮聚合还是乳液聚合都为均相聚合；而乙烯、丙烯在短类溶剂中进行配位

聚合时，聚乙烯、聚丙烯将从溶液中沉析出来成悬浮液，这种聚合称为溶液沉淀聚合或淤

浆聚合。如果再进一步，则需要考虑引发剂、单体、聚合物、反应介质等诸多因素间的互

溶性，这样问题会更复杂。

2. 本体聚合

不加其他介质，单体在引发剂或催化剂或热、光、辐射等其他引发方法作用下进行的

聚合称为本体聚合。对于热引发、光引发或高能辐射引发，则体系仅由单体组成。

引发剂或催化剂的选用除了从聚合反应本身需要考虑外，还要求与单体有良好的相溶

性。由于多数单体是油溶性的，因此多选用油溶性引发剂。此外，根据需要再加入其他试

剂，如相对分子质量调节剂、润滑剂等。

本体聚合的最大优点是体系组成简单，因而产物纯净，特别适用于生产板材、型材等

透明制品。反应产物可直接加工成型或挤出造粒，由于不需要产物与介质分离及介质回收

等后续处理工艺操作，因而聚合装置及工艺流程相应也比其他聚合方法要简单，生产成本

低。各种聚合反应几乎都可以采用本体聚合，如自由基聚合、离子型聚合、配位聚合等。

缩聚反应也可采用 ， 如固相缩聚、熔融缩聚一般都属于本体聚合。气态、液态和固态单

体均可进行本体聚合，其中液态单体的本体聚合最为重要。

本体聚合的最大不足是反应热不易排除。转化率提高后，体系蒙古度增大，出现自动

加速效应，体系容易出现局部过热，使副反应加剧，导致相对分子质量分布变宽、支化度

加大、局部交联等；严重时会导致聚合反应失控，引起爆聚。因此控制聚合热和及时地散

热是本体聚合中一个重要的、必须解决的工艺问题。由于这一缺点本体聚合的工业应用受

到一定的限制 ，不如悬浮聚合和乳液聚合应用广泛。本体聚合工业生产实例见 表 1-2 。

3. 溶液聚合

单体和引发剂或催化剂溶于适当的溶剂中的聚合反应称为溶液聚合。溶液聚合体系主

要由单体、引发剂或催化剂和溶剂组成。

引发剂或催化剂的选择与本体聚合要求相同。由于体系中有溶剂存在，因此要同时考

虑在单体和溶剂中的溶解性。

溶液聚合中溶剂的选择主要考虑以下几方面：溶解性，包括对引发剂、单体、聚合物

的溶解性；活性，即尽可能的不产生副反应及其他不良影响，如反应速率、微观结构等；

此外，还应考虑的方面有易于回收、便于再精制、无毒、易得、价廉、便于运输和贮 藏等。

溶液聚合为一均相聚合体系，与本体聚合相比最大的好处是溶剂的加入有利于导出聚

合热 ，同时利于降低体系粘度，减弱凝胶效应，在涂料、粘合剂等领域应用时聚合液可直

接使用而无需分离。

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4

溶液聚合的不足是加入溶剂后容易引起诸如诱导分解、链转移之类的副反应；同时溶

剂的回收、精制增加了设备及成本，并加大了工艺控制难度。另外，溶剂的加入一方面降

低了单体及引发剂的浓度，致使溶液聚合的反应速率比本体聚合要低；另一方面降低了反

应装置的利用率。因此，提高单体浓度是溶液聚合的一个重要研究领域。溶液聚合工业生

产实例见表 1-3 。

表 1-2 本体聚合工业生产实例

聚合物 引发剂 工艺过程 产品特点与用途

聚甲基丙烯酸甲醋 BPO或AIBN 第段预聚到转化率10%左右的粘稠浆液，

浇模升温聚合,高温后处理，脱模成材

光学性能优于无机璃,可用作航空玻璃、光导

纤维、标牌等

聚苯乙烯 BPO或热引发

第一段于80~90℃预聚到转化率30%～

35%,流入聚合塔,温度由160℃递增至225

℃聚合，最后熔体挤出造粒

电绝缘性好、透明、易染色、易加工。多用于家

电与仪表外亮、光学零件、生活日用品等

聚氯乙烯 过氧化乙酷基磺酸

第一段预聚到转化率7%～11%,形成颗粒骨

架,第二阶段继续沉淀聚合,最后以粉状出

料

具有悬浮树脂的疏松特性,且无皮膜、较纯净

高压聚乙烯 微量氧 管式反应器,180～200℃、150～20OMPa连

续聚合,转化率15%～30%熔体挤出出料

分子链上带有多个小支链,密度低(LDPE),结晶

度低,适于制薄膜

聚丙烯 高效载体配位催化剂 催化剂与单体进行预聚,再进入环式反应

器与液态丙烯聚合,转化率40%出料 比淤浆法投资少40%～50%

表 1-3 溶液聚合工业生产实例

单 体 引发剂或催化剂 溶 剂 聚合机理 产物特点与用途

AIBN 硫氢化钠水溶液 自由基聚合 纺丝液 丙烯腊

氧-还体系 水 自由基聚合 配制纺丝液

醋酸乙烯醋 AIBN 甲醇 自由基聚合 制备聚乙烯醇、维纶的原料

丙烯酸醋类 BPO 芳烃 自由基聚合 涂料、粘合剂

配位催化剂 正己烷 配位聚合 顺丁橡胶 丁二烯

BuLi 环己烷 阴离子聚合 低顺式聚丁二烯

异丁烯 BF3 异丁烷 阳离子聚合 相对分子质量低。用于粘合剂、密封材料

4. 悬浮聚合

单体以小液滴状悬浮在分散介质中的聚合反应称为悬浮聚合。体系主要由单体、引发

剂、悬浮剂和分散介质组成。

单体为油溶性单体，要求在水中有尽可能小的溶解性。引发剂为油溶性引发剂，选择原

则与本体聚合相同。分散介质为水，为避免副反应，一般用无离子水。悬浮剂的种类不同，

作用机理也不相同。水溶性有机高分子为两亲性结构，亲泊的大分子链吸附于单体液滴表面，

分子链上的亲水基团靠向水相，这样在单体液滴表面形成了一层保护膜，起着保护液滴的作

用。此外，聚乙烯醇、明胶等还有降低表面张力的作用，使液滴更小。非水溶性元机粉末主

要是吸附于液滴表面，起一种机械隔离作用。悬浮剂种类和用量的确定随聚合物的种类和颗

粒要求而定。除颗粒大小和形状外，尚需考虑产物的透明性和成膜性能等。

在正常的悬浮聚合体系中，单体和引发剂为一相，分散介质水为另一相。在搅拌和悬

浮剂的保护作用下，单体和引发剂以小液滴的形式分散于水中。当达到反应温度后，引发

剂分解， 聚合开始。从相态上可以判断出聚合反应发生于单体液滴内。这时，对于每一个

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单体小液滴来说，相当于一个小的本体聚合体系，保持有本体聚合的基本优点。由于单体

小液滴外部是大量的水，因而液滴内的反应热可以迅速地导出，进而克服了本体聚合反应

热不易排出的缺点。

悬浮聚合的不足是体系组成复杂，导致产物纯度下降。另一方面，聚合后期随转化率

提高 , 体系内小液滴变粘，为防止粒子结块，对悬浮剂种类、用量、搅拌桨形式、转速等

均有较高要求。悬浮聚合工业生产实例见表 1-4 。

表 1- 4 悬浮聚合工业生产实例

单体 引发剂 悬浮剂 分散介质 产物用途

氯乙烯 过碳酸酯-过氧化二月桂酰 羟丙基纤维素-部分水解PVA 无离子水 各种型材、电绝缘材料、薄膜

苯乙烯 BPO PVA 无离子水 珠状产品

甲基丙烯酸甲醋 BPO 碱式碳酸镁 无离子水 珠状产品

丙烯酷胶 过硫酸钾 Span-60 庚烷 水处理剂

5. 乳液聚合

单体在水介质中，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合称为乳液聚合。体系主要由单

体、引发剂、乳化剂和分散介质组成。

单体为油溶性单体，一般不溶于水或微溶于水。引发剂为水溶性引发剂，对于氧化-还

原引发体系，允许引发体系中某一组分为水溶性。分散介质为无离子水，以避免水中的各

种杂质干扰引发剂和乳化剂的正常作用。

乳化剂是决定乳液聚合成败的关键组分。乳化剂分子是由非极性的经基和极性基团两

部分组成。根据极性基团的性质可将乳化剂分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型

几类。

除了以上主要组分，根据需要有时还加入一些其他组分，如第二还原剂、pH 调节剂、

相对分子质量调节剂、抗冻剂等。

乳液聚合的一个显著特点是引发剂与单体处于两相，引发剂分解形成的活性中心只有

扩散进增溶胶束才能进行聚合，通过控制这种扩散，可增加乳胶粒中活性中心寿命，因而

可得到高相对分子质量聚合物，通过调节乳胶粒数量，可调节聚合反应速率。与上述几种

聚合方法相比，乳液聚合可同时提高相对分子质量和聚合反应速率，因而适宜一些需要高

相对分子质量的聚合物合成，如第一大品种合成橡胶 ( 丁苯橡胶 ) 即是采用的乳液聚合。

对一些直接使用乳液的聚合物，也可采用乳液聚合。与悬浮聚合相比，由于乳化剂的作用

强于悬浮剂，因而体系稳定。

乳液聚合的不足是聚合体系及后处理工艺复杂。

6. 熔融缩聚

在单体、聚合物和少量催化剂熔点以上 ( 一般高于熔点 10～25 ℃ ) 进行的缩聚反

应称为熔融缩聚。熔融缩聚为均相反应，符合缩聚反应的一般特点，也是应用十分广泛的

聚合方法。

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熔融缩聚的反应温度一般在200℃以上。对于室温反应速率小的缩聚反应，提高反应温

度有利于加快反应，但即使提高温度熔融缩聚反应一般也需数小时。对于平衡缩聚，温度

高有利于排出反应过程中产生的小分子，使缩聚反应向正向发展，尤其在反应后期，常在

高真空下进行或采用薄层缩聚法。由于反应温度高，在缩聚反应中经常发生各种副反应，

如环化反应、裂解反应、氧化降解、脱竣反应等。因此，在缩聚反应体系中通常需加入抗

氧剂且反应在惰性气体( 如氮气 )保护下进行。由于熔融缩聚的反应温度一般不超过300

℃，因此制备高熔点的耐高温聚合物需采用其他方法。

熔融缩聚可采用间歇法，也可采用连续法。工业上合成涤纶、醋交换法合成聚碳酸酯、

聚酰胺等，采用的都是熔融缩聚。

7. 溶液缩聚

单体、催化剂在溶剂中进行的缩聚反应称为溶液缩聚。根据反应温度，可分为高温溶

液缩聚和低温溶液缩聚，反应温度在100℃以下的称为低温溶液缩聚。由于反应温度低，一

般要求单体有较高的反应活性。从相态上看，如产物溶于溶剂，为真正的均相反应；如不溶

于溶剂，产物在聚合过程中由体系中自动析出，则是非均相过程。

溶液缩聚中溶剂的作用十分重要，一是有利于热交换，避免了局部过热现象，比熔融

缩聚反应缓和、平稳；二是对于平衡反应，溶剂的存在有利于除去小分子，不需真空系统，

另外对于与溶剂不互溶的小分子，可以将其有效地排除在缩聚反应体系之外。如聚酰胺副

产物为水 , 可选用与水亲和性小的溶剂，当小分子与溶剂可形成共沸物时，可以很方便地

将其夹带出体系。如在聚酯反应中，溶剂甲苯可与副产物水形成水含量20% 、沸点为81.4

℃的共沸物，这种反应有时称为恒沸缩聚。而当小分子沸点较低时，可选用高沸点溶剂，

使小分子在反应过程中不断蒸发；三是对于不平衡缩聚反应，溶剂有时可起小分子接受体

的作用，阻止小分子参与的副反应发生，如二元胺和二元酰氯的反应，选用碱性强的二甲

基乙酰胺或吡啶为溶剂，可与副产物HCl很好地结合，阻止HCl与氨基生成非活性产物；四

是起缩合剂作用，如合成聚苯并咪唑时，多聚磷酸既是溶剂又是缩合剂。

与溶液聚合相同，溶液缩聚时溶剂的选择很重要，需注意以下几方面：一是溶解性，尽

可能地使体系为均相反应，例如对二苯甲烷-4,4- 二异氰酸酯与乙二醇的溶液缩聚反应，如

以与聚合物不溶的二甲苯或氯苯为溶剂，聚合物会过早地析出，物为低聚物；如用与单体和

聚合物都可溶的二甲亚砜为溶剂，产物为高相对分子质量聚合物。二是极性，由于缩聚反应

单体的极性较大，多数情况下增加溶剂极性有利于提高反应速率，增加产物相对分子质量。

三是溶剂化作用，如溶剂与产物生成稳定的溶剂化产物，会使反应活化能升高，降低反应速

率；如与离子型中间体形成稳定溶剂化产物，则可降低反应活化能，提高反应速率。四是副

反应，溶剂的引人往往会产生一些副反应，在选择溶剂时要格外注意。

溶液缩聚的不足在于溶剂的回收增加了成本，使工艺控制复杂，且存在三废问题。溶

液缩聚在工业上应用规模仅次于熔融缩聚，许多性能优良的工程塑料都是采用溶液缩聚法

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合成的，如聚芳酰亚胺、聚砜、聚苯醚等。对于一些直接使用溶液的产物，如涂料等也采

用溶液缩聚。

8. 界面缩聚

单体处于不同的相态中，在相界面处发生的缩聚反应称界面缩聚。界面缩聚为非均相

体系， 从相态看可分为液-液和气-液界面缩聚；从操作工艺看可分为不进行搅拌的静态界

面缩聚和进行搅拌的动态界面缩聚。

界面缩聚的特点一是为复相反应，如实验室用界面缩聚法合成聚酰胺是将己二胺溶于

碱水中( 以中和掉反应中生成的HCl), 将癸二酰氯溶于氯仿，然后加入烧杯中，在两相界

面处发生聚酰胺化反应，产物成膜，不断将膜拉出，新的聚合物可在界面处不断生成，并

可抽成丝；二是反应温度低，由于只在两相的交接处发生反应，因此要求单体有高的反应

活性，能及时除去小分子，反应温度也可低一些 (O～50℃ ), 一般为不可逆缩聚，所以无

需抽真空以除去小分子； 三是反应速率为扩散控制过程，由于单体反应活性高，因此反应

速率主要取决于反应区间的单体浓度，即不同相态中单体向两相界面处的扩散速率，为 解

决这一问题，在许多界面缩聚体系中加入相转移催化剂，可使水相(甚至固相)的反应物顺

利地转入有机相,从而促进两分子间的反应，常用的相转移催化剂主要有盐类如季铵盐、大

环醚类如冠醚和穴醚、高分子催化剂三类；四是相对分子质量对配料比敏感性小，由于界

面缩聚是非均相反应，对产物相对分子质量起影响的是反应区域中两单体的配比，而不是

整个两相中的单体浓度，因此要获得高产率和高相对分子质量的聚合物，两种单体的最佳

摩尔比并不总是 1：1 。

界面缩聚已广泛用于实验室及小规模合成聚酰胺、聚砜、含磷缩聚物和其他耐高温缩聚

物。由于活性高的单体如二元酰氯合成的成本高，反应中需使用和回收大量的溶剂及设备体

积庞大等不足，界面缩聚在工业上还未普遍采用。但由于它具备了以上几个优点，恰好弥补

了熔融缩聚的不足，因而是一种很有前途的方法。

9. 固相缩聚

在原料 ( 单体及聚合物 ) 熔点或软化点以下进行的缩聚反应称固相缩聚，由于不一

定

是晶相，因此有的文献中称固态缩聚。

固相缩聚大致分为三种 : 反应温度在单体熔点之下，这时无论单体还是反应生成的

聚合物均为固体，因而是“真正”的固相缩聚；反应温度在单体熔点以上，但在缩聚产物

熔点以下 ，反应分两步进行，先是单体以熔融缩聚或溶液缩聚的方式形成预聚物，然后在

固态预聚物熔点或软化点之下进行固相缩聚；体形缩聚反应和环化缩聚反应，这两类反应

在反应程度较深时，进一步的反应实际上是在固态进行的。

固相缩聚的主要特点为：反应速率低，表观活化能大，往往需要几十小时反应才能完成；

由于为非均相反应，因此是一个扩散控制过程；一般有明显的自催化作用。固相缩聚是在固

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相化学反应的基础上发展起来的。它可制得高相对分子质量、高纯度的聚合物，特别是在制

备高熔点缩聚物、无机缩聚物及熔点以上容易分解的单体的缩聚 (无法采用熔融缩聚) 有着

其他方法无法比拟的优点。如用熔融缩聚法合成的涤纶，相对分子质量较低，通常只用作衣

料纤维，而固相缩聚法合成的涤纶，相对分子质量要高得多，可用作帘子和工程塑料。

固相缩聚尚处于研究阶段 , 目前已引起人们的关注。

10. 聚合方法的选择

一种聚合物可以通过几种不同的聚合方法进行合成，聚合方法的选择主要取决于要合

成聚合物的性质和形态、相对分子质量和相对分子质量分布等。现在实验及生产技术已发

展到可以用几种不同的聚合方法合成出同样的产品，这时产品质量好、设备投资少、生产

成本低、三废污染小的聚合方法将得到优先发展。在表 1-5 、表 1-6 中对前面介绍过的 种

聚合方法做一小结。

表 1-5 各种链式聚合方法的比较

特征 本体聚合 溶液聚合 悬浮聚合 乳液聚合

单体 单体 单体

单体 引发剂 引发剂 配方主要成分

引发剂 引发剂

水 水

溶剂 分散剂 乳化剂

聚合场所 本体内 溶液内 单体液滴内 乳胶粒内

遵循自由基聚合一般 伴随有向溶剂的链转 遵循自由基聚合一般 能同时提高聚合速率和

聚合机理 机理,提高速率往往使相 移反应,一般相对分子质 机理,提高速率往往使相

对分子质量降低 量及反应速率较低 对分子质量降低 相对分子质量

反应热不易排出,间歇 散热容易,可连续生 散热容易,间歇生产, 散热容易,可连续生产,

生产特征 生产或连续生产,设备简 产,不宣干燥粉状或粒状 需有分离、洗涤、干燥等 制成固体树脂时需经凝

单,宜制板材和型材 树脂 工序 聚、洗涤、干燥等工序

聚合物纯净,宜于生产 比较纯净,可能留有少 留有少量乳化剂和其他

产物特征 透明浅色制品,相对分子 聚合液可直接使用

质量分布较宽 量分散剂 助剂

表 1-6 各种缩聚实施方法比较

特点 熔融缩聚 溶液缩聚 界面缩聚 固相缩聚

溶剂可降低反应温度,

生产工艺过程简单,生产成 避免单体和聚合物分解。 反应条件温和,反应不 反应温度低于熔融缩聚

优点 本较低。可连续生产。 反应平稳易控制,与小分 可逆,对单体配比要求不

设备的生产能力高 子共沸或反应而脱除。严格 温度,反应条件温和

聚合物溶液可直接使用

反应温度高,单体配比要求 增加聚合物分离、精

严格,要求单体和聚合物在反 制、溶剂回收等工序,加 必须用高活性单体,如 原料需充分混合,要求

缺点 应温度下不分解。反应物料 大成本且有三废。生产 酰氯,需要大量溶剂,产 有一定细度,反应速率低,

粘度高,小分子不易脱除。局 高相对分子质量产品需

部过热会有副反应,对设备密 将溶剂脱除后进行熔融品不易精制 小分子不易扩散脱除

封性要求高 缩聚

适用于聚合物反应后

广泛用于大品种缩聚物,如 单体或聚合物易分离的 芳香族酰氯生产芳酰 更高相对分子质量缩聚 适用范围

聚酯、聚酰胺 产品。如芳香族、芳杂环胺等特种性能聚合物 物、难溶芳族聚合物合成

聚合物等

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第二部分 实 验

实验一: 甲基丙稀酸甲酯的本体聚合及其热机曲线测试

(一) 甲基丙稀酸甲酯的本体聚合

一、 实验目的

1. 了解本体聚合的特点，掌握本体聚合的实施方法，并观察整个聚合过程中体系粘度

的变化过程。

2.掌握本体浇注聚合的合成方法及有机玻璃的生产工艺。

二、实验原理

本体聚合是不加其它介质，只有单体本身在引发剂或光、热等作用下进行的聚合，又称

块状聚合。本体聚合的产物纯度高、工序及后处理简单，但随着聚合的进行，转化率提高，

体系粘度增加，聚合热难以散发，系统的散热是关键。同时由于粘度增加，长链游离基末端

被包埋，扩散困难使游离基双基终止速率大大降低，致使聚合速率急剧增加而出现所谓自动

加速现象或凝胶效应，这些轻则造成体系局部过热，使聚合物分子量分布变宽，从而影响产

品的机械强度；重则体系温度失控，引起爆聚。为克服这一缺点，现一般采用两段聚合：第

一阶段保持较低转化率，这一阶段体系粘度较低，散热尚无困难，可在较大的反应器中进行；

第二阶段转化率和粘度较大，可进行薄层聚合或在特殊设计的反应器内聚合。

本实验是以甲基丙烯酯甲酯（MMA）进行本体聚合，生产有机玻璃平板。聚甲基丙烯酸

甲酯（PMMA）由于有庞大的侧基存在，为无定形固体，具有高度透明性，比重小，有一定的

耐冲击强度与良好的低温性能，是航空工业与光学仪器制造工业的重要原料。以 MMA 进行

本体聚合时为了解决散热，避免自动加速作用而引起的爆聚现象，以及单体转化为聚合物时

由于比重不同而引起的体积收缩问题，工业上采用高温预聚合，预聚至约 10% 转化率的粘

稠浆液，然后浇模，分段升温聚合，在低温下进一步聚合，安全渡过危险期，最后脱模制得

有机玻璃平板.

如果直接做甲基丙稀酸甲酯(MMA)的本体聚合，则由于发热而产生气体只能得到有气泡

的聚合物。如果选用其它聚合方法（如：悬浮聚合等）由于杂质的引入，产品的透明度都远

不及本体聚合方法。为此，工业上或实验室目前多采用浇注聚合的方法。即：将本体聚合迅

速进行到某种程度（转化率 10%左右）做成单体中溶有聚合物的粘稠溶液（预聚物）后，再

将其注入模具中，在低温下缓慢聚合使转化率达到 93～95％，最后在 100℃下高温聚合至反

应完全。

三、实验仪器及设备

1 搅拌电机；2 搅拌棒；3 温度计；4 球形冷凝器；5 三口瓶；6 水浴；7 热源； 8 模

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具。

四、实验药品

MMA 偶氮二异丁腈（ATBN）

五、实验步骤

1、模具制备

将两片平板玻璃（150×150mm）洗净烘干，

在玻璃片间垫好用玻璃纸包紧的胶管（4×1.5mm）

围成方形并留出灌料口，然后用铁夹夹紧，备灌

模用。

2、预聚合反应

在 250ml 的三口瓶中安装搅拌器、冷凝管、温度计。

先加入 50mgAIBN，再加入 MMA70ml 开动搅拌使 AIBN 溶解

在单体中，加热水浴，当温度达到 90℃时保温 5 分钟，

然后使物料在 80～85℃维持 30 分钟左右，观察粘度，当

物料呈蜜糖状时，用冷水浴骤然降温至 40℃以下终止反

应并停止搅拌，将三口瓶中预聚物灌入已备好的模具中，

封好灌料口。

3、低温聚合反应

将上述模具放入烘箱中，升温至 52℃，保温 7

小时（此时用铁针刺探有机玻璃，应有弹性出现）低温

聚合结束，抽掉胶管。

4、高温聚合反应

抽出垫条的模具在烘箱中继续缓慢升温到 100℃，保温 1 小时后，烘箱停止加热，

任其自然冷却到 40℃以下，取出模具脱掉玻璃片即得光滑无色透明的有机玻璃板。

六、 实验注意事项

1．聚合反应所用塞子应采用软水塞，并防止杂质混入反应体系，影响聚合反应。

2．灌无时预聚物中如有气泡应设法排出。

3．高温聚合反应结束后，应自然降温至 40 以下，再取出膜具进行脱模，以避免骤然降

温造成模板和聚合物的破裂。

七、思考题

1) 在合成有机玻璃板时，采用预聚制浆的目的何在？

2) 经聚合后的浆液为何要在低温下聚合，然后再升温？试用自由基聚合机理解释之。

3）如果最后产物出现气泡，试分析致成原因？

3) MMA 单体比重为 940 kg/m3，聚合物比重为 1190 kg/m

3 ，计算聚合后体积的收缩百分率。

图 2-1 PMMA 制备模具图

图 2-2 MMA 聚合装置图 1-搅拌马达 2-搅拌棒 3-温度计 4-冷凝管 5-三口瓶 6-水浴锅

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11

(二)聚合物温度-形变曲线的测定

聚合物温度-形变曲线又称热-机械曲线（Thermomechanic analysis,TMA），通过测定聚

合物的温度-形变曲线，可以求出非晶态聚合物的玻璃化转变温度 Tg 和流动温度 Tf以及结

晶聚合物的熔融温度 Tm，这些数据反映了聚合物材料的热-机械特性，对确定使用温度范围

和加工条件具有重要意义。

一、实验目的

1.了解无定型聚合物的力学三态，掌握聚合物的温度-形变曲线的测定方法；

2.测定线形无定型聚合物的玻璃化转变温度 Tg 和流动温度 Tf 以及结晶聚合物的熔融温度

Tm。

二、实验原理

线形无定型聚合物存在力学三态，包括玻璃态，高弹态和粘流态。随着温度的升高，聚

合物将从玻璃态转化为高弹态，再到粘流态，主要的运动单元越来越大。在等速升温过程中，

以一恒定的负荷作用在聚合物上，测定其发生的相应形变，对温度作图，就可以得到温度-

形变曲线，以切线法作图求得从玻璃态转向高弹态的温度，称之为玻璃化转变温度 Tg，从

高弹态转向粘流态的温度称之为流动温度 Tf.

结晶聚合物在低温时受晶格能的限制，高分子链段和分子链都不能运动，在外力作用

下形变量很小，其温度-形变曲线在 Tm 之前是斜率很小的一段直线，当温度升高到结晶熔融

时，热运动克服了晶格能，高分子突然活动起来进入粘流态，形变量急剧增大，曲线忽然转

折向上弯曲，如图 1 所示。对于一般相对分子质量的的结晶聚合物来说，Tm 又是粘性流动

温度（见曲线 1），只能使之发生链段运动进入高弹态，直到温度升至 Tf时才能够进入粘流

态（见曲线 2），此时 Tf＞Tm。

在测定过程中，如果试样可以发生相变或其他化学变化，则曲线的形状会发生改变，

见图 2，曲线 3 是处于无定型的结晶聚合物的温度-形变曲线，Tg 以后，由于链段可以运动

排入晶格，发生结晶现象，形变减小，以后温度-形变曲线按晶相聚合物的温度-形变曲线发

展。曲线 4和曲线 5 为发生降解和交联的情况，曲线 4 以降解为主，曲线 5 以交联为主，这

些曲线，对考虑加工工艺条件具有参考价值，若原试样已成为网状体型聚合物，则温度-形

变曲线中无粘流态。

温度-形变曲线的形状取决于聚合物的相对分子量，化学结构和聚集态结构，所含的各

种添加剂，所经受过的热史，形变史，同时还受测定时的升温速度，负荷作用的时间长短，

压缩应力的大小等各种因素的影响。升温速度太快，所得的 Tg 和 Tf会提高一些；压缩应力

大，Tf 会降低，高弹态就不明显。因此测定温度-形变曲线时，要根据所研究的对象和要求

来选择测定条件，一系列曲线作比较时，一定要在相同的条件下测定。如果对聚合物材料的

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结构进行研究时，必须考虑所有的影响因素，有时候需要进行纯化。

图 2-3 晶态聚合物的温度-形变曲线 图 2-4 聚合物的温度-形变曲线

1：一般相对分子量的晶态聚合物； 3：无定型的结晶聚合物；

2：相对分子量很大的晶态聚合物 4：聚合物降解；5：聚合物交联

三、实验仪器及试样

1.RJY-IP 型温度-形变检测仪

该仪器系上海精密科学仪器有限公司天平仪器厂制造，主要有主机，机械检测单元，

温度控制单元，可控硅加热单元和计算机数据处理系统五部分组成。

2.试样

试样要求两面平行、表面光滑、无裂纹、无气泡，直径必须小于 7mm，高度小于 10mm。

本实验选用 PMMA 为测试样品，厚度为 0.5~1.5mm，试样可直接从制件中切取，若为粉状或

粒状则需要用油压机制样。

四、实验步骤

1.由下而上开启微机温控单元、可控硅加热单元、机械检测单元、数据站接口单元电源，

预热仪器 15min 以上；

2.检查各单元工作准备状态及旋钮设置

1）机械检测单元。选择测试量程旋钮置于“±500μm”检测旋钮置于“出 4”，微分量

程旋钮置于“10”，滤波旋钮置于“中”；

2）数据站接口单元。显示选择置于“TMA”；

3.准备测试样品

1）取直径为 6mm 的 PMMA 棒，用钢锯截取一定厚度的试样，用砂纸打磨平整光滑，用

卡尺测量其厚度；

2）将试样小心放在样品架上，可用平整的锡箔纸将试样与石英探头隔离。选择适当负

荷，将石英探头压在试样上，均匀用力托起电炉，使样品置于电炉中央；

4．调整主机右侧机械调零旋钮，使检测指示针位于“0”附近；

5.通过微机温控单元面板输入检测条件，步骤如下：

1）打开 Windows 桌面的“XMI2001”程序，在主界面选择“设置”菜单下的“温度控

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制曲线”。在打开的对话窗口中，输入程序名称（任意命名），设置“程序段”为“1”，“起

始温度”为“0”，“终止温度”为“250”，“升温速度”为“10”；

2）按“添加”键，将设置内容添加到程序列表中，按“完成” 键，再按“确定”键，

回到主窗口；

3）按“读取曲线”键，再按“曲线下载”键，然后按“运行”键开始运行升温程序；

6）观察数码显示器程序段显示的实际程序的给定温度开始上升后，当 SV 的读数小于 3

时，输出电压应小于 10V，若大于 10V，则点击“恒温”键，使电压回复到 1V 左右。当程序

温度接近于室温时，按绿色“启动电炉”按钮开启电炉电源，电炉开始加热。开启电炉时或

在升温过程中，如果电炉电压忽然大幅度上升，应立即切断电炉电源，待炉子冷却后，再继

续工作；

7）打开 Windows 桌面的温度形变检测程序 RJY-IP，在主界面电击“文件”菜单下的“开

始采样”，按照试样和实验条件输入各项基本信息后，开始采样；

8）测试完成后，保存采样数据；

9）关闭电炉电源，及时将电炉放下，清理样品。

五、数据处理

打开保存的采样曲线，进行数据采集；

1） 点击“数据处理”，再点击“调用文件”，打开所保存的数据；

2） 点击“处理设置”菜单，再点击“数据处理”，选择“玻璃化转变温度”，移动游标

分别置于玻璃化转变的起点和终点，再点击“打印”将 Tg 值显示出来，Tm 和 Tf

可以按照同样的方法处理；

3） 点击打印图标即可将试样温度形变曲线、处理结果及采样参数打印出来；

4） 根据外加压力及所选石英探头的横截面积计算试样所受的压缩应力（Pa）.

六、思考题

1.为什么说明本实验仪器和方法检测的高聚物玻璃态、高弹态、粘流态之间的转变并非

相变？

2.本实验所测得的 Tg 与膨胀计法或电学方法所测得的 Tg 是否一致？

3.哪些实验条件会影响 Tg 的数值？它们各产生何种影响？

4.Tg 是高聚物分子量的函数吗？为什么？

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实验二:苯乙烯的悬浮聚合 一、实验目的

1.学习悬浮聚合的实验方法,了解悬浮聚合的配方及各组份的作用.

2. 了解控制粒径的成珠条件及不同类型悬浮剂的分散机理、搅拌速度、搅拌器形状对

悬浮聚合物粒径等的影响，并观察单体在聚合过程中之演变。

二、实验原理

悬浮聚合是将单体以微珠形式分散于介质中进行的聚合。从动力学的观点看，悬浮聚合

与本体聚合完全一样，每一个微珠相当于一个小的本体。悬浮聚合克服了本体聚合中散热困

难的问题，但因珠粒表面附有分散剂，使纯度降低。当微珠聚合到一定程度，珠子内粒度迅

速增大，珠与珠之间很容易碰撞粘结，不易成珠子，甚至粘成一团，为此必须加入适量分散

剂，选择适当的搅拌器与搅拌速度。由于分散剂的作用机理不同，在选择分散剂的各类和确

定分散剂用量时，要随聚合物种类和颗粒要求而定，如颗粒大小、形状、树脂的透明性和成

膜性能等。同时也要注意合适的搅拌强度和转速，水与单体比等。

苯乙烯（St）通过聚合反应生成如下聚合物。反应式如下：

CH-CH2 n CH=CH2

本实验要求聚合物体具有一定的粒度。粒度的大小通过调节悬浮聚合的条件来实现。

三、实验仪器及设备

搅拌电机、调压器、500ml、三口瓶、回流冷凝器、水浴、烧杯、吸滤瓶、抽气管、表面

皿

四、实验药品

St(精制品)、过氧化苯甲酰（BPO）、明胶、0.1%次甲基兰水溶液、蒸馏水

五、实验步骤

1、安装仪器(如图)

2、溶解明胶：置 3g 明胶于三角瓶中，加蒸馏水 50ml，

室温浸 1 小时以上（可在前一夜浸水），在 80℃左右水浴

中溶解至澄清透明。

3、根据实验要求加入单体 St（70ml）,BPO 0.7g，搅

动至全溶。

4、三口瓶中中投入蒸馏水 200ml 和明胶水溶液，再

加入 3ml 次甲基蓝水溶液，搅拌下升温到 40－50℃,停止

搅拌,待水面上泡沫消失,将上述混合单体加入三口瓶，开

动搅拌，以 1 度／1 分钟的速度升温到 60℃，取样观察粒度，

图 2-5 苯乙烯聚合装置图 1-搅拌器 2-密封套 3-温度计 4-温度计套管 5-冷凝管 6-三口瓶

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并用转速调解之大多数在 0.3-0.6mm 之间，维持次转速和升温速度，升温到 90± 1℃，在此

温度下反应 2 小时。（此时将珠体取出加入冷水中，应下沉）。

3、半小时升温到 95± 1℃，保温反应 0.5 小时，然后升温到 98℃以上老化反应 1 小时，

停止搅拌。

4、将生成物倒入 1000ml 大烧杯中，用沸水洗珠体 5 次，以除去珠体表面粘着的明胶，

真空抽滤，把滤干珠体均匀摊在表皿上，置于 100～105℃烘箱中烘干 1小时。

5、用标准筛筛选 20～80 目的珠体、称重、计算收率。

六、实验注意事项

1.反应时搅拌要快，均匀，使单体能形成良好的珠状液滴。

2.80±1℃保温阶段是实验成败的关键阶段，此时聚合热逐渐放出,油滴开始变粘易发生

粘连，需密切注意温度和转速的变化。

3.如果聚合过程中发生停电或聚合物粘在搅拌棒上等异常现象，应及时降温终止反应并

倾出反应物，以免造成仪器报废。

七、思考题

1) 悬浮聚合成败的关键何在？

2) 如何控制聚合物粒度？

3 )试分析分散剂的作用是什么。

4) 聚合过程中油状单体变成粘稠状最后变成硬的粒子现象如何解释？

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实验三：醋酸乙烯乳液聚合

一、实验目的

1、了解乳液聚合的特点、配方及各组分所起作用。

2、掌握聚醋酸乙烯酯胶乳的制备方法及用途。

二、实验原理

单体在水相介质中，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合，称乳液聚合。其主要成份是

单体、水、引发剂和乳化剂。引发剂常采用水溶性引发剂。乳化剂是乳液聚合的重要组份，

它可以使互不相溶的油－水两相，转变为相当稳定难以分层的乳浊液。乳化剂分子一般由亲

水的极性基团和疏水的非极性基团构成，根据极性基团的性质可以将乳化剂分为阳离子型、

阴离子型、两性和非离子型四类。当乳化剂分子在水相中达到一定浓度，即到达临界胶束浓

度（ CMC ）值后，体系开始出现胶束。胶束是乳液聚合的主要场所，发生聚合后的胶束称

作为乳胶粒。随着反应的进行，乳胶粒数不断增加，胶束消失，乳胶粒数恒定，由单体液滴

提供单体在乳胶粒内进行反应。此时，由于乳胶粒内单体浓度恒定，聚合速率恒定。到单体

液滴消失后，随乳胶粒内单体浓度的减少而速率下降。

乳液聚合的反应机理不同于一般的自由基聚合，其聚合速率及聚合度式可表示如下：

式中 N为乳胶粒数，NA是阿佛加德罗常数。由此可见，聚合速率与引发速率无关，而取

决于乳胶粒数。乳胶粒数的多少与乳化剂浓度有关。增加乳化剂浓度，即增加乳胶粒数，可

以同时提高聚合速度和分子量。而在本体、溶液和悬浮聚合中，使聚合速率提高的一些因素，

往往使分子量降低。所以乳液聚合具有聚合速率快、分子量高的优点。乳液聚合在工业生产

中的应用也非常广泛。

醋酸乙烯酯（VAc）的乳液聚合机理与一般乳液聚合相同。采用水溶性的过硫酸盐为引

发剂，为使反应平稳进行，单体和引发剂均需分批加入。聚合中常用的乳化剂是聚乙烯醇

（PVA）。实验中还常采用两种乳化剂合并使用，其乳化效果和稳定性比单独使用一种好。

本实验采用 PVA-1788 和 OP-10 两种乳化剂。

聚醋酸乙烯酯（PVAc）乳胶漆具有水基漆的优点，粘度小，分子量较大，不用易燃的有

机溶剂。作为粘合剂时 (俗称白胶) ，木材、织物和纸张均可使用。

1、链的引发：

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NH4 O S O

O

O

O S

O

O

O NH4NH4 O S O

O

O

NH4 O S

O

O

O CH2 CH

O

C=O

CH3

NH4 O S O

O

O

CH2 CH

O

C=OCH3

'

' '

2

+

2、链的增长：

N H 4 O S O C H 2

O

O

C HOC = O

C H 3

n C H 2 = C H

OC = OC H 3

. . . . . . . . .'

N H 4 O S O [ C H 2

O

O

C H ] nOC = OC H 3

C H 2 C HO

'

O = C

C H 3

+

3、链的终止：

.........CH2 CHOC=OCH3

' CHOC=OCH3

CH2' .......... .......... CH2 CH

OC=OCH3

OC=O

CH3

CH2 .........

.........CH2 CHOC=OCH3

' CHOC=OCH3

CH2' .......... .......... C

H2

OC=OCH3

CH2 CH=OC=OCH3

CH ..........

+

+ +

三、实验仪器及设备

1、四口瓶 （250ml） 2、滴液漏斗(125ml) 3、球形冷凝器

（30cm） 4、温度计（100℃） 5、搅拌封 6、搅拌马达 7、

搅拌器（浆式） 8、水浴锅

四、实验药品

1、醋酸乙烯（工业品 34 克） 2、聚乙烯醇（醇解度 88％

的 10％水溶液 37.5 克） 3、过硫酸铵（化学纯 0.1 克） 4、

蒸馏水（44 毫升）5、OP-10 0.3 克

五、实验步骤

1、安装仪器

2、在四口瓶中加入聚乙烯醇的 10%水溶液 37.5 克（重量），

乳化剂 OP-10 0.3 克，蒸馏水 44 克。

图 2-6 苯乙烯聚合装置图 1-三口瓶 2-冷凝管密封套 3-温度计 4-漏斗 5-搅拌器

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3、开动搅拌，用水浴加热至 65℃，加入第一批引发剂（将 0.1 克引发剂溶于 3ml 蒸馏

水中加入 1ml），待完全溶解后用滴液漏斗滴加醋酸乙烯，调节滴加速度先慢后快温度慢慢

升至 70℃，在 70±1℃反应；一小时后加入第二批引发剂 1ml；再过一小时后加入第三批引

发剂 1ml，在二小时内将 34 克单体加完。

4、在 70～72℃保温 10 分钟，缓慢升温到 75℃，保持 10 分钟，再缓慢升温至 78℃，

保持 10 分钟，再缓慢升温至 80℃，保持 10 分钟。

5、撒掉水浴，自然冷却到 40℃，停止搅拌，出料。

6、测含固量：取 2 克乳浊液（精确到 0.002 克）置于烘至恒重的玻璃表皿上，放于 100

℃烘箱中烘至恒重计算含固量（约 4 小时）。

干燥后样品重

含固量 ＝ ×100%

干燥前样品重

含固量×产品量－聚乙烯醇量

转化率 ＝ ×100%

单体重量

注：配制 10％聚乙烯醇水溶液的方法：

将 3.75 克醇解度为 88%的聚乙烯醇溶解在 34 毫升水中，最好先浸泡一段时间，然后在

沸水中完全溶解。

六、 实验注意事项

1.按要求严格控制滴加速度，如果开始阶段滴加过快，乳液中出现块状物，使

实验失败。

2.严格控制搅拌速度，否则将使料液乳化不完全。

3.滴加单体时，温度控制在 70±1℃，温度过高使单体损失。

七、思考题

1) 比较乳液聚合、溶液聚合、悬浮聚合和本体聚合的特点及其优缺点。

2) 在乳液聚合过程中，乳化剂的作用是什么？

3) 本实验操作应注意哪些问题？

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实验四 溶液聚合——聚醋酸乙烯酯的合成

一、实验目的

掌握溶液聚合的特点，增强对溶液聚合的感性认识。同时通过实验了解聚醋酸乙烯酯的

聚合特点。

二、实验原理

溶液聚合一般具有反应均匀、聚合热易散发、反应速度及温度易控制、分子量分布均匀

等优点。在聚合过程中存在向溶剂链转移的反应，使产物分子量降低。因此，在选择溶剂时

必须注意溶剂的活性大小。各种溶剂的链转移常数变动很大，水为零，苯较小，卤代烃较大。

一般根据聚合物分子量的要求选择合适的溶剂。另外还要注意溶剂对聚合物的溶解性能，选

用良溶剂时，反应为均相聚合，可以消除凝胶效应，遵循正常的自由基动力学规律。选用沉

淀剂时，则成为沉淀聚合，凝胶效应显著。产生凝胶效应时，反应自动加速，分子量增大，

劣溶剂的影响介于其间，影响程度随溶剂的优劣程度和浓度而定。

本实验以甲醇为溶剂进行醋酸乙烯酯的溶液聚合。根据反应条件的不同，如温度、引发

剂量、溶剂等的不同可得到分子量从 2000 到几万的聚醋酸乙烯酯。聚合时，溶剂回流带走

反应热，温度平稳。但由于溶剂引入，大分子自由基和溶剂易发生链转移反应使分子量降低。

聚醋酸乙烯酯适于制造维尼纶纤维，分子量的控制是关键。由于醋酸乙烯酯自由基活性

较高，容易发生链转移，反应大部分在醋酸基的甲基处反应，形成链或交链产物。除此之外，

还向单体、溶剂等发生链转移反应。所以在选择溶剂时，必须考虑对单体、聚合物、分子量

的影响，而选取适当的溶剂。

温度对聚合反应也是一个重要的因素。随温度的升高，反应速度加快，分子量降低，同

时引起链转移反应速度增加，所以必须选择适当的反应温度。

三、实验仪器

夹套釜（ 500 ml ），搅拌器，变压器超级恒温槽，导电表，量筒 10ml，50ml 各 1 只，

冷凝管 ，温度计 （0～100），瓷盘，液封（聚四氟乙烯），搅拌桨（不锈钢）

四、实验药品

醋酸乙烯酯 (VAC) 新鲜蒸馏 BP=73℃ 60ml， 甲醇 化学纯 BP＝54～65℃ 60ml ，过

氧化二碳酸二环己酯(DCPD) 重结晶 0.2g

五、 实验步骤

1．在装有搅拌器的干燥而洁净的 500ml 夹套釜上，装一球形冷凝管。

2．将新鲜蒸馏的醋酸乙烯酯 60ml，0.2g DCPD 以及 10ml 甲醇依次加入夹套釜中。在

搅拌下加热，使其回流，恒温槽温度控制在 64～65℃(注意不要超过 65℃) ，反应 2 小时。

观察反应情况，当体系很粘稠，聚合物完全粘在搅拌轴上时停止加热，加入 50ml 甲醇，再

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搅拌 10 分钟，待粘稠物稀释后，停止搅拌。然后，将溶液慢慢倒入盛水的瓷盘中，聚醋酸

乙烯酯呈薄膜析出。放置过夜，待膜面不粘手，将其用水反复冲洗，晾干后剪成碎片，留作

醇解所用。

六、 思考题

1) 溶液聚合的特点及影响因素？

2) 如何选择溶剂，实验中甲醇的作用？

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实验五 脲醛树脂的制备

一、实验目的

加深理解缩聚合的反应机理，了解脲醛树脂合成方法。

二、实验原理

脲醛树脂是由尿素和甲醛经缩聚合反应制得的热固性树脂。

（1）加成反应：生成多种羟甲基脲的混合物。

（2）缩合反应：

也可以在羟甲基与羟甲基间脱水缩合：

此外，还有甲醛与亚氨基间的缩合均可生成低相对分子质量的线型和低交联度的脲醛树

脂树脂：

脲醛树脂的结构尚未完全确定，可认为其分子主链上还有以下的结构：

上述中间产物中含有易溶于水的羟甲基，可做胶黏剂使用，当进一步加热，或者在固化

剂作用下，羟甲基与氨基进一步缩合交联成复杂的网状体型结构。

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三、实验仪器

电动搅拌器、水浴、三口瓶（250ml）、球形冷凝器、温度计

四、实验仪器

甲醛、尿素、10%氢氧化钠水溶液、氨水，10%甲酸水溶液。

实验装置与苯乙烯悬浮聚合相同（图略）

五、实验步骤

（1）在 250ml 三口烧瓶上分别按装搅拌器、温度计、球形冷凝器；

（2）用 100mL 量筒量取甲醛水溶液 60mL，加入三口瓶中，开动搅拌器同时用水浴缓慢

加热，然后用 10%NaOH 水溶液调节甲醛水溶液，使甲醛水溶液的 PH 值介于 8～8.5 之间；

（3）分别称取尿素三份，质量分别是 11.2g，5.6g，5.6g，先将 11.2g 尿素加入三口

瓶中，搅拌至溶解，温度升高到 60℃时，开始记时，不断调整反应体系的 PH 值，使之保持

8.5 左右，保温反应 2～3h;

（4）升温至 80℃加入 5.6g 尿素,用 10%甲酸水溶液小心调节反应体系的 PH 值，使之介

于 5.4～6.0 之间，继续反应 1～1.5h,在此过程中不断的用胶头滴管吸取少量脲醛胶液滴入

冷水中，观察胶液在冷水中是否出现雾化现象；

（5）出现雾化现象后，加入剩余的 5.6g 尿素，用氨水调节反应体系的 PH 值，使之介

于 7.0～7.5 之间，在 80℃下继续反应直至在温水中出现雾化现象,即在此过程中不断用胶

头滴管吸取少量脲醛胶液滴入约 40℃的温水中，观察胶液在温水中是否还会出现雾化现象；

（7）温水中出现雾化现象后，立即降温到 40℃左右，终止反应，并用氨水调节脲醛胶

的 PH=7,再用 10%NaOH 调节 PH=8.5～9，正常情况下得到澄清透明的脲醛胶。

六、注意事项

（1）用甲酸溶液调节反应体系 PH 值时要十分小心，切忌酸度过大。因为缩合反应速度在

PH=3-5 之间几乎正比于(H+)；

（2）加缩聚反应中防止温度骤然变化，否则易造成胶液浑浊；

（3）在此期间如发现黏度骤增，出现冻胶，应立即采取措施补救。出现这种情况的原因

有：酸度太强（PH＜4.0，升温太快，或温度超过 100℃。补救的方法是：使反应液降温；

加入适量的甲醛溶液稀释树脂，从内部反应降温，加入适量的氢氧化钠水溶液，把 PH 值调

到 7.0，酌情确定出料或继续加热反应；

（4）检查脲醛树脂是否生成的常用方式：

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①用棒蘸点树脂，最后两滴迟迟不落，末尾略带丝状，并回缩到棒上，则表示已经成胶；

②用吸管吸取少量树脂，滴入盛有清水的小烧杯中，如逐渐扩散成云雾状，并徐徐下沉，

至底部并不生成沉淀，且水不浑浊则表示已经成胶；

③用手指蘸取少量树脂，两指不断相俟相离，在室温时，约 1min 内觉得有一些黏度，

则表示已成胶。

七、思考题

（1）在脲醛树脂合成时，加尿素前为何要用氢氧化钠水溶液和氨水调 PH 值至 7~7.5？到终

点后，为何要用氢氧化钠水溶液调 PH 值至 7~8？

（2）在脲醛树脂合成时，影响产品的主要因素有哪些？

（3）在脲醛树脂合成中，尿素和甲醛两种原料那种对 PH 值影响大？为什么？

（4）如果脲醛胶在三口瓶内发生了固化，试分析可能有哪些原因造成

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实验六 环氧树脂的制备

一、实验目的

掌握低分子量环氧树脂的制备条件及环氧值测定方法及计算。

二、实验原理

2-3、2-4 以上多官能团体系单体进行缩聚时，先形成可溶可熔的线型或支链低分子树

脂，反应如继续进行，形成体型结构，成为不溶不熔的热固性树脂。体型聚合物由交联将许

多低分子以化学键连成一个整体，所以具有耐热性和尺寸稳定性能的优点。

体型缩聚也遵循缩聚反应的一般规律，具有“逐步”的特性。

以 2-3，2-4 官能度体系的缩聚反应如酚醛、醇酸树脂等在树脂合成阶段，反应程度应

严格控制在凝胶点以下。

以 2-2 官能度为原料的缩聚反应先形成低分子线型树脂（即结构预聚物），分子量约

数百到数千，在成型或应用时，再加入固化剂或催化剂交联成体型结构。属于这类的有环氧

树脂、聚氨脂泡沫塑料等。

环氧树脂是环氧氯丙烷和二羟基二苯基丙烷（双酚 A ）在氢氧化钠（ NaOH ）的催化作用

下不断地进行开环、闭环得到的线型树脂。如下式所示

上式中 n 一般在 0 ～ 12 之间，分子量相当于 340～3800，n=0 时为淡黄色粘滞液体，

n≥2 时则为固体。n 值的大小由原料配比（环氧氯丙烷和双酚 A 的摩尔比）、温度条件、氢

氧化钠的浓度和加料次序来控制。

环氧树脂粘结力强，耐腐蚀、耐溶剂、抗冲性能和电性能良好，广泛用于粘结剂、涂料、

复合材料等。环氧树脂分子中的环氧端基和羟基都可以成为进一步交联的基团，胺类和酸酐

是使其交联的固化剂。乙二胺、二亚乙基三胺等伯胺类含有活泼氢原子，可使环氧基直接开

环，属于室温固化剂。酐类（如邻苯二甲酸酐和马来酸酐）作固化剂时，因其活性较低，须

在较高的温度（150～160℃）下固化。

本实验制备环氧值为 0.45 左右的低分子量环氧树脂。

三、实验仪器

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电炉 1000W，变压器 1KV1，烧杯 1000ml，水浴， 三口反应瓶 250ml， 搅拌器，滴液

漏斗 60ml1 只 ，Y 形管、弯管 各 1 根，球形冷凝管，直形冷凝管，温度计 0～100℃、

0～200 ℃各 1 根，分液漏斗 250ml ， 量筒 25ml 、 50ml 各 1 只，真空泵，吸滤瓶

四、实验药品

双酚 A 化学纯 11.4g，环氧氯丙烷化学纯，比重 1.1814ml，NaOH 30wt% 溶液 20ml，

甲苯化学纯 30ml ，蒸馏水化学纯 15ml。

图 1 环氧树脂合成装置示意图 图 2 环氧树脂减压蒸馏装置示意图

五、实验步骤

称量 11.4 g 双酚 A 于三口瓶内，再量取环氧氯丙烷 14ml ，倒入瓶内，装上搅拌器、

滴液漏斗、回流冷凝管及温度计，开动搅拌（如图 3）。升温到 55～65 ℃，待双酚 A 全

部溶解成均匀溶液后，将 20ml30wt% NaOH 溶液置于 50ml 滴液漏斗中，自滴液漏斗慢慢滴

加氢氧化钠溶液至三颈瓶中 ( 开始滴加要慢些，环氧氯丙烷开环是放热反应，反应液温度

会自动升高 ) 。保持温度在 60～65℃ ，约 1.5h 内滴加完毕。然后保温 30min。倾入 30ml

蒸馏水，搅拌成溶液，趁热倒入分液漏斗中，静止分层，除去水层。

将树脂溶液倒回三颈瓶中，装置如图 4，进行减压蒸馏以除去萃取液甲苯及未反应的环

氧氯丙烷。加热，开动真空泵 ( 注意馏出速度 ) ，直至无馏出物为止，控制最终温度不超

过 110 ℃，得到淡黄色透明树脂。

六. 环氧值的测定方法

环氧值是指每 100g 树脂中含环氧基的当量数，它是环氧树脂质量的重要指标之一。也

是计算固化剂用量的依据。分子量愈高，环氧值就相应降低，一般低分子量环氧树脂的环氧

值在 0.48～0.57 之间。

分子量小于 1500 的环氧树脂，其环氧值测定用盐酸 ── 丙酮法，反应式为：

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称 0.5g 树脂，称量准确到千分之一于三角瓶中，用移液管加入 20 毫升丙酮盐酸溶液，微微

加热，使树脂充分溶解后，在水浴上回流 20 分钟，冷却后用 0.1N 氢氧化钠溶液滴定，以酚

酞作指示剂，并作一空白试验。

环氧值 ( 当量 /100g 树脂 )E 按下式计算：

式中：V0：空白滴定所消耗 NaOH 的溶液毫升数；

V2：样品测试所消耗 NaOH 的溶液毫升数；

N：NaOH 溶液的当量浓度；

W：树脂重量（g）。

七. 参考说明

环氧树脂所含环氧基的多少除用环氧值表示外，还可用环氧百分含量或环氧当量表示。

环氧基百分含量，每一百克树脂中含有的环氧基克数。

环氧当量：相当于一个环氧基的环氧树脂重量（g），三者之间有如下互换关系：

八. 思考题

1) 环氧树脂的反应机理及影响合成的主要因素？

2) 什么叫环氧当量及环氧值？

3） 将 50g 自己合成的环氧树脂用乙二胺固化剂，如果乙二胺过量 10% ，则需要等当量的

乙二胺多少克？

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实验七 引发剂分解速率常数的测定

一、实验目的

1．了解引发剂分解速率常数的意义，掌握碘量法测定过氧化物类引发剂的分解速

率常数的方法。

2．学习实验数据的处理及计算。

二、实验原理

引发剂分解反应一般是一级反应，分解速率 Rd 与引发剂浓度[I]的一次方成正比，

表达式如下：

kd 是分解速率常数，单位可以是秒-1，分-1，或小时-1。将上式积分，得：

式中[I]和[I]0分别代表引发剂的起始 (t=0) 浓度的时间为 t 时的浓度，单位为克分

/升。[I]/[I]0代表时间 t 时还未分解的引发剂分率歹为残留分率。当引发剂分解至原来浓

度的一半时所需的时间称为半衰期，以 t1/2 表示。根据式(2)，[I]=1/2[I]。半衰期与分解

速率常数 kd之间有下列关系：引发剂的活性可用分解速率常数 kd或半衰期 t1/2表示。在某一

温度下，分解速率常数越大，或半衰期愈短，则引发剂活性愈高。在科学上，常用分解速率

常数，单位取秒-1；在工程技术上，则用半衰期，单位取小时。

测定引发剂的起始浓度[I]0和经时间 t 以后的浓度[I]，就可以求出某一温度下的分解速

率常数 kd或 t1/2。偶氮类引发剂可以测定分解后析出的氮气体积来计算引发剂的分解量。对

于过氧类引发剂，一般采用碘量法来测定引发剂的浓度。

本实验是以碘量法测定过氧化二碳酸二环己酯（DCPD）在 60℃下的分解速率常数。碘

量法依据的原理是：

R-O-O-R'+2I- +2H

+ -R'OH+ROH+I2

I2 +2Na2S2O3 ── Na2S4O6+2NaI

三、实验仪器

烧杯（100ml），碘量瓶（250ml6 只 ），移液管（10ml） ，玻璃棒，铁夹，吸球 ，

牛角匙，滴定管及滴定架，恒温水浴，导电表（0～100℃），继电器，电动搅拌器（90W），

搅拌桨，精密温度计。

四、实验药品

过氧化二碳酸二环己酯 (DCPD)分析纯 2.5g，甲苯化学纯 80ml，酸化异丙醇分析纯

14ml ， 50%碘化钾分析纯 1.6ml，0.1N Na2S2O3 分析纯 100ml ，淀粉指示剂分析纯

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五、实验步骤

1．调节恒温水浴至 60℃±0.5℃.

2．称取 DCPD 2.5g 于 100ml 小烧杯中，加入 40ml 甲苯溶液，静置片刻，将溶液倒

入 250ml 碘量瓶中，再加 40ml 甲苯冲稀配得约 0.1 mol/L 的 DCPD－甲苯溶液。

3．用移液管准确吸取 10ml DCPD 甲苯溶液五份分别置于五只已编号的 250ml 碘量

瓶中，将其中四只置于 60℃恒温水浴中使其热分解，并记录时间。经过 20、40、60、80 min

后，先后取出试样，迅速冷却。依次加入酸化异丙醇 14ml，50%KI 1.6ml，激烈摇匀，溶液

呈暗红色，置暗处 10 分钟后，以 0.1N Na2S2O3滴定，颜色从暗红到淡黄，继续小心滴至无

色即为终点。如终点不明显亦可在滴至淡黄时加入淀粉指示剂，再继续滴至兰紫色消失即为

终点。

4．以同样的方法标定未经热分解的另一试样，以求得[I]0。

六. 数据处理及计算

引发剂的浓度可由下式计算：

式中 N，V 分别为 Na2S2O3的当量浓度和体积 (ml) 。

将不同的时间 t 时求得的 [I] ，填入下表：

编号 放入时间 取出时间

热分解时

间

min

Na2S2O3

(ml)

[I]

mol/l [I]/[I]0 Ln([I]/[I]0)

1 0

2 20

3 40

4 60

5 80

以 Ln([I]/[I]0) 对 t 作图应得一直线，其斜率为 kd。根据式(3)可求 t1/2。

七. 注意事项

1．将有试样的碘量瓶置恒温浴中后，要时时将瓶塞微微开启片刻，以免热膨胀时将

瓶塞冲出打碎。

2．滴定前依次序及用量分别加入酸化异丙醇，50%KI 溶液，以免多加和漏加，造成

误差。

3．在实验中以 0.1N Na2S2O3 滴定反应生成 I2，是在非均相溶液中进行的，故滴定

时必须激烈摇动，以免影响终点的观察。

七. 思考题

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已知 DCPD 的半衰期有下列数据：

30 ℃ 40℃ 50℃ 70℃

75 小时 18 小时 4.1 小时 0.27 小时

试求 60℃ kd 下的 (秒-1) 和 t1/2 (小时) 。并将实验结果与之比较，研究产生误差的原

因。

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第三部分 附录

附录一 高分子化学实验须知

1. 必须了解实验室各项规章制度及安全制度。

2. 实验前应充分预习实验内容及教材中的有关部分内容，做到明确本实验的目的、内

容及原理。经检查合格方能进行实验。

3. 实验时操作仔细，认真观察实验现象，并随时如实记录实验现象和数据，以培养严

谨的科学作风。

4. 爱护实验室仪器设备，实验时必须注意基本操作，仪器安装准确安全，实验台保持

整齐清洁。

5. 公用仪器、药品、工具等使用完毕应立即放回原处，整齐排好，不得随便动用实验

以外的仪器、药品、工具等。

6. 实验时应严格遵守操作规程，安全制度，以防发生事故。如发生事故，应立即向指

导教师报告，并及时处理。

7. 实验后立即清洗仪器，做好清洁卫生工作，并在规定时间内做好实验报告。

8. 发扬勤俭办学精神，注意节约水电、药品，杜绝一切浪费。

附录二 高分子实验室安全制度

在高分子合成实验中，经常使用易燃、有毒的试剂，为杜绝实验室事故的发生，必须

严格遵守以下规则：

1. 蒸馏有机溶剂时，要注意装置是否漏气，以防蒸汽逸出着火。不能直接加热，要用

水浴或油浴等加热，操作时不能随意离开工作岗位。

2. 减压蒸馏时要戴防护眼镜，以防爆炸。

3. 万一发生火灾，必须保持镇静，立即切断电源，移去易燃物，同时采取正确的灭火

方法将火扑灭。切忌用水灭火。

4. 有毒、易燃、易爆炸的试剂，要有专人负责，在专门地方保管，不得随意存放。

5. 电气设备要妥善接地，以免发生触电事故，万一发生触电，要立即切断电源，并对

触电者进行急救。

6. 实验完毕，应立即切断电源，关紧水阀，离开实验室时，关好门窗，关闭总电闸，

以免发生事故。

附录三 常用仪器操作规程

（一）电子天平

1. 称量前先明确天平的量程及精度范围。

2. 使用天平者在操作过程中必须要小心谨慎，做到轻放、轻拿、轻开、轻关，不要碰

撞操作台，读数时，人身体的任何部位不能碰着操作台。

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3. 接通电源，仪器预热10 min 。

4. 轻轻并短暂地按 ON 键，天平进行自动校正，待稳定后，即可开始称量。

5. 轻轻地向后推开右边玻璃门，放入容器或称量纸（试样不得直接放入称量盘中），

天平显示容器重量，待显示器左边“0”标志消失后，即可读数。

6. 短暂的按 TAR 键，天平回零。

7. 放入试样，待天平显示稳定后，即可读数。

8. 重复5～7步骤，可连续称量。

9. 轻轻地按 OFF 键，显示器熄灭，关闭天平。

（二）电炉

1. 检查各接头是否接触良好。

2. 如用变压器调节加热时，应根据电炉规格选择变压器，线路不能接错。

3. 刚接上电源时，电炉逐渐变红，否则应立即切断电流，进行检查。

4. 加热时，玻璃器皿不能与电炉直接接触，需放上石棉网。金属容器不能与电炉丝直

接接触，以免漏电。

5. 使用时不得将液体溅到红热的电炉丝上。

（三）烘箱

烘箱一般用来干燥仪器和药品，用分组电阻丝组进行加热，并有鼓风机加强箱内气体

对流，同时排出潮湿气体，以热电偶恒温控制箱内温度。

使用步骤：

1. 检查电源 (单相 220V) ，并检查温度计的完整和各指示器、调节器非工作位置（指

零）。

2. 把烘箱的电源插头插入电源插座。

3. 顺时针方向转动分组加热丝旋钮，同时顺时针方向转动温度计调节旋钮，红灯亮表

示加热。

4. 当温度将达到所需的湿度时，把调节器逆时针转到红灯忽亮忽灭处，10 min 左右看

温度是否到达要求的温度，可用温度调节器进行调节，调到所需的温度止。

5. 烘箱用完后，将温度调节器的旋钮逆时针方向转动到零处，同时把分组加热旋钮到

零，切断电源。

注意事项：

1. 使用前必须很好的检查（电源、各调节器旋转的位置）。

2. 严禁将含有大量水分的仪器和药品放进箱内。

3. 易燃、易爆、强腐蚀性及剧毒药品不得放入烘箱内烘干。

4. 使用温度不得超过烘箱使用的规定温度。

5. 用完后必须把各旋钮回到零，再切断电源。

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6. 要求绝对干燥的仪器和药品，应该在箱内把温度降到室温才可取出。

7. 使用温度要低于药品的熔点、沸点。

8. 药品等撒在箱内时，必须及时处理，打扫干净。

（四）调压器

1. 必须根据用电功率的大小而选用合适的调压器。选择调压器的原则是调压器的功率

大于或等于用电的功率。

2. 电源电压必须与调压器输入端相同，决不能将 220V 电源接到 110V 上。

3. 必须正确联接调压器的输入和输出端。严禁反接，以防调压器烧坏，线路接好后，

将手柄指针处于零处。

4. 使用之前，需经教师检查，才可接通电源。

5. 调压时速度要慢，逐渐增加到所需电压，手柄指针达到最低点和最高点时，不可用

力过猛，使用过程中如发现严重的发热现象应停止使用。

6. 使用完毕，将指针转回到零处，再切断电源。

（五）搅拌马达

1. 使用马达调节转速时，开始用手帮助慢慢启动马达，当搅拌转动时，速度从小到大

逐渐增大，决不能一下子转速就很大，以免损坏仪器。

2. 根据实验所需，选择适当的转速，不要时快时慢。

3. 使用时，若发现马达发烫，应立即停止使用，马达转动时间不宜过长，一般5～6hr。

4. 马达应放在干燥的地方保存。

（六）循环水真空泵

真空泵是用来形成真空的有效方法，循环水真空泵是以循环水为工作流体，利用流体射

流技术产生负压而进行工作的一种真空抽气泵。常用作于真空回流、真空干燥等。

使用规程：

1）打开泵的台面，将进水口与水管连接。

2）加水至水位浮标指示为上，接上电源。

3）将实验装置套管接在真空吸头上，启动工作按钮，指示灯亮，即开始工作，一般循

环水真空泵配有两个并联吸头（各装有真空表），可同时抽气使用。也可使用一个。

（七）真空蒸馏装置

1. 安装真空蒸馏的仪器时，必须选择大小合适的橡皮塞，最好选用磨口真空蒸馏装置。

2. 蒸馏液内含有大量的低沸点物质，需先在常压下蒸馏，使大部分防物蒸出，然后用

水泵减压蒸馏，使低沸点物除尽。

3. 停止加热，回收低沸物，检查仪器各部分连接情况，使之密合。

4. 开动油泵，再慢慢关闭安全阀，并观察压力计上压力是否到达要求，如达不到要求，

可用安全阀进行调节。

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5. 待压力达到恒定合乎要求时，再开始加热蒸馏瓶，精馏单体时，应在蒸馏瓶内加入

少许沸石 （一般使用油浴，其温度高于蒸馏液沸点的20～30℃，难挥发的高沸点物在后阶

段可高30～50℃）。

6. 蒸馏结束，先移去热源，待稍冷些，再同时逐渐打开安全活塞，等压力计内水银柱

平衡下降时，停止抽气，等系统内外压力平衡后，拆下仪器，冼净。

附录四 单体的精制

1. 甲基丙烯酸甲酯（MMA）的精制

MMA是无色透明的液体。 BP=100.3 ～ 100.6℃ ，MMA常含有阻聚剂对苯二酚，在实验

前，需进行蒸馏，收集100℃的馏分。

2. 苯乙烯（St）的精制

St为无色或浅黄色透明液体，BP=145.2℃。d20 =0.9060，n20 =1.5469 。取150ml St 分

液漏斗中，用 5%NaOH 溶液反复洗到无色 ( 每次用量30ml) ，再用去离子水洗涤到水层呈

中性为止，用无水硫酸钠干燥。干燥后的 St 加到 250ml 蒸馏瓶中进行减压蒸馏，收集44～

45℃/20 mmHg或58～59℃/10mmHg 馏分。

3. 乙酸乙烯酯（ VAC ）的精制

VAC 是无色透明液体。BP=72.5℃ ,由于 VAC中含有杂质较多，对聚合反应有影响，所

以在聚合前要进行蒸馏，以除杂质。在蒸馏时为防止爆聚及自聚，在蒸馏瓶中加入少量对二

苯酚及沸石，加热馏分，收集72～73℃的馏分。

附录五 引发剂的精制

1. 过氧化二苯甲酰（BPO）的精制

BPO 采用重结晶法，一般以氯仿为溶剂，甲醇作沉淀剂，进行精制。BPO 只能在室温下

溶解于氯仿中，不能加热，以免爆炸。纯化过程：在100ml 烧杯中加入5g BPO 和20ml 氯仿，

不断搅拌使之溶解、过滤，其滤液直接滴入 50ml 甲醇中，然后将白色针状结晶过滤，用冰

冷的甲醇洗净抽干，反复重结晶二次。将沉淀在真空干燥器中干燥。纯BPO放于棕色瓶中，

保存于干燥器中。

BPO 的溶解度：

溶剂 石油醚 甲醇 乙醇 甲苯 丙酮 苯 氯仿

溶解度(g/100ml) 0.5 10 1.5 11.0 14.6 16.4 31.6

2. 偶氮二异丁腈（AIBN）的精制

AIBN是一种广泛较应用的引发剂。作为它的提纯剂主要是低级醇。如甲醇、乙醇，其

方法是：在装有回流冷凝管的150ml三角瓶中加入50ml95% 醇，于水浴上加热到接近沸腾，

迅速加入5gAIBN ，振荡使其全部溶解（煮沸时间不宜过长，若过长，则分解严重），热溶

液迅速抽滤（过滤所用漏斗和吸滤瓶必须预热），滤液冷却后得白色结晶，于真空干燥器中

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干燥，熔点为102℃ ，产品于棕色瓶中，低温保存。

3. 过氧化二碳酸二环己酯（DCPD）的精制

将 DCPD在甲醇中浸泡过夜，经过滤，用新鲜甲醇洗涤几次，晾干，即得白色晶状物，

于低温保存。

4. 过硫酸胺的精制

在过硫酸盐中主要杂质为硫酸氯钾（或胺），可用少量水反复重结晶。将过硫酸盐在

40℃溶解过滤，滤液用冰冷却，过滤出结晶，并以冰冷水洗涤。用BaCl2溶液检验无 为止，

将白色柱状或板状结晶置于真空干燥器中干燥。

附录六 聚合物精制

溶解沉淀法：这是一种精制高聚物的最古老的，也是应用最广泛的方法，将高聚物溶解于溶

剂中，然后加入对聚合物不溶而和溶剂能混溶的沉淀剂，以使聚合物再沉淀出来。 作为沉

淀剂的原则，是希望它能够溶解全部的杂质。主要聚合物的溶剂和沉淀剂列于表 Ⅰ 、 Ⅱ 、

Ⅲ 中。

聚合物溶液的浓度、混合速度、混合方法、沉淀时的温度等等对于所分离出的聚合物的外观

影响很大，如果聚合物溶液浓度过高，则溶剂和沉淀剂的混合性较差，沉淀物成为橡胶状。

而浓度过低时，聚合物又成为微细粉状，分离困难。为此，需选择适当的聚合物浓度。同时，

沉淀过程中还应注意搅拌方式和速度。 在沉淀中，沉淀剂一般用量为溶液的5～10倍。聚合

物中残留的溶剂和沉淀剂可以用真空干燥法除去。但需要时间较长。

下面简单介绍几种高聚物的精制法：

1. 聚苯乙烯（PS）的精制

PS 的溶剂很多，如苯、甲苯、丁酮、氯仿等。而沉淀剂常用甲醇或乙醇。将 PS 3g，

溶于200ml 甲苯中，离心分离除去不溶性杂质。在玻璃棒搅拌下，慢慢将聚合物溶液滴加至

1 升甲醇中，聚苯乙烯为粉末状沉淀。放置过夜，倾出上层清液，用熔结玻璃砂漏斗过滤，

吸干甲醇，于室温 1～3mmHg 真空下干燥 24h 。

2. 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的精制

PMMA采用的溶剂－沉淀剂组合为：苯-甲醇；氯仿-石油醚；甲苯-二硫化碳，丙酮--

甲醇；氯仿-乙醚，甲基丙烯酸甲酯溶液或本体聚合的产物，常常直接注入到甲醇中，使聚

合物沉淀出来，或者先把聚合物配成2%的苯溶液，再加到大大过量的甲醇中，使其再沉淀，

将沉淀物在10℃ 下真空干燥，再溶解沉淀，反复操作二次，以除去全部杂质。

3. 聚乙酸乙烯（PVAc）的精制

姆PVAc的软化点低，粘性大，又对引发剂 ( 或者分解后生成物 ) 及溶剂的溶解度很大，

所以杂质很难除去。在提纯醋酸乙烯时，常用丙酮或甲醇的聚合物溶液，加到大量水中沉淀，

苯的聚合物溶液加到乙醚或甲醇溶液，加到二硫化碳或环己烷中沉淀等等。对于溶液聚合物，

当转化率不大时 (50%以下) ，可以在加入阻聚剂丙酮溶液之后，倒入石油醚中，更换二次

第 67 页，共 250 页

35

石油醚以后，放入沸水中煮，当转化率更高时，则可以直接放在冷水中浸泡一天，然后在沸

水中煮，或者用丙酮溶解，将其溶液加到水中沉淀。也可采用在反应毕，将聚合物用冰冷却，

然后减压抽去单体及溶剂，残余物再溶解，进行沉淀处理。

第 68 页，共 250 页

36

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高分子物理实验讲义

材 料 学 院

2006.5

第 70 页，共 250 页

1

目 录

实验一 偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态………………………2

实验二 粘度法测定聚合物的分子量…………………………………5

实验三 聚合物的热分析—差示扫描量热法…………………………9

实验四 聚合物温度-形变曲线的测定………………………………13

实验五 高聚物表观粘度和粘流活化能的测定 ……………………16

实验六 高分子材料应力-应变曲线的测定…………………………23

实验七 高聚物的应力松弛测定 ……………………………………26

实验八 动态粘弹谱法测定聚合物的动态力学性能 ………………29

实验九 高聚物的高频介电损耗测定 ………………………………35

参加本实验讲义编写人员如下：

实验一 偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态 ………………富露祥

实验二 粘度法测定聚合物的分子量 …………………………王 娜

实验三 聚合物的热分析—差示扫描量热法 …………………马 驰

实验四 聚合物温度-形变曲线的测定…………………………何秀娟

实验五 高聚物表观粘度和粘流活化能的测定 ………………张秀彬

实验六 高分子材料应力-应变曲线的测定……………………刘大晨

实验七 高聚物的应力松弛测定 ………………………………于 洋

实验八 动态粘弹谱法测定聚合物的动态力学性能 …………王 重

实验九 高聚物的高频介电损耗测定 …………………………王 涛 第 71 页，共 250 页

2

实验一 偏光显微镜法观察聚合物的结晶形态

用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前在实验室中较为简便而实用的方法。结晶条

件的不同聚合物的结晶可以具有不同的形态，如单晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等。在通

常条件下，熔体冷却结晶或浓溶液中析出结晶体时，聚合物倾向于生成球晶结构，它是由无

数小晶片按结晶生长规律长在一起的多晶聚集体，球晶直径可长到几微米，甚至可达厘米数

量级，用偏光显微镜可以进行观察。结晶聚合物的实际使用性能与材料内部的结晶形态、晶

粒大小及完善程度有密切关系，如：光学透明性、冲击强度等。因此，对于聚合物结晶形态

的研究具有重要的理论和实际意义。 一、实验目的： 1、 了解偏光显微镜的结构、使用方法及目镜分度尺的标定方法。 2、 学习用熔融法制备聚合物球晶样品。 3、 观察聚丙烯的结晶形态，估算聚丙烯的球晶大小。 二、实验原理： 1. 自然光与偏振光

光的传播方向和振动方向所组成的平面叫振动面，自然光的振动面时刻在改变。偏振光

是电矢量相对于传播方向以一固定方式振动的光。 由光源发出的自然光经过起偏器变为偏振光后，照射到聚合物晶体样品上，由于晶体的

双折射效应，这束光被分解为振动方向相互垂直的两束偏振光。这两束光不能完全通过检偏

器，只有其中平行于检偏器振动方向的分量才能通过。 2. 偏光显微镜的构造

偏光显微镜是一种精密的光学仪器，有一套光学放大系统和两个偏振片，可用来对结晶

物质的形态进行观察和测量。常见偏光显微镜的构造如图 1.1 所示，主要部件为：

图 1.1 偏光显微镜结构示意图

使用方法：首先要对光，可先装上低倍物镜和目镜，推出起偏振片，使在目镜中看到的

视域为 亮，再推进起偏振片。其次是对焦，将制好的试片置于载物台上，旋转粗调手轮，

使载物台上升，让试样表面接触物镜（且勿触及物镜），通过目镜仔细观察，并慢慢使试样

下降，直到观察到图像以后，再转动微调手轮，使物象达到 清晰为止。此时可转换其他倍

率物镜，偏光显微镜即处于可用状态。

１ 目镜 ２ 目镜筒 ３ 勃氏镜手轮 4 勃氏镜左右调节手轮 ５ 勃氏镜前后调节手轮 ６ 检偏镜 ７ 补偿器 ８ 物镜定位器 ９ 物镜座 １０ 物镜 １１ 旋转工作台 １２ 聚光镜 １３ 拉索透镜 １４ 可变光栏 １５ 起偏镜 １６ 滤色片 １７ 反射镜 １８ 镜架 １９ 微调手轮 ２０ 粗调手轮

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3

3. PLM 研究聚合物的球晶结构

球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的晶片，厚度在 100Å 左右。许多这样的晶片从

一个中心（晶核）向四面八方生长，发展成为一个球状聚集体，电子衍射实验证明了球晶分

子链总是垂直于球晶半径方间排列的。 在正交偏光显微镜下观察时，在分子链平行于起偏镜或检偏镜的方向上将产生消光现

象，呈现出球晶特有的黑十字消光图案（称为 Maltase 十字），如图 1.2 所示。黑十字消光图

像是高聚物球晶的双折射性质和对称性的反映。在分子链平行于起偏器和检偏器的偏振面的

位置将发生消光现象。分子链的取间排列使球晶在光学性质上是各向异性的，即在平行于分

子链和垂直于分子链的方向上有不同的折光率。在球晶中由于晶片以径向发射状生长，分子

链取向总是与径向相垂直，因此圆中只有四个区域，分子链的取向与起偏器和检偏器的偏振

面相平行，正好形成正交的黑十字消光图像。并且当样品在自己的平面内旋转，黑十字保持

不动，这意味着所有的径向结构单元在结晶学上是等效的，因此球晶是具有等效径向单元的

多晶体。此外，在有的情况下（如 PE），还可看到一系列明暗相间的消光同心圆环，那是由

于球晶中的条状晶片周期性地扭转的结果，如图 1.3 所示。 在多数情况下，偏光显微镜观察到的球晶形态不是球状，而是一些不规则的多边形。这

是由于许多球晶以各自的任意位置的晶核为中心，不断向外生长，当增长的球晶和周围相邻

球晶相碰时，则形成任意形状的多面体。体系中晶核越少，球晶碰撞的机会越小，球晶可以

长的很大，相反，则球晶长的不大。

图1.2等规聚丙烯的球晶偏光显微镜照片。 图1.3球晶内的晶片的排列和分子链的取向。

4. 测量粒径及其分布

通过目镜显微尺与载物台显微尺，可进行样品粒径的测定。方法是：在非正交偏光下，

将此两显微尺平行排列，并使其零点重合，看两者刻度数的关系。因载物台显微尺为 1mm分成 100 格，每格为 10μm，若目镜分度尺 50 格与载物台显微尺 10 格相等，则目镜分度尺

每格相当于 2μm。测得待测晶粒在目镜显微尺上的格数，即可计算出粒径大小。测量一定

数量颗粒的粒径值，可分析粒径的分布。 5. PLM 研究液晶态的织构

液晶态织构的研究，可鉴定液晶类型，探索液晶内部指向矢变化。液晶织构实质上是液

晶薄膜在正交 PLM 下所呈现的光学图象，各种织构特征均是由结构缺陷引起的。对于液晶

来说有两种缺陷：平移缺陷——位错，和由分子取向发生不连续变化产生的局部缺陷——向

错。厚度不同、杂质、表面等都可导致位错与向错。常见的高分子液晶的织构有丝状、纹影、

焦锥、镶嵌织构等，此外还有链刚性较大的主链型液晶高分子所具有的条带织构。

三、仪器药品：

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4

1． 热台偏光显微镜；载玻片和盖玻片；镊子、刀片。 2． 试样：等规聚丙烯粒料。 四、实验步骤： 1. 聚合物试样的制备

熔融法制备聚合物球晶。将少许聚合物（粒料的 1／5 左右）放在干净的盖玻片之间，

在 Tm 以上 30℃恒温 5min，使聚合物充分熔融，并压试样至薄和排除气泡，并在稍低于熔

点的温度结晶，恒温一定时间后冷却至室温。如制备聚丙烯（PP）和低压聚乙烯（HDPE）球晶时，分别在 230℃和 220℃熔融 5min，然后 PP 在 150℃、PE 在 120℃保温 30min，自

然降温，在不同的恒定温度下所得的球晶形态是不同的。 另一种制样方法是把聚合物熔融后马上淬冷至 Tg 以下得到无定形态，然后在高于 Tg 的

某一温度恒温一定时间后，冷却至室温观察。 溶液法制备聚合物球晶试样。先将聚合物溶于适当的溶剂中，然后缓慢冷却，或溶剂挥

发使聚合物析出。常用的方法，一种是把聚合物溶液滴在与其溶剂不相容的液体表面，让溶

剂缓慢挥发后形成薄膜，用玻片把薄膜捞起进行观察。如把聚葵二酸乙二醇酯溶于 100℃的

溴苯中，趁热倒在 70℃左右的水面上，控制一定的冷却速度，冷却至室温。另一种方法是

把聚葵二酸乙二醇酯溶于呋喃甲醇中（90℃水浴）配成 0.02g/ml 的溶液。将几滴溶液滴在

玻片上，用盖玻片盖好，静置于有盖的培养皿中，让其自然缓慢结晶。 2. 熟悉偏光显微镜的结构、使用方法及目镜分度尺的标定方法。 3. 将制备好的样品放在载物台上，在正交偏光条件下观察球晶形态，并测量球晶的半径。 五、数据处理、结果与讨论： 1. 记录制备试样的条件、观察到的现象。 2. 给出所观察到的球晶形貌图。 3. 写出显微尺标定目镜分度尺的标定关系，计算所测球晶半径大小。 六、思考题： 1. 使用偏光显微镜应注意那些问题？ 2. 结合实验讨论影响球晶生长的主要因素。 3. 结晶温度的控制对球晶大小有什么关系？ 4. 讨论结晶生长条件与结晶形态的关系，结晶形态与聚合物制品性质之间的关系。 七、注意事项： 1. 偏光显微镜开关电源时，务必先将亮度调节钮调至 小。调节亮度钮时，将其调至所需

亮度即可，一般不要调至 强状态。 2. 偏光显微镜是精密的光学仪器，操作时要十分仔细和小心，不要随意拆卸零件，不可手

摸或用硬物擦试玻璃镜头。 3. 在偏光显微镜下使用热台时，不可超过 300℃，而且高温处理时间不要过长。 八、参考文献 1. 冯开才等，高分子物理实验，北京：化学工业出版社，2004 年。 2. 殷敬华，莫志深主编，《现代高分子物理学》，北京，科学出版社，2001 年。

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5

实验二 粘度法测定聚合物的分子量

在所有的聚合分子量测定方法中，粘度法尽管是一种相对的方法，但因它仪器设备简

单，操作便利，分子量适用范围大，又有相当好的实验精确度，所以成为人们 常用的实验

技术。粘度法除了主要用来测定粘均分子量外，还可用于测定溶液中的大分子尺寸，测定聚

合物的溶度参数等。 一、实验目的 （1）掌握测定聚合物溶液粘度的实验技术。 （2）掌握粘度法测定聚合物分子量的基本原理以及计算方法。 （3）测定聚乙烯醇水溶液的特性粘度，并计算其平均分子量。 二、实验原理

线型高分子溶液的基本特性之一是粘度比较大，并且其粘度值与平均分子量有关，因

此可利用这一特性测定其分子量。 粘度除与分子量有密切关系外，对溶液浓度也有很大的依赖性，故实验中首先要消除

浓度对粘度的影响，常以如下二个经验公式表达粘度对浓度的依赖关系。 ηSP/c=[η]+k´[η]²c （1）

㏑ηr/c=[η]-β[η]²c （2） 式中ηSP 叫做增比粘度，ηr 叫做相对粘度，若以η0 表示溶液的粘度，η表示溶液粘

度，则 ηr=η/η0；ηSP=（η-η0）/η0=ηr-1 （3）

式（1）和（2）中的 c 为溶液浓度，k´和β均为常数，显然

0lim

→cηSP/c =

0lim

→c㏑ηr/c = [η] (4)

[η]即是聚合物溶液的特性粘度，和浓度无关。若以ηSP/c 和 lnηr/c 分别对 c 作图（如图

2-1），则它们外推到 c→0 的截距应重合于一点，其值等于[η]，这也可用来检查实验的可

靠性。

当聚合物的化学组成、溶剂、温度确定后，[η]值只和聚合物的分子 有关，常用

Mark-Houwink 方程表达这一关系：

[η]=KαηM

(5)

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6

假定液体流动时没有湍流发生，即外力 P 全部用以克服液体对流动的粘滞阻力，则可

将牛顿粘性流动定律应用于液体在毛细管中的流动，得到泊松义耳定律。 η=πPR

4t/8lv=πghR

4Pt/8lv=Aρt

η/ρ= At

A=πghR4/8lv A-仪器常数。

实验时，在恒定条件下，用同一支粘度计测定几种不同浓度的溶液和纯溶剂的流出时

间 t 及 t0，由于极稀溶液中溶剂的密度近似相等ρ≈ρ0 所以： ηr=Aρt/Aρ0 t0=t/t0 由纯溶剂的流出时间 t0和溶液流出时间 t 即可求出溶液的相对粘度ηr。 ηr=t/t0，ηSP=ηr-1=（t-t0）/t0 (6)

把聚合物溶液加以稀释，测不同浓度的流出时间，通过（1）（2）和（6），经浓度外

推求得[η]值，再利用式（5）计算粘均分子量，此即谓“外推法”。 “外推法”至少要测量三个以上不同浓度下的溶液粘度，而在某些情况下，如急需快

速知道结果，或样品很少，这时就要采用“一点法”，即只需测定一个浓度下溶液的粘度，

就可求得特性粘度[η]，“一点法”选择下列公式(7)计算[η]值。 一般指线型柔性高分子-良溶剂体系，k´+β= 0.5，则:

[η]=[2(ηSP-㏑ηr)]0.5/c (7)

三、仪器和试剂 1. 仪器:

恒温槽一套，温度波动在±0.1℃以下；秒表一个；改良乌式粘度计一只；25ml 容量瓶

一只；250ml 磨口三角烧瓶一只；10m 和 5ml 移液管各一只；三角漏斗 1只；20cm 长医用橡

皮管 2 根；吸球一个；夹子一个。

2. 药品:

聚乙烯醇，正丁醇，蒸馏水。

四、实验步骤

（1）玻璃仪器的洗涤： 粘度计、容量瓶、移液管、三角烧瓶等玻璃仪器需经蒸馏水洗净，干燥。一般放过聚合

溶液的仪器，应先以溶剂泡洗，洗去聚合物和吹干溶剂等有机物质后，才可用洗液去浸；否

则有机物把洗液中的 K2Cr2O7 还原，洗液将失效，在用洗液以前，仪器中的水份也必须吹干，

不然，水把洗液稀释，去污效果也将大大降低。 （2）溶液的配制：

称取聚乙烯醇 0.2 至 0.3 克（准确至 0.1 毫克）小心倒入 25 毫升容量瓶中，加入约 20毫升蒸馏水放在约 90℃的水浴中，使其全部溶解，溶解后稍稍摇动，置恒温水槽中恒温，

用水稀释至刻度，再经砂芯漏半滤入另一只 25 毫升无尘干净的容量瓶中，它和无尘的蒸馏

水（100 毫升容量瓶）同时放入恒温水槽，待用。 配制溶液也可用下法：把样品称干于 25 毫升容量瓶中，加 10 毫升溶剂，溶解摇 ，用

2 号砂芯漏斗滤入另一只同样的容量瓶中，用少量溶剂把第一只容量瓶和漏斗中的聚合物洗

至第二只容量瓶中，洗三次，务必洗净，但总体积切勿超过 25 毫升，然后把后一只容量瓶

置恒温水槽中，稀释至刻度。 （3）测定溶液流出时间；

将恒温槽调节至 30℃±0.1℃，在粘度计（见图 2-2）B、C 管上小心地接上医用橡皮管，

用铁夹夹好粘度计，放入恒温水槽，使毛细管垂直于水面，使水面浸没 a 线上方的球，用移

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7

液管从 A 管注入 10 毫升聚乙烯醇溶液，恒温十分钟后，用夹子夹住 C 管橡皮管使不通气，

而将接在 B 管的橡皮管用注射器抽气，使溶剂吸至 a 线上方的球一半时停止抽气，先把注

射器拨下，然后放开 C 管的夹子，空气进入 D 球，使毛细管内溶剂和 A 管下端的球分开，

这时水平地注视液面的下降，用停表记下液面的流经 a 和 b 线的时间，此即为流出时间 t1。 然后再移入 5 毫升溶剂（水），这时粘度计内的溶液浓度是原来的 2/3，将它混合均 ，

并把溶液吸至 Q 线上方球的一半，洗二次，再用同法测定 t2。同样操作再加入 5、10、10毫升溶剂，即将溶液浓度稀释为原来的 1/2、1/3、1/4，分别测得 t3、t4、t5。

将溶剂倒出，用蒸馏水立即洗涤粘度计(包括小球、毛细管、B 管和 C 管），洗三次，

务必洗净。 （4）测定溶剂流出时间： 用移液管吸取 10 毫升溶剂（水）注入粘度计，测定流出时间 t0。 （5）全部测定后，关闭恒温槽的电热系统及搅拌器，取出粘度计用丙酮洗涤粘度计一次，

干燥，用纸罩上放置。

五、结果处理

试样_________，溶剂_________，浓度 C0_________，

温度_________，粘度计号码_______。

流出时间（秒） 浓

度 一 二 三 平均值ηr ㏑ηr

㏑ηr

/C´ ηsp

ηsp

/C´

0

C0

2C0/3

C0/2

C0/3

C0/4

为作图方便，设溶液初始浓度为 C0，真实浓度 C=C´/C0。依次加入 5、5、10 毫升溶剂稀

释后的相对浓度各为 2/3、1/2、1/3、1/4(以 C´表示)，计算ηr、㏑ηr、㏑ηr/C´、ηsp/C´

填入表内。(作ηsp/C´对 C´或㏑ηr/C´对 C´)。可用坐标纸 12 格为相对浓度横坐标(C´=1)。

则其它各点就相应于 8、6、4、3 格处。外推得到截距 A，那么特性粘度 [η]= A/C0。

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8

由手册查得聚乙烯醇水溶液，30℃，K = 6.65×10-2ml/g，α= 0.64。

已知[η]=KαηM 那么

αηM =

六、注意事项

1.粘度计的毛细管很细，很容易阻塞，试验后要用蒸馏水充分洗涤两次，尽量防止尘粒带入

粘度计、容量瓶和移液管中。

2.粘度计和移液管为易坏的玻璃仪器，要轻拿轻放，乌式粘度计 3 根管中，B、C 管较细，

极易折断，拿乌式粘度计时不能拿它们，应拿 A 管。

七、思考题

1.实验过程中，有哪些因素影响 后测定数据的精确性？

2.Mark-Houwink 方程中 K和α在什么条件下是常数？

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9

实验三 聚合物的热分析—差示扫描量热法 DSC

聚合物的热分析是指在程序控温下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术，它包

括差热分析（DTA）和差动分析法（DSC），在高分子方面有着广泛的应用。它们可以用于

研究聚合物的玻璃化转变温度 Tg、相转变、结晶温度 Tc、熔点 Tm、结晶度 Xc、等温结晶动

力学参数，研究聚合、固化、交联、氧化、分解等反应以及测定反应温度或反应热、反应动

力学参数等。 CDR-4P 差动热分析仪是用于测量物质在热反应时的特征温度及吸热或放出的热量，包

括物质相变、分解、化合、凝固、脱水、蒸发等物理或化学反应，广泛应用于无机、硅酸盐、

陶瓷、矿物金属、航天耐温材料等领域，是无机、有机、特别是高分子、玻璃钢等方面热分

析的重要仪器。

一、实验目的

1、了解 DTA、DSC 的实验原理及应用范围。 2、学会应用 DSC 测定聚合物的加热及冷却谱图。 3、掌握应用 DSC 测定聚合物 Tg、Tc、Tm、ΔHf、Xc的方法。

二、实验原理

1、DTA 与 DSC 的区别 传统的 DTA 的基本原理是，将试样和参比物置于以一定速率加热或冷却的相同温度状

态的环境中，记录下试样和参比物之间的温度差 ΔT，并对时间或温度作图，得到 DTA 曲线

（如图 3.1）。

图 3.1 三种主要的热分析系统的示意图

DSC 则分为两种，一种是热流型，另一种是功率补偿型。前者的原理与 DTA 类似，只

是测温元件是贴在样品支持架上，而不像传统 DTA 那样插在样品或参比物内。由于这种设

计减少了样品本身所引起的热阻变化的影响，定量准确性较 DTA 好，所以又被称为定量

DTA。 功率补偿型 DSC 的原理是，在程序升温（或降温、恒温）的过程中，始终保持试样与

参比物的温度相同，为此试样和参比物各用一个独立的加热器和温度检测器。当试样发生吸

热效应时，由补偿加热器增加热量，使试样和参比物之间保持相同温度；反之当试样产生发

热效应时，则减少热量，使试样和参比物之间仍保持相同温度。然后将此补偿的功率直接记

录下来，它精确的等于吸热和放热的热量，因此可以记录热流速率（dH/dt 或 dQ/dt）对温度

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10

的变化曲线，即 DSC 曲线。用 DSC 方法可以直接测量热量、进行定量分析，这是与 DTA的一个重要区别。

图 3.2 功率补偿式 DSC 示意图。

DSC 与 DTA 相比，另一个突出的优点是，在差动热分析时，试样与参比的温度始终相

等，避免了 DTA 测试时，试样发生热效应造成的参比物与试样之间的热传递，故仪器反应

灵敏，分辨率高，重现性好。 2、DTA 曲线与 DSC 曲线

由于各种仪器的 DTA/DSC 曲线的吸热、放热方向不同，所以曲线上必须注明吸热和/

或放热方向。如图所示。当温度达到玻璃化转变温度 Tg（图中 5 处）时试样的热容增大就

需要吸收更多的热量，使基线发生位移（图中 2 处），假如试样能够结晶，并且处于过冷的

非晶态，那么在 Tg 以上可以进行结晶，同时放出大量的结晶热而产生一个放热峰（图中 6），进一步升温，结晶熔融吸热，出现吸热峰（图中 7）， 后发生分解、吸热，出现吸热峰（图

中 4）。当然不是所有的聚合物试样都能存在上述全部物理化学变化。 DSC 曲线中结晶试样熔融峰的峰面积对试样的熔融热 Hf(J/mg)，若百分之百结晶的试样

的熔融热 ΔHf*是已知的则按下式计算试样的结晶度 Xc

改 XC *f

cf

Hf

HΔ

=Δ

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DTA 和 DSC 虽然在原理及操作上都不复杂，但影响试验精度的因素很多。 （1） 仪器因素：与炉子的形状、大小和温度梯度有关。 （2） 测试时所用的气氛是否惰性。 （3） 热电偶的粗细及其位置会影响差热曲线的形状和峰的面积。 （4） 升温速度：玻璃化转变是一个松弛过程，升温速度太慢，转变不明显，甚至观察

不到玻璃化转变；升温太快，Tg 移向高温。结晶性聚合物在升温过程中晶体完善化，使 Tm

和结晶度都提高。升温速度对峰的形状也有影响，升温速度快、基线漂移大，会降低两个相

邻峰的分辨率；升温速度适当、峰尖锐、分辨率好，但速度太慢，峰变得圆滑，且峰的面积

也减小。 （5） 试样因素：试样的量和参比物的量要匹配，以免两者热容相差太大引起基线漂移。

试样装填应该紧密。 三、仪器药品

1、仪器：CDR-4P 差动热分析仪（上海天平仪器厂生产）；电子分析天平。 2、样品：聚乙烯、聚丙烯、非晶态聚对苯二甲酸乙二醇酯等；参比物为α-Al2O3。

图 4 CDR-4P 差动热分析仪

四、实验步骤

1、开启水源，并使水流畅通；需要气氛保护时，也要接通。 2、打开各电源开关，预热 20 分钟。打开计算机的电源开关，一定要后开先关。 3、转动手柄将电炉的炉体升到顶部，然后将炉体向前方转出。（注意：炉体转出时，不要碰

到样品支架）。 4、按照实验要求称好样品（5-8mg）放入坩埚中，另一个坩埚放入重量相近的参比物。用

镊子将样品坩埚置于支架左侧，参比物坩埚置于右侧。 5、将上盖逆时针旋回，旋到位置，看镜面对准中央，旋下炉体（注意：不要碰到样品支架）。 6、将差热放大单元的"量程 µv”旋钮转到“短路”位置，预热 30 分钟。然后调节“调零”旋钮，

使“差热指示”指针指向零位。 7、差动热补偿单元放在“准备”位置。凭经验选取差动热补偿单元的量程旋钮，选取合适的

测量精度（一般高分子材料选择±100µv）。若进行 DSC 测试，差热放大单元放在“差动”位置，

“量程 µv”旋钮必须旋于±100µv 位置，差动热补偿单元放在“工作”位置。

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12

8、按实验要求进行温度曲线控制，在 Windows98 下双击温控监视系统 XML2001 图标，点

击[设置]按钮进入[温度控制曲线]。依次填写控制曲线名称、程序段、起点温度(注意：起点

温度必须是 0℃)、终点温度、升温速率等内容。并依次点击[添加]，[完成]，[确定]进入下

一步操作。 9、点击[读取曲线]和[曲线下载]，[确定]完毕。点击运行，观察温控单元的温控单元设定值

到达 3℃时，温控单元的输出电压是否小于 10V，若小于 10V 时，启动温控单元的[电炉启

动]按钮；若输出电压大于 10V 时，点击[恒温]按钮，待小于 10V 时，再点击[运行]和按下[电炉启动]按钮。(注意：若开始输出电压大于 10V 时，禁止点击[运行]和按下[电炉启动]按钮。) 10、在 Windows98 下双击热分析图标，点击[采样]，选择工作模式（DTA／DSC 转换钮）、

选择直接采样模式和量程、并填写起始温度、结束温度、升温速率、样品名、样品质量（此

项必须准确填入）等项目， 后单击[确认]进行实验。 11、实验完毕，存盘返回。 12、点击[数据处理]，调出存盘的文件。然后按下[处理设置]，选择处理峰的个数，再用上

下箭头选择峰起始和终点位置。再用鼠标点击峰处理屏幕自动给出外延起始点的位置。输入

对话框中并可以重复进行。而后保存和输出实验数据。其它参数计算处理类似峰处理操作。 13、 后先关闭计算机，再关闭个单元的电源和水源等单元，结束实验操作。

五、数据处理

1、在“数据采样程序”界面中，点击“分析”菜单下的“曲线分析”选项，出现“曲线/选项/报告框”界面时，点击“打开”文件图标，双击打开选定曲线。 2、点击“处理”菜单下的“设置”选项，选择“常规处理”或“玻璃化转变温度”，输入需

要处理的“待处理峰数”，按“确定”键。 3、分别点击起点、终点图标，用鼠标确定待处理峰的起点、终点，然后点击“处理”菜单

中的“计算”，得到该峰的熔融温度、焓变值等处理结果。 4、点击“报告”菜单中的“打印选择”，选择“图谱/DSC/标志/T/结果”，按“确认”即开

始打印结果。

六、注意事项

1、旋出炉体时，摇杆要先慢而后可以快些并摇到位置。顺时针旋出炉体，漏出样品杆，摇

回时切记对准中心，不要碰到样品杆。 2、进行 DTA 和 DSC 操作时要进行“差动-差热转换”。DSC 操作时，差热放大单元上的量程

置于 100µV 处。 3、刚开始加热输出电压大于 10V 时，禁止点击[运行]和按下[电炉启动]按钮，否则损坏仪器。 4、实验结束后要存盘返回，否则实验数据丢失。

七、思考题

1、影响 DSC 试验结果的影响因素有那些？如何确定 Tm、Tc、Tg？ 2、升温速率对 Tg 的测量结果有何影响？

八、参考文献

[1] 上海天平仪器厂，CDR-4P 型差动热分析仪使用说明书，2002 年。 [2] 刘振兴等编，高分子物理实验，广州：中山大学出版社，1991 年。 [3] 董炎明，高分子材料实用剖析技术，北京：中国石化出版社，1997 年。

第 82 页，共 250 页

13

实验四 聚合物温度-形变曲线的测定

测定温度-形变曲线（热机械曲线）是研究聚合物和力学性能的一种重要的方法。在高

聚物试样上施加一定的荷重，并使试样以一定的速度受热升温，采用记录仪器记录在某个温

度变化范围内试样的形变曲线。在该曲线的两个转折范围内，可以确定出玻璃化转变温度

Tg 和黏度温度 Tf，从而可估计被试样材料的适用范围和加工条件。 一、实验目的

1、验证线形高聚物的三种力学状态理论。 2、掌握测定高聚物温度-形变曲线的方法。 3、测定有机玻璃的玻璃化温度 Tg 和粘流温度 Tf。 二、实验原理：

1、高聚物的温度-形变曲线： 无定型高聚物在较低温度时，整个分子链和布局的链段能在平衡位置上振动，不能平移

和转动而离开原来的位置，此时，高聚物表现得很硬。象玻璃一样，当加上外力时，它只产

生较小的形变；外力去掉后，又立即恢复原状，这时高聚物处于玻璃态。温度升高后，热运

动能量逐渐增加，在达到玻璃化温度 Tg 后，链段开始运动，通过链段的运动，分子链可以

不断的改变形变。在外力的作用下，高聚物可以发生很大的可逆形变（可达原长的几倍甚至

十倍），这时，高聚物处于高弹态。继续升温，直至达粘流温度 Tf，此时在外力的作用下，

整个大分子链开始发生位移运动，开始产生不可逆形变，高聚物逐渐变成可以流动的粘稠液

体，称为粘流态。如图 4.1 中曲线所示。由此可知 Tg 和 Tf标志着高聚物分子运动状态的区

分，前者是玻璃态转变成高弹态的温度，后者是高弹态转变为粘流态的温度。

图 1 线型无定形高聚物的温度-形变曲线

高聚物力学转化的一个特征是其不同于相变发生在一确定温度而是发生在一个温度范

围内。故通常在不同资料里给出的同一高聚物的转化温度（Tg、Tf），不仅可因测试条件不

同而异，而且可因取转变点的作图方法不同而有所差别。

本实验采用固定负荷的静态方法，相当于力的作用速度很慢的情况加热，采取等速升温，

升温速度通常控制在 1~2ºC/min。这些条件必须在实验结果中注明。

第 83 页，共 250 页

14

2、测试原理： 本实验采用 RJY-1P 型热机分析仪。其组成为三部分：

a: 主机：包括主体架，高低温炉、试样装置等。 b: 形变测量单元和温度控制器。（包括形变量的电气放大和温度程序升降装置）等。 c: 数据接口单元和计算机 实验时，聚合物试样随温度上升。即从玻璃态转变为高弹态。在转变过程中相应产生了

形变。这种热形变导致施加载荷的压杆的下沉，来带动差动变压器的铁芯移动，差动变压器

将这个变化的信号转变为电压信号，经放大后输入记录仪记录下曲线，温度经热电偶输入记

录仪记录下温度变化。然后从形变曲线上通过做切线求出 Tg 和 Tf 。 三、实验仪器药品：

（1）RJY-80 型热机分析仪一台。 （2）试样：有机玻璃 Ф6×5 mm。 四、实验步骤：

⑴ 由上而下开启微机控温单元，可控硅加热单元，机械检测单元，数据站接口单元电源，

预热 15min 以上。 ⑵ 检查各单元工作状态及旋钮设置。 ①检测单元。选择测量程“±1000μm”，检测旋钮置于“出 4”，微分量程旋到“10”，滤波旋至“中”。 ②数据站接口单元。显示选择置于“TMA”。 ⑶ 准备测试样品： ① 取直径为 6 mm 的 PMMA 棒，截取 5mm，用砂纸打磨平整，用卡尺测其厚度。 ② 将试样放在样品架上，用铝箔将样品与石英探头隔离。选择适当负荷，将石英探头

压在样片上。均 用力托起电炉，使样品置于电炉中。 ⑷ 调节主机右侧机械调零旋钮，使检测指示指针位于“0”附近。 ⑸ 通过微机温控单元面板输入检测条件，步骤如下： ① 打开 Windows 桌面的“XMI2001”程序，在主界面选择“设置”菜单下的“温度

控温曲线”。在打开的对话窗口中，输入程序名，设置“程序段为 1”，“起始温度为 0”，“终

止温度为 250”，“升温速率为 5”。 ② 按“添加”键，将设置内容添加到程序列表中。按“完成”，按“确定”。 ③ 按“读取数据”键，再按“曲线下载”键，然后运行升温程序。 ⑹ 观察数码显示器程序段显示的实际程序的给定温度开始上升后，当 SV 的读数小于 3 时，

输出电压小于 10V，若大于 10V，则点“恒温”键，使电压回到 10V 左右。当程序温度接

近室温时，按绿色“启动电炉”按钮开启电炉电源，电炉开始加热。开启电炉时，或在升温

中，如果电炉突然大幅上升，应立即切断电炉电源，待炉子冷却后再继续工作。 ⑺ 打开 windows 界面的温度形变检测 RTY-1P，在主界面点击“文件”菜单下的“开始采

样”，按照试样和实验条件输入各项基本信息后，开始采样。 ⑻ 测试完成后，保存采样数据。 ⑼ 关闭电炉电源，及时将电炉放下，清理样品。

五、数据处理：

在温度-形变曲线上，将每一转折前后的直线部分延伸至相交，从交点即可求出 Tg 和 Tf。

实验结果必须注明测试条件：

第 84 页，共 250 页

15

（1）试样应力=负载/πr²( kg/cm²) r 为压头半径 r = 5mm。

（2）升温速度 实验结果可表示如下：

六、实验报告：

1、实验记录，包括实验曲线、仪器样品及测试条件； 2、列表表示实验结果； 3、回答问题。 七、思考题：

1. 聚合物的温度-形变曲线与其分子运动有什么联系

2. 那些实验条件会影响 Tg 的数值，它们各产生何种影响？

3. 本实验测得的 Tg 与膨胀计法所测得的 Tg 是否一致？

Tf Tg 升温速度样品应力

测试结果 测试条件

第 85 页，共 250 页

16

实验五、高聚物表观粘度和粘流活化能的测定

流变学是研究材料流动和变形规律的一门科学。绝大多数高分子特别是热塑性塑料的成

型加工都是在粘流态进行的，如挤出，注射，吹塑等。线性聚合物在一定温度下的流动性，

正是高分子成型加工的重要依据。 一、实验目的：

1. 了解高聚物流体的非牛顿流体行为。 2. 了解 XLY-II 型毛细管流变仪的工作原理，掌握其使用方法。 3. 学会用 XLY-II 型毛细管流变仪测定热塑性聚合物的表观粘度和粘流活化能。 二、实验原理：

高聚物熔体的流动特性强烈地依赖于聚合物本身的结构、分子量及其分布、分子的支化

与交联、温度、压力、时间、作用力的性质和大小等外界条件的影响。了解高聚物熔体的流

动特性对于选择加工工艺条件和成型设备等具有重要指导意义。 牛顿流动定律： γητ &⋅= （1） 凡流动行为符合牛顿流动定律的流体，称为牛顿流体。牛顿流体的粘度仅与流体分子的

结构和温度有关，与切应力和切变速率无关。典型的牛顿流体有水、甘油、高分子稀溶液等。 而聚合物熔体和浓溶液并不符合牛顿流动定律，多属于非牛顿流体，如图 5.1 和图 5.2 所示。

幂律方程： nK γτ &⋅= （2） n=1 牛顿流体， n<1 假塑性流体， n>1 膨胀性流体

本实验是在 XLY-II 型毛细管流变仪进行的。毛细管流变仪使用 为广泛，优点是结构

简单，可以在较宽的范围调节切变速率和温度，得到十分接近加工条件的流变学物理量。常

用的切变速率范围为 101～106s-1，切应力为 104～106N/m2。除了可测定粘度外，还可以观察

聚合物的熔体弹性和不稳定流动现象，可以方便的测定高聚物熔体的流动曲线。 图 5.3 为 XLY-II 型毛细管流变仪工作原理图。高聚物在料筒中被加热熔融，在一定负

荷下，柱塞将高聚物熔体从毛细管挤出。电子记录仪记录温度、柱塞的下降位移和走纸距离、

走纸速度，由负荷和柱塞的下降速度计算出切应力、切变速率和粘度等，进一步绘制流动曲

线 lgτ-lgγ&、ηa－γ&、ηa－τ以及 ηa-T 和粘流活化能。 当牛顿流体在一个无限长的毛细管（长度 L，半径 R）中稳定流动时，阻碍流动的粘流

阻力与两端压差所产生的促使液柱流动的推动力相平衡，即 τππ ⋅=Δ⋅ rLpr 22

第 86 页，共 250 页

17

则： L

rp2

⋅Δ=τ （3）

当 r=R 时，压差 pΔ 可由所加负荷 F 求出，即

2

4

pdFp

π=Δ 其中 dp 为柱塞杆的直径。

当 r=R 时，即管壁处的切应力为：

FLd

RLRp

pw ⋅

⋅=

⋅Δ= 2

22 π

τ （4）

因为牛顿流动定律： γητ &⋅=

则切变速率γ&与压差 pΔ 的关系 Lrp

ηγ

2⋅Δ

=& （5）

当 r=R 时，即管壁处的切变速率 wγ& 为：

LRp

w ηγ

2⋅Δ

=& （6）

由 Hagen-Poiseuille 方程求体积流率 Q，即

LpRQ

ηπ

8

4Δ= （7）

将（7）代入（5）得：

3

42 R

QLRp

w πηγ =

⋅Δ=& （8）

又由于体积流率 Q 与柱塞杆的下降速度 V 的关系为

υπ⋅= 2

4 pdQ （9）

电子记录仪记录的如图 5.4 的流动速率曲线，可计算柱塞杆的下降速度 V

tnV

ΔΔ

= （10）

其中：横坐标 b (格数)可计算出柱塞的下降位移 nΔ （柱塞下降 2cm，对应记录笔移动

记录纸长 100 格），纵坐标 a (cm)可计算走纸时间 tΔ （由走纸距离即和走纸速度 v 计算）。

2100

×=Δbn (cm) （11）

υat =Δ (s) （12）

因为柱塞的横截面积为 S＝1cm2，故熔体的体积流率 Q

1×ΔΔ

=⋅=tnSVQ （ scm ⋅3

） （13）

第 87 页，共 250 页

18

因此，在流变仪口模尺寸和负荷给定的条件下，只要测出给定温度下熔体的体积流率，

即可计算出相应的粘度值。

QLpR

8

4Δ=

πη （ sPa ⋅ ） （14）

注意：XLY-II 型毛细管流变仪的毛细管规格直径 D＝1mm，毛细管长度 L＝40cm。其

加压系统采用砝码加压和 1:20 杠杆机构，所以每个小砝码提供负荷为 10kgf/cm2，每个中砝

码提供负荷 20kgf/cm2，不加砝码时挂钩等为 20kgf/cm2。 以上公式是在假定牛顿流体条件下推导的，但是实际高聚物流体并不是牛顿流体，需要

进行非牛顿流体修正。

牛修正 ηη ⋅+

=1n3

n4 （15）

式中 n 为非牛顿指数，其值可由下式来表示

Qdpd

dd

nw

w

log)log(

loglog Δ

==γτ&

（16）

由上式可知，非牛顿指数 n 即为 log pΔ ~logQ 曲线的切线的斜率，本实验每个实验点都

需要进行非牛顿修正。 一般聚合物的熔体粘度与温度的关系可用 Arrhenius 方程来描述

RTEAe /ηη Δ= （17）

式中 ηEΔ 为粘流活化能，分子间发生相对位移时所必须的能量，单位为 kJ/mol。高分

子的粘流活化能仅取决于高分子链的柔顺性，与分子量、温度、切变速率和切应力无关。 将 Arrhenius 方程取对数，则有

RTEA /lnln ηη Δ+= （18）因此，以

T1lg −η 作图就可得到如图 5.5 所示的一条直线，从直线的斜率就可求出该聚合物的表观粘

流活化能。

图 5.3 XLY-II 型毛细管流变仪工作原理图

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19

图 5.4 流动速率曲线 图 5.5 T1lg −η 的关系图

三、仪器与样品：

1. XLY-II 型毛细管流变仪，记录纸，手套等。 2. PS 树脂和 PP 树脂；PE 树脂和 PC 树脂。 四、实验步骤

1. 测试前聚合物样品真空干燥，除去水分。 2. 选择适当长径比的毛细管，清洁干净后，从料筒下方旋上（要旋紧），料筒上面放入柱塞。 3. 接通 XLY-II 型毛细管流变仪及记录仪的电源。 4. 设定实验温度（快速升温），当温度升到所需温度，用漏斗装入约 2g 试样，放进柱塞，

并用压头压紧柱塞，压实后保温 10min，同时选好负荷压力和走纸速度（600mm/hr 即可）。 5. 使压头下压，开始开启记录仪，记录流变速率曲线，每隔一定间隔加一砝码，每个温度

做 5~6 个不同负荷下的流变速率曲线。再改变温度，重复上述实验。 6. 实验完成后，趁热将料筒和毛细管清理干净， 后切断电源。 五、数据处理

1. 记录不同温度和负荷下的原始数据，并绘制表格。 2. 计算柱塞的下降位移和走纸时间，计算负荷和体积流率做 log pΔ ~logQ 曲线，由曲线的

切线的斜率确定非牛顿指数 n，每个实验点都需要进行非牛顿修正。 3. 计算出不同温度和负荷下的切应力、切变速率和粘度等，进一步绘制流动曲线 lgτ-lgγ&、ηa－γ&、ηa－τ。 4. 恒定切应力或恒定切变速率下以 T

1lg −η 作图，从直线的斜率就可求出该聚合物的表观粘

流活化能。 5. 原始数据记录：

XLY-II 型毛细管流变仪的毛细管半径 R= mm，长度 L= cm； 记录仪的走纸速度 v= mm/hr；柱塞的横截面积为 S＝ 1 cm2。

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20

树

脂 温度 /℃

压力 pΔ /kgf/cm2

横坐标 b /格数

纵坐标 a /cm

柱塞位移

nΔ /cm 走 纸 时 间

tΔ /s 体积流率

Q /cm3/s

190

200

210

PP

220

190

200

210

PS

220

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21

树

脂 温度 /℃

log pΔ

logQ 非 牛

顿 指

数 n

τw /Pa

γ& w /s-1

lgτw lgγ& w ηa 牛/

sPa ⋅ ηa 非牛

sPa ⋅

190

200

210

PP

220

190

200

210

PS

220

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22

六、注意事项

1. 装卸毛细管时应戴手套操作，以免将手烫伤。 2. 实验完成后，趁热将料筒和毛细管清理干净。 3. 做熔点或粘流温度较高的物料如 PC 和 PA 等，要用 LDPE 或 PP 清洗料筒和毛细管。 七、思考题

1. 测定热塑性聚合物的表观粘度和粘流活化能有何实际意义？就流动性而言，PC 对温度更

敏感，而 PE 对切变速率更敏感，为什么？成型加工如何设定它们的加工工艺参数？ 2. 本实验需要设定那些实验条件和测那些原始数据？ 3. 示意绘出聚合物熔体在宽切变速率下的流动曲线，并用缠结理论作出解释。 4. 简述毛细管流变仪的工作原理。

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23

实验六 高分子材料应力-应变曲线的测定

聚合物材料在拉力作用下的应力-应变测试是一种广泛使用的 基础的力学试验。聚合

物的应力-应变曲线提供力学行为的许多重要线索及表征参数（杨氏模量、屈服应力、屈服

伸长率、破坏应力、极限伸长率、断裂能等）以评价材料抵抗载荷，抵抗变形和吸收能量的

性质优劣；从宽广的试验温度和试验速度范围内测得的应力-应变曲线有助于判断聚合物材

料的强弱、软硬、韧脆和粗略估算聚合物所处的状况与拉伸取向、结晶过程，并为设计和应

用部门选用 佳材料提供科学依据。 一、目的要求

1． 熟悉拉力机（包括电子拉力机）的使用； 2． 测定不同拉伸速度下 PE 板的应力-应变曲线； 3． 掌握图解法求算聚合物材料抗张强度、断裂伸长率和弹性模量； 二、实验原理

应力-应变试验通常是在张力下进行，即将试样等速拉伸，并同时测定试样所受的应力

和形变值，直至试样断裂。 应力是试样单位面积上所受到的力，可按下式计算：

tPbd

σ =

式中 P 为 大载荷，N；b 为试样宽度，m；d 为试样厚度，m。 应变是试样受力后发生的相对变形，可按下式计算：

0

0

100%tI I

Iε −

= ×

式中 I0 为试样原始标线距离，m；I 为试样断裂时标线距离，m。 应力-应变曲线是从曲线的初始直线部分，按下式计算弹性模量 E（MPa，N/m2）：

E σε

=

式中σ为应力；ε为应变。 在等速拉伸时，无定形高聚物的典型应力-应变曲线见图 6-1。a 点为弹性极限，σa 为

弹性（比例）极限强度，εa为弹性极限伸长率。由 0 到 a 点为一直线，应力-应变关系遵循

虎克定律σ＝Eε，直线斜率 E 称为弹性模量（杨氏模量）。y 点为屈服点，对应的σy和εy

称为屈服强度和屈服伸长率。材料屈服后可在 t 点处断裂，σt、εt为材料的断裂强度、断

裂伸长率。（材料的断裂强度可大于或小于屈服强度，视不同材料而定）从σt的大小，可以

判断材料的强与弱，而从εt的大小（从曲线面积的大小）可以判断材料的脆与韧。

晶态高聚物材料的应力-应变曲线图 6.2。在 c 点以后出现微晶的取向和熔解，然后沿

力场方向重排或重结晶，故σc称重结晶强度。从宏观上看，在 c 点材料出现细颈，随拉伸

的进行，细颈不断发展，到细颈发展完全后，应力才继续增大到 t 点断裂。

由于高聚物材料的力学试验受环境温度和拉伸速度的影响，因此必须在广泛的温度和速

度范围内进行。工程上，一般是在规定的温度、速度下进行，以便比较。

第 93 页，共 250 页

24

三、试样要求

试样制备和外观检查，制成如图 6-3 所示的哑铃形的样条，试样表面应光滑、平整，不

应有气泡、杂质、机械损伤等。每组试样不少于 5 个。

tε aε yε ε O

图 6.1 无定形高聚物的应力应变曲线

σ

tσ

aσ yσ

cσ

tσ

tε cε ε

σ

O

图 6.2 晶态高聚物的应力-应变曲线

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25

四、试验条件：

1．试验速度（空载） A：10mm/min ± 5mm/min； B：50mm/ min ± 5mm/min； C：100mm/min ± 10mm/min 或 250mm/min ± 50mm/min。以 100mm/min ± 10mm/min 的速度试验，当相对伸长率≤100 时，用 100mm/min ± 10mmn/min；相对伸长率＞100 时，

用 250mm/min ± 50mm/min。 （1）热固性塑料、硬质热塑性塑料：用 A 速度。 （2）伸长率较大的硬质热塑性塑料和半硬质热塑性塑料（如尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚四

氟乙烯等）：用 B 速度。 （3）软板、片、薄膜：用 C 速度。 2．测定模量时，速度为 l mm/min～5 mm/min，测变形准确至 0.01 mm。 五、试验设备：

拉伸试验机或电子拉伸试验机（试验机示值应从每级表盘满刻度的 10％～90％，但不

小于试验机 大载荷的 4％读取，示值的误差应在± l％之内） 注：电子拉力试验机按有关规定执行。 六、试验步骤：

l．实验应在一定的温度（热塑性塑料为 25℃±2℃，热固性塑料为 25±5℃）和湿度（相对

湿度为 65％±5％）下进行。 2．测量模塑试样和板材试样的宽度和厚度准确至 0.05mm；片材厚度准确至 0.01mm；薄膜

厚度准确至 0.00lmm。每个试样在标距内测量三点，取算术平均值。 3．测伸长时，应在试样平行部分作标线，此标线对测试结果不应有影响。 4．夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合。并且要松紧适宜，以防

止试样滑脱和断在夹具内为度。夹持薄膜要求夹具内垫橡胶之类的弹性材料。 5．按规定速度，开动机器，进行试验。 6．试样断裂后，读取屈服时的负荷。若试样断裂在标线之外的部位时，此试样作废，另取

试样补作。 7．测定模量时，安装、调整测量变形仪器，施加负荷，记录负荷及相应的变形。 七、数据处理

1． 作 PE 试片的应力-应变曲线。 2． 求出抗张强度、断裂伸长率、弹性模量。 八、思考题

1． 拉伸速度对试验结果有何影响？ 2． 结晶与非晶聚合物的应力-应变曲线有何不同？

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26

实验七 聚合物应力松弛的测定

一、实验目的

1. 了解聚合物的应力松弛现象，加深对聚合物粘弹性质的认识； 2. 掌握应力松弛的原理； 3. 掌握使用应力松弛仪测定聚合物应力松弛曲线的方法。

二、基本原理

聚合物的力学性质是随时间的变化而变化的 ，这些变化被称为力学松弛。根据聚合物

受到外部作用情况的不同，我们可以观察到：应力松弛、蠕变、滞后和力学消耗等不同类型

的力学松弛现象。 应力松弛是在恒定温度和形变保持不变的情况下，高聚物内部应力随时间增加而逐渐衰

减的现象。（这里的条件是重要的；温度太低，拉伸太小，松弛小而慢，不易观察）。了解聚

合物的这种力学松弛特性，对于研究聚合物的结构与性能的关系以及在实际生产中，稳定产

品质量都很有意义。 聚合物的应力松弛，其根源在于聚合物的粘弹性质。线形聚合物受力作用，可能发生键

长键角、链段以及整个分子链 3 种不同运动单元的运动。其松弛时间为键长键角运动小于链

段运动，链段运动小于整个大分子链的运动。处于玻璃态的聚合物，由于后两种运动难于发

生，故松弛现象不明显。处于高弹态的聚合物，由于链段可以运动，在长时间力的作用下，

能通过链段运动达到整个大分子链的运动，因而松弛现象明显。当一个聚合物试样迅速被拉

伸并固定总伸长时，总的形变包括分子链中原子间键角与键长的改变（普弹形变），原来处

于卷曲状态的大分子链的舒展（高弹形变），但是分子间的相对位移来不及发生。因固定了

伸长，试样仍处于受力状态，随着时间的增加，柔性链分子因热运动而沿力作用的方向逐渐

舒展和移动，消除了弹性形变产生的内应力，因而应力相应减少。随着时间继续增长，链段

热运动具有回复大分子无规卷曲的 可几状态的趋向，继续消除了高弹形变产生的内应力。

经过足够长的时间，将达到大分子间的位移，即解缠结。同时，热运动使大分子慢慢地转入

另一种无规卷曲的平衡状态，即重卷曲，使固定的形变成为不可逆的形变。这样 终就消除

了两种弹性形变的内应力。也就是说，当时间足够长时，应力衰减 后达到零。（如果是交

联聚合物呢？） 因此，应力松弛是一种形式的弹性和粘性的组合。在聚合物的粘弹性理论中，应力松弛

现象可用 Maxwell 模型来描述，如图 7.1 所示，它是由一个粘壶和一个弹簧串联而成。用

Maxwell 模型可以导出以下数学模型，即：

τ

σσ t

t e−=0

（1）

其中：Eητ = ，称为松弛时间，η为粘度，E 为弹性模量。

由于弹性模量 E 和粘度η都是材料本身的特性参数，因此，松弛时间τ在一定温度下

也仅有材料性质决定，这就是松弛时间τ可以用来描述高分子材料应力松弛性质的依据所

在。

按上述数学模型，当 t＝τ时，材料的应力比 367.01

0

== −et

σσ

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27

这是一个不再与时间变化有关的数值。因此我们说τ是指高分子材料应力松弛至

367.00

=σσ t 时的时间，是反映高分子材料力学性质的一个特性参数，实际上，常根据样品的

应力松弛曲线（图 7.2）来确定其松弛时间τ。

三、试样与仪器

（1）试样采用未硫化的天然橡胶及其硫化橡胶，其规格为 40 mm×10 mm×1.5 mm。

（2）实验仪器为 YS-1 型应力松弛仪，该仪器为多点拉伸式，实验温度可以在室温至

50℃范围内任意调节。

（3）仪器结构及测试原理

仪器主要由三部分组成：

A 恒温箱：电加热式，箱内装有循环风扇使箱内空气强制循环加热，并保证箱内温度

分布均 ，实验是在恒温箱内进行的。B 拉伸结构：由可逆电机、螺杆、导杆和上下挟持器

等组成（如图 7.3 所示）

拉伸机构的动力为可逆电动机。电动机可反正转，通过齿轮螺杆作反转和正转，从而使

拉杆做上下运动。下夹持器是固定在与拉杆连接的连板上，由于连板有导杆定向，所以六个

下夹持器只能上下平行移动，其移动距离由多圈电位器测定，从仪表上可以直接得到指示。

上下的 小间距为 40mm， 大间距为 150mm，当试片的工作长度为 40mm 时， 大伸长比为

3.75。

C 测试结构：主要由板式测力弹簧，差动变压器、放大器和电位差计组成（如图 7.4）。

差动变压器的触头在本身弹簧的作用下紧顶在测力弹簧上，当下挟持向下运动时，试片

被拉伸，其张力通过上挟持长杆及短杆使弹簧变形，触头随之产生位移，再通过差动变压器

送出与其位移成正比的电压信号，经放大整流后由记录仪指示出来。随着试片应力的变化，

记录仪的输入信号也产生相应的变化。

测力范围分 10、30、100、300μV 四档，以适应不同的要求。

四、操作步骤

1、接通电源，将温控仪指针调至所需温度（本实验在室温下进行），升温时接通“加热”

开关，恒温时接通“恒温”开关。

2、根据不同试样，选择好“应力粗调”开关，并根据应力校核差动变压器的零点和校

满度。

3、开“加热”开关时，就打开记录仪开关，让其走零点，整机的热平衡需半个小时左右。

待记录仪走直线后即可开始实验。

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28

4、按实验要求裁好试片（平行做三片），装在挟持器上，恒温 10-15 分钟。

5、重新调节各测力机构的零点，此零点记为 O1。

6、按动下夹持器下降开关使试片拉伸至所需长度（本实验拉伸 20mm）开始计时，试验

过程中，需要经常观察恒温箱中温度的高低及记录仪是否运行正常。

7、实验约 1小时后（此时可达到我们的实验目的），剪断试片，关闭恒温箱门，让仪器

再打 5 分钟零点，此时零点记为 O2，关闭记录仪。

8、按动夹持器“上升”开关，让长度指示调节仪的指针回到零点，取下试片，关闭仪器。

五、数据处理

1、零点的确定：由于实验前后温度及应力的影响会导致漂移，故各测力机构的零点应

取平均值，即2

21 OOO += ，此零点为一任意初始位置，不一定在记录图纸的零点。

2、绘出 tt −0σ

σ 的应力松弛曲线，其中σ0、σt和时间 t 均可由记录仪绘出的曲线中找出。

0σσ t 比值应取三个试片的平均值。

3、由所得的 tt −0σ

σ 曲线分别确定应力半衰期 t0.5及应力松弛时间τ。

六、思考题

1、为什么聚合物会出现应力松弛现象？

2、试绘出线型高分子与网状高分子的应力松弛曲线，二者有何不同？为什么？

3、影响松弛时间τ和应力半衰期 t0.5的因素有那些？

4、Maxwell 模型与实验结果有何不同？为什么？

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29

实验八 动态粘弹谱法测定聚合物的动态力学性能

在交变应力作用下，对样品的应变和应力关系随温度、外力作用频率等条件的变化进行

分析，即为动态力学分析。动态力学分析能得到聚合物的动态模量（E'）、损耗模量（E"）和力学损耗（tanδ）。这些物理量是决定聚合物使用特性的重要参数。同时，动态力学分析

对聚合物分子运动状态的反应十分灵敏，考察模量和力学损耗随温度、频率以及其他条件的

变化的特性可得到聚合物结构、性能和分子运动的许多信息，如玻璃化转变、结晶、交联、

相分离等分子松弛过程。

一、实验目的 1．了解聚合物粘弹特性，学会从分子运动的角度来解释高聚物的动态力学行为。 2．了解聚合物动态力学分析（DMA）原理和方法，学会使用动态力学分析仪测定多频

率下聚合物动态力学温度谱。

二、基本原理 高聚物是黏弹性材料之一，具有黏性和弹性固体的特性。它一方面象弹性材料具有贮存

机械能的特性，这种特性不消耗能量；另一方面，它又具有象非流体静应力状态下的黏液，

会损耗能量而不能贮存能量。当高分子材料形变时，一部分能量转变成位能，一部分能量变

成热而损耗。能量的损耗可由力学阻尼或内摩擦生成的热得到证明。材料的内耗是很重要的，

它不仅是性能的标志，而且也是确定它在工业上的应用和使用环境的条件。 如果一个外应力作用于一个弹性体，产生的应变正比于应力，根据虎克定律，比例常数

就是该固体的弹性模量。形变时产生的能量由物体贮存起来，除去外力物体恢复原状，贮存

的能量又释放出来。如果所用外力是一个周期性变化的力，产生的应变与应力同相位，过程

也没有能量损耗。假如外应力作用于完全黏性的液体，液体产生永久形变，在过程中消耗的

能量正比于液体的黏度，应变落后于应力 90°，如图 8.1（a）所示。聚合物对外力的响应

是弹性和黏性两者兼有，这种黏弹性是由于外应力与分子链间相互作用，而分子链又倾向于

排列成 低能量的构象。在周期性应力作用的情况下，这些分子重排跟不上应力变化，造成

了应变落后于应力，而且使一部分能量损耗。图 8.1（b）是典型的黏弹性材料对正弦应力的

响应。正弦应变落后一个相位角δ。应力和应变可以用复数形式表示如下。 σ*=σ0exp(i ωt)

γ*=γ0exp[i (ωt-δ)] 式中，σ0 和 γ0 为应力和应变的振幅；ω是角频率；ί是虚数。用复数应力 σ*除以复数形

变 γ*，便得到材料的复数模量。模量可能是拉伸模量和切变模量等，这取决于所用力的性质。

为了方便起见，将复数模量分为两部分，一部分与应力同位相，另一部分与应力差 90°的

相位角，如图 8.1（c）所示。对于复数切变摸量 E*=E΄+ iE˝

E΄=| E*|cosδ E˝=| E*|sinδ 显然，与应力同位相的切变模量给出样品在 大形变时弹性贮存模量，而有相位差的切变

模量代表在形变过程中消耗的能量。在一个完整周期应力作用内，所消耗的能量∆W 与 大贮

存量 W 之比，即为黏弹性物体的特征量，叫做内耗，它与复数模量的直接关系为 ∆W/W=2πE˝/E΄=2πtanδ

这里 tanδ称为损耗角正切。

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30

聚合物的转变与松弛与分子运动有关。由于聚合物分子是一个长链的分子，它的运动有

多种形式，包括侧基的转动和振动、短链段的运动、长链段的运动以及整条分子链的位移等。

各种形式的运动都是在热能量激发下发生的。它既受大分子内链段（原子团）之间的内聚力的

牵制，又受分子链间的内聚力的牵制。这些内聚力都限制聚合物的 低能位置。在绝对零度，

分子实际上不发生运动，然而随温度升高，不同结构单元开始热振动，并不断加剧。当振动的

动能接近或超过结构单元内旋转位垒的热能值时，该结构单元就发生运动，如转动、移动等，

大分子链的各种形式的运动都有各自特定的频率。这种特定的频率是由温度和参加运动的结构

单元的惯量矩所决定的。而各种形式的分子运动的开始发生便引起聚合物宏观物理性质发生变

化而导致变化或松弛，体现在动态力学曲线上的就是聚合物的多重转变。如图 8.2 所示。

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在线形无定形高聚物中，按温度从低到高的顺序排列，有 5 种可能经常出现的转变。 ○1 δ转变。侧基绕着与大分子链垂直的轴运动。 ○2 γ转变。主链上 2~4 个碳原子的短链运动—沙兹基（Schatzki）曲轴效应（如图 8.3 所

示）。

○3 β转变。主链旁较大侧基的内旋转运动或主链上杂原子的运动。 ○4 α转变。由 50~100 个主链碳原子的长链段的运动。 ○5 T׀׀转变。液—液转变，是高分子量的聚合物从一种液态转变为另一种液态，两种液态

都是高分子整链运动，表现为膨胀系数发生拐折。 在半结晶高聚物中，除了上述 5 种转变外，还有一些与结晶有关的转变，主要有以下转

变。 Tm转变：结晶熔融（一级相变）。 Tcc转变：晶形转变（一级相变），是一种晶型转变为另一种晶型。 Ta

c转变：结晶预溶。 通常使用动态力学仪器来测量材料形变对振动力的响应、动态模量和力学损耗。其基本

原理是对材料施加周期性的力并测定其对力的各种响应，如形变、振幅、谐振波、波的传播

速度、滞后角等，从而计算出动态模量、损耗模量、阻尼或内耗等参数，分析这些参数变化

与材料的结构（物理的和化学的）的关系。动态模量 E΄、损耗模量 E˝、力学损耗 tanδ= E˝/E΄

是动态力学分析中 基本的参数。

三、实验仪器 DMA2980 是由美国 TAINSTRUMENTS 公司生产的新一代动态力学分析仪（结构见图 8.4

至图 8.6）。它采用非接触式线形驱动马达代替传统的步进马达直接对样品施加应力，以空气轴

承取代传统的机械轴承以减少轴承在运行过程中的摩擦力，并通过光学读数器来控制轴承位移，

精确度达 1nm；配置多种先进夹具（如三点弯曲、单悬臂、双悬臂、夹心剪切、压缩、拉伸等

夹具），可进行多样的操作模式，如共振、应力松弛、蠕变、固定频率温度扫描（频率范围为

0.01~210Hz，温度范围为 150~600°C）、同时多个频率对温度扫描、自动张量补偿功能、TMA等，通过随机专业软件的分析可获得高解析度的聚合物动态力学性能方面的数据。（测量精度：

负荷 0.0001N，形变 1 nm，tanδ0.0001，模量 1%。） 本实验使用单悬臂夹具进行试验（图 8.6）。

四、样品制备 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）长方形样条。 试样尺寸要求：长 a = 35~40mm;宽 b ≤ 15mm;厚 h ≤ 5mm。准确测量样品的宽度、长度

和厚度，各取平均值记录数据。

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五、实验步骤 1．仪器校正（包括电子校正、力学校正、动态校正和位标校正，通常只作位标校正）

将夹具（包括运动部分和固定部分）全部卸下，关上炉体，进行位标校正（position calibration），校正完成后炉体会自动打开。

2．夹具的安装、校正（夹具质量校正、柔量校正）按软件菜单提示进行。 3．样品的安装 ○1 放松两个固定钳的中央锁螺，按“FLOAT”键让夹具运动部分自由。 ○2 用扳手起可动钳，将试样插入跨在固定钳上，并调正；上紧固定部位和运动部位的中

央锁螺的螺丝钉。 ○3 按“LOCK”键以固定样品的位置。 ○4 取出标准附件木盒内的扭力扳手，装上六角头，垂直插进中央锁螺的凹口内，以顺时

针用力锁紧。对热塑性材料建议扭力值 0.6~0.9N.m。 4．实验程序 ○1 打开主机“POWER”键，打开主机“HEATER”键。 打开 GCA 的电源（如果实验温度低于室温的话），通过自检，“Ready”灯亮。 ○2 打开控制电脑，载进“Thermal Solution”，取得与 DMA2980 的连线。 ○3 指定测试模式（DMA、TMA 等 5 项中 1 项）和夹具。 ○4 打开 DMA 控制软件的“即时讯号”（real time signal）视窗，确认 下面的“Frame

Temperature”与”Air Pressure”都已“OK”，若有接 GCA则需显示“GCA Liquid level:XX% full”。

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33

○5 按“Furnace”键打开炉体，检视是否需安装或换装夹具。若是，请依标准程序完成

夹具的安装。若有新换夹具，则重新设定夹具的种类，并逐项完成夹具校正

（MASS/ZERO/COMPLIANCE）。若沿用原有夹具，按“FLOAT”键，依要领检视驱动轴漂

动状况，以确定处于正常。 ○6 正确的安装好样品试样，确定位置正中没有歪斜。对于会有污染、流动、反应、黏结

等顾忌的样品，需事先做好防护措施。有些样品可能需要一些辅助工具，才能有效地安装在

夹具上。 ○7 编辑测试方法，并存档。 ○8 编辑频率表（多频扫描时）或振幅表（多变形量扫描时），并存档。 ○9 打开“Experimental Parameters”视窗，输入样品名称、试样尺寸、操作者姓名及一些

必要的注解。指定空气轴承的气体源及存档的路径与文件名，然后载入实验方法与频率表或

振幅表。 ○10打开“Instrument Parameters”视窗，逐项设定好各个参数，如数据取点间距、振幅、

静荷力、Auto-strain、起始位移归零设定等。 ○11按下主机面板上面的“MEASURE”键，打开即时讯号视窗，观察各项讯号的变化是

否够稳定（特别是振幅），必要时调整仪器参数的设定值（如静荷力与 Auto-strain），以使其

达到稳定。 ○12确定有了好的开始（Pre-view）后便可以按“Furnace”键关闭炉体，再按“START”键，

开始正式进行实验。 ○13只要在连线（ON-LINE）状态下，DMA2980 所产生的数据会自动的、一次次的转存

到电脑的硬盘中，实验结束后，完整的档案便存到硬盘里。 ○14假定不中途主动停止实验，则会依据原先载入的实验方法完成整个实验，假如觉得实

验不需要再进行的话，可以按“STOP”键停止（数据有存档）或按“SCROLL-STOP”或

“REJECT”键停止（数据不存档）。 ○15实验结束后，炉体与夹具会依据设定之“END Conditions”回复其状态，若有设定“GCA

AUTO Fill”，则之后会继续进行液氮自动填充作业。 ○16将试样取出，若有污染则需予以清除。 ○17关机。步骤如下。按“STOP”键，以便贮存 Position 校正值。等待 5s 后，使驱动轴真

正停止。关掉“HEATER”键。关掉“POWER”键，此时自然与电脑离线。关掉其他周边

设备，如 ACA、GCA、Compressor 等。进行排水（Compressor 气压桶、空气滤清调压器、

GCA）。

六、数据处理 打开数据处理软件“thermal analysis”，进入数据分析界面。打开需要处理的文件，应用

界面上各功能键从所得曲线上获得相关的数据，包括各个选定频率和温度下的动态摸量 E'、损耗模量 E"和阻尼或内耗 tanδ，列表记录数据。

附：日本精工 Diamond DMA 基本操作步骤如下： ①开主机电源“Power”. ②开操作软件 Muse Jobs 中点击 Measure.软件中使主机与电源连通（Open Communication Port）. ③出现初始化窗口时选择√使仪器初始化。 ④在电脑中填入样品信息，如尺寸、文件名等。 ⑤编辑方法：填入拉伸频率、温度范围等。 ⑥在“moto control”中，使夹具恢复到初始位置。

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⑦打开样品室、装样品、关闭样品室。 ⑧点击 test，查看设定条件是否符合要求。若符合要求，点击↑使温度预热到实验初始温度。

待温度到达后，点击►开始实验。 ○9 到达设定温度后，实验自动停止。 ○10打开图象处理软件 Standard Analysis 进行各项处理。 七、思考题 1．什么叫聚合物的力学内耗？聚合物力学内耗产生的原因是什么？研究它有何重要意义？ 2．为什么聚合物在玻璃态、高弹态时内耗小，而在玻璃化转变区内耗出现极大？为什么聚

合物在从高弹态向黏流态转变时，内耗不出现极大值而是急剧增加？ 3．试从分子运动的角度来解释 PMMA 动态力学曲线上出现的各个转变峰的物理意义。 八、参考文献 1.何曼君等. 高分子物理. 修订版. 第七章. 上海：复旦大学出版社，1990 2.刘振兴等. 高分子物理实验. 广州：中山大学出版社，1991 3．潘鉴元等. 高分子物理. 第六章. 广州：广州科技出版社，1981 4．钱保功等. 高聚物的转变与松弛. 北京：科学出版社，1986

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实验九 高聚物的高频介电损耗测定 一、实验目的 1． 通过实验，加深理解介电常数及介电损耗与聚合物结构的关系 2． 掌握用高压西林电桥测定聚合物介电系数和介电损耗的方法 二、实验原理 1．介电常数ε是指含有电介质的电容器的电容 C 与相应真空电容器的电容 Co 的比值。

0C

C=ε

它可以表示电介质贮存电能的能力大小，是衡量电介质极化程度的宏观物理量。而电介质

的极化与分子结构有关，分子的极性大，极化程度越大，则介电常数也越大。 2．聚合物在外电场作用下，由于分子极化将引起电能的储存和损耗，这种性能称为介电性。

一般电介质在交流电场中，介质的极化跟不上电场的变化，因而要消耗一部分电能，使介

质本身发热，这种现象就是介电损耗。 聚合物的介电损耗大小常以它做成的电容器的电压与流过该电容器的电流之间相位差的

余角δ的正切值 tgδ来表示，称为介电损耗因数。 tgδ= 每个周期内介质损耗的能量/每个周期内介质贮存的能量 聚合物的极性大小和极性基团的密度，对介电损耗起决定作用。 3．高压西林电桥常用于测试工频（50Hz）下绝缘材料的介电常数ε和介电损耗因数 tgδ。

原理如图所示。

图 9.1 高压西林电桥原理图

在高压西林电桥的 UE 对角线加 50Hz 的试验电压，在 ab 对角线上接平衡指示器 G（检流

计）。电桥的平衡靠调节 R3 和 C4 来获得。电桥平衡时，，电桥对角线顶点 U、E 的电位数

值及相位均应相等。这时 IG ＝ 0；电桥的相对臂的阻抗乘积相等，即 Zx×Z4 ＝ Z3×ZN 。利用电桥平衡条件，可求出 tgδ和 Cx。计算公式如下：

3

4

RRCC Nx =

44 RCtg x ωδ =

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0/ CCxr =ε

式中，Cx ------------- 试样的电容 tgδx -------- 介质损耗角正切

C0 ------------ 真空电容器的电容 C4 ------------ 与试样相对的桥臂上的可变电容 R3 ------------ 与标准电容器相对的桥臂上的固定电阻 ω-------- 电场角频率 CN ------------ 标准电容 R4 ------------- 与试样相对的桥臂上的可变电阻

三、实验仪器与试样 1． QS37 型高压电桥

测量介电损耗因数 tgδ和电容值 C 的通用仪器。本电桥具有完善的屏蔽及辅助电桥，辅

桥采用 FY108 型电位自动跟踪器，在主桥平衡的过程同时，辅桥也自动跟踪始终处于平

衡的动态。测量线路采用正接法。测量温度为 0oC~40oC，相对湿度为 30%~80%的条件

下，正常使用。测量范围：C = 40 ~ 2×104pF， tgδ= 0~1，测量误差：C = ±（0.5＋2pF）， tgδ= ±（1.5%＋1×10-4）

2． BR26 型高压标准电容器 作为高压电桥配套用标准电容器在工频中使用的真空介质电容器。使用环境为周围介质

温度+10oC ~ +35oC，相对湿度低于 80% 3． RY1 型绝缘油介损测量电极（油杯）

是一种带有屏蔽保护极，极间距离为 2mm 圆柱形空气电容器，用于对各种电缆油，变

压器油，电容器油等液体绝缘材料的介质损耗因数，相对介电常数的精密测量。 4．FY120 型测温控温仪 和配套加热器联用后在规定温度（室温~ 150oC 范围内）作为 RY1 型绝缘油测量电极的

专用加热，测温和控温装置。 5．RY2 型固体绝缘材料测试电极

平板形带保护电极的三端式电容器，配以高压电容电桥，在工频电压下对各类固体绝缘

材料作介质损耗因数，相对介电常数的测量。 6．FY64a 型高压电源

是为绝缘油作介质损耗测量时专用的一端接地输出的交流电源。适宜在环境温度 0oC ~ 40oC，相对湿度 30% ~ 85%的条件下正常使用。

7．实验样品 测定材料 好采用片状试样。直径在 25.4 ~ 31.00mm，厚度可在 1 ~ 5mm 之间，若太薄

或太厚则测试精度会下降。样品尽可能平直，表面平滑，无裂纹、气泡或机械杂质。 四、实验步骤 1．测试前准备 a．按照仪器说明书，连接电桥及各附件，标准电容 CN与被测试品 CX尽可能远离，预防

互相之间干扰。 b．安全设备和接地检查，检查附近有无电磁场干扰或机械振动影响，应尽量避免。

c．对试品施加试验电压（按部标或国际所规定的专业标准进行）。

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2．试品测量 a．高压标准电容器顶部高压端钮接高压电源，底部低压端纽通过屏蔽导线接至桥体“CN”

插口。 b．将试品无屏蔽之电极接高压电源，有屏蔽之电极接至桥体“Cx”端钮上，屏蔽经导线屏

蔽与电桥“地”相连 。 c．被测试品应远离高压电源，防止高压电场影响。检查接线情况符合要求后，接通电源，

使高压升至所需的工作电压，保持 1 分钟后开始工作。 d．在测量电压下，逐步增大指零仪上的灵敏度开关，同时分别交替调节桥体上的 R3，C4

读数盘，直到指针偏转为 小值为止。 e．测量完毕或暂停测量时，应将指零仪灵敏度降至“0”，再将高压电源降至零，并切断

电源。，由 C4、R3 读取 tgδ值，并计算出 Cx 值。

五、实验记录和结果处理

试样名称 R3 C4 tgδ Cx

按所列公式计算试样的电容，介电常数和介质损耗因数。 六、思考题 1．影响本实验测试结果的因素有哪些？ 2．通过实验说明高聚物分子结构对介电常数与介质损耗因数有什么影响？ 七、参考文献 1．李允明主编，高分子物理实验， 浙江大学出版社。 2．何曼君，陈维孝，董西侠，高分子物理， 复旦大学出版社。 3．QS37 型高压西林电桥说明书。

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- 1 -

材料化学实验讲义

材料学院材料化学教研室

2008．9

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- 2 -

目 录

实验一 蒙脱土聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的制备………………………1

实验二 沉淀法制纳米级碳酸钙……………………………………… 3

实验三 塑料注射成型………………………………………………… 5

实验四 复合材料的模压成型………………………………………… 7

实验五 丙烯酸乳液压敏胶的制备…………………………………… 12

实验六 丙烯酸树脂涂料的制备……………………………………… 15

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- 3 -

实验一 蒙脱土聚甲基丙烯酸甲酯复合材料的制备

一、实验目的

（1） 掌握蒙脱土的改性方法及不同改性方法对蒙脱土性能的影响。

（2） 掌握原位聚合法制备纳米复合材料的基本原理及方法。

（3） 了解纳米复合材料的结构性能特点及其与普通粒子填充聚合物共

混体系的结构及性能差别。

二、实验原理

蒙脱土的化学组成为：Na0.7(Al3.3Mg0.7)Si8O20(OH)4nH2O，属于层状

硅酸盐结晶结构，每个晶层一般由铝氧八面体层及硅氧四面体层按一定

规律排列而成。层片表面常由于中心离子正电荷不足而带有一定负电性，

因此层与层之间常吸附一些阳离子如 Na+、K+、Ca+、Mg+等，以使整个

体系呈电中性，晶层之间存在由静电作用引起的较弱的结合力。

这种亲水的微环境不利于插层反应的进行，在制备 PLS 纳米复合材

料时，为了便于单体或聚合物插入层间，通常利用有机阳离子通过离子

交换反应来替代蒙脱土层间的水化无机阳离子，使层间距扩大，并使蒙

脱土表面疏水化，这种有机阳离子被称为插层剂。插层剂还能降低蒙脱

土的表面能，改善蒙脱土与聚合物基质之间的润湿作用，有利于单体或

聚合物进入蒙脱土层形成 PLS 纳米复合材料，插层剂的选择是制备 PLS

纳米复合材料的关键步骤之一。

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- 4 -

将经过改性的有机化蒙脱土与单体和引发剂混合均匀，再在适当

条件下进行聚合反应，利用聚合产生的作用力使蒙脱土的硅酸盐片层撑

开和使聚甲基丙烯酸甲酯分子不断插入硅酸盐片层间，即可形成硅酸盐

片晶均匀分散在聚甲基丙烯酸甲酯基体中的蒙脱土纳米复合材料。

三、实验药品和仪器

钙基蒙脱土 氟化钠 十八烷基氯化铵 乙醇 硝酸银

甲基丙烯酸甲酯 AIBN

粉碎机 真空干燥箱 三口烧瓶 搅拌器

四、实验步骤

1 蒙脱土的有机改性

蒙脱土(MMT)原矿经三次提纯所得的悬浮液用氟化钠钠化后，即

得钠基蒙脱土的悬浮液。将长链伯铵盐溶于适量的乙醇中，然后加入到

钠基蒙脱土的悬浮液中，在一定温度下，搅拌反应数小时，有白色沉淀

物析出，反复抽滤，洗涤，直至用硝酸银溶液检验无卤离子后，放入真

空干燥箱中干燥至恒重，用粉碎机粉碎成粉末，得有机蒙脱土。

2 聚甲基丙烯酸甲酯/蒙脱土纳米复合材料的制备

在 100ml 三口瓶中，加入 5g 蒙脱土和 20g 甲基丙烯酸甲酯，加入

50ml 水作为溶剂，在室温下搅拌 20 分钟。按每克甲基丙烯酸甲酯加

0.005g 引发剂的比例向三口瓶中加入过 AIBN 引发剂，缓慢加热使温度

升至 80-85℃，使聚合反应开始进行，20 分钟后体系粘度突然增大时，

停止加热，用冷水迅速冷却三口瓶至室温，得到粘稠状液体，干燥制成

试样供性能测试用。

五、思考题

1、 原位聚合法制备聚合物纳米复合材料的基本原理是什么？

2、 聚合物纳米复合材料与普通粒子填充聚合物复合材料的结构和性

能上有何差异？

第 111 页，共 250 页

- 5 -

实验二 沉淀法制纳米级碳酸钙

一、 实验目的

了解化学方法制备纳米碳酸钙原理，熟悉纳米粉末表征方法。

二、 实验原理

纳米碳酸钙的形成是一个结晶过程，方程式为：CaO + H2O→

Ca(OH)2，Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+ H2O。

随着 Ca(OH)2 中加入 CO2 ，即碳化反应的进行，形成了 CaCO3 的

过饱和溶液，由于局部温度起伏（碳化反应是放热反应）和浓度起伏而

形成晶核。在 Ca(OH)2 吸收 CO2 形成 CaCO3 的过程中，化学反应极为迅

速，整个反应的主要控制因素是晶核的形成和生长。在反应初期的过饱

和溶液中，大量 CaCO3 均相成核，形成的非晶态碳酸钙粒子，由于其活

性极高，它们会吸附到 Ca(OH)2 颗粒周围。一方面能降低 Ca(OH)2 与 CO2

的反应速度，另一方面，利用 Ca(OH)2 颗粒形成中间体。由于非晶态

CaCO3 粒子的不稳定性，它们很快发生晶型转变，生成 CaCO3 晶粒。在

此反应过程中，可加入添加剂使晶体稳定存在。随着反应的进行，线形

中间体不断的溶解、消失，晶粒就会不断生长，成为具有一定粒度和形

貌的粒子。在反应过程中，可控制的条件有：①氢氧化钙的浓度；②二

氧化碳的加入量；③反应温度；④添加剂的种类、数量和添加时间；⑤

搅拌速度等。

三、 实验仪器及设备

二氧化碳钢瓶、三口瓶、导气管、浆式搅拌器、胶塞、恒温水浴、

搅拌电机、调压器、抽滤装置、研磨钵、标准筛、PH 试纸。

四、 实验药品

二氧化碳、氧化钙、蒸馏水、乙二胺四乙酸、三氯化铝。

第 112 页，共 250 页

- 6 -

五、 实验步骤

1． 先将氧化钙（25g）与蒸馏水（1000g）在三口瓶中配成悬浮液，

CaO + H2O→Ca(OH)2 该反应属于放热反应，充分搅拌后，过筛（200

目标准筛）。

2． 过筛后，将产物重新倒入三口瓶中，待温度降至 30℃以下时，

加入乙二胺四乙酸（EDTA）晶形控制剂，边搅拌边通人二氧化

碳气体进行碳化反应，反应温度控制在 10～30℃。

3．待溶液呈粘稠状时，加入 0.5gAlCl3，继续通入 CO2 进行碳化反应，

直至溶液 PH=7~8 为止。

4． 然后，抽滤，烘干，研磨，过筛得到成品（反应时间共 3～4 小

时）。

六、 实验结果与讨论

1．计算所制得的碳酸钙的产率：产率＝m / [(25／56)×100]]×100%

2．通过电镜观察所制得的碳酸钙的形貌，并计算径向尺寸。

第 113 页，共 250 页

- 7 -

实验三 塑料注射成型

一、 实验目的

1、熟悉螺杆式注射机的结构及工作原理

2、掌握螺杆式注射机的操作步骤

3、掌握注射成型的工艺实施方法

4、注射成型标准试样

二、 实验原理

注射成型就是将塑料（一般为粒料）在注射成型机的料筒内加

热熔化，当成流动状态时，在柱塞或螺杆（本实验为螺杆）加压下

熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快速度

注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间冷却定型后，开启模具

即得制品。

注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料—

熔融塑化—施压注射—充模冷却—启模取件。取出塑件后又再闭模，

进行下一个循环。

三、 螺杆式注射机的基本结构

注塑机主要由注射系统、锁模系统、模具三部分组成。如下图所示：

第 114 页，共 250 页

- 8 -

1、注射系统

注射系统是注塑机的主要部分，其作用是使塑料均匀地塑化并达

到流动状态，在很高的压力和较快的速度下，通过螺杆或柱塞的推进注

射入模。

包括加料装置、料筒、、分流梭和柱塞（柱塞式）、螺杆、喷嘴六

部分。其中螺杆是本系统的主要部件，它的作用是送料、压实、塑化、

传压。

2、锁模系统

锁模系统的主要作用是在注射过程中能锁紧模具，而在取出制件

时能打开模具。

3、模具系统 模具是利用本身特定形状，使塑料（或聚合物）成型为具有一定形

状和尺寸的制品的工具。其作用在于：在塑料的成型加工过程中，赋予

塑料以形状，给予强度和性能，完成成型设备所不能完成的工作，使它

成为有用的型材（或制品）。

注射模具主要有浇注系统、成型零件和结构零件三部分所组成。

四、 实验步骤

1、开机准备

（1） 预热升温准备

合上控制柜总电源开关，根据物料设定合理的工艺温度、压力、

时间。打开冷却水阀门。

（2） 注射

当各段温度加热到设定值后，保温 5-10 分钟，依次进行如下操作：

1）启动油泵

2）将物料到入料斗

3）a.选择手动模式

第 115 页，共 250 页

- 9 -

① 预塑化，关上拉门，合模，注射机座进，一级注射，

二级注射，三级注射，预塑化，注射机座退，开模，

拉开拉门，取出样件。

② 合模，注射机座进，一级注射，二级注射，三级注射，

预塑化，注射机座退，开模，拉开拉门，取出样件。

b.选择半自动模式

在手动模式调节好以后，选择半自动模式，关上拉门，

合模，设备会自动完成以下过程（注射机座进，一级注射，

二级注射，三级注射，预塑化，注射机座退，开模），拉开

拉门，取出样件。

2、注射机各段加热温度的调整

根据物料熔体粘度调整机筒温度

3、锁模压力，预塑化压力，注射压力的调整

根据塑料充模情况，调整锁模压力，注射压力，注射时间

4、保压时间，冷却时间的调整

根据试样的冷却情况调整保压时间，冷却时间

5、清理螺杆

五、 思考题

1、注射机的螺杆与挤出机的螺杆在结构和形式上有何异同点。

2、讨论注射成型工艺的影响因素。

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- 10 -

实验四 复合材料的模压成型

一. 实验目的

(1) 了解玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的成型原理。

(2) 掌握玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的模压成型工艺。

二. 实验原理

玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的成型过程是基体材料的固化过

程，也就是环氧树脂在一定温度条件下由线性结构转变为体形结构的过

程。

固化后复合材料的质量决定于成型工艺。复合材料的成型工艺很

多，模压成型是典型的成型方法。成型工艺条件包括成型温度、成型压

力、加压时机、保温时间等。一般成型温度是热固性树脂剧烈反应的温

度，是 DSC 曲线的放热峰峰顶温度。成型压力视基体材料的特点和复合

材料的种类而定，一般环氧树脂复合材料的成型压力小于酚醛树脂的成

型压力，因为酚醛树脂的固化是放出小分子的，需要高压才能得到致密

产品，一般为 20Mpa 以上。而环氧树脂没有小分子放出，只需 10Mpa 既

可。

三. 实验设备与原料

设备：平板硫化机 50 吨；模具；

原料：环氧树脂 E44 型；平纹玻璃纤维布；

四. 实验步骤

(1)．模具预热

预热温度为 80－100℃，预热可以节省时间，提高工作效率。

(2)．脱模剂的涂覆

实验选用的脱模剂为 2 甲基硅油，属于高温脱模剂。

(3).涂胶与装模

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- 11 -

其中装模包括环氧树脂预热与加入固化剂混合和玻璃布剪切

(4). 压制

复合材料样品质量的好坏决定于压制过程，包括成型工艺条件的成型

温度、成型压力、加压时机、保温时间。

成型工艺条件

预热温度 ℃ 80-100

成型温度 ℃ 120

成型压力 MPa 8-10

加压时机 装模后 2-3 分钟稍加压待凝胶后

加全压。五分钟内放气 2-3 次，然

后保持成型压力。

保温时间 ℃ 20

脱模温度 ℃ 50

脱模剂 二甲基硅油

( 5). 开模

(6). 样品的后处理

包括脱模、修理毛刺和打磨等。

(7). 检验成品

五．思考题

(1) 写出环氧树脂与三乙烯四胺固化的反应方程式。

(2) 如果用偶联剂对玻璃纤维表面进行处理，材料的性能会怎样？

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- 12 -

实验五 丙烯酸乳液压敏胶的制备

实验六 丙烯酸树脂涂料的制备

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0

材料物理专业实验讲义

沈阳化工学院

材料学院材料物理教研室

2006．11

第 120 页，共 250 页

1

目 录

多晶体的 x射线衍射分析 ……………………………………………………… 2

增强环氧树脂复合材料的模压成型与其性能测试 …………………………… 5

纳米级碳酸钙的制备与其粒径测试 …………………………………………… 7

聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备 ………………………………………… 9

聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的性能测试 …………………………………… 12

材料热膨胀系数的测定………………………………………………………… 21

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2

多晶体的 X 射线衍射分析

一、实验目的

（1）掌握 X射线晶体衍射分析的基本原理

（2）掌握 X射线衍射的操作与使用

（3）对 Al2O3进行 X射线衍射的测定

（4）对实验结果进行数据处理与分析

二、X 射线晶体分析仪介绍

X 射线晶体分析仪包括 X射线管、高压发生器以及控制线路等几部分。

图实 1—1 是目前常用的热电子密封式 X 射线管的示意图。阴极由钨丝绕成螺

线形，工作时通电至白热状态。由于阴阳极间有几十千伏的电压，故热电子以高速

撞击阳极靶面。为防止灯丝氧化并保证电子流稳定，管内抽成1.33X10-9~1.33X

-11Mpa，

的高真空。为使电子束集中，在灯丝外设有聚焦罩。阳极靶由熔点高、导热性好的

铜制成，靶面上镀一层纯金属。常用的金属材料有 Cr，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，W 等。

当 高速电子撞击阳极靶面时，便有部分动能转化为 X 射线，但其中约有 99％将转

变为热。为了保护阳极靶面，管子工作时需强制冷却。为了使用流水冷却，也为了

操作者的安全，应使 X 射线管的阳极接地，而阴极则由高压电缆加上负高压。X 射

线管有相当厚的金属管套，使 X 射线只能从窗口射出。窗口由吸收系数较低的 Be

片制成。结构分析 X射线管通常有四个对称的窗口，靶面上被电子轰击的范围称为

第 122 页，共 250 页

3

焦点，它是发射 X 射线的源泉。用螺线形灯丝时，焦点的形状为长方形(面积常为

lmm×10mm)，此称实际焦点。窗口位置的设计，使得射出的 X射线与靶面成 6°角(图

实 l-2)。从长方形短边上的窗口所看到的焦点为 lmm2的正方形，称点焦点，在长边

方向看则得到线焦点。一般的照相多采用点焦点，而线焦点则多用在衍射仪上。

X 射线晶体分析仪由交流稳压器、调压器、高压发生器、整流与稳压系统、控

制电路及管套等组成。

启动分析仪按下列程序进行：

1．打开冷却水，继电器触点 K1 即接通。

2．接通外电源。

3．按低压按钮 SB3，交流接触器 KMI 接通，即其触点 KMl-1，KMl-2 接通。

4．预热 3 分钟后按下高压按钮 SB4。S 表示管流零位开关及过负荷开关，正常

情况下应接通，故交流接触器 KMn-1，KMn-2 接通。

5．根据 X 射线管的额定功率确定管压和管流。调整管压系通过调压器改变高

压变压器的一次电压来实现。经过由二极管 V1，V2及电容 C1，C2组成的倍压全波整

流线路将高压加到 X射线管上。高压值由电压表读出。通过灯丝电位器 R可调节管

流，其数值由电流表读出。

第 123 页，共 250 页

4

关闭的过程与起动的过程相反，即先将管流、管压降至最小值，再切断高压，

切断低压电及外电源，经 15min 后关闭冷却水。

使用 X射线仪时必须注意安全，防止人身的任何部位受到 X射线的直接照射及

散射，防止触及高压部件及线路，并使工作室有经常的良好通风。

三、实验仪器与主要试剂

实验仪器： 德国布鲁克 D8 Advance X 射线衍射仪

主要试剂：α-Al2O3 样品

四、实验操作步骤

1. 装样

打开门锁，将装有α-Al2O3 样品的样品槽放在样品台上，关门。

2．测量

在测量界面设定起始角范围为 20 ∼ 90 ℃，布长为 0.020°，扫描时间为 0.5 S,

工作电流为 40 mA, 电压为 40 KV。打开光管射线源，点击 Start，开始测量。待扫

描结束，关闭射线源，保存测试文件。电流-电压调回最小值，退出测量软件。

3．数据分析

进入分析软件，调出原始数据图，标峰。自动检索，与标准数据比较，确定物

相。

五、思考题

1．简述 X射线晶体分析仪的构造。

2．利用简化布拉格方程， 做 2 θ ↔ d 数据互推。

第 124 页，共 250 页

5

增强环氧树脂复合材料的模压成型与其性能测试

一. 实验目的

(1)了解玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的成型原理。

(2)掌握玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的模压成型工艺。

二. 实验原理

玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的成型过程是基体材料的固化过程，也就是

环氧树脂在一定温度条件下由线性结构转变为体形结构的过程。

固化后复合材料的质量决定于成型工艺。复合材料的成型工艺很多，模压成

型是典型的成型方法。成型工艺条件包括成型温度、成型压力、加压时机、保温时

间等。一般成型温度是热固性树脂剧烈反应的温度，是 DSC 曲线的放热峰峰顶温度。

成型压力视基体材料的特点和复合材料的种类而定，一般环氧树脂复合材料的成型

压力小于酚醛树脂的成型压力，因为酚醛树脂的固化是放出小分子的，需要高压才

能得到致密产品，一般为 20Mpa 以上。而环氧树脂没有小分子放出，只需 10Mpa 既

可。

三. 实验设备与原料

设备：平板硫化机 50 吨；模具；

原料：环氧树脂 E44 型；平纹玻璃纤维布；

四. 实验过程

（1）模具预热

预热温度为 80－100℃，预热可以节省时间，提高工作效率。

（2）脱模剂的涂覆

实验选用的脱模剂为 2甲基硅油，属于高温脱模剂。

（3）涂胶与装模

其中装模包括环氧树脂预热与加入固化剂混合和玻璃布剪切

（4） 压制

第 125 页，共 250 页

6

复合材料样品质量的好坏决定于压制过程，包括成型工艺条件的成型温度、成型

压力、加压时机、保温时间。

成型工艺条件

预热温度 ℃ 80-100

成型温度 ℃ 120

成型压力 MPa 8-10

加压时机 装模后 2-3 分钟稍加压待凝胶后加

全压。五分钟内放气 2-3 次，然后保

持成型压力。

保温时间 ℃ 20

脱模温度 ℃ 50

脱模剂 二甲基硅油

（5）开模

（6）样品的后处理

包括脱模、修理毛刺和打磨等。

（7）检验成品

五．思考题

(1) 写出环氧树脂与三乙烯四胺固化的反应方程式。

(2) 如果用偶联剂对玻璃纤维表面进行处理，材料的性能会怎样？

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7

纳米级碳酸钙的制备与其粒径测试

一、 目的要求：

了解化学方法制备纳米碳酸钙原理，熟悉纳米粉末表征方法。

二、 原理：

纳米碳酸钙的形成是一个结晶过程，方程式为：CaO + H2O→Ca(OH)2，Ca(OH)2+CO2

→CaCO3↓+ H2O。

随着 Ca(OH)2中加入 CO2 ，即碳化反应的进行，形成了 CaCO3的过饱和溶液，由

于局部温度起伏（碳化反应是放热反应）和浓度起伏而形成晶核。在 Ca(OH)2 吸收

CO2形成 CaCO3的过程中，化学反应极为迅速，整个反应的主要控制因素是晶核的形

成和生长。在反应初期的过饱和溶液中，大量 CaCO3 均相成核，形成的非晶态碳酸

钙粒子，由于其活性极高，它们会吸附到 Ca(OH)2颗粒周围。一方面能降低 Ca(OH)2

与 CO2的反应速度，另一方面，利用 Ca(OH)2颗粒形成中间体。由于非晶态 CaCO3粒

子的不稳定性，它们很快发生晶型转变，生成 CaCO3 晶粒。在此反应过程中，可加

入添加剂使晶体稳定存在。随着反应的进行，线形中间体不断的溶解、消失，晶粒

就会不断生长，成为具有一定粒度和形貌的粒子。在反应过程中，可控制的条件有：

①氢氧化钙的浓度；②二氧化碳的加入量；③反应温度；④添加剂的种类、数量和

添加时间；⑤搅拌速度等。

三、 仪器及设备：

二氧化碳钢瓶、三口瓶、导气管、浆式搅拌器、胶塞、恒温水浴、搅拌电

机、调压器、抽滤装置、研磨钵、标准筛、PH 试纸。

四、 主要试剂：

二氧化碳、氧化钙、蒸馏水、乙二胺四乙酸、三氯化铝。

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8

五、 实验部分：

先将氧化钙（25g）与蒸馏水（1000g）在三口瓶中配成悬浮液，CaO + H2O→Ca(OH)2

该反应属于放热反应，充分搅拌后，过筛（200 目标准筛），重新倒入三口瓶中，待

温度降至 30℃以下时，加入乙二胺四乙酸（EDTA）晶形控制剂，边搅拌边通人二氧

化碳气体进行碳化反应，反应温度控制在 10～30℃，待溶液呈粘稠状时，加入

0.5gAlCl3，继续通入 CO2进行碳化反应，直至溶液 PH=7~8 为止。然后，抽滤，烘干，

研磨，过筛得到成品（反应时间共 3～4小时）。

六、 实验结果：

1．计算所制得的碳酸钙的产率：产率＝m / [(25／56)×100]]×100%

2．通过电镜观察所制得的碳酸钙的形貌，并计算径向尺寸。

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9

聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备

一、 实验目的

1、熟悉螺杆式注射机的结构及工作原理

2、掌握螺杆式注射机的操作步骤

3、掌握注射成型的工艺实施方法

4、注射成型标准试样

二、 实验原理

注射成型就是将塑料（一般为粒料）在注射成型机的料筒内加热熔化，当

成流动状态时，在柱塞或螺杆（本实验为螺杆）加压下熔融塑料被压缩并向前

移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快速度注入温度较低的闭合模具内，经过

一定时间冷却定型后，开启模具即得制品。

注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料—熔融塑化—

施压注射—充模冷却—启模取件。取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。

三、 螺杆式注射机的基本结构

注塑机主要由注射系统、锁模系统、模具三部分组成。如下图所示：

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10

1、注射系统

注射系统是注塑机的主要部分，其作用是使塑料均匀地塑化并达到流动状

态，在很高的压力和较快的速度下，通过螺杆或柱塞的推进注射入模。

包括加料装置、料筒、、分流梭和柱塞（柱塞式）、螺杆、喷嘴六部分。其中

螺杆是本系统的主要部件，它的作用是送料、压实、塑化、传压。

2、锁模系统

锁模系统的主要作用是在注射过程中能锁紧模具，而在取出制件时能打开模

具。

3、模具系统

模具是利用本身特定形状，使塑料（或聚合物）成型为具有一定形状和尺

寸的制品的工具。其作用在于：在塑料的成型加工过程中，赋予塑料以形

状，给予强度和性能，完成成型设备所不能完成的工作，使它成为有用的

型材（或制品）。

注射模具主要有浇注系统、成型零件和结构零件三部分所组成。

四、 实验步骤

1、开机准备

第 130 页，共 250 页

11

（1） 预热升温准备

合上控制柜总电源开关，根据物料设定合理的工艺温度、压力、时间。打

开冷却水阀门。

（2） 注射

当各段温度加热到设定值后，保温 5-10 分钟，依次进行如下操作：

1. 启动油泵

2. 将物料到入料斗

3. 选择手动模式

① 预塑化，关上拉门，合模，注射机座进，一级注射，二级注射，

三级注射，预塑化，注射机座退，开模，拉开拉门，取出样件。

② 合模，注射机座进，一级注射，二级注射，三级注射，预塑化，

注射机座退，开模，拉开拉门，取出样件。

4. 选择半自动模式

在手动模式调节好以后，选择半自动模式，关上拉门，合模，设备

会自动完成以下过程（注射机座进，一级注射，二级注射，三级注射，

预塑化，注射机座退，开模），拉开拉门，取出样件。

2、注射机各段加热温度的调整

根据物料熔体粘度调整机筒温度

3、锁模压力，预塑化压力，注射压力的调整

根据塑料充模情况，调整锁模压力，注射压力，注射时间

4、保压时间，冷却时间的调整

根据试样的冷却情况调整保压时间，冷却时间

5、清理螺杆

五、 思考题

1、注射机的螺杆与挤出机的螺杆在结构和形式上有何异同点。

2、讨论注射成型工艺的影响因素。

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12

聚丙烯/蒙脱土复合材料性能测试

(一) 冲击实验

一，实验原理

塑料制件在使用过程中，招致损毁的最普遍的原因是受到外力冲击，所以塑料

除进行静力实验外，还需进行动力实验，通常把材料抵抗外力冲击损毁的能力称为

“韧度”，而冲击强度则是测定韧度的主要指标，它可以理解为试样受到冲击破坏

时单位面积上所消耗的能量。

不同的聚合物抵抗外界冲击能而避免材料发生破坏的能力不同，聚合物抵抗外

界冲击能而避免材料发生破坏的能力称为聚合物的冲击强度。聚合物的冲击强度越

大，其韧性越好。聚合物的冲击强度是通过将聚合物加工成标准试样，然后在冲击

实验机上测得。试样有两种类型：一种有缺口，一种没有缺口。对有缺口的试样，

其冲击强度值为机器读数除以试样宽度（除掉缺口部分）；对于无缺口试样，其冲

击强度值为机器读数除以试样截面积。

本实验是在 XJU-22 悬臂梁冲击实验机上用具有一定位能的摆锤高速冲击试样,

致使试样断裂来测定冲击强度的.材料的冲击强度值在很大程度上取决于它的实验

温度,加荷的速度,试样切口的有无和能引起局部应力的其它因素.

二，试样

(一)试样带有缺口和不带有缺口,二种形状见图 1

图 1 带有缺口和无缺口试样示意图

无缺口试样:

L:长度 d:厚度 b:宽度 rI:圆弧半径

缺口试样:

dI:缺口深度 bK:缺口宽度

第 132 页，共 250 页

13

(二)试样尺寸

(三)每组试样不少于 5个,表面平整,无气泡,裂纹,分层和加工损伤等缺陷.

(四)缺口可以机械加工也可直接模塑.

三，实验条件

(一) 实验温度：室温

(二) 试样跨度,大试样和板材试样为 70 毫米,小试样为 40 毫米.

四.实验设备

摆锤式简支梁冲击实验机,实验在摆锤总能量的 10, 859f 范围内使用.

五，实验步骤

(一)实验样品：纯聚丙烯与蒙脱土填充注射样条

(二)测量试样中部的缺口宽度和厚度,准确至 0.05 毫米,测三点取平均值.

(三)选择摆锤,调整零点.

(四)放好试样,缺口面或未加工面背向摆锤,试样宽面紧贴支撑面.

(五)将摆锤放在锁沟上,把刻度表指针拨向最大数值处,平稳放开锁钩,读取所消耗

的功.

(六)凡试样不破裂或不破裂在中间三分之一,不破裂在缺口处时,试样作废,另行补

作.

六，结果处理

国标规定:无缺口的试样冲击强度an(KJ/m2)和有缺口试样冲击强度aK(KJ/m

2),分

别按下式计算:

an=An/(bd), aK=Ak/(bdk)

美国材料学会(ASTM)中采用试样单位缺口宽度吸收的能量为冲击强度(KJ/m).

An:无缺口的试样所消耗的功,J;

Ak:有缺口的试样所消耗的功,J;

b: 试样宽度;

dK:有缺口试样在缺口处的剩余厚度.

第 133 页，共 250 页

14

七，实验注意事项

1. 为保证实验结果正确,每次实验前都要求将冲击实验机进行零点校正.

2. 要保证试样夹持正确.

3. 对缺口试样,一定要测量去掉缺口部分的宽度.

4. 装卸试样时,一定不要碰操作手柄.

5. 冲击试样时,一定不要站在试样飞出去的地方.

八，问题讨论

1. 为什么不同厚度试样测出的冲击强度值不能相互比较?

2. 试考虑缺口试样上的缺口起了什么作用?

(二) 拉伸行为与应力-应变曲线

对聚合物施加单向拉伸得到应力-应变曲线,这是应用最广泛的一种力学实验.

从应力-应变曲线上可以求出诸如抗张弹性模量,屈服应力,屈服伸长,断裂强度,断

裂能等一系列力学性能参数,从而为分析材料的综合性能,预测材料的应用范围及

设计实用制品提供了依据.

一.实验目的

1. 了解拉力实验机的基本原理,掌握其操作方法.

2. 测定聚丙烯/蒙脱土复合材料在不同的拉伸速度或不同温度下的负荷-形变曲

线；观察聚丙烯/蒙脱土复合材料在拉伸过程中的现象。

3. 绘制出应力-应变曲线,计算各种拉伸力学性能,解释聚丙烯/蒙脱土复合材料在

拉伸过程中的力学行为.

4. 了解拉伸速度和温度对应力-应变曲线的影响；通过对这两种影响的比较,加深

对时间-温度等效原理的理解。

二．基本原理

拉伸实验是在一定的温度和速度下,对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸力,并使

其破坏。拉伸时，试样在纵轴方向产生的标准称为应力：

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15

σ=F/A (1)

其中 F为拉伸负荷,A 为试样的初始面积,试样的应变ε为:

ε=(l-l0)/l0=Δl/l0 (2)

其中 l0为试样两标线间的初始长度,l 为试样两标线间拉伸后的长度.

从实验中所得到的 F-Δl 曲线，经过变换即可得到应力-应变曲线(σ-ε曲线).从

该曲线的形状可以判断材料的软,硬,韧，脆等特性,并得到各种力学性能.见图 1.

在拉伸过程中,试样在受力方向的截面积是不断变化的.根据应力的定义，真应力δ

为:

δ=∫l0ldl/l=In(1+ε) (3)

假定材料的泊松比为 0.5,即在形变过程中试样体积不变,且在拉伸过程中形变均匀

发展,则可得到真应力σ’。

σ’=F/A=F(1+ε)/A0=σ(1+ε) (4)

式中 A为试样的瞬时截面积,A0为试样的初始截面积。

由此可以求出其应力-应变曲线.当材料形变很大时, σ-ε曲线与σ’-δ曲线相差

很大,聚合物的力学行为区别于其他材料的突出特点是它具有粘弹性,其力学行为

强烈依赖于温度和形变速率.图2,图3分别表示在不同形变速率和不同温度下的σ-

ε曲线.从图中可以看出,降低形变速率和与升高温度的效果相同.随着试验条件的

改变,聚合物可表现出各种类型的力学行为.聚合物的这一特性,在实验和应用中必

须加以注意.一切力学性能数据必须标明实验温度和速率,以免得出完全错误的结

果.

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16

三.仪器和工具

RG2000-10 微机控制电子万能试验机,千分尺,游标卡尺.

电子拉力机原理如图 4 所示.试样形变所承受的力通过力传感器中的电阻应变

片转化为电讯号，经过放大输入 X-Y 记录仪的 Y轴。

形变由传感器变成电讯号，放大后输入记录仪的 X轴。这样就可以在记录仪中

自动描绘出负荷-应变曲线。通过速度控制系统可以得到不同的工具移动速率。

四．实验步骤

1. 实验样品：纯聚丙烯与蒙脱土填充注射样条。

2. 试样尺寸：在实验前用千分尺精确测量厚度。每根试样测量三点取算术平均值，

并计算截面积 A0，用游标卡尺在试样上对称选取 l0=25mm 作为标线间距离。

3. 实验条件：

拉伸速率（mm/min）:5,10,20

温度：室温。

每一个条件下至少得到 5个有效数据（即断裂在两标线间发生时的数据），取算

术平均值。

4. 实验过程：按 GB1039-70，GB1040-70（除第三条外）方法进行试样处理。仪器

操作参阅“RG2000-10 微机控制电子万能实验机使用说明书”。

第 136 页，共 250 页

17

5. 仔细观察试样形状及外观随负荷变化情况。

五．数据处理及结果分析

1．绘成ε-σ曲线。

2．把不同条件下测得的数据及观察的现象填入表格。

3．根据实验结果，分析纯聚丙烯/蒙脱土复合材料在各种实验条件的力学行为

分别属于下列何种力学类型：软而弱，软而硬，硬而强和硬而韧？将分析结

果填入表中。

六．思考题

1. 聚合物的力学性质，如刚性，回弹性，延性和韧性分别用何种力学参数来表

征？

2. 工程上如何确定抗张强度？它与屈服应力，塑性强度和断裂强度有何关系？

3. 区分脆性断裂和韧性断裂的依据是什么？

4. 聚丙烯片材在拉伸屈服点前，在其内部形成相互交叉的剪切带，带与拉伸方

向大致呈 450倾角，试从应力分析解释这一现象。

5. 结晶聚合物的拉伸过程有何特点？它与无定型聚合物的拉伸过程有何区

别？

6. 温度与拉伸速率对聚合物力学行为的影响具有等效性，怎样解释？

7. 实验数据的分散性与那些因素有关？如何降低数据的分散性？

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18

附表：

实验样品： 实验日期： 实验温度：

拉伸速率 mm/min

有 效

长

宽

试 样 尺

寸

mm

厚

屈服强度 Mpa

断裂强度 Mpa

断裂伸长率%

杨氏模量 Mpa

现象：颈缩

冷拉

力学类型

断裂类型

注：出现的现象划√，不出现的现象划×。

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19

(三) 静弯曲实验

一、实验目的

1. 测定脆性材料和非脆性材料的弯曲强度

2. 掌握静弯曲强度的实验方法

3. 正确操作万能材料实验机（ZDM-2.5t）

二．实验原理

塑料的静弯曲强度是指用简支梁法将试样放在两个支点上,在两支点中间施加

集中载荷,使试样变形直至破坏时的强度。对非脆性材料,当载荷达到一定值时会出

现屈服现象,这时的载荷也叫破坏载荷,其强度也可称为静弯曲屈服强度。

σf =3PL/(2bd2)(kg/cm

2) (1)

式中,P是破坏载荷(破裂或屈服载荷);L是实验跨度,即两支点间的距离;b,d是试样

的宽度和厚度.

弯曲模量是指材料在比例极限内,弯曲应力和应变的比值:

Ef=PL3/(4bδd

3) (kg/cm

2) (2)

式中，δ是试样在施加载荷时所对应的形变（挠度）。

三．实验步骤

1．试样

纯聚丙烯与蒙脱土填充注射样条

（1）试样尺寸

（2）试样预处理；按国家标准方法处理。

（3）每组 5个样品。

2．实验条件：

（1）弯曲压头 r1=10(或 2)mm,r2=2mm.

（2）实验跨度 L=100±0.5mm.

（3）实验速度 v=1-30mm/min.

（4）热塑（固）性材料实验温度 25±2℃，相对湿度 65±5%

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20

四．测试步骤

（1）测量试样中间部位的宽度和厚度，宽度精确至 0.05mm,厚度精确至 0.01mm，

各测量三点取其算术平均值。

图 5 换向夹持器示意图 图 6 静弯曲实验示意图

（2）在拉力实验机上，装上换向器（如图 5 所示）和弯曲夹持器，上压头，调节

好实验跨度（L），放置好试样，加工面朝上（如图 6所示）。

（3）按选好的实验速度加载实验。在记录仪上记录 Y-T（载荷-时间）曲线，待试

样屈服或断裂马上停车，防止换向器和弯曲夹持器行程到底。实验中注意检查跨度

是否改变。如果改变，此次实验作废，其 Y-T 曲线与拉伸实验相似。

五．数据处理

在 Y-T 曲线上读出破坏或屈服载荷（P），根据式 1 计算静弯曲强度或静弯曲屈

服强度σf。

六．思考题:

如何避免试样的机械加工面对结果的影响？

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21

材料热膨胀系数的测定

一、实验目的

1、了解测定陶瓷材料热膨胀系数的实际意义。

2、弄懂陶瓷材料热膨胀系数与热稳定性的关系。

3、掌握热膨胀系数的测定原理与测定方法。

二、实验原理

物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀。热膨胀系数是材料的主要物理

性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。

陶瓷材料的热膨胀系数用线膨胀系数和体膨胀系数表示。线膨胀系数是陶瓷材料在温度升

高 1℃时单位长度的相对增加值，单位为 cm·cm－1·℃

－1；体膨胀系数是在温度改变 1℃时材料

体积的平均变化值。从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因此，在讨论材料的热膨胀系

数时，常常采用线膨胀系数。

在测定线膨胀系数时，总是在一定的温度范围内进行的，不同的材料，往往有不同的测定

范围。通常所指的线膨胀系数，不是指某一温度下的绝对增加值（即真膨胀系数αT），而是指

某温度范围内温度升高 1℃时材料线性尺寸的平均相对增加值，称为平均线膨胀系数，其值为

α= L2- L1/（t2- t1）L1=△L/△t L1

式中α—平均线热膨胀系数（℃-1）

L1—材料在温度 t1时的长度（㎜）； L2—材料加热至温度 t2时的长度（㎜）

t1—实验室温度（℃）； t2—实际测试温度（℃）

体膨胀系数β与α的关系是

β＝3α＋3α2△T

2＋α

3△T

3

式中的第二项和第三项非常小，在实际中一般略去不仅，而取β≈3α。

目前，测定材料线膨胀系数的方法很多，有示差法、双线法、光干涉法、重量温度计法等。

在所有这些测试方法中，以示差法具有广泛的实用意义。本实验采用示差法。

三、实验仪器及原理

实验仪器：PCY 型超高温卧式膨胀仪。

膨胀仪由加载传感装置、电阻炉、小车、基座、电器控制柜五部分组成。如图 7.1 所示。

电炉升温后炉膛内的试样发生膨胀，顶在试样端不得测试杆 10 产生与之等量的位移量（不

计系统的热变形量），这一位移量由电感位移计精确的测量出来，并由位移表显示。为消除系统

热变形量对测试结构的影响，在计算中需加上相应的补偿值才是试样的真实膨胀值。试样的平

均线膨胀系数是

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22

αt= =(△Lt－Kt)/△t L1

式中：Kt—试样加热至 t℃时的仪器的补偿值（mm）。

仪器的补偿值 Kt 可用标准样品进行测定。一般在 1000℃以下用石英标样；1000℃以上用

高纯刚玉标样做试样进行测试，补偿值 Kt 为：

Kt＝△Lt 标－α标×L 标×（t2－t1）

石英标样的膨胀系数α0～1000℃＝0.55×10－6/℃；刚玉标样的膨胀系数α0～1400℃＝8.623×10

－

6/℃。

图 7.1 仪器的组成图

四、试样制备

1、测试需试样 2 个，其尺寸规格基本一致。试样尺寸：

截面：宽×厚=15×4～6 ㎜；或直径Ф=6～10 ㎜；或正方形边长=6～10 ㎜；长 L＝50±0.5

㎜。

2、试样制备（包括成型，烧成）应尽量采用与实际生产相同的工艺条件。

3、试样长轴应平直，两端面必须磨平呈平行状态，并与其长轴垂直。

4、试样不应有影响测试结果的缺陷，如裂纹，孔洞和严重弯曲等。

5、根据试样情况，对试样进行干燥处理，以防止湿膨胀。

五、实验步骤

1、量取标准试样及测试试样在室温下的长度，精度为 0.1%；

2、将标准试样装入膨胀计中静置 5min，试样应保持平直，稳定，并与传递杆接触良好；

3、按仪器操作规程启动热膨胀仪，并确定起始记录点；

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23

4、按预定升温速度匀速升温，直至到达所需的测定温度为止（根据待测材料及试样尺寸大小可

在 3-5℃∕min 的范围内选定升温速度，但不得大于 5℃∕min。）；

5、记录一系列温度点及对应的位移量，测定仪器的补偿值 Kt；

6、将需测试试样装入热膨胀仪，重复步骤 2～5，测出两个试样在升温过程中的温度与位移量，

记入下表。

7、实验结束后关闭热膨胀仪。

六、数据记录与数据处理

１、数据记录

材料名称： 试样形状及尺寸：

实验室温度： 升温速度：

标 样 试 样

温度 …… 温度 ……

位移量 …… 位移量 ……

△t △t

△L △L

Kt

２、绘制曲线

根据原始数据

3、结果计算

（1）计算仪器的补偿值 Kt；

（2）在直角毫米坐标纸中绘出待测材料的线膨胀曲线。确定 t2、t1，并根据 t2、t1 来确定 L1

和 L2；

（3）计算试样的线膨胀系数α

α= L2- L1/（t2- t1）L1=△L/△t L1

计算结果取两位有效数字，并以 10-6/℃数量级表示；

（4）若试样平行误差不大于 0.25×10-6/℃，取算术平均值；否则另取两个试样重新测定。

七、讨论题

1、热膨胀对陶瓷在使用上有何实际意义？

2、陶瓷的热膨胀系数与热稳定性有何关系？

3、为什么要选用石英玻璃或刚玉作为安装试样的托管？

4、升温速度对测定陶瓷材料的膨胀系数有无影响？

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1

无机非金属材料科学

基础试验Ⅰ讲义

材料学院

2006.5

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2

目 录

实验一晶体结构分析（一）………………………………………3

实验一晶体结构分析（二）………………………………………4

实验三 泥浆性能的测定……………………………………………5

实验四 差热分析……………………………………………………10

实验五淬冷法研究相平衡…………………………………………13

实验六 晶体对称要素分析…………………………………………15

实验七 制片技术……………………………………………………17

实验八 偏光显微镜的构造、调节和校正…………………………19

实验九 单偏光显微镜下的晶体光学性质观测……………………22

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3

实验一晶体结构分析（一）

一、实验目的

掌握 14 种空间格子的几何特征与球体密堆积理论，了解配位多面体的配置。

二、实验内容

1． 了解 14 种空间格子的几何形态，分析空间格子类型；

2． 熟悉密堆积理论，注意观察球体堆积时，周围空隙的类型、位置与数量情况；

3． 了解几种配位多面体的配置情况。

三、实验方法

1． 观察 14 种空间格子模型

表征 14 种空间格子，用晶格常数α、β、γ和 a、b、c；并判断其所属晶系。

2． 观察球体密堆积模型

用球体模型进行面心立方紧密堆积、六方紧密堆积和体心立方近似密堆积，分析球体周

围空隙的类型、数目和位置分布。

观察分析面心立方紧密堆积、六方紧密堆积和体心立方近似密堆积的单位晶胞，注意其

四、八面体空隙分布，判断其数量。

3． 观察配位多面体模型模型

四、实验报告

1． 绘制 14 种空间格子的几何形态，并用注明晶格常数的形式表示出所有 14种空间格子；

2． 分析三种常见的球体堆积情况，绘制出其单位晶胞，画出其（111）、（110）（100）晶面

原子排布图[ 密排六方需画出（0001）晶面 ]；

3． 分析体心立方与面心立方单位晶胞中四、八面体空隙的位置分布与数量，并绘图；

4． 对不同配位多面体绘图，讨论其临界半径比。

（注：在预习报告中要将 14种空间格子的几何图形画好）

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4

实验二晶体结构分析（二）

一、实验目的

掌握几种典型矿物的结构，了解晶胞的几何特征。

二、实验内容

1．对照实际具体结构模型，熟悉金刚石、石墨、氯化钠、氯化铯、闪锌矿、纤锌矿、金红

石、碘化镉、萤石、钙钛矿、尖晶石的晶体结构特征；

2． 观察层状和架状硅酸盐矿物的晶体结构模型的特点，注意观察高岭土、方石英的结构；

3． 标定萤石模型中所有质点的几何位置；

4． 组装一个晶体结构模型。

三、实验方法

1．分析晶胞模型

金刚石、石墨、氯化钠、氯化铯、闪锌矿、纤锌矿、金红石、碘化镉、萤石、钙钛矿、

尖晶石均为一个单位晶胞，通过一个单位晶胞，分析晶胞所属空间格子类型及正负离子或原

子所处的空间位置，对照模型，分析正负离子的配位数。

根据正负离子的分布，判断离子晶体中正离子所处的位置是四面体空隙还是八面体空隙。

2． 观察硅酸盐结构模型

在分析层状和架状硅酸盐矿物模型时，注意硅氧四面体的分布状态，注意公共氧及非公

共氧的位置关系。

3．质点位置的标定

首先，在所研究的晶胞的左后下方，设立坐标原点；然后计算晶胞中每一个占位质点的

坐标（x、y、z），标定出所有占位质点的坐标。

4．组装模型

用不同颜色的球体，代表不同种占位质点，组装成一个简单的晶体结构模型。

四、实验报告

1． 五个晶体结构的分析结果，绘制其单位晶胞投影图；

2．萤石晶体结构模型中质点的位置标定；

3．层状和架状硅酸盐晶体结构的分析结果；

4．一个自己组装的晶体结构的说明及介绍、并绘图。（注：在预习报告中将各晶胞图形画好）

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5

实验三 泥浆性能的测定

一、实验目的

1．了解泥浆的稀释原理，如何选择稀释剂并确定其用量；

2．掌握泥浆性能的测试方法及控制方法。

二、实验原理

泥浆是陶瓷原料在水中的一种悬浮体。在陶瓷材料的生产中，泥浆粘度与厚化度是否恰

当，将影响球磨输送、储存、榨泥和上釉等生产工艺，特别是注浆成型时，将直接影响浇注

制品的质量。如何调节和控制泥浆的流动度和厚化度，对于满足生产需要，提高产品质量和

生产效率，具有重要意义。

泥浆和釉浆在外力作用下产生流动时因存在着内部摩擦，使平行的浆层流动速度有差异，

称这种特性为粘滞度，即粘度或称内摩擦系数。粘度的倒数即为流动度。泥浆的流动性能可

用流动度、相对粘度和绝对粘度来表征。工艺上泥浆的流动度是以一定体积的泥浆静置一定

时间后从一定的流出孔流出的时间来表示。粘度愈大，流动度愈小，即流动性愈差，反之则

相反。

相对粘度即泥浆与水在同一温度下，流出同体积所需时间之比，可用涂-4 粘度计测定

泥浆的相对粘度。

泥浆的绝对粘度可以反应泥浆的真实粘度，用旋转粘度计测定。旋转粘度计是靠一个微

型的同步电机通过转轴带动转筒旋转，当转筒在被测液体中旋转时受到粘滞阻力作用而产生

反作用力使电动机壳体偏转，电动机壳体与两根一正一反安装的金属游丝相连，壳体的转动

使游丝产生扭矩。当游丝的力矩与粘滞阻力矩达到平衡时，与电动机壳体相联接的指针便在

刻度盘上指出某一数值，此数值与转筒所受粘滞阻力成正比， 绝对粘度就以刻度读数乘上

转筒因子来表示。

浆体在剪切速率不变的条件下，剪切应力随时间减少的性能称为触变性，陶瓷工艺学上

以溶胶和凝胶的恒温可逆变化或震动之则获得流动性，静置之则重新稠化的现象表征触变性

或稠化性。触变性以稠化度或厚化度表示，等于泥浆在粘度计中静置 30min 后的流出时间对

静置 30s后的流出时间之比值。本实验主要测量泥浆的绝对粘度与厚化度。

泥浆的流动度与厚化度，取决于泥料的配方组成，即所用粘土原料的矿物组成与性质，泥浆

的颗粒分散和配制方法、水分含量和温度及使用电解质的种类。实践证明，电解质对泥浆流动性

等性能的影响是很大的，即使在含水量较少的泥浆内加入适量电解质后，也能得到像含水量多时

或更大的流动度。因此，调节和控制泥浆流动度和厚化度的常用方法是选择适宜的电解质，并确

定其加入量。

在粘土水系统中，粘土粒子带负电，因而粘土粒子在水中能吸附阳离子形成胶团。一般

天然粘土粒子上吸附着各种盐的 Ca2＋、Mg

2＋、Fe

3＋、Al

3＋阳离子，其中以 Ca

2＋为最多。在粘

土系统中，粘土粒子还大量吸附 H＋。在未加电解质时，由于 H＋离子半径小，电荷密度大，

第 148 页，共 250 页

6

与带负电的粘土粒子作用力大，易进入胶团吸附层，中和粘土粒子的大部分电荷，使相邻粒

子间的同性电荷减少，斥力减小，以至于粘土粒子易于粘附凝聚，而使流动性变差。Ca2＋以

及其他高价离子等，由于其电价高（与一价阳离子相比）与粘土粒子间的静电引力大，易进

入胶团吸附层，因而产生与上述一样的结果，使流动性变差。如果加入电解质，这种电解质

的阳离子离解程度大，且所带的水膜较厚，而与粘土粒子间的作用不很大，大部分仅进入胶

团的扩散层，使扩散加厚，电动电位增大，粘土粒子间排斥力增大，故增加泥浆的流动性。

泥浆的最大稀释度（最低粘度）与其电动电位的最大值相适应。若加入过量的电解质，泥浆

中这种电解质的阳离子浓度过高，含有较多的阳离子进入胶团的吸附层，中和粘土胶团的负

电荷，从而使扩散层变薄，电动电位下降，粘土胶粒不易移动，使泥浆粘度增加，流动性下

降，所以电解质的加入量应有一定的范围。阴离子对稀释作用也有影响。

1．用于稀释泥浆的电解质必须具备三个条件：

（1）具有水化能力强的一价阳离子，如 Na＋等；

（2）能直接离解或水解而提供足够的 OH－，使分散系统呈碱性；

（3）能与粘土中有害离子发生交换反应，生成难溶的盐类或稳定的络合物。

2．生产中常用的稀释剂可分为三类

（1）无机电解质，如水玻璃、碳酸钠、六偏磷酸钠(NaPO4)6、焦磷酸钠(Na4P2O7·10H2O)

等，电解质的用量一般为干坯料重量的 0.3％～0.5％。

（2）能生成保护胶体的有机酸盐类，如腐植酸钠、单宁酸钠、柠檬酸钠，松香皂等，

用量一般为 0.2％～0.6％。

（3）聚合电解质，如聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素、木质素磺酸盐、阿拉伯树胶。

稀释泥浆的电解质，可单独使用或几种混合使用，其加入量必须适当。若过少则稀释作用不

完全，过多反而引起凝聚。适当的电解质加入量与合适的电解质种类，对于不同粘土必须通

过实验来确定。一般电解质加入量控制在不大于 0.5％（对于干料而言）的范围内。采用复

合电解质时，还需注意加入顺序对稀释效果的影响，当采用 Na2CO3与水玻璃或 Na2CO3和单宁

酸钠复合时，都应先加入 Na2CO3，后加水玻璃或单宁酸钠。

在选择电解质，并确定各电解质的最适宜用量时，一般是将电解质加入粘土泥浆中，并测该泥

浆的流动度。对泥浆胶体，流动度用相对粘度来表示，即测定泥浆与水在同一温度下，流出同一

体积所需流出的时间之比来表示。

三、仪器设备

涂-4 粘度计、NDJ-79 型旋转粘度计、分析天平、普通天平、电动搅拌机、滴定管、秒

表、量筒、泥浆杯、玻璃棒、铁架。

四、实验步骤

1．配制电解质标准溶液：配制浓度为 5％或 10％的 Na2CO3、水玻璃（Na2SiO3）和腐植

酸钠等不同电解质的标准溶液。电解质应在使用时配制。尤其是水玻璃极易吸收空气中 CO2

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7

而降低稀释效果；Na2CO3也必须保存在干燥的地方，以免在空气中变成 NaHCO3，而使泥浆凝

聚。

2．粘土试样须经磨细、风干、过 100 目筛。

3．泥浆需水量的测定：称 200.0～250.0g 粘土试样（准确至 0.1），用滴定管加入蒸馏

水，充分拌和至泥浆开始呈流动性为止，记录加水量 V0（准确至 0.1ml）。不同粘土的需水

量波动于 30％～70％之间。

4．电解质用量初步实验：在呈微动的泥浆中，以滴定管仔细将配好的电解质溶液滴入，

并不断拌和，记下泥浆呈明显稀释时电解质的加入量。

5．选择电解质用量：在编好号的 5 只泥浆杯中，各称取泥样 200.0～250.0g（准确至

0.1g）。各加一定水量调至微微流动。根据初步石英所加电解质的量，选择电解质加入量的

范围，其间隔为一定（可由大至小，0.1～0.5ml）。5只泥浆杯中加入的电解质溶液量不同，

但杯中总液体体积相等。调和后，用小型电动搅拌机搅动 5～10min，用粘度计测定流动度，

所选择电解质浓度范围应包括使泥浆获得最大稀释的合适用量。

6．相对粘度的测定：将粘度计清洗干净，置于平台上，调节水平，把烧杯放在粘度计

下面的中央。堵住粘度计的流出口，将制备好的试样搅拌均匀（可用小型搅拌机搅拌 5min），

倒入粘度计容器中，静置 30s，打开开关同时启动秒表，当泥浆断流时，立即关秒表，记下

时间，重复三次，取平均值。

按上述步骤测定相同条件下，流出 100ml蒸馏水所需的时间。

7．绝对粘度的测定：调整好仪器至水平位置，选择适宜的转子装上旋转粘度计，将搅

拌好的泥浆装入测试仪器内，开启电机开关待指针稳定后读数，所得数值乘以转子的因子即

为绝对粘度值（单位为 mPaS）。当指针所指数值低于 10格时，调换大一号的转子。

8．确定最适宜电解质：用上述方法测定其他电解质对该粘土的稀释作用，比较泥浆获

得最大稀释时的相对粘度，电解质的用量及泥浆获得一定流动度的最低含水量。

9．厚化度的测定：将稀释好的泥浆倒入涂-4 粘度计中，测定静置 30s和 30min 中后流

出 100ml泥浆所需时间的比值。

五、实验记录与数据处理

1．实验记录

（1）相对粘度：

记录泥浆与水在同一温度下流出同一体积所需的时间，于表 1-1。

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8

表 1-1 相对粘度测定记录表

试样名称 测定人 测定

日期

试样处理 流出 100ml蒸馏水所需

的时间/s

编

号

试样加

蒸馏水

数/ml

电解质 粘度试验

泥浆干基

含水量/%

流出 100ml

泥浆所需

的时间/s

相对粘度 名

称

加入电解

质数/ml

电解质等

于干样百

分数/%

1

2

3

4

5

（2）绝对粘度

表 1-2 绝对粘度测定记录表

试样名称 测定人 测定日期

试样处理 泥浆含水量 /％

电解质名称 电解质标准溶液浓度 /%

编号 电解质标准溶液

用量 /mL

转子因子

K

粘度计指针读数

（α ）

绝对粘度

η

（3）厚化度

表 1-3 厚化度测定记录表

试样名称 测 定 人 测定日期

试样处理

编 号 100mL泥浆静置 30s

的流出时间 tsm

100mL泥浆静置 30min

的流出时间 tss

厚 化 度

µ

2．数据处理

（1）相对粘度的计算：

水

相对粘度＝tt s30

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9

式中：t30s——泥浆静止 30s 后，从粘度计中流出 100ml所需的时间，s；

t 水 ——水从粘度计中流出 100ml所需的时间，s。

（2）根据泥浆相对粘度与电解质加入量（以毫克当量数/100g 的干粘土为单位）的关

系绘成曲线，再根据转折点判断最适宜电解质加入量。

（3）比较不同电解质的稀释曲线及不同电解质的作用，从而确定稀释作用良好的电解

质及其最适宜的加入量。

（4）绝对粘度的计算：

Κ⋅= αη

式中：η ——绝对粘度；

α ——粘度计指针所指读数；

K—— 转子的因子

（5）厚化度的计算：

µ ＝tss/tsm

式中 µ ——厚化度；

tss——样品静置 30min 流出 100ml 的时间，s；

tsm——样品静置 30s流出 100ml试样的时间，s。

六、注意事项

1．用电动搅拌机搅拌泥浆时，电动机转速和运转时间要保持一定。在启动搅拌机前，

先将搅拌叶埋入泥浆中，以免泥浆飞溅。

2．泥浆从流出口流出时，勿使触及量瓶颈壁，否则需重作。

3．在静置 30min和泥浆（或釉浆）温度超过 30℃，每作一次，应洗一次粘度计流出口。

4．每测定一次粘度，应将量瓶洗净，烘干，或用无水乙醇除掉量瓶中剩余水分。

5．Na2CO3 易在潮湿空气中变质为 NaHCO3。后者使粘土发生凝聚作用，应注意防潮和检

查。

七、思考题

1．根据粘度－电解质加入量曲线图，如何判断最适宜的电解质加入量？

2．比较不同电解质的加入量及其稀释效果？

3．电解质的稀释机理？

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10

实验四 差热分析 一、实验目的

1． 了解差热分析的基本原理及仪器装置；

2． 学习使用差热分析的方法鉴定未知矿物。

二、基本原理

差热分析（DTA，differential thermal analysis）是研究相平衡与相变的动态方法中

的一种，利用差热曲线的数据，工艺上可以确定材料的烧成制度及玻璃的转变与受控结晶等

工艺参数，还可以对矿物进行定性、定量分析。

差热分析的基本原理是：在程序控制温度下，将试样与参比物质在相同条件下加热或冷

却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。

物质在加热过程中，由于脱水、分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热效

应。差热分析就是通过精确测定物质加热（或冷却）过程中伴随物理化学变化的同时产生热

效应的大小以及产生热效应时的所对应的温度，来达到对物质进行定性或定量分析的目的。

差热分析是把试样与参比物质（亦称惰性物质、标准物质或中性物质。参比物质在整个

实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数应尽可能与试样相同），

置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。当试样加热过程中产生

吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出

相应的差热电势。如果试样加热过程中无热效应产生，则差热电势为零。通过检流计偏转与

否来检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。在与参比物质对应的热电偶的冷端

连接上温度指示装置，就可检测 出物质发生物理化学变化时所对应的温度。

不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同（如图 2-1 所示）。

把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试样

的矿物组成。差热曲线的峰（谷）面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，

可对试样作定量估计。

三、实验仪器

实验器材 差热分析装置如图 2-2 所示。主要由加热炉、差热电偶、样品座及差热信号

和温度的显示仪表等所组成。

加热炉依据测量的温度范围不同，有低温型（800～1000 以下），中温型（1200 以上）

和高温型（1400～1600 以下）三种。

差热电偶是把材质相同的两个热电偶的相同极连接在一起，另外两个极作为差热电偶的

输出极输出差热电势。

差热分析仪是将差热分析装置中的样品室，温度显示，差热信号采集及记录全部自动化

的一种分析仪器。依据组合方式的不同，仪器有 DTA-TG 型和 DTA-DSC（differential

scanning calorimetry）型，有的综合差热分析还可以同时测定加热过程中材料的热膨胀、

收缩、比热等。

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11

图 2-2 差热分析装置示意图 图 2-3 差热曲线（示例）

—电压表； —电流表

R1、R2—检流计回路中串联电阻箱 1和 2

四、实验步骤

1．按图 2-2所示，检查装置的连接情况。

2．打开差热仪各单元电源，将差热仪预热 20 分钟后再开启电炉电源。

3．将试样与中性物质（α-Al2O3）分别放在对应的样品座内，样品装填密度应该相同。

4．设置温控参数，根据空白曲线的升温速率（一般大约 10℃·min-1）升温。

5．观察并打印差热曲线，测试完毕后断开各单元电源

6．注意事项

（1）升温前开启电炉水冷系统；

（2）坩锅中试样不宜加的太多，以免加热时溢出，污染容器和影响差热曲线形貌；

（3）对比分析用的试样，其测试条件必须保持完全一致；

（4）炉内若可使用气氛，可根据实验要求通入气氛；

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12

（5）测试完毕，电炉应冷却到 300℃以下方能停止循环水系统。

五、数据记录及处理

1．根据绘制出的差热曲线（如图 2-3所示），标注差热曲线峰谷的起始、终止、峰值温

度及外延起始温度；

2．根据所测矿物差热曲线的峰谷温度、数目、形状及大小解释每个峰谷产生的原因，

进而初步鉴定所测矿物为何种物相，常见粘土类矿物的差热曲线示于图 2-1 中。

附：影响热分析的因素

1．加热速率

加热速率显著影响热效应在差热曲线上的位置，如图

2-4 所示。不同的加热速率，其差热曲线的形态、特征及

反应出现的温度范围有明显的不同。一般加热速率增快，

热峰（谷）变得尖而窄，形态拉长，反应出现的温度滞后。

加热速率慢时，热峰（谷）变得宽而矮，形态扁平，反应

出现的温度超前。

2．热传导

物质的热导率对差热曲线的形状和峰谷的面积有很

大影响。因此，要求样品与中性物质的热传导系数相近。

如果两者热传导系数和热容相差较大，即使样品没有发生

热效应，由于导热性不同而产生温度差，导致差热曲线的

基线不成一根水平线。所以，粘土与硅酸盐物质选用煅烧

过的氧化铝或刚玉粉。对于碳酸盐，则选用灼烧过的氧化

镁。

3．样品的物理状态 图 2-4 加热速率对高岭石脱水的影响

（1）颗粒度 粉末试样颗粒度的大小，对产生热峰的温度范围和曲线形状有直接影响。

一般来说，颗粒度愈大，热峰产生的温度愈高，范围愈宽，峰形趋于扁而宽。反之，热效应

温度偏低，峰形尖而窄。试样细度一般过 4900孔·cm—2筛较好。

（2）试样的质量 一般用少量试样可得到较明显的热峰。试样太多，由于热传导迟缓

使相近的两峰易合并在一起。通常用 0.2g 左右，可以得到较好灵敏度。

（3）试样的形状和堆积 试样堆积最理想的方式是将粉状试样堆积成球形，从热交换

观点看，球形试样可以没有特殊损失。为方便起见，可取试样直径与高度相等的圆柱体代替。

试样的堆积密度与中性物质一致，否则，在加热过程中，因导热不同会引起差热曲线的基线

偏移。

六、思考题

1．和静态方法相比较，差热分析这种动态方法有什么优缺点？

2．影响差热曲线峰谷温度变化的因素有哪些？在利用标准差热曲线来进行物相鉴定时，主

要的鉴定依据是什么？

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13

实验五淬冷法研究相平衡

一、实验目的

1． 了解相平衡与温度的关系；

2． 掌握用静态法——淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点；

3． 掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O-SiO2系统相图。

二、实验原理

一个多相系统的平衡状态是暂时的，有条件的。当系统的温度、压力或组成发生变化时，

该系统的相平衡也将随着变化，直到在新的条件下达到新的平衡状态为止。

由于绝大部分硅酸盐熔融物粘度高，相变慢，系统很难达到平衡，因此，常用淬冷法研

究其相平衡。

淬冷法是把试样放在高温炉中，让炉温升至所要的测定温度。保温一定时间，直到试样

达到平衡状态为止。然后将高温下的试样在水浴（或汞浴、油浴）中进行突然冷却（即淬冷），

这样可以保持试样高温时的平衡状态不变，以便在室温下进行观察。

淬冷后的样品在偏光显微镜下进行鉴定。若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以

断定，系统所在研究的温度下为熔融的液相，即状态点处在液相线上方。若淬冷试样全部为

晶体，则系统所研究的温度在固相线以下。若淬冷样品中既有玻璃相，又有相当数量的晶相，

则系统所研究的温度处在液相线之下、固相线之上。在不同的温度、不同的组成下做成一系

列测定，即可确定结晶开始温度和结晶结束温度，以及多晶转变等的相变温度，从而作出相

图来。

利用淬冷法完整地作出一张相图是比较困难的，既需要大量时间，也需要比较好的实验

设备。本实验注意是证明 Na2O-SiO2系统相图，从而掌握淬冷的实验方法。

三、实验仪器装置

1．相平衡测试仪 实验设备包括高温炉、温度控制器、铂金料斗及其熔断装置等，如

图 3-1 所示。

2．偏光显微镜一套，如图 3-2所示。

图 3-1 仪器装置示意图

1-高温电炉丝；2-铬铝电偶；3-熔断装置；

4-电插销；5-铂装料斗；6-电流表；

7-温度控制器；8-电炉底盖；9-水浴杯；

10 高温炉；11-高温保温层

图 3-2 偏光显微镜

注：放大倍数为 40×～630×

可做单偏光观察、正交偏光观察、

锥光观察及显微摄影

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14

四、实验步骤

1．按 Na2O2：2SiO2的摩尔比计算 Na2O和 SiO2的重量百分数。以 Na2CO3和 SiO2进行配料，

并混合均匀，将该原料制成玻璃，以得到组成均匀的样品。

2．将炉温升至 750℃，恒温。

3．把少量试样（0.01～0.02g）装入铂金料斗内，再用细铜丝把两个装料斗挂在熔断装

置上（注意两个挂钩不能相碰），然后把样品放入高温炉中，盖好炉的上、下盖。

4．在 750℃保温 30～40min，然后将水浴杯放至炉底，打开电炉下盖，把一个熔断装置

的电插销接触电源（稍一接触即可），使铜丝烧断，让样品掉入水浴中淬冷。

5．盖上电炉底盖。升温至 900℃，保温 30～40min，重复上诉步骤淬冷样品。

6．取出铂金坩锅，放在高温炉的盖上，利用炉体温度烘干样品。

7．取下试样，在研钵内砸成粉末（注意、不能研磨），作成浸油试片。

8．在偏光显微镜下观察有无晶体析出，并与相图（见图 3-3）比较。

9．记录观察结果，写出实验报告。

五、思考题

1．用淬冷法研究相平衡有什么优点？

2．用淬冷法如何确定相图中的液相线和固相线？

3．如何鉴定样品内是否出现了晶相？

图 3-3 Na2O-SiO2系统相图

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实验六晶体对称要素的分析

一、目的要求

1、 学会在晶体模型上寻找对称要素的基本方法，建立晶体对称的概念；

2、 掌握各晶系的对称特点。

二、原理

晶体对称性及对称组合定理。

三、实验用具及模型

铁制晶体模型：每晶系一个单形、四方四面体、三方柱，共 9 个。

四、实验内容

分别找出各晶系晶体模型上的全部对称要素（C、P、Ln、Lin），组合成对称型，并根据

各对称型的特点确定其所在晶系、晶族。

五、实验方法及步骤

（一）找对称中心（C）

1、晶体上可能没有对称中心或只有一个；

2、晶体上各对应晶面均是两两反向平行、同形等大，则此晶体有对称中心，反之则无；

3、操作方法：通过晶体中定点进行反伸。通常可用简易方法确定 C 的有无，即将晶体模型

放在桌上，观察其上面的晶面是否与接触桌面的晶面反向平行，同形等大。如此逐一检查各

晶面，若晶体上所有的晶面均能找到与之反向平行，同形等大的对应晶面，则可确定该晶体

有 C 存在，反之则无 C。

（二）找对称面（P）

1、晶体上可能存在一个或多个 P，最多 9 个 P；

2、对称面一般是通过（角平分线、面平分线、晶棱）的平面；

3、操作方法：观察上述平面，若其两侧成互为镜像反映的两个相等的部分，则此平面为 P。

（三）找对称轴（Ln）

1、晶体上可出现一个或数个相同或不同轴次的对称轴，不可能出现五次或高于六次的对称

轴；

2、对称轴一般是（两对应晶面的中心、两对应晶棱中点、角顶与晶面的中心、棱中点与晶

面中心、两对应角顶）的连线；

3、操作方法：绕上述连线旋转 3600，观察晶体上相同部分（相同晶面、晶棱或角顶）重复

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出现的次数，以确定对称轴的轴此（L1不考虑）。

（四）找旋转反伸轴（Lin）

1、旋转反伸轴（Li1、Li

2、Li3、Li

4、Li6）在实际应用中通常只考虑 Li

4 和 Li6 两种，其余则

均以与之等效的简单对称要素或它们的组合代替（如 Li1＝C，Li

2＝P），晶体中若无对称中

心存在，则必无 Li4和 Li

6；

2、操作方法：

（1）四次旋转反伸轴（Li4）

Li4 是一个独立的复合对称要素，它不能用其它简单的对称要素或它们的组合来代替。一般

晶面若无 C，但有一个 L2时，则此 L2就可能是 Li4。有 Li

4出现时，其所包含的 L2则不写

入对称型中。

（2）六次旋转反伸轴（Li6）

通常晶体若无 C，而存在 L3及垂直 L3 的对称面即为 Li6。虽然 Li

6与 L3＋P 组合效，但它

在对称分类中具有特殊意义，故通常用 Li6来代替 L3＋P 的组合。

（五）确定晶体的对称型

按照上述的方法找出晶体中全部的对称要素后，将他们依照从左到右先写对称轴（轴此由高

到低），再写对称面，最后写对称中心的顺序写下来。即为晶体的对称型。然后，再将所确

定的对称型与晶体的 32 种对称型对照，若有不符，则检查所找对称要素有无遗漏或重复，

重新确定对称型，直至正确为止。

（六）确定晶体所属晶族和晶系

根据晶体对称型的特点确定其所在晶族和晶系，即先根据对称型中高次轴的有无或多寡，确

定其所在的晶族（高、中、低），再根据对称型中对称轴的轴次及数量，确定其所属的晶系。

六、验报告要求

将实验结果分别填入《实验报告》表内。

七、思考题

1、何为晶体对称性？

2、三方柱晶体属于六方晶系？对称型 L3P.、L33L24P 属于何晶系？为什么？

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实验七制片技术 一、目的要求 1. 了解薄片和光片的制作过程； 2. 初步掌握制片基本技术。 二、实验用具 1. 切片机； 2. 磨片机； 3. 抛光机和抛光板； 4. 100＃

～1000＃金刚砂（SiC）、抛光粉（Al2O3）；

5. 光学树胶（固体、液体）、硫磺粉、酒精、二甲苯； 6. 载玻璃、盖玻璃、瓷把皿； 7. 铁锤、光片模具和电炉； 8. 偏光显微镜和反光显微镜。 三、实验内容及方法 （一） 薄片制作步骤 1. 在切片机上，切下一块厚度约 1cm 的岩石或矿物标本（定向或不定向）； 2. 在磨片机上，用 100＃

金刚砂将标本磨成约为盖玻璃大小（4cm2）的小方块，再将小方块

的一面磨平，即在磨片机上或玻璃板上用金刚砂加水粗磨（200＃砂）、中磨（600＃

）及细磨

（800～1000＃）。然后洗净，凉干；

3. 取载玻璃一片于薄铁板上，用酒精灯加热少许，涂适量光学树胶于载玻璃上，将比标本

小方块磨平的一面粘在熔化的树胶上，取下载玻璃放在桌上，使标本块向下，轻轻推压

载玻璃，排除气泡，少时胶即凝固； 4. 将载玻璃上的标本的另一面，进行粗磨——中磨——细磨，磨平、磨薄至 0.03mm（一

般以石英切片呈灰白或黄白干涉色为准），洗净金刚砂，凉干； 5. 在标本薄片上涂适量光学树胶（液体），取盖玻璃一片，擦净后加盖上去（勿使标本外

露），稍稍推压以排除气泡； 6. 用酒精或二甲苯洗净盖玻璃周边（若周边树胶过厚，则需先用考热小刀切铲后再洗）则

薄片即制成； 7. 疏松多孔的岩石标本，磨制前需先浸没在熔化的光学树胶中加以粘结后，方能依上述方

法制成薄片； 8. 易水解或溶解的矿物，在磨制过程中需用机油代替水； 9. 含水矿物（石膏等）为防止其脱水，上胶粘片时，需稍稍冷却。 （二） 光片制作步骤 1. 用铁锤将水泥熟料或其它标本敲成小块（约 3～5mm 直径），取 3～5 粒均匀分散置于光

片模具底部； 2. 将盛有硫磺粉之瓷把皿放在电炉上加热至硫磺熔融； 3. 将熔融硫磺倒入光片模具中（勿冲乱原来矿粒位置），待硫磺冷却凝固后，脱模出来即

成光片； 4. 将脱模后的光片在磨片机或玻璃上用金刚砂加水进行粗磨—中磨—细磨，至光片表面光

滑，磨痕细而均匀为止； 5. 将磨好之光片在抛光机上或抛光板上用抛光粉（Al2O3）加滴无水乙醇反复抛光以除去

表面磨痕，使之光滑如镜，无明显擦痕，在 300×镜下可见矿物大致轮廓，即光片制成。 四、试验要求

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在教师指导下，每个学生制作薄片和光片各一片。 五、思考题 1. 制作薄片的关键步骤有那些？ 2. 制作光片的关键步骤有哪些？ 实验报告要求学生绘出制作薄片和光片的流程图。

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实验八偏光显微镜的构造、调节与校正 一、目的要求： 1. 掌握偏光显微镜的原理、构造、附件及使用须知； 2. 学会偏光显微镜的调节与校正； 3. 学会偏光显微镜的保养方法。 二、实验用具： 1. XPT7 型偏光显微镜； 2. 岩矿薄片、花岗岩（含黑云母）； 3. 擦镜纸。 三、实验内容及方法： （一） 实验课上对照实物，详细了解 XPT7 型偏光显微镜的原理、各部构造、附件、用途

及维护保养； （二） 偏光显微镜的调节 1. 调节照明（对光） （1） 装上 10×物镜和 5×目镜，打开锁光圈，推出上偏光镜，除去勃氏镜和聚光镜； （2） 打开光源，调节光源旋钮至视域最亮为止。 2. 调节焦距（准焦） （1） 将岩相薄片（盖玻璃片向上）置于载物台中心，用载物台上的夹片夹紧； （2） 从侧面看着镜头，转动粗动螺丝，使镜筒缓慢下降至物镜镜头接近薄片位置（切勿

眼睛看着目镜下降镜筒，以免压坏薄片造成镜头损坏）； （3） 从目镜中观察，并转动粗动螺丝，使镜筒换满上升，直至视域内出现物象并较清楚

后，再转动微动螺丝使物象完全清晰为止。 （三） 偏光显微镜的校正 1. 校正物镜中心 （1） 在正常工作的显微镜光学系统中，载物台旋转轴、物镜中轴应当严格在一条直线上，

此时旋转物台，视域中心（十字丝交点）的物象不动，其余物象则绕视域中心作圆

周运动； （2） 如果旋转物台时，视域中心的物象离开原来的位置，连同其余物象绕另一中心（即

物台中心）旋转，说明物台旋转轴、物镜中轴和镜筒中轴不在同一条直线上，必须

进行校正。对于 XPT(7)型偏光显微镜的镜筒中轴和物台旋转轴是固定的，因此只需

调节物镜中轴使之与物台旋转轴重合即可； （3） 校正物镜中心之前，必须检查物镜安装是否正确，如果物镜位置不对，则需重新安

装后方可进行校正； （4） 校正物镜中心时，如发现校正螺丝旋转费劲或失灵，应立即报告老师处理，切勿强

行扭动或只朝一个方向旋转过度； （5） 校正物镜中心步骤：

① 在薄片（花岗岩片）中任选一小黑点，移动薄片将其置于视域中心（十字丝交点）a

处【图（1）】，用薄片夹固定好薄片；

② 旋转载物台 3600，若小黑点离开 a处，绕另一中心 o作圆周运动【图（2）】，则说明

中心不正，需进行校正；

③ 将小黑点转回至十字丝交点 a处，旋转载物台 1800，黑点移至 a

’处【图（3）】，此

时黑点距离 a最远；

④ 转动校正螺丝，将黑点从 a’处移至圆心 0处，即移动 aa

’距离的一半【图（4）】；

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⑤ 移动薄片，将原黑点（或另选一点）置于十字丝交点 a 处【图（1）】，旋转载物台

3600，若黑点不动，则表示中心已经校好，若黑点仍离开十字丝交点绕另一圆心旋转，则中

心尚未完全校好，还需重复上述步骤重复校正，直至完全交好为止；

⑥ 若物镜中心偏离很大【图（5）】，即旋转物台 1800后，黑点由十字丝交点移至视域

之外，则可来回旋转载物台，观察黑点移动的弧度情况，估计偏心圆中心 o 的方位何半径

oa’的长度，然后在此方位上以视域中某质点 b 为准，转动校正螺丝使该质点向十字丝交点

a方向移动估计半径的距离至 b’，最后在任选一黑点置于十字丝交点，旋转载物台，若偏心

已不大，即黑点在视域内移动，则可按照上述偏心较小的方法继续校正，直至校好。

2. 校正偏光镜

（1） 确定下偏光镜的振动方向

① 将目镜十字丝放在东西南北方向，除去上偏光镜，勃氏镜和聚光镜（拉索透镜），打开

所光圈；

② 在花岗岩薄片中，选一粒具有一组完全解理的黑云母切片，将其置于视域中心，使其

解理缝方向平行十字丝的东西向，转动下偏光镜至黑云母颗粒切面颜色最深时（黑褐色）为

止，此时黑云母的解理缝方向（即十字丝东西向）就是下偏光镜的振动方向 PP’【图（a）】；

③ 旋转物台 900，当黑云母解理缝方向平行十字丝南北向（垂直下偏光镜的振动方向）时，

黑云母颗粒切面颜色最浅（浅黄色）[图（b）]。

（2） 校正上下偏光镜振动方向是否正交

由于 XPT(7)型偏光显微镜中上偏光镜的振动方向 AA是固定在平行目镜十字丝南北方向的，

故当下偏光镜振动方向确定在平行十字丝的东西向后，推入上偏光镜，上、下偏光镜振动方

向互相垂直，此时除去薄片，视域全黑，若视域不够黑，则可缓慢旋转下偏光镜，直至视域

全黑为止。

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（四） 偏光显微镜使用须知

1. 偏光显微镜是一种精密而贵重的光学仪器，使用时务必爱护，谨慎小心，严防损坏；

2. 仪器使用前必须进行检查： （1） 检查镜身各部件是否完好，如有损坏立即报告教师；

（2） 按所附登记薄中清点附件，若有不符或损坏立即报告老师； 3. 使用显微镜时，务必严格遵守操作规程，非本次实验所需物品，附件一律不得动用

4. 显微镜各部零件、螺丝，严禁拆卸，使用中发生故障，报告老师处理； 5. 显微镜各种附件（镜头、试板等）及实验用岩相薄片等，应严防坠地、跌落、随意放置

或夹在书中，用完立即放回原处； 6. 显微镜镜头等附件若有污染，必须用专用擦镜纸擦拭，切勿用手或其它纸张擦拭； 7. 显微镜镜身不可过于倾斜或置于桌边，严防翻到或摔坏； 8. 搬动显微镜时，必须轻拿轻放，防止震动； 9. 显微镜使用完毕，必须再次检查，清点附件，放回原处，装箱或罩好方可离室，若发现

损失情况应立即报告老师，不得隐瞒； 10. 显微镜使用中，若发生责任事故按学校规定处理。 四、实验报告要求

熟悉 XPT（7）型偏光显微镜的各部分组成和各附件名称。

五、思考题

1. 偏光显微镜构造中，若上偏光镜（或下偏光镜）的振动方向已固定在十字丝南北向（或

东西向），不用黑云母解理的切片，如何确定上下偏光镜的振动方向？

2. 当上下偏光镜的振动方向相互垂直时，视域内为什么会不够黑暗？

P P

黑褐色

(a)

P P

(b)

浅黄色

第 164 页，共 250 页

22

实验九单偏光镜下的晶体光学性质观测 一、 目的要求 1. 学会观察晶体在单偏光镜下的光学性质； 2. 初步了解比较矿物折射率的方法。 二、 实验用具 1. 偏光显微镜； 2. 岩相薄片：花岗岩（含榍石、黑云母、斜长石）、石英（或白泡石）、角闪石（含一组、

两组解理切面）、辉石、萤石、方解石（含两组解理切面）、微斜长石、橄榄石，共 8 片； 3. 镜下集合体形态的陈列样品若干。 三、 试验内容及方法 （一） 完成单偏光镜的装置 1. 装上 5×目镜和 10×物镜，校正好物镜中心； 2. 将下偏光镜的振动方向确定在平行十字丝东西方向上（用花岗岩薄片中之黑云母确定） （二） 观察单偏光镜下的晶体光学性质 1. 观察矿物的晶体形态 （1）单体形态按照晶体发育的完好程度分为下列三种类型：

自形晶如榍石（花岗岩中）

半自形晶如黑云母（花岗岩片中）

它形晶如石英（白泡石片中）

（2）集合体形态 纤维状如石棉

等粒状如石英

放射状如透辉石

扇羽状如失透石

2. 观察矿物颜色 镜下矿物的颜色是指在单偏光镜下，矿物在标准厚度（0.03mm）薄片中的颜色，矿物

晶体在镜下往往无色或具有一定的颜色，因矿物不同而不同。

第 165 页，共 250 页

23

3. 观察矿物的多色性 转动载物台，分别观察角闪石、黑云母具有一组解理纹切面上的多色性变化，注意切面

上最深和最浅的颜色。 角闪石的多色性公式｛｝

黑云母多色性公式｛黑褐—黑褐—淡黄｝

4. 观察矿物的糙面 糙面一般按明显程度分为下列等级进行描述：

非常显著如榍石（花岗岩片中） 显著如辉石、萤石 无糙面如石英

5. 观察矿物的轮廓（边缘） （1） 榍石：边缘粗而黑暗，与树胶折射率差值大； （2） 角闪石：边缘细而清晰，与树胶折射率差值较大； （3） 石英：边缘细而不明显，与树胶折射率差值很小。 6. 观察矿物的贝克线 （1） 贝克线定义： 在两种不同物质接触处，升降镜筒时，可见一条与矿物轮廓平行的亮线在移动，此亮线称贝

克线。 （2） 贝克线移动规律： 当提升镜筒时，贝克线总是向着折射率大介质方向移动，下降镜筒时，贝克线总是向着折射

率小的介质方向移动。 （3） 观察方法： ①用中倍（10×）物镜，用粗动螺丝升降镜筒；

② 在矿物与树胶或矿物与矿物交界处，选择较为洁净、边缘校清晰的地方观察；

③ 为使贝克线清晰可见，观察一般适当缩小锁光圈，使视域灰暗；

④ 无色透明矿物边缘的贝克线通常较有色矿物清晰，初学者应先观察无色透明矿物，再及

其它；

⑤ 贝克线移动方向一般用：“向矿物”或“向树胶”来描述，相对折射率用“N 矿＞N 胶”或

“N 矿＜N 胶”等来描述。

（4） 重点观察下列矿物的贝克线：

石英、方解石、微斜长石、萤石。

7. 观察矿物的突起和闪突起

（1） 观察各级突起的代表矿物。

突起种类及等级 种类 正突起（N＞1.54） 负突起（N＜1.54＝ 闪突起

等级及矿物

正低石英 负低微斜长石 方解石 正中黑云母 负中萤石 白云石

正高辉石、角闪石 菱镁矿 正极高榍石

（2） 观察突起的方法 观察矿物与树胶或矿物与矿物分界处，升降镜筒，利用贝克线的移动规律来比较确定突起之

正负或高低；闪突起还须旋转载物台观察突起时高时低的现象。 8. 观察矿物的解理

深绿—绿—浅黄 暗褐—褐—淡黄

第 166 页，共 250 页

24

解理据其发育的完善程度分为极完全、完全、不完全三级，镜下观察一般是根据切面上

的解理缝特点来描述。各级解理缝特点及代表矿物如下： 各级解理特点

等级 图示 解理缝特点 代表矿物 极完全解理

细密、直长而连贯 黑云母

完全解理

清晰、校稀疏，连贯性

较好 角闪石（柱面解理）

不完全解理

断断续续，仅见大致方

向 橄榄石

有一组或几组解理的矿物晶体，在薄片中由于切片方向不同，有时出现一组、两组或不

出现。 9. 测量解理夹角 当矿物晶体具有两组解理时，测定其夹角可以帮助我们鉴定矿物。解理夹角的测量步骤如下： （1） 在欲测矿物薄片中，选一同时垂直两组解理的切面（该切面的特点：两组解理缝细

而清楚，升降镜筒时解理缝不向两侧移动） （2） 将切面置于视域中心，使两组解理缝交点与十字丝交点重合，并使一解理缝平行十

字丝的竖丝，记下物台读数 a； （3） 转动舞台，使另一解理缝平行于十字丝的竖丝，记下物台读数 a； （4） 两次读数之差为解理夹角度数； （5） 通常测定的解理夹角为锐角。 四、 实验报告要求

将上述观察结果和测定结果分别填入试验报告表中。 五、 思考题 1. 为什么黑云母不同方向切面的多色性显著程度不同？ 2. 角闪石具有两组解理，为什么在镜下可见一组、两组或无解理三种切面？ 3. 方解石等碳酸盐类矿物在单偏光镜下的鉴定特征是什么？

第 167 页，共 250 页

25

单偏光镜下晶体光学性质观测

矿

物

名

称

形

态 颜

色

多色性

糙面

特点

突起 矿物折射率的相对比较 解理

最

深

时

颜

色

最

浅

时

颜

色

正

负 等

级

贝克线的移动规

律 相对折

射率 N矿＜＞N

胶

组

数 完善

程度 解理缝特

点 测量解理夹角

提升

镜筒

移动

方向

下降镜

筒移动

方向

（一）方解石

（二）角闪石

第 168 页，共 250 页

第 169 页，共 250 页

无机非金属材料科学

基础试验 II 讲义

材料学院

2006.5

第 170 页，共 250 页

2

目 录

实验一粉体真密度的测定 ………………………………………3

实验二激光粒度仪测定粉体粒度…………………………………5

实验三伯努利方程实验……………………………………………9

实验四传热试验 …………………………………………………13

实验五 热流法测定材料热导率…………………………………15

第 171 页，共 250 页

3

实验一粉体真密度的测定 粉体真密度是粉体质量与其真体积之比值，其真体积不包括存在于粉体颗粒内部

的封闭空洞。所以，测定粉体的真密度必须采用无孔材料。根据测定介质的不同，

粉体真密度的主要测定方法可分为气体容积法和浸液法。

气体容积法是以气体取代液体测定试样所排出的体积。此法排除了浸液法对

试样溶解的可能性，具有不损坏试样的优点。但测定时易受温度的影响，还需注

意漏气问题。气体容积法又分为定容积法与不定容积法。

浸液法是将粉末浸入在易润湿颗粒表面的浸液中，测定其所排除液体的体积。

此法必须真空脱气以完全排除气泡。真空脱气操作可采用加热(煮沸)法和减压法，

或两法同时并用。浸液法主要有比重瓶法和悬吊法。其中，比重瓶法具有仪器简

单、操作方便、结果可靠等优点，已成为目前应用较多的测定真密度的方法之一。

因此，本实验采用这种方法。

浸取液选取原则：

1、粉体不溶于浸液；

2、粉体不和浸液反应；

3、粉体的直径一般大于 5μm。

一、实验目的

1.了解粉体真密度的概念及其在科研与生产中的作用；

2. 掌握浸液法―――比重瓶法测定粉末真密度的原理及方法.

二、实验原理

比重瓶法测定粉体真密度基于“阿基米德原理”。将待测粉末浸入对其润湿

而不溶解的浸液中，抽真空除气泡，求出粉末试样从已知容量的容器中排出已知

密度的液体，就可计算所测粉末的真密度。真密度ρ计算式为：

( ) ( )0

0

sl

l sl s

m mm m m m

ρ ρ−= ⋅

− − −

式中： m0—— 比重瓶的质重，g；

ms—— (比重瓶+粉体)的质重，g；

msl—— (比重瓶+液体)的质重，g；

ρl—— 测定温度下浸液密度；g/cm3；

ρ—— 粉体的真密度，g/cm3；

第 172 页，共 250 页

4

三、实验器材：

真空装置全套、

温度计：0～100℃、

分析天平、

烧杯、

烘箱、

干燥器、

金刚砂粉末

四、实验步骤：

1.称量事先洗净、烘干的比重瓶的重量 m0；

2.用四分法缩分待测试样；

3.在比重瓶内，装入三分之一的粉体试样，精确称量比重瓶和试样重量 ms；

4.将蒸馏水注入装有试样的比重瓶内，至容器容量的三分之二处为止，放入真空

干燥器内；

5.启动真空泵，抽气 20～25分钟；

6.从真空干燥器内取出比重瓶，向瓶内加满蒸馏水并称其重量 msl；；

7.洗净该比重瓶，然后装满浸液，称其重量 ml；

五、实验数据和处理：

记录下 m0、ms、msl、ml 的数据按上式进行计算粉体真密度，平行测定三次求

平均值。

m0 ms msl ml

一

二

三

六、思考题

1、测定真密度的意义是什么？

2、浸液法—比重瓶法测定真密度的原理是什么？

3、影响测定真密度的主要因素是什么？

第 173 页，共 250 页

5

实验二 激光粒度仪测定粉体粒度

一、实验目的

（1）利用激光粒度仪测量粉体粒度，了解测定值的物理意义

（2）了解激光粒度仪的测定原理和方法

（3）学会激光粒度仪的使用方法

二、实验原理

一般，关于颗粒悬浮液体的透光量，可以根据 Lambert－Beer 定律即：

0l n ( )I I A c l= Κ ，被测颗粒放入样品池使之成为悬浮状态，当 He-Ne激

光器发出的激光束通过样品池时将会产生散射光，散射光的分布与被测颗粒的直

径 D、颗粒的相对折射率 m和散射角θ有关。散射光由光电探测器接收，并经放

大和 A/D转换后经 RS232或 USB接口送入计算机，经数据处理和计算后就可以显

示或打印出被测颗粒的粒径分布，各种平均直径及比表面积等参数。

激光粒度仪主要由激光器、样品池、光电探测器和计算机系统等部分组成，

其结构如下图所示。

三、实验仪器

激光粒度仪

激光器 样品池 光电探测器 信号放大及

A/D 转换 计算机

激光粒度仪测量原理图

第 174 页，共 250 页

6

四、实验步骤

1.开机顺序

在测量前首先应接好连接激光粒度仪与计算机的连线，开启计算机，然后打

开仪器，让它预热半小时左右，使激光器输出功率达到稳定。将被测样品配置成

一定浓度的悬浮液，对悬浮液的要求是颗粒能均匀地分散在溶液中但不溶解、变

形及产生其它物理和化学变化。在分散固体颗粒时，应根据颗粒的特性，可以使

用磁力搅拌器，也可以使用超声分散器来进行分散，必要时还需加入少量的分散

剂，以获得较好的分散效果。在上述准备工作完成后，即可运行程序，进入测量

操作。

2.进入测试操作界面

双击“快捷方式”点击“确定”进入界面

3.清洗

（1）自动清洗

在自动运行对话框中“自动清洗”，点击“确定”按钮，仪器自动完成清洗

过程。

（2）手动清洗

在工具栏中选择“控制”，在“控制”的下拉菜单中分别有：加液、清洗、开

泵、关泵、开进液、关进液、开排液、关排液等选项，根据需要选择对应的选项，

仪器按选项进行操作，直到完成清洗任务。

4.测量背景

①准备一干净的比色皿，表面须用酒精等清洗干净，然后晾干，确保表面无

异物。然后在比色皿中注入纯净水，水面的高度为比色皿高度的 2/3左右，注意

水的表面一定要盖过激光束在比色皿上 5mm的位置。

②打开样品室盖板，将装有纯净水的比色皿放入样品室的固定槽内，然后拿

开探测器前面的挡板，调整比色皿的位置使反射至探测器的光斑稍微往上偏离，

保证反射光斑没有照在探测器的接受面上，然后盖上盖板。

③运行主程序。单击主程序菜单上的快捷键“输入数据”按钮，在弹出的对

话框中，依次输入“样品名称”，“串口类型”，“曲线幅值”和选择“距离”后，

第 175 页，共 250 页

7

单击“确定”退出。

④点击快捷键“测量背景”，1-2秒后单击快捷键“退出测量”，完成背景光

的测量。理想的背景光从测量结果是：第 1、2 环最大（最好是第一环为最大），

从第 6环起以后各环的数值应该是比较小而且依次递增或基本相同，如果中间有

峰值或最后几环数值过大（一般大于 100时）则说明比色皿不干净或纯净水中有

杂质，需要重新清洗或更换纯净水。

5.样品制备与制样

取少许样品放在玻璃皿中，滴加少量分散介质，用耳勺做研磨操作将样品分

散开，然后再用一定的分散介质将样品将体全部冲洗到一个烧杯中待用。

6.粒度组成测试

（1）在工具栏中选择“运行”

（2）在运行对话框中：①选择：测量补偿、对准、测量本底、测量加料速度、

输入样品信息和输入运行信息等复选框；②选择：PIDS 数据复选框；③选择泵

速；④选择超声时间。

（3）在运行对话框中点选“样品信息”按钮，进入“输入样品信息”对话

框，点击“确定”按钮推出“输入样品信息”对话框。

（4）在运行循环对话框中点选“运行信息”按钮进入“运行信息”对话框；

①根据需要输入：运行时间、等待时间和运行次数；②根据需要选择：计算粒度、

存储文件、输出数据和打印报告的等复选框；③根据需要点击“目录”，可将文

件选择存储在相应的盘符和文件夹中。

（5）在运行循环对话框中，点选“确定”按钮，仪器开始按各项指令运行，

一次完成“测量补偿”、“对准”、“测量本底”，当仪器运行到“测量加料浓度”

即可向样品台中加入样品，知道样品出现“好”则停止加入，然后选择“完成”

按钮，仪器开始测试样品，指导样品测试结束为止。

（6）单击快捷键“打印”，可从打印机上打印出计算结果和分布图形。

（7）单击快捷键“保存”，从弹出的对话框中输入要保存的文件的名字和路

径，保存本次的测量结果（背景光和散射光的原始数据）。

（8）单击快捷键“打开”，打开一个已经保存过的文件。然后单击快捷键“计

算”，可重新得到计算结果和图形分布。

第 176 页，共 250 页

8

（9）单击快捷键“退出”，退出主程序。

（10）测量结束，先盖上探测器前面的挡板，退出计算机程序；然后关闭仪

器电源，最后关闭计算机。样品室如有杂物，请及时清理干净。

（11）样品测试结束，选择“自动清洗”完成仪器的清洗工作。

7.关机顺序

退出界面→关闭激光粒度仪电源→关闭水源→关闭计算机

五、思考题：

（1）激光粒度仪测定的原理

（2）激光粒度仪测定粉体方法有哪些优点？

第 177 页，共 250 页

9

实验三伯努利方程实验 一、实验目的 流动流体所具有的总能量是由各种形式的总能量所组成，并且各种形式的能量之间可以相互

转换。当流体在导管内正常流动时，在导管各截面之间的各种形式机械能的变化规律，同由

机械能衡算基本方程来表达。这些规律对于解决流体流动过程的管路计算，流体压强、流速

和流量的测量，以及流体输送等问题，都有十分重要的意义。 本实验采用一种称之为伯努利实验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时各

种形式机械能的相互转化现象，并验证机械能的衡算方程。通过实验，加深对流体流动方程

的理解。 二、实验原理

对硅酸盐窑炉来说，窑炉内部气体的流动可看作稳定态流动，对于划定的某一区域来说，

气体的密度是一定的，可认为是不可压缩的流体。 本实验采用的流体是水，它在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换，若以单位

质量流动为衡算标准，则对确定的系统可以列出机械能衡算方程：

∑+++=++ f22

22

21

11 hu

21

ρP

gZu21

ρP

gZ J·Kg-1（1）

若以单位重量流量为衡算基准时，则又可表达为

∑+++=++ f22

22

21

11 u

21

ρPZu

21

ρPZ H

ggggm 液柱（2）

式中：Z——流体的压强，m 液柱； P——流体的压强，Pa； u——流体的平均密度，m·s-1； ρ——流体的密度， Kg·s-1； ∑hf——流动系统内因阻力造成的能量损失，J·Kg-1； ∑Hf——流动系统内因阻力造成的能量损失，m 液柱。 下标 1 和 2 分别为系统的进口和出口两个截面。

不可压缩流体的机械能衡算方程，应用于各种具体情况下可以适当简化，例如： （1） 当流体为理想液体时，于是式（1）和（2）可简化为：

22

22

21

11 u

21

ρP

gZu21

ρP

gZ ++=++ J·Kg-1（3）

22

22

21

11 u

21

ρPZu

21

ρPZ

gggg++=++ m 液柱（4）

该式即为伯努利（Bernouli）方程。 （2） 当流体流经的系统为一水平装置的管道时，（1）和（2）又可简化为：

∑++=+ f22

221

1 hu21u

21

ρρpp

J·Kg-1（5）

∑++=+ f22

221

1 u21u

21 H

ggp

ggp

ρρm 液柱（6）

第 178 页，共 250 页

10

（3） 当流体处于静止状态时，则（1）和（2）式简化为：

ρP

gZρP

gZ 22

11 +=+ （7）

gg ρPZ

ρPZ 2

21

1 +=+ （8）

或者将上式改写为

( )2112 ZZpgPP −=−

三、实验装置 本实验装置主要由试管导管、稳压溢流水槽和三对测压管组成。

试验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设置测压管。每处

测压管有一对并列的的测压管组成，分别测量该截面处的静压头的冲

压头。 液体由稳压水槽流入试验导管，沿经直径分别为 20、30 和 20mm 的管子，最后排出设

备。流体流量由出口调节阀调节，流量需直接由计时称量测定。

伯努利实验仪 1. 稳压水槽 2. 试验导管 3. 出口调节阀 4. 静压头测定管 5. 冲压头测定管

四、实验步骤 实验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量的溢流水流出，使槽内

液面平稳不变。最后，设法排尽设备内的空气泡。 实验可按如下步骤进行： （1） 关闭实验导管出口调节阀，观察和测量流体处于静止状态下各测试点（A、B

和 C 三点）的压强。 （2） 开启实验导管出口调节阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动

压头和压头损失。同一流量下要测多次取平均值。

第 179 页，共 250 页

11

实验过程中必须注意如下几点： （1） 实验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除干净，否则会干扰实验现象

和测量的准确性。 （2） 开启进水阀向稳压水槽注水，或开关试验导管出口调节阀时，一定要缓慢地调

节开启程度，并随时注意设备内的变化。 （3） 实验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最到的流量。 （4） 为了便于观察测压管的液柱高度，可在临实验测定前，向各测压管滴入几滴红

墨水。 五、实验数据记录及处理

1. 测量并记录实验基本参数 流体种类： 试验导管内径：dA= mm

dB= mm dC= mm

实验系统的总压头：H= mmH2O 流体温度：t= ℃

密度：ρ= g/cm3 2. 非流动体系的机械能分布及其转换 实验数据记录

各测试点的静压头（mmH2O） 各测试点的静压头（Pa） PA/ρg PB/ρg PC/ρg PA PB PC

3. 流动体系的机械能分布及其转换 实验数据记录

实验序号 流

量

时间(s) 体积（ml） 流量 Kg/s

静 压 头

PA/ρg mmH2O PB/ρg mmH2O PC/ρg mmH2O

冲 压 头

HA mmH2O HB mmH2O HC mmH2O

动 压 头

UA2/2g mmH2O

UB2/2g mmH2O

UC2/2g mmH2O

流 速

UA m/s UB m/s UC m/s

压 头 损失

Hf(1-A) mmH2O Hf(1-B) mmH2O Hf(1-C) mmH2O

六、实验结果及讨论

第 180 页，共 250 页

12

1. 验证流体静力学方程 2. 验证流动流体的机械能衡算方程

第 181 页，共 250 页

13

实验四传热试验 一、实验目的

在硅酸盐窑炉中存在许多传热现象，对于硅酸盐工艺人员来说就是要运用各种办法提高

要路的生产率，以达到高产、优质、低耗的目的。因此，掌握窑炉的传热过程，熟悉传热的

基本原理，最大限度的将热量传给被加热的物体，减小热损失，提高窑炉的热销率，具有十

分重要的意义。 本实验目的是观察和比较裸管、固体材料和夹层保温管散热速度的大小，以及影响散热

速度的主要因素，实验测定裸管向周围空间的综合传热系数，固体材料的导热系数以及空气

夹层或真空夹层保温管的有效导热系数。 二、实验原理

1. 综合传热系数的测定 对于单层圆管，可列出综合传热方程： ql=k(t2-t1) J.m-1.s-1或（W/m2） 其中：ql—单位时间通过单位长度管壁传递的热量

k—综合传热系数 J.m-1.C-1

t2—管内温度℃ t1—管内温度℃

通过实验测得某一时间内的冷凝水的体积，管内温度与环境温度，从而计算出综合传热系数。 2. 导热系数的测定 对于单层圆筒壁的导热，由傅立叶定律可推导出如下表达式： Q=2πλl(t2-t1)/ln(d1/d2) J.s-1.C-1.m-1

式中：Q—总传热量（即单位时间内通过总传热面积传递的热量）J.s-1. λ—导热系数 J.m-1.C-1

t2—管内壁温度℃ t1—管内壁温度℃ d1—管外径，m d2管外径，m l—管的导热段长度，m

通过实验测得某一时间内冷凝水得体积及管的内外壁温度可以算出导热系数λ。 三、实验装置（如图所示）

所需仪器：传热实验仪、秒表和量筒 传热实验仪由蒸汽系统、控压系统、测量系统及测试管组成。

四、实验步骤 1. 将软水由注水槽加入蒸汽发生器内，加入量约为蒸汽发生器上部汽化室总高度的

50~60%。 实验过程中要通过液位计观察器内液面高度不得底于下部加热管的上沿，否则要加水。

2. 将蒸汽包上方放空阀微开，同时根据需要将电接处线放置在单管压差计内适当的高

度。 3. 接通电源，打开控制器加热。当蒸汽达到预定压力后将各测试管底部的放空阀全部

打开，使蒸汽完全充满各测定管后（底部防空阀有大量蒸汽排出），关闭放空阀，

待各测温点的温度稳定后，记录各测点温度，并放出测试管下部冷凝水然后开始计

时，测得某一时间内冷凝水的体积。

第 182 页，共 250 页

14

4. 实验结束，在停止加热前应将全部放空阀打开，以防倒吸。

传热实验仪 1. 控制仪 2. 电极 3. 单管水柱压力计 4. 裸管 5. 固体材料保温管 6. 空气夹层保温管 7.

放空阀 8. 蒸汽包 9. 蒸汽发生器 10. 注水槽 11. 液位计 12. 数字电表 13. 转换开关 14. 冰水混合物 15. 热电偶

五、实验数据处理 1. 基本参数 固体材料保温管内径 12mm 固体材料保温管外径 40.8mm 夹层保温管内径 12mm 夹层保温管外径 27mm 测试管长度 800mm 环境温度：℃ 2. 实验数据 序

号 裸管 固体材料保温管 夹层保温管

时

间

/s

水

量

/ml

T1/mV 时

间

/s

水

量

/ml

T2/mV T2/mV 时

间

/s

水

量

/ml

T3/mV T3/mV

3. 计算裸管的综合传热系数 4. 计算固体材料保温管的导热系数和空气夹层的有效导热系数。

实验五热流法测定材料热导率 λ

第 183 页，共 250 页

15

一、实验目的

1、 通过实验使学生加深对傅立叶导热定律的认识。 2、通过实验，掌握在稳定热流情况下利用稳态平板法测定材料导热系数的方法。 3、确定材料的导热系数与温度之间的依变关系。 4、学习用温差热电偶测量温度的方法。 5、学习热工仪表的使用方法。 二．实验原理

在稳态传热过程中，Q1=Q2=Qs=Q3=Q4=Q 三、实验步骤 1、 制样：样品直径小于或等于 30mm（最好同上下铜柱的截面积相等），样品的厚度在

0.3-10mm 之间，表面无明显斑痕或缺陷。 注：测量样品直径和厚度如果不规则，需要平行测量三次求其平均值。 2、 开启电源：打开恒温水槽、循环水和加热器的电源开关，设置水槽的水温在 20℃。 3、 装样：将制好的样品放入上下圆柱之间（中心位置）进行合轴装配，然后加压夹紧，并

向导热仪主机保温桶加入准备好的冰水混合物，勿必将热电偶的探头分开加入冰水混合

物中，否则无法稳定启动测试软件。 4、 如对样品测试要求精度,可将导热仪上盖盖上,拧紧固定螺丝,打开真空泵开关,以减小外

界空气对测量结果的影响。 5、 打开电脑，启动测量软件，输入样品厚度和截面积等参数，并设置加热温度（＜99.99℃）,

打开导热仪上面的加热开关,然后点击软件界面的加热启动,待温度恒定后点击自动测试,记录实验结果,保存数据.

6、 如果样品在抽真空状态下测试，测试完毕后必须打开放气阀进行放气处理，待压力表恢

复 0 时，可开盖取样。重新装样测量则重复上述步骤。 7、 测试完毕后，关闭电脑电源、导热仪加热开关和电源开关，关闭恒温水槽开关，将热电

偶的四个探头勿必从冰水混合物中取出，实验结束。

L3

T4

T3

T2

L1

L2

LS

L4

Q1

Qs

Q4

Q3

Q21

实验测量示意图

T1

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16

四、实验数据记录 1、采用游标卡尺记录 L1，L2，L3，L4，Ls, 测量铜块的直径 D1 和样品直径 Ds，计算测量

铜块的截面积 F 铜，样品截面积 Fs。 2、待测定温度稳定后，记录 T1，T2，T3 和 T4。 五、数据处理 已经黄铜的导热系数λ=108.9W/m℃，根据傅立叶定律计算样品的导热系数和通过样品的热

流量。 六、实验结果与讨论 1、比较实验记录结果与测量值之间的差异。 2、叙说影响测量导热系数的因素。

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高分子材料科学与工程专业

塑料工艺实验讲义

沈阳化工学院材料科学与工程学院

高分子材料与工程教研室

2007.11 第 186 页，共 250 页

目 录

实验一 捏合、挤出造粒实验............................... 2

实验二 转矩流变仪实验................................... 5

实验三 塑料熔融指数测定专业实验......................... 7

实验四 注射成型实验..................................... 9

实验五 维卡软化温度的测定.............................. 11

实验六 聚合物的拉伸行为与应力一应变曲线................ 13

实验七 塑料冲击强度的测试.............................. 16

实验八 管材挤出成型.................................... 18

实验九 塑料电性能的测试................................ 21

实验十 高分子材料阻燃性测试............................ 23

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实验一 捏合、挤出造粒实验

一、 实验目的 1. 掌握捏合的基本原理； 2. 掌握挤出造粒的基本原理； 3. 熟悉高速混合机、双螺杆挤出机的基本构造及工作原理； 4. 学会正确使用高速混合机、双螺杆挤出机。

二、 实验原理 在塑料制品的生产中，只有少数聚合物（树脂）可单独使用，而大部分的聚合物（树脂）

必需与其它物料混合，进行配料后才能应用于成型加工。混合的过程一般是靠扩散、对流、

剪切三种作用来完成的。其目的就是使原来两种或两种以上各自均 分散的物料，从一种物

料按照可以接受的概率分布到另一种物料中去，以便得到组成均 的混合物。 1. 捏合实验

捏合是塑料配制中常用的混合过程。所谓捏合是指液体和粉状（纤维状）

固体物料的浸渍与混合。通常是在低于聚合物的流动温度和较缓和的剪切速率下

进行的，捏合后的物料各组分本质基本上没有什么变化。

高速捏合机的原理主要就是采用高速搅拌，利用剪切、塑化、摩擦生热达

到对材料塑化、混合和分散的作用。 2. 双螺杆挤出造粒实验

双螺杆挤出造粒的原理主要就是借助螺杆的挤压、搅拌，利用剪切、塑化、

摩擦生热达到对材料塑化、混合和分散的作用的，通过机头挤出、冷却、造粒。

三、设备的基本构造、操作步骤及注意事项

1.高速混合机 （1）基本构造

1. 回转容器盖 2. 回转容器 3. 挡板 4. 快速叶轮 5. 放料口 6. 电动机 7. 机座

图 1 高速混合机 （2）操作步骤

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a.开机前首先检查设备的完好和个润滑点的润滑。 b.根据不同的材料确定加工工艺温度。 c.首先开低速，再开高速。 d.卸出物料，卸出物料的时候要用低速。

（3）安全注意事项 a.严格按照操作规程确定操作顺序。 b.开车的时候严禁打开盖。 d.折流板的位置必须摆正。 e.捏合过程一定要保证被分散物料混合均 。

2..双螺杆挤出机组 （1）基本构造

TSE-35A/400-11-32 同向双螺杆挤出造粒机组包括机械和电气控制两部分组成。

机械部分如图 2 所示。

1-交流电机 2-主喂料机 3-侧喂料机 4-料筒（内有螺杆） 5-水槽 6-切粒机 图 2 双螺杆挤出机组示意图

主要包括：传动部分、加料装置、料筒、螺杆、机头与口模等部分。 （2）操作步骤 第一步：预热升温准备

合上控制柜内总电源开关，然后主机电源开关，根据所用物料设定控制温度。 第二步：开车 当各段加热温度达到设定值并保温 30 分钟，按正常手动盘车，盘动应轻快灵活，

无异常现象后，按下列步骤进行操作： A．辅机启动。打开切粒机调速器的开关，旋转旋钮使切粒机处于低速旋转状态。 B．主机启动。在确保主机给定为 0 时，依次按下模拟板上的油泵、主机触摸开

关，然后通过旋转主机给定旋钮，缓慢提高主机转速。（空转时螺杆转速一般在

50 r/min 左右，时间不超过 2 分钟。喂料启动后在提高主机螺杆转速。） C．喂料启动。在主机空转无异常后，按下模拟板上的喂料触摸开关，根据主机

转数和出料情况适当调整喂料速度。在加料的过程中，要逐渐增加喂料量，不能

突变和超过主机螺杆的承受能力，主机电流不能超过额定值。 第三步：拉条切粒 当熔体从模板喷出形成料条后，先通过水槽使料条在水槽中冷却，然后牵引料条

送入切粒机料条入口，调节切粒机转速使粒料达到要求。 注：切粒前应准备如剪刀、铲刀等工具。 注意：防止烫伤！

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第四步：调整 待机组运转正常后，根据工艺要求，调节喂料和主机的转数，使二者相互匹配。

随时密切注意主机和喂料电流指示和整个机组的运转情况。 第五步：停机 ①正常停机顺序： A：关闭真空系统 B：停喂料机 C：逐渐降低主螺杆转速，尽量排尽筒内残存物料（对于受热易分解的热敏性料，

停机前应用聚烯烃料对主机清洗）。 D：停辅机。 E：按下面板油泵按钮，关闭油泵。 F：关闭主机电源和各个电机的电源，切断总电源开关。 H：清扫设备。 ②紧急停车 遇到紧急情况需停主机时，可迅速直接按下控制柜上的紧急停车按钮，并随即将

主机、喂料调回零位。寻找故障原因。 （3）安全注意事项

a. 设备高温，注意严禁手触，避免烫伤。 b. 经常注意电机的电流指示，避免因为阻力过大造成对设备的损坏。

四、结果与讨论

捏合、挤出造粒杆实验主要是要求学生掌握由物料到混合料的捏合工艺和双螺杆造

粒实施方法，简单地了解实验原理和设备操作规程。通过实验现象的观察可以看到实验

的最终结果。主要讨论以下几个问题： 1. 捏合与混合、塑炼这两种混合手段有和异同点？ 2. 如何评价混合效果？ 3. 理论上，按照物料在螺杆中的状态，可以将螺杆分成哪几部分，物料状态如何？ 4. 试讨论如何设定合适的工艺条件，达到良好的共混效果。 5. 试讨论挤出造粒过程中存在哪些因素影响物料的共混效果。

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实验二 转矩流变仪实验

一、 实验目的 1. 熟悉转矩流变仪的结构及工作原理。 2. 掌握转矩流变仪的基本操作。 3. 了解转矩流变仪的应用范围。

二、 实验原理 转矩流变仪的工作原理是在一定容积的密封混合器内通过转子搅拌，利用剪切、塑化、

摩擦生热达到对材料塑化、混合和分散的目的。并通过计算机分析和测试橡胶、塑料等高分

子材料加工工艺性能及流变性能。

三、 转矩流变仪的应用 a、为开发新材料、设计新配方提供科学手段：在聚合物中像稳定剂、增塑剂、润滑剂、

填料、颜料等添加剂物品种数量将对原材料的质量有很大影响。使用转矩流变仪可将不同配

方的流变曲线记录下来，与标准曲线对比，通过优化筛选是不难寻觅理想的配方的。 b、进行工艺性模拟试验：在转矩流变仪上通过对影响材料流变性能的各种参数测量，

可以创造出与密炼机、压延机、挤出机、螺杆注射机、热压力机相似的试验条件，当了解了

试验条件对被试验材料的影响时，就可以迅速地调整批量生产中的工艺条件，从而达到指导

实际生产目的。 c、对高分子材料的流变性能，即流变行为进行测量：当高分子材料在混合混炼过程中

利用各种测试手段，研究材料在呈固态、半固态、液态的变化过程和造成这些状态的原因，

研究材料的流动和变形与造成流变的各种因素及这些因素之间的关系。 四、 XSS-300 转矩流变仪介绍

XSS-300 型转矩流变仪是研究橡胶塑料等高分子材料的流动、塑化、热、剪切稳定性

的理想设备，可广泛地应用于科研和生产，是进行科学研究以及指导生产的重要仪器。与研

究材料流动性的一般性仪器----粘度计相比，该流变仪提供了更接近于实际加工的动态测量

方法，可以在类似于实际加工的情况下，连续、准确可靠地对材料的流变性能进行测定，如

多组份的混合、热塑性树脂的交联、弹性体的硫化，材料的动态稳定性以及螺杆转速对体系

加工性能的影响等。根据不同的试验目的需要，可以通过更换各种相应的测量附体，进行动

态模拟混和，密炼，挤出吹塑等实际的加工过程。可广泛应用于研究，教学，生产等部门开

发新材料，设计新配方，测定物料性能，摸索加工工艺条件，用于指导实际生产的必备设备。

五、 实验步骤 1. 开实验室总电源； 2. 开转矩流变仪电源并启动计算机； 3. 启动桌面软件 rehometer，进入流变仪操作界面，此时流变仪红灯亮； 4. 设定加热段各区温度：分别单击第 1，2，3 区“设定值”按钮，填入所需加工温度（各

区温度一般设为相同），然后“开始加热”按钮，此时流变仪开始加热； 5. 查看“加热装置”栏显示的是否为流变仪所用装置。若否，可单击“参数控制”按钮，

在弹出的“控制参数设定”对话框中查看“系统选择”栏，选择所用混合装置，单击“确

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认”退出；

LH200 混和器装置 6. 分别单击按钮“量程设置”（坐标量程）和“曲线设置”，进行设置； 7. 单击“设定转速”，输入所需转速； 8. 输入“实验编号”（10 个字符；若全为数字，则实际记录的编号会自动加一； 9. 单击按钮“记录开始”，此时转子开始运转，开始记录曲线； 10. 转子转起后，便可开始加料，加料前须把加料用具放好，并拧紧螺丝拴，加料完后放下

压杆压实； 11. 要结束实验时，单击按钮“停止记录”便可停机，然后摇起压杆，卸掉加料套筒，拧开

螺丝拴，取料。再做下一个料时，设置实验参数（若参数不变，可不必改变），重新填

入编号，再次单击按钮“记录开始”便可； 12. 实验结束后，清理混合装置，关闭软件，流变仪电源，计算机，总电源。 六、注意事项 1.加料时注意扭矩的变化，防止扭矩过大损坏仪器。 2.设备高温，注意避免烫伤。 3.每次做完实验后混合装置要清洗干净，混合装置内的转子不能放反； 4.记得关电源。 七、思考题 1.比较转矩流变仪和开放式塑炼机混合物料有何异同点。 2.讨论影响转矩流变仪的加工因素。 附录：实验数据导出与实验报告制作 1. 实验数据导出：C:\Program Files\rheometer\CommunicationNumber，打开当天实验数据文

件夹，拷贝以实验编号命名的 TXT 文件即可； 2. 实验报告制作：启动桌面软件 Rheometer_d，选择菜单 tools，选择加工所需种类，然后

选择文件/新建，调入实验数据，填入相关参数，打印。

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实验三 塑料熔融指数测定专业实验

一. 试验目的 1.掌握塑料熔融指数（MI）值的测定方法。 2.掌握熔融指数仪的操作方法。 二. 实验原理 熔融指数是评价热塑性塑料流动性的一种标志。它是在一定的温度和负荷下，测试热塑

性塑料熔体在一定温度、压力下，每 10min 通过标准口模的质量来表示的（g/10min）。虽然

熔融指数不能测定塑料的粘度，但可以比较同种聚合物的分子量大小，能方便的表示其流动

性的高低。因此，在塑料成型加工中，对于材料选择和成型工艺的确定，具有实际意义。本

机主要用于测试熔融粘度较低（流动速率 0.15~50 g/10min）的热塑性塑料。 二. 实验试样 （1） 试样形状：颗粒、粉料、小块、薄片等均可。 （2） 试样干燥处理：吸湿性试样，实验前必须按产品标准规定进行干燥处理。 三. 实验条件 标准实验条件见表 1，有关塑料实验条件选用序号如下： 聚乙烯 1，2，3，4，6 聚丙烯 12，14 聚苯乙烯 5，7，11，13 ABS 7，9 PA 10，15 PC 16 POM 3 聚丙烯酸酯 8，11，13 纤维素酯 2，3 共聚、共混和改性等类型塑料可参照上述分类实验条件。

表 1 测试融体流动速率的标准实验条件 序号 标准口模内径

（mm） 实验温度 （℃）

口模系数 （g*mm2）

负荷 （kg）

1 1.180 190 46.6 2.160 2 2.095 190 70 0.325 3 2.095 190 464 2.160 4 2.095 190 1073 5.000 5 2.095 190 2146 10.000. 6 2.095 190 4635 21.600 7 2.095 200 1073 5.000 8 2.095 200 2146 10.000 9 2.095 220 2146 10.000 10 2.095 230 70 0.325 11 2.095 230 258 1.200 12 2.095 230 464 2.160 13 2.095 230 815 3.800 14 2.095 230 1073 5.000 15 2.095 275 70 0.325 16 2.095 300 258 1.200

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四．实验步骤 (1)将试料出口控制柄打至拆模位置，此时试料出口呈开启状态。 (2)用细孔模测定规住细孔模膜，并将其放入试料出口处管内（或将细孔模从进料口放入，

然后用棒将细孔模捣如试料出口处管内）将细口模留至管内，可用观察镜观察看安装是否妥

当，并将试料控制柄打至挡料位置。 (3)按下“POWER”键，启动机器。 (4)温度控制器和记时器设定测试所须温度和时间。 (5)待到达设定温度后，将电木进料漏斗放置于圆柱筒上方，将试料从电木漏斗小心放入。 (6)用捣料棒插入园柱筒内上下移动,直到试料完全捣入园筒内为止。 (7)然后用加压砝码棒插入园柱筒内。 (8)依据实验规定要求选用适当砝码。 (9)将选用砝码置于加压砝码棒上，数分钟后试料熔化，砝码随之缓慢下降。 (10)开始实验 a.此时熔化试料会从细孔模孔留出细长形物。 b.设定切料方式。 c.熔化试料会从细孔模孔留出细长形物,为求测试结果的一致性，前段融化所留出样不予采

用，待加压砝码下降至预热线到园筒盖进料口时，将试料出口控制柄打至挡料位置，预热

4~6min 再将控制柄打至出料位置，让融体开始流出，这一段仍不采用，直到取料开始线到

达进料口时，立即将其切断，才开始记时取料，而超过取料结束线即不在取料。 d.开始切料（在规定的时间内机器会自动切料）。 e.将规定时间内切下的试料聚集在一起，称出它的重量（g）。 f.测试完毕，关闭电源，将试料出口控制柄打至拆模位置，取出细孔模，并清洁所有附件，

放回原处。 五. 注意事项

循环切粒：在记时器上设定自动切粒间隔秒数，然后启动 AUTO 键，设定时间到达后

即开始自动切料一次并循环做切粒测试，如要停止此动作，再按一次 AUTO 键即可。 任意切料：不管时间，启动此 MANUAL 键，即切料一次。 手动切料：启动此 BZSW 键，设定时间到达时，此时会响，可通过工具切料。 因机器处于高温中取出任何附件时，应带手套，以免烫伤。 若不再测试时，最好等机器冷却后再取附件。 实验温度是否和实际温度相符。可将表面温度计插入实验机感测温度，并校正实验温度。 实验所用的不同的压力，因此选用砝码时注意是哪些砝码。

六．实验数据处理

熔融指数 MI（g/10min）=称出的重量（g）×600（秒）/设定切料的时间（s）。

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实验四 注射成型实验

一、 实验目的 1、 熟悉螺杆式注射机的结构及工作原理。 2、 掌握螺杆式注射机的基本操作。 3、 了解聚丙烯注射成型的工艺，注射成型标准试样。

二、 实验原理 注射成型就是将塑料（一般为粒料）在注射成型机的料筒内加热熔化，当成流动

状态时，在柱塞或螺杆（本实验为螺杆）加压下熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过

料筒前端的喷嘴以很快速度注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间冷却定型后，开

启模具即得制品。 注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料—熔融塑化—施压注

射—充模冷却—启模取件。取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。

三、 螺杆式注射机的基本结构 注塑机主要由注射系统、锁模系统、模具三部分组成。如下图所示：

1、 注射系统 注射系统是注塑机的主要部分，其作用是使塑料均 地塑化并达到流动状态，在很高

的压力和较快的速度下，通过螺杆或柱塞的推进注射入模。 包括加料装置、料筒、螺杆（柱塞和分流梭）、喷嘴六部分。其中螺杆是本系统的主要

部件，它的作用是送料、压实、塑化、传压。 2、 锁模系统 锁模系统的主要作用是在注射过程中能锁紧模具，而在取出制件时能打开模具。

3、 模具系统 模具是利用本身特定形状，使塑料（或聚合物）成型为具有一定形状和尺寸的制品的

工具。其作用在于：在塑料的成型加工过程中，赋予塑料以形状，给予强度和性能，完成成

型设备所不能完成的工作，使它成为有用的型材（或制品）。

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四、注射工艺 1.温度

注射必须在熔融状态下进行，注射温度必须高于熔融温度。 2.压力

锁模压力，预塑化压力，注射压力对注射成型的影响。注射压力的设定根据塑料的品种

与牌号，每种不同牌号的熔融指数也不同，一般 PP 的注射压力为 80～100MPa。 3.时间

注射时间，保压时间，冷却时间对注射成型的影响。保压时间和冷却时间根据材料的品

种制品的形状尺寸等因素来设定。

五、 实验步骤 1、 开机准备 （1） 预热升温准备 合上控制柜总电源开关，根据物料设定合理的工艺温度、压力、时间。打开冷却水阀

门。 （2） 注射 当各段温度加热到设定值后，保温 5-10 分钟，依次进行如下操作： 1. 启动油泵 2. 将物料到入料斗 3. 选择手动模式 ① 预塑化，关上拉门，合模，注射机座进，一级注射，二级注射，三级注射，预塑化，

注射机座退，开模，拉开拉门，取出样件。 ② 合模，注射机座进，一级注射，二级注射，三级注射，预塑化，注射机座退，开模，

拉开拉门，取出样件。 4. 选择半自动模式 在手动模式调节好以后，选择半自动模式，关上拉门，合模，设备会自动完成以下过

程（注射机座进，一级注射，二级注射，三级注射，预塑化，注射机座退，开模），拉

开拉门，取出样件。 2、 注射机各段加热温度的调整

根据物料熔体粘度调整机筒温度 3、 锁模压力，预塑化压力，注射压力的调整

根据塑料充模情况，调整锁模压力，注射压力，注射时间 4、 保压时间，冷却时间的调整

根据试样的冷却情况调整保压时间，冷却时间 5、 清理螺杆

六、 安全注意事项 1. 设备高温，注意避免烫伤。 2. 手伸入模具内时，要确保无闭模动作。若长时间在模具里工作，需将马达关掉。 3. 锁模时，监视面板的压力一定变为 0，模具才被锁紧。 4. 塑胶后，将喷嘴的物料清净后，在座进，防止物料赌注模具入口。

七、 思考题 1、 注射机的螺杆与挤出机的螺杆在结构和形式上有何异同点。 2、 讨论注射成型工艺的影响因素。

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实验五 维卡软化温度的测定

一. 实验目的和原理： 1、 掌握塑料维卡软化点温度的测定方法。 2、 掌握 XWB－300C 型热变形、维卡软化点温度测定仪的操作方法，并了解其工作原理。 热变形温度是塑料试样浸在一种等速升温的液体传热介质中，在简支梁弯曲负载作用

下，试样弯曲变形达到规定值时的测定温度。维卡软化温度是塑料与液体传热介质中，在一

定的负荷和一定的等速升下，试样被 1mm2 针头压入 1mm 时的温度。 XWB－300C 型热变形、维卡软化点温度测定仪。性能指标：温度范围，室温-300oC，升温速率 120 oC/h 或 50 oC/h，温度误差 1 oC，最大变形误差：0.01mm。 二. 实验操作过程

2.1 载荷的选取 （1）维卡试验 有两种规定的负荷，即 A、9.81N（1Kg 的砝码：负载杆＋托盘+C+D+E+F+20g+5g+2g） B、49.05N（5 Kg 的砝码：负载杆＋托盘＋A＋B+C+D+E+F+20g） （2）热变形试验

负荷 LbhF 3

22σ=

其中 σ:1800kPa 或 450kPa，b:试样宽度，h:高度，L:两支点距离。 2.2 试样的安装

试样：维卡试验要求试样厚度为 3-6mm，长度和宽度要大于 10×10mm2 或直径大于等

于 10mm 的圆盘。另外还要求试样要光洁、平整，无气孔、气泡和毛刺、毛边等。 安装：取出试样架，将试样放在两圆形支柱上，试样要放平、放正，不要与两边接触，

然后落下负载杆，把试样架放回油浴内，将选配好的砝码垂直平稳地放在负载杆托盘上。 搅拌：调整主机后面搅拌旋钮，使搅拌效果最佳。

传感器的调零：在复位状态下（按下“复位”键），按下“调零”键，此时有声光报警，

表明传感器不在零范围。依次调整位于试样架垂直导杆上的传感器座的高低位置，直到进入

范围，结束声光报警为止。 2.3 设定

设定键依次对试验类型、上限温度、试验架号、变形量和升温速度进行设定。 （1） 在复位状态下，按下“设定”键，CRT 器显示如下。试验类型，包括热变形试验和

维卡试验，用“hCo

H/120

11 ”和“ V2 ”来设定，再按下“设定”键此项设定完成，同

时 CRT 器显示下项设定内容，即上限温度。若不用“ hCo

H/120

11 ”和“ V2 ”设定，

直接按下“设定”键，仪器自行设定为热变形试验，同时显示上限温度。 （2） 上限温度即试验所要到达的最高温度，到达上限温度仪器自动停止工作。具体数值

略高于材料的热变形、维卡温度。依次按下相应的数字键，按下“设定”键此项设

定完成，同时显示试验架号。若此项不做设定，直接按下“设定”键，仪器自行设

定为 300oC 为上限温度值，试验采用 0-300oC 座标。 （3） 试验架号即试验所用的试验架序号，若试样架全部使用按下“设定”键即可，同时

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显示下一项变形量。若试样架未全部使用，在数字键按下所使用的试样架号，在按

下“设定”键即可。 （4） 变形量，即标准所规定的试样受热变形量到达该值时，记下试样温度。它可在数字

键上直接设定（单位 0.01mm）。观察屏幕设定正确后按下“设定”键，同时显示升

温速度。如此想不进行数字键设定，直接按下“设定”键，在热变形试验中仪器自

行设定为 25（即 0.25mm）。在维卡试验中，此项不需要设定，仪器自行设定为 100（即 1mm 标准）。

（5） 升温速度即温区的温度按所设定的值线性增长，在热变形试验中一般采用 120oC／h

的升温速度。该项设定可通过数字键“ hCoH

/12011 ”和“ hCo /50

5 ”来完成，最后按下

“设定”，屏幕上的“S”闪耀消失，这时仪器自动退回复位状态。若此项不设定，

直接按下“设定”键，仪器自行设定为 120 oC／h。 2.4 启动试验 等待五分钟启动试验。 在复位状态下，按下“启动”键即可启动试验。屏幕显示工作坐标，同时启动加热，屏幕右

上角的“oC”和右下角的“分”发生有节奏的闪耀，表明工作正常。另外屏幕随时作出温度

—形变曲线和显示油浴温度和试验时间，试验结束时发出声光报警，并自动给出试验结果，

停止加热。 2.5 打印结果 打开打印机开关，装好打印纸。在复位状态下，按下“打印”键，打印机便可将屏幕内容打

印下来。 2.6 冷却 油浴温度在 150 oC 以上时，通压缩空气冷却，150 oC 以下时，用水冷却。 2.7 关机 试验完成后，按以下顺序关机：打印机—CRT—控制箱—主机电源。

三．注意事项 1. 在调零状态下，注意上推或下拉测量杆时，要用手按住尼龙端盖，不要把端盖拉掉。 2. 在试样安装和取出时，不要将试样掉进油浴内。 3. 负载杆和导管间要经常用酒精清洗干净。 4. 装卸砝码时，要将变形传感器探头移开，以免将探头碰坏。 5. 仪器长时间不用时，也应定期通电加热，保持加热管内干燥。避免使用中干烧过热，防

止加热管爆裂。 6. 变形传感器不在零范围或设定不正确，实验不能正常启动，重新调整和设定。 7. 最后一项设定完成后，一定要按下“设定”键退出设定状态，设定数据才能入内存。 8. 在试验中，特别是材料已经变形后，不能停止试验，否则影响试验数据。 四．实验数据处理 通过实验直接给出所测试样的维卡软化温度，最终试验结果取三组数据的平均值。 参考书 1.GB1633-79 热塑性塑料的软化点（维卡）试验方法

第 198 页，共 250 页

实验六 聚合物的拉伸行为与应力一应变曲线

对聚合物施加单向拉伸力得到应力—应变曲线，这是应用最广泛的一种力学试验。从应

力—应变曲线上可以求出诸如抗张弹性模量，屈服应力，屈服伸长，断裂强度，断裂能等一

系列力学性能参数，从而为分析材料的综合性能，预测材料的应用范围及设计实用制品提供

了依据。

一、实验目的 1．了解拉力试验机的基本原理，掌握其操作方法。 2．测定聚丙烯(PP)在不同拉伸速率或不同温度下的负荷——形变曲线：观察聚丙烯在拉伸

过程中的现象。 3．绘制应力—应变曲线，计算各种拉伸力学性能，解释聚丙烯在拉伸过程中的力学行为。 4.了解拉伸速率和温度对应力—应变曲线的影响；通过对这两种影响的比较，加深对时间—

温度等效原理的理解。 二、基本原理

拉伸试验是在一定的温度和速度下，对标准试样沿其纵轴方向施加拉伸力，并使其破坏。

拉仲时，试样在纵轴方向产生的标准称应力为： σ＝F／A （1）

其中 F 为拉仲负荷。人为试样的初始截面积。试样的应变ε为：

00

0

lll

ε ll Δ=−

= (2)

其中 l0为试样两标线间的初始长度，l 试样两标线间拉伸后的长度。 从试验中所得到的 F—△L 曲线经过变换即得到应力——应变曲线(ε—σ曲线)。从该

曲线的形状可判断材料的软、硬、韧、脆等特性，并得到各种力学性能。见图 1。 在拉伸过程中，试样在受力方向的截面积是不断变化的。根据应变的定义真应变δ为：

)1ln( εδ +== ∫l

lldl

o

(3)

假定材料的泊松比为 0.5，即在形变过程中试样体积不变，且在拉仲过程中形变均 发展， 则可得到真应力σ＇。

)1(/)1(/ 0 εσεσ +=+==′ AFAF (4)

式中 A 为试样的瞬时截面积, A0 为试样的初始截面积。 由此可以求出其应力——应变曲线(σ＇—δ曲线)。当材料形变很大时，ε—σ曲线与

σ＇—δ曲线相差很大，聚合物的力学行为区别于其它材料的量突出特点是它具有粘弹性，

其力学行为强烈依赖于温度和形变速率。图 2、图 3 分别表示出在不同温度和不同形变速率

下的ε—σ曲线。从图中可以看出，降低形变速享与升高温度有相同的效果。随着试验条件

的改变，聚合物可表现出各种类型的力学行为。聚合物的这一特性，在试验和应用中必须加

以注意。一切力学性能数据必须标明试验温度和速率，以免得出完全错误的结果。

第 199 页，共 250 页

二、仪器及工具 RG2000 一 10 微机控制电子万能实验机，千分尺，游标卡尺。

电子拉力机原理如图 4 所示。试样变形所承受的力通过力传感器中的电阻应变片转化为

电讯号，经过放大输入 X—丫记录仪的 Y 轴。 形变由传感器变成电讯号，放大后输入记录伐的 X 轴。这样就可以在记录仪中自动绘 出负荷—形变曲线。通过速度控制系统可以得到不同的工具移动速率。

三、实验步骤 1．试验样品：纯聚丙烯与碳酸钙填充聚丙烯注射样条。 2．试样尺寸：在实验前用千分尺精确测量厚度。每根试样测量三点取算术均值，并计算

截面积 A0，用游标卡尺在试上对称选取 l0=25mm 作为标线间距离。 3．试验条件： 拉伸速率(mm／min)：5，10，20 温度(℃)：室温。 每一条件下至少得到 5 个有效数据(即断裂在两标线间发生时的数据)，取算术平均值。 4．试验过程：按 GBl039—70, GBl040—70(除第三条外)方法进行试样处理。仪器操作参

阅“RG2000 一 10 微机控制电子万能实验机使用说明书”。 5．仔细观察试样形状及外观随负荷变化情况。 四、数据处理及结果分析

第 200 页，共 250 页

1．绘成ε—σ曲线。 2．把不同条件下测得的数据及观察到的现象填入下表。 3．根据实验结果，分析纯聚丙烯与碳酸钙填充聚丙烯试样在各实验条件下的力学行为

分别属于下列何种力学类型：软而弱。软而硬、硬而强和硬而韧?聚丙烯在务实验条件下的

断裂分别属于何补类型，脆性断裂还是韧性断裂?将分析结果填入表中。 五、思考题 1．聚合物的力学性质，如刚性、回弹性、延性和韧性分别用何种力学参数来表征? 2．工程上如何确定抗张强度?它与屈服应力，塑性强度和断裂强度有何关系？ 3．区分脆性断裂和韧性断裂的依据是什么? 4．聚丙烯片材在拉伸屈服点前，在其内部形成互相交叉的剪切带，带与拉伸方向大致成 45o

倾角，试从应力分析解释这一现象。 5．结晶聚合物的拉伸过程有何特点？它与无定形聚合物的拉伸过程有何区别? 6．温度和拉伸速率对聚合物力学行为的影响具有等效性，怎样解释? 7．试验数据的分散性与哪些因素有关 ?如何降低数据的分散性 ? 参考资料 : [1]成都科技大学等合编《高分子物理学》第七章，化学工业出版社 1981 [2]晨光化工厂《塑料测试》，第一章，第二章，燃料化工出版社 1973 [3]中华人民共和国国家标准《塑料力学性能试验方法》技术标准出版社，1980

实验样品——；实验温度——实验日期——

拉伸速率 mm／min

有效长

宽

试样尺寸 mm 厚

屈服强度 MPa

断裂强度 MPa

断裂伸长率％

杨氏模量 MPa

现象：颈缩 冷拉

力学类型 断裂类型

注：出现的现象划＼，不出现的现象划 X。

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实验七 塑料冲击强度的测试

塑料制品在使用的过程中，经常受到外力冲击作用致使受到破坏。因此，在塑料材料的

力学性能的测试中，只进行静力实验是不能满足材料使用要求的。所以必须对材料进行动载

荷实验，其中以冲击实验应用得最为广泛，这一点在其工程设计中尤其重要。

一 实验目的 1．了解实验原理，学会使用冲击实验机 2．了解测定冲击强度对制品使用的重要性

二 实验原理 冲击强度是衡量材料韧性的一种指标，它通常定义为试样受冲击破坏时单位截面积所吸

收的能量。冲击强度越大，其韧性越好。 冲击强度的测试方法很多，本实验是使用悬臂梁式冲击实验机对试样施加一次冲击负

荷，以试样破断时单位面积上所消耗的能量

来测定冲击强度。其基本原理是把摆锤从垂

直位置挂于机架的扬臂上以后，此时扬角为

α（如图所示），它便获得了一定的位能，自

由落下后，则此位能转化为动能，将试样冲

断，冲断以后，摆锤以剩余能量升到某一高

度，升角为 β。

摆锤

在整个冲击实验中，按照能量守恒的关

系可写出下式：

)cos(cos)( 0 αβ −=−= mLhhmA

A 为冲断试样所消耗的功；m 为摆锤质

量；α 为摆锤冲断试样之前的扬角；β 为摆

锤冲断试样之后的升角；L 为摆锤摆长 式中除 β 外均为已知数，故根据摆锤冲断试样后升角 β 的大小，即可绘制出读数盘，

由读数盘可以直接读出冲断试样时消耗的功的数值。通常进行冲击实验的试样有两种类型，

一种无缺口，一种有缺口。 对无缺口的试样是将测得的功除以试样的横截面积，即为材料的冲击强度 σI。

dbA

I ×=σ

对于有缺口的试样，冲击强度 σi 是测得的功除以试样缺口断面面积。

1dbA

i ×=σ

A 为冲断试样所消耗的功 kJ；b 为试样宽度 cm；d 为试样厚度 cm；d1为缺口试样剩余

厚度 cm

试样 机架

扬臂

α

β

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三 实验设备和试样 1．XJU-22 悬臂梁式冲击实验机 本实验机由机体，试样安放装置，冲击摆，操纵机构及读数装置等五个部分组成。

2．试样 要求表面平整，无气泡，裂纹，分层，伤痕等缺陷。有缺口试样的缺口深度为试样厚度

的三分之一，每组试样不少于 5 个。

四 实验步骤 1．测量试样中部的厚度和宽度或缺口试样的剩余宽度 2．根据试样的冲击韧性，选取适当能量的摆锤（备有三种能量的摆锤，5.5J，11J，22J） 3．将试样按要求放在虎钳中夹好。测定缺口试样时，

缺口应在摆锤冲击刃的一边（如图所示）

冲击方向

冲击刃

试样

试样夹持台

4．将摆锤扬起 160º后固定，然后将被动指针拨至最

大能量处，释放摆锤冲断试样，记录刻度盘的读

数

五 实验结果及处理 1．观察实验现象，注意试样断裂处 2．绘制表格记录实验中所测得的数据 3．按照以上所给公式计算冲击强度

六 思考题

1．缺口试样与无缺口试样的冲击实验现象有何不同？ 2．使用缺口试样进行实验有什么意义？

参考书 l、GBl043 一 79 塑料简支梁冲击试验方法，GB1843-80 塑料悬臂梁冲击试验方法。 2、ISO180-82 和 JB/T8761－1998 标准 3、塑料测试 晨光化工厂 编著。

XJU-22 悬臂梁式冲击实验机技术规格： 冲击速度 3.5 m/s 摆锤能量 5.5 J 11 J 22 J 摆锤扬角 160° 摆锤中心至冲击刀刃距离 0.322 m 摆锤力矩 5.5 J 摆锤 PL=2.8355 Nm 11 J 摆锤 PL=5.671 Nm 22 J 摆锤 PL=11.3419 Nm

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实验八 管材挤出成型

一、 实验目的 1. 掌握挤出车工性的基本原理 2. 掌握单螺杆挤出机的基本结构 3. 了解管材挤出成型的工艺过程及基本操作 二、 实验原理

2.1 挤出成型的基本原理 挤出成型又称挤压模塑后挤塑，是借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压

力的推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种方法。基础成型几乎可以

成型所有的热塑性塑料，也可以加工某些热固性塑料。生产的制品有管材、板材、薄膜、线

缆包复物以及塑料与其他材料的复合材料等。挤出设备还可用与塑料的塑化造粒、着色和共

混等，所以挤出成型是生产效率高、用途广泛、适应性强的成型方法之一。 按照加压方式的不同，挤出工艺可以氛围连续和间歇两种。连续法所用的设备为螺杆式

挤出机；间歇法为柱塞式挤出机。螺杆式挤出机又分为单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。螺杆

式挤出机是借助螺杆的旋转产生的压力和剪切力，使塑料充分塑化和均 混和，通过口模而

成型，因而使用一台挤出机就能够完成均 混合、塑化和成型等一系列工序，进行连续化生

产。柱塞式挤出机主要借助柱塞压力，将事先塑化好的物料从口模中挤出而成型，料筒内物

料挤完后柱塞退回，待加入新的塑化料后再进行下一次操作，生产是不连续的，而且对物料

不能充分搅拌、混合，还得预先塑化，故一般不采用此法，仅用于粘度特别大、流动性极差

的塑料，如硝酸纤维素塑料等的成型。 2.2 单螺杆基础机的基本结构 在塑料挤出机总，最基本和最通用的是单螺杆挤出机，它的基本结构主要包括：传动部

分、加料装置、料筒装置、螺杆、机头和口模等五个部分。 （一） 传动部分 通常由电机、减速器和轴承等部分组成。在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，以保证品

质质量均 一致。 （二） 加料装置 供料一般采用粒料，也可以采用带状料或粉料。装料设备通常都使用锥形加料斗，其容

积至少应能容纳一小时的用料。料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流，料斗侧面有视

孔和标定计量的 装置。有些料斗并带有可防止原料从空气中吸收水分的真空（减压）装置

或加热装置，有些料斗有搅拌器，并能自动上料或加料。 （三） 料筒 为一金属圆筒，一般用耐温耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的

复合钢管制成。一般料筒的长度为起其直径的 15～30 倍，其长度以使物料得到充分加热和

塑花均 为原则。料筒应有足够的厚度、刚度；在料筒外部有用电阻、电感或其它方式加热

的加热器、温度自控装置及冷却（风冷或水冷）系统。 （四） 螺杆 螺杆是挤出机最主要的部分，它直接关系到挤出机的应用范围和生产率。通过螺杆的转

动对塑料生产挤压作用，塑料在料筒中才能够产生移动、增压和从摩擦取得部分热量，塑料

在移动过程中并得到混合和塑化，粘流态的熔体在被压实而流经口模时，取得所需形状而成

第 204 页，共 250 页

型。与料筒一样，螺杆也是用高强度、耐热和耐腐蚀的合金钢制成。 由于塑料品种很多，性质各异；因此为适应加工不同塑料的需要，螺杆种类很多，结构

上也有差别，以便能够对塑料产生较的输送、挤压、混合和塑化作用。较为常见的螺杆有渐

变型（等距不等深、等深不等距、突变型、鱼雷头型螺杆等。 表示螺杆结构特征的基本参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺

杆与料筒的间隙等。

物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度等的变化；根据物料的变化特征可将螺杆

分为加料段、压缩段和均化段。件料的作用是将料斗供给的料送往压缩段，塑料在移动过程

中一般保持固体状态。压缩段的作用是压实物料，使物料由固体转化为熔融体，并排除物料

中的空气，本段螺杆应对塑料产生较大的剪切作用和压缩。均化段的作用是将熔融物料定容、

定压地送入机头使其在口模中成型。 （五） 机头和口模 机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均

，并将熔体均 而稳地导入口模，还赋予必要的成型压力，使塑料易于成型并使所得制品

密实。口模为具有一定截面形状的通道，塑料容体在口模中流动取得所需形状，并被口模外

的定型冷却系统冷却硬化而成型。 （六） 辅助设备

主要包括：（1）原料输送、干燥等预处理设备；（2）定型和冷却设备；（3）可调速牵引装置；

（4）成品切断或辊卷装置等。 2.3 管材挤出成型工艺过程

管材挤出成型的程序为：物料的干燥、挤管、管材的定型和冷却、管材的牵引与卷取，

其工艺工程如下图：

第 205 页，共 250 页

三、 实验步骤 第一步：预热升温准备

合上控制柜内总电源开关，然后插上电源插头，打开控制箱左侧的总电源开关，然后根据所

用物料设定控制温度。 第二步：开机

启动水泵，在定径仓及冷却内加入适量的水。当各段加热温度达到设定值并保温 30min 后，

启动主机和牵引装置，调整主机速度旋钮将螺杆转速控制在较低的范围，用手工操作将管材

穿过定径套，并用手工牵引管材通过定径仓及冷却仓，当到达牵引装置位置时使管材上辊，

调整牵引速度旋钮及主机速度旋钮使牵引速度与主机速度匹配（牵引速度可稍高于主机速

度，对管材进行适度的拉伸）。待挤出、定型、冷却和牵引这一系列过程都已完整而连续进

行后，将定径仓的密封盖盖上并密封，打开真空系统，在定径内形成负压，使管材紧贴定径

套以定管材的外径。 通过牵引装置后的合格管材即可以进行卷取。 观察整个生产过程情况，适时调整各机组的运转参数，保证实验的正常进行。 第三步：停机 首先将定径仓的密封盖打开；关闭料斗底部的截断装置，待主机将料筒内物料适量挤出

后，逐渐减速，停止主机运转；将牵引速度旋转钮调到零的位置，关闭牵引装置及水泵冷却

装置；关闭控制箱左侧的总电源开关；拔下电源插头，关闭控制柜内总电源开关。 安全注意事项： （1） 手工操作将管材穿过定径套时，应小心操作，防止熔融物料将手烫伤。 （2） 设备高温，注意严禁手触，避免烫伤。

四、结果与讨论 1.螺杆结构的各基本特征参数对挤出管材制品有何影响？

2.理论上，按照物料在螺杆中的状态，可以将螺杆分成哪几部分，各段物料状态如何？

附：SJ——25/30 管材挤出机组主要技术指标

螺杆直径 Ф25mm

螺杆型式 渐变式螺杆（等距不等深）

长径比 30:1

中心高 1000mm

螺杆最高转速 121rpm

塑化能力 8KG/h

驱动电机 3KW

机筒加热功率 3.6KW

模具加热功率 600KW

机筒三段 加热段数

机筒一段

水泵功率 1.5KW

冷却水槽长度 1970mm

牵引电机 0.55KW

牵引速度 0～26m/min

机组总功率 9KW

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实验九 塑料电性能的测试

掌握材料的电性能在选材和材料加工中具有重要的意义。不同材料的电行为是不同的，

有些材料具有很高的导电率，而有些材料是绝缘体。因此，熟悉材料的电性能有利于合理地

应用它们。

一 实验目的

1．了解测定高聚物体积电阻率和表面电阻率的基本原理

2．掌握高聚物体积电阻率和表面电阻率的测定方法

3．学会使用高阻计，了解计算方法

二 实验原理

在工程上，把施加在试样上两个电极的直流电压与电流的比值称为绝缘电阻，它包括体

积电阻和表面电阻两部分，为了表示材料内部和表面的不同导电性，引入了体积电阻率 ρV

和表面电阻率 ρS。

在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间稳态电流之比，称

为体积电阻 RV，单位体积内的体积电阻称为体积电阻率 ρV。

dSRV

V×

=ρ

ρV为体积电阻系数 Ω·cm；RV为体积电阻 Ω；d为试样厚度 cm；S 为测量电极面积 cm2

在试样的某一表面上两电极间所加直流电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之比，称

为表面电阻 RS，单位面积内的表面电阻称为表面电阻率 ρS。

1

2ln

2

dd

RSS

πρ

×=

ρS为表面电阻系数 Ω；RS为表面电阻Ω；d1为测量电极直径 cm；d2为保护电极的内径 cm

本实验使用高阻计法进行测量。高阻计法又称为直流放大法，它是将试样的微弱电流经过放

大后，推动指示仪表，故可测量较高的绝缘电阻。通常在高阻计中，有数个数量级不同的标

准电阻，以适应测量不同数量级的电阻的需要，被测电阻可以直接读出，测试原理如图所示。

2

3

1—电源；

2—电压表；

3—试样电阻

4—标准电阻；

5—直流放大器；

6—检流计

三 实验设备和试样

1．ZC36 型高阻计

1 4

5

6

第 207 页，共 250 页

是一种直读式的超高电阻和微电流两用仪器。仪器的最高量限 1017Ω 电阻值和 10

-14A

微电流。适用于绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝缘电阻测量和高阻值兆

欧电阻的测量，也可用于微电流测量。

2．试样

选用圆盘形或正方形的平板状试样，应比电极最大尺寸每边至少多 7mm。

四 实验步骤

1． 试样放入屏蔽盒内，置于三电极的底部电极和上面两个电极之间

2． 接好屏蔽盒内的电线，将屏蔽盒与高阻计相连

3． 打开高阻计电源，预热 15 分钟，操作仪器，使高阻计处于备用状态

4． 测量试样，切换屏蔽盒上的旋钮，指向 RV和 RS时分别为体积表面电阻和表面电阻

5． 记下高阻计的读数

6． 测量完一个试样后，进行放电，然后更换试样，按照同样方法测量

五 实验结果与数据记录

1．绘制表格记录实验中所测得的数据

2．按照以上所给公式计算体积电阻率和表面电阻率

六 思考题

1．讨论影响体积电阻和表面电阻测量的主要因素

2．讨论试样表面的粗燥程度对测定结果有无影响

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实验十 高分子材料阻燃性测试

一、实验目的

1． 悉氧指数测定仪的结构及工作原理

2．掌握氧指数的测定原理

3. 掌握利用氧指数仪测定高分子材料阻燃性的方法

二、实验原理

本实验是利用氧指数实验法（GB2406-80）来测定材料的阻燃性。

氧指数是指在规定的条件下，试样在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧浓

度，以氧所占的体积百分数来表示。该方法比较简单，数字重现性较好，具有以数字表现材

料燃烧性能的特点，所以国内外普遍采用，(例如美国的氧指数试验标准为 ANST/ASTM

D2863-1977) 。该方法不但适用于具有自支撑型材料，而且对薄膜，泡沫塑料、橡胶等也适

用。

三、JP-3 型氧指数测定仪的基本结构

1——点火器 2——玻璃燃烧筒 3——燃烧着的试样 4——试样夹 5——燃烧筒支架 6——金属网 7——测温装置 8——装有玻璃珠的支架

9——基架座 1、燃烧筒

最小内径 75mm、高 450mm、顶部出口的内径为 40mm 的耐热玻璃管，垂直固定在可通过

氧、氮混合气

流的基座上。底部用直径为 3～5 mm 的玻璃珠充填，充填高度为 80～100mm。在玻璃珠的上

方装有金属网，以防下落的燃烧碎片阻塞气体入口和配气通路。

2、试样夹

a. 自撑材料的试样夹——能固定在燃烧筒轴心位置上，并能垂直夹住试样的构件。

b. 非自撑材料的试样夹——采用下图所示的框架，将试样的两个垂直边同时固定在框

架上。

第 209 页，共 250 页

支撑非自撑试样的框架结构（1——上参照标记；2——下参照标记）

3、流量测量和控制系统

能测量进入燃烧筒的气体流量，控制精度在±5％(V／V)之内的流量测量和控制系统。

4、气源

用 GB 3863 中所规定的氧和 GB 3864 中所规定的氮及所需的氧、氮气钢瓶和调节装置。

气体使用的压力不低于 1 MPa。

5、点火器

由一根金属管制成，尾端有内径为 2±l mm 的喷嘴，能插入燃烧筒内点燃试样。通以未

混有空气的丙烷，或丁烷、石油液化气、煤气、天然气等可燃气体。点燃后,当喷嘴垂直向

下时，火焰的长度为 16±4 mm。 注：仲裁试验时，须以未混有空气的丙烷作为点燃气体。

6、排烟系统 能排除燃烧产生的烟尘和灰粒，但不应影响燃烧筒中的温度和气

体流速。

7、计时装置 具有±0.25s 精度的计时器。

四、实验方法

4.1 试验准备

4.1.1 试件制备

每组试样至少 15 条，要求试样表面清洁，无影响燃烧行为的缺陷，如：气泡、裂纹、

溶胀、飞边、毛刺等。试样类型、尺寸和用途见下表 1。

4.1.2 试样的标线

对 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型试样，标线划在距点燃端 50 mm 处，对Ⅴ型试样，标线划在框架上

(见图 2 所示)或划在距点燃端 20mm 和 100mm 处。

4.1.3 状态调节与试验环境

试验环境应在 GB 2918 所规定的常温、常湿下进行，即环境温度为 10～35℃，相对湿

度为 45％～75％。如有特殊要求，在产品标准中规定。

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表 1 mm 长 宽 厚

类型 型式 基本尺寸 极限偏差 基本尺寸 极限偏差 基本尺寸 极限偏差

用 途

I 4 ±0.25 用于模塑材料

Ⅱ 10 ±0.5 用于泡沫材料

Ⅲ

80—150 10

＜10.5 — 用于原厚的片

材

自撑

材料

Ⅳ 70～150

—

6.5 3 ±0.25 用于电器用模

塑料或片材

非自

撑材

料

V 140 - 5 52

±0.5

≤10.5 — 用于软片或薄

膜等

注：不同型式、不同厚度的试样，测试结果不可比

4.2 试验步骤

4.2.1 开始试验时氧浓度的确定

根据经验或试样在空气中点燃的情况，估计开始试验时的氧浓度。如在空气中迅速燃

烧．则开始试验时的氧浓度为 18％左右；在空气中缓慢燃烧或时断时续，则为 21%左右；在

空气中离开点火源即灭，至少为 25％。

4.2.2 调整仪器和点燃试样

1、安装试样

将试样夹在夹具上，垂直地安装在燃烧筒的中心位置上。保证试样顶端低于燃烧筒顶端

至少 100mm，其暴露部分最低处应高于燃烧筒底部配气装置顶端至少 100mm。

2、调节气体控制装置

打开氮气、氧气“稳压”阀，仪器压力表指标值为 0.1±O.01MPa 并同时调节流量，使

氮气、氧气混合流量为 lOL±O.5L／min(球形浮子看最大直径处)，此时数显窗口显示的数

值，即为当前的氧浓度值(亦称氧指数值)。调节气体混合及流量控制装置，使混合气中的氧

浓度为 4.2.1 所确定的氧浓度，并始终保持压力 0.1MPa 和总流量 10L／min 不变。以 40±

l0mm/s 的速度流经燃烧筒，洗涤燃烧筒至少 30s。

（总流量的确定：燃烧筒圆面积×流速(4cm±1cm)×每分钟／1000 = 总流量(L)。为了计算操作方便，节

约用气量，建议总流量定为 10L 较为适合，也就是 O2+N2=10L±0.5L／min。）

3、点燃试样

方法 A 顶端点燃法

使火焰的最低可见部分接触试样顶端并覆盖整个顶表面，勿使火焰碰到试样的棱边和侧

表面。在确认试样顶端全部着火后，立即移去点火器，开始记时或观察试样烧掉的长度。

点燃试样时，火焰作用的时间最长为 30s，若在 30s 内不能点燃，则应增大氧浓度，继

续点燃，直至 30s 内点燃为止。

方法 B 扩散点燃法

充分降低和移动点火器，使火焰可见部分施加于试样顶表面，同时施加于垂直侧表面约

6mm 长。点燃试样时，火焰作用时间最长为 30s，每隔 5s 左有稍移开点火器观察试洋，直至

垂直侧表面稳定燃烧或可见燃烧部分的前锋到达上标线处，立即移去点火器，开始计时或观

察试样燃烧长度。

若 30s 内不能点燃试样，则增大氧浓度，再次点燃，直至 30s 内点燃为止。

方法 B也适用于 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型试样，标线应划在距点燃端 10mm 和 60mm 处。

注：① 点燃试样是指引起试样有焰燃烧，不同点燃方法的试验结果不可比。

② 燃烧部分包括任何沿试样表面淌下的燃烧洒落物。

第 211 页，共 250 页

4.2.3 燃烧行为的评价

1、评价准则

燃烧行为的评价准则，见表 2 所示。

表 2

评价准则（两者取一） 试样型式 点燃方式

燃烧时间，s 燃烧长度

A 法 燃烧前锋超过上标线 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

B 法 燃烧前锋超过下标线

V B 法

180

燃烧前锋超过下标线

2、“○”与“×”反应的确定

点燃试样后，立即开始记时，观察试样燃烧长度及燃烧行为。若燃烧中止，但在 1 s

内又自发再燃，则继续观察和计时。

如果试样的燃烧时间或燃烧长度均不超过表 2的规定，则这次试验记录为“○”反应，

并记下燃烧长度或时间。

如果二者之一超过表 2的规定，扑灭火焰，记录这次试验为“×”反应。

还要记下材料燃烧特性，例如熔滴、烟灰、结炭、漂游性燃烧，灼烧、余辉或其他需要

记录的特性。

如果有无焰燃烧，应根据需要，报告无焰燃烧情况或包括无焰燃烧时的氧指数。

3、下次试验准备

取出试样，擦净燃烧筒和点火器表面的污物，使燃烧筒的温度回复至常温或另换一个为

常温的燃烧筒；进行下一个试验。

4.2.4 逐次选择氧浓度

采用“少量样品升-降法”这一特定的条件，以任意步长做为改变量，按 4.2.2～4.2.4

条，进行一组试样的试验： a．如果前一条试样的燃烧行为是“×”反应，则降低氧浓度。

b．如果前十条试样的燃烧行为是“○”反应，则增大氧浓度。

4.2.5 初始氧浓度的确定

采用任一合适的步长，重复 4.2.2～4.2.4，直到以体积百分数表示的两次氧浓度之差

不大于 1.0％，并且一次是“○”反应，一次是“×”反应为止。将这组氧浓度中得“○”

反应的记作初始氧浓度ψ0 。

4.2.6 氧浓度的改变

4.2.6.1 用初始氧浓度 ψ0 重复 4.2.2～4.2.3 操作，记录在 ψ0 时所对应的“×”

或“○”反应。即为 NL系列的第一个值。

4.2.6.2 用混合气浓度的 0.2％(V／V)为步长，重复 4.2.2～4.2.4 操作，测得一组氧

浓度值及对应的反应。直至得到不同于 4.2.6.1 的反应为止，记下这些氧浓度值及其反应。

4.2.6.1 和 4.2.6.2 测得的结果，即为 NL系列。

4.2.6.3 仍以 0.2％(V／V)为步长，重复 4.2.2～4.2.4，再测试四条试样，记下各次的

氧浓度及所对应的反应，最后一条试样的氧浓度，用ψF 表示。4.2.6.1～4.2.6.3 试验结

果，组成 NT系列。

4.3 实验结果计算

4.3.1 氧指数的计算

以体积百分数表示的氧指数，按式(1)计算：

OI = ψF + Kd .......................(1)

第 212 页，共 250 页

式中: OI —— 氧指数，％；

ψF —— NT 系列最后一个氧浓度，取一位小数，％；

d —— 4.2.6 使用和控制的二个氧浓度之差，即步长，取一位小数

( 每次改变氧浓度升或降都以 0.2％)

K ——查表 3 所得的系数。 (见 GB／T2406-93 标准)。

4.3.2 K 值的确定

a．按 4.2.6.1 试验的试样如为“○”反应，则第一个相反的反应是“×”反应，从表

3 第一栏中找出所对应的反应，并按 NL 系列的前几个反应查出所对应的行数，即为所需 K

值，其符号与表中符号相同。

b．按 4.2.6.1 试验的试样如为“×”反应，则第一个相反的反应是“○”反应，从表

3 第六栏中找出所对应的反应，并按 NL 系列的前几个反应查出所对应的行数，即为所需 K

值，其符号与表中符号相反。

五、试验报告 试验报告应包括下列内容： a．注明采用本国家标准； b．材料的鉴别特征，名称、牌号、批号、生产厂、出

厂日期等；

c．试样制备方法、型式、尺寸、状态凋节情况； d．试样点燃方式，点燃气体种

类；

e．氧指数 OI 和步长 d ； f．燃烧特性；

g．无焰燃烧情况或包括无焰燃烧时的氧指数； h．试验环境、日期和试验人员；

i．声明本试验结果仅供评定在规定条件下材料的燃烧特性，不能用于推断该材料在其

他条件下或其他形状下着火的危险性： j．其他需要注明的事项；

试验结果记录

材料：

试样型式：

点燃方法：

点燃气体：

状态调节：

实验日期：

第一部分：初始氧浓度的测定结果，记于表 B1 ：

表 B1

氧浓度，%

燃烧时间，s

燃烧长度，mm

反应（“×”或“○”）

氧浓度间隔不大于 1%的一对“×”或“○”反应中， “○”反应的氧浓度 ψ0= ，

该值再次用于第二部分的首次测定。

第二部分：氧指数的测定结果，记于表 B2 ：

表 B2

NT 系列测定

NL 系列测定 ΨF 氧浓度，%

燃烧时间，s

燃烧长度，

mm

反应

第 213 页，共 250 页

- 28 -

查表 3 得，K = 。 由ψF 、 K 及 d 值计数出 OI。

表 3

1 2 3 4 5 6

a．NL前几次测试的反应如下时的 K值 最后五次

试验的反应 ○ ○○ ○○○ ○○○○

×○○○○ - 0.55 - 0.55 - 0.55 - 0.55 ○××××

×○○○× - 1.25 - 1.25 - 1.25 - 1.25 ○×××○

×○○×○ 0.37 0.38 0.38 0.38 ○××○×

×○○×× - 0.17 - 0.14 - 0.14 - 0.14 ○××○○

×○×○○ 0.02 0.04 0.04 0.04 ○×○××

×○×○× - 0.50 - 0.46 - 0.45 - 0.45 ○×○×○

×○××○ 1.17 1.24 1.25 1.25 ○×○○×

×○××× 0.61 0.73 0.76 0.76 ○×○○○

××○○○ - 0.30 - 0.27 - 0.26 - 0.26 ○○×××

××○○× - 0.83 - 0.76 - 0.75 - 0.75 ○○××○

××○×○ 0.83 0.94 0.95 0.95 ○○×○×

××○×× 0.30 0.46 0.50 0.50 ○○×○○

×××○○ 0.50 0.65 0.68 0.68 ○○○××

×××○× - 0.04 0.19 0.24 0.25 ○○○×○

××××○ 1.60 1.92 2.00 2.01 ○○○○×

××××× 0.89 1.33 1.47 1.50 ○○○○○

b．NL前几次测试的反应如下时的 K值

× ×× ××× ××××

最后五次

试验的反应

第 214 页，共 250 页

- 1 -

高分子材料科学与工程专业

橡胶工程实验讲义

沈阳化工学院材料科学与工程学院

高分子材料与工程教研室

2007.11

第 215 页，共 250 页

- 1 -

目 录

实验一 塑炼工艺实验..................................... 2

实验二 混炼工艺实验..................................... 5

实验三 橡胶硫化特性曲线测试............................. 9

实验四 橡胶硫化工艺实验................................ 12

实验五 邵氏硬度测试.................................... 15

实验六 拉伸性能测试.................................... 18

实验七 阿克隆磨耗实验.................................. 21

实验八 屈挠龟裂实验.................................... 24

实验九 热空气老化实验.................................. 26

实验十 橡胶电性能的测试................................ 28

实验十一 高分子材料阻燃性测试.......................... 30

第 216 页，共 250 页

- 2 -

实验一 塑炼工艺实验

一、 塑炼的意义 在橡胶加工过程中，对生胶的可塑性是有一定要求的。而有些生胶很硬、粘度很高、缺

乏基本的、必须的工艺性能——良好的可塑性。为了满足工艺的要求，必须进行塑炼。 经过塑炼的生胶，可塑度将有很大的提高，配合剂易于混入，便于压延、压出、模型花

纹清晰、形状稳定，增加了压型、注压胶料的流动性，使胶料易于渗入前卫，并能提高胶料

的溶解性和粘着性。经过塑炼的生胶在混炼时能和活性填充剂、硫化促进剂等发生化学反应，

对硫化速度和结合凝胶生成量也产生一定影响。另外，生胶经过塑炼，质地均一对硫化胶的

物理机械性能也有所改善，故塑炼是橡胶加工中的基础工艺之一，是其他加工过程的基础。

二、 塑炼设备——开放式炼胶机 实验室内现广泛使用 6 寸开放式炼胶机进行生胶塑炼。该机主要工作部分是安装在机架

上的两个中空辊筒，后辊的轴承座在机架上并前后位置固定。前辊的走成座能前后移动，可

借安全调距装置调节辊距以适应操作要求。在辊筒上面设有挡胶板和急刹车装置以适应不同

胶量的塑炼、混炼及一旦发生事故时立即刹车用。 机器的传动：是由机箱内的减速电动机通过传动齿轮带动后辊回转，再通过一对速比齿

轮带动前辊回转，使两个辊筒以不同速度相对回转，前辊转速为 11 米/分，后辊转速为 13.5米/分。前后两辊转速之比称为速比，本机以速比为 1:1.22 回转对声胶施加剪切力。

加热、冷却部分：辊筒内设有带孔眼的水管可以使冷却水流过并喷向辊筒内表面，降低

辊温，冷却水流出滚筒经排水漏斗排出。当辊筒内水管通蒸汽时，可用以声高辊温（或用其

它建议办法预热辊筒）。

三、 塑炼机理

这里讲的低温塑炼的机理也就是机械塑炼。生胶在开放式炼胶机的辊筒上，直接受到机

械力的反复作用，异常庞大的橡胶分子在剪切力的作用下，沿着流动方向伸展，使其橡胶分

子链上产生局部应力集中，致使分子链断裂，断裂的分子链成了活性游离基，活性游离基与

周围的氧或其它游离基接受体结合而稳定，形成了较短的分子，因而增加了可塑度即：

R — R ——〉2R.

R + O2 ——〉ROO. 在机械塑炼中，由于生胶随着温度降低而粘度增大，作用到生胶的剪切力就增大，使生胶分

子短裂的作用也就加强了，可塑度增加了也就快，故在机械塑炼中一般采用较低的辊温进行，

因而称为低温塑炼。

四、 影响开炼机塑炼的因素

从上述开炼机塑炼机理可知：凡是影响胶温和机械作用力的有关设备特性和工艺条件都

是影响塑炼效果的重要因素，这些因素有辊温、辊距、时间、塑解剂和操作熟练程度等。其

中辊速和速比取决于设备和特性，一般为不变因素，其它因素则均可改变。

1. 辊温：塑炼温度对可塑度的获得影响很大，温度越低，塑炼效果越大。椐试验证明

可塑度 P 在 100℃以下与辊温 T 的平方根成反比：

第 217 页，共 250 页

- 3 -

1

2

2

1

tt

PP

t

t =

为了提高塑炼效果，应加强辊筒冷却，但靠冷却水降温，条件有限，所以塑炼一般在 45～

55℃范围内进行末叶可参阅下表进行。

橡胶塑炼常用辊温范围

胶种 辊温范围℃ 胶种 辊温范围℃

天然胶 45～55 通用型氯丁胶 40～50

异戊胶 50～60

丁苯胶 45 左右 顺丁胶 70～80

丁腈胶 40 以下

2. 辊距：在相同的速比下，辊距越小则两辊间速度梯度越大，生胶通过时所受摩擦、剪切、

挤压的力就越大。同时由于胶片薄易于冷却、变硬进而加大机械剪切力的作用，增强塑炼效

果，所以一般用 0.5～1m/m 辊距。

3. 时间：除辊温和辊距之外，塑炼时间是显著影响生胶可塑性的重要因素之一。塑炼

初期可塑度是随着时间延长而增加的。当达到一定值后反而下降。其原因是由于生胶经扎炼

后温度升高而软化，分子之间容易滑动，不易被机械剪切力所破坏，为了提高塑炼效果，可

采用分段塑炼。分段塑炼即将塑炼过程分成若干段来完成，每段塑炼后生胶要充分停放冷却，

一分为 2～3段，每段停放冷却 4～8小时。

4. 容量：塑炼时装胶容量主要取决于开炼机的规格。装胶量不宜过多，否则在辊筒上

堆积的胶量过多，致使散热困难。生胶的用量是根据实际经验确定的。因合成胶塑炼时生热

较大，故装胶容量一般比天然胶少 20%。

五、操作

1. 按照全程规程的规定，先检查两辊筒间有无异物，等正常后方可开机空转，加

油、试紧急刹车装置等，如无异常现象即可进行试验。

2. 确定塑炼段数：根据工艺要求的可塑度确定生胶是否分段塑炼。一般塑炼胶应

达到的可塑性为威廉氏值 0.30+0.05 为宜，对于要求可塑度较大的塑炼胶，则生胶应采取分

段塑炼法，每段时间不大于 20min，塑炼胶下片冷却，停放 4∽8 小时后，再进行下一段塑

炼，通常情况下二段天然胶可塑度约达到 0.4+0.5；三段天然胶可塑度约达到 0.5+0.05。

丁腈、氯丁等需要经塑炼的合成胶，其可塑性较天然胶难获取、除采取低温、小辊距、

小容量的操作条件外，也应采取分段塑炼法。

目前还有一些通常使用的合成(如软化丁苯、顺丁胶)不需要经塑炼、薄通破料后即可与

天然胶相混，掺合均 投入混炼工序使用。

3. 确定投入胶量：用 6 寸开炼机塑炼时，装胶容量 1-2 公斤为宜。由于合成胶塑

炼时生热较大，故其装胶容量应比天然胶少 20%较宜。

4. 塑炼步骤（以天然胶为例）

（1）.控制及测量辊温

开机空转并根据辊温状态对辊筒进行预热（用蒸汽或其他方式）或降温（用自来水），

可用弓型表面温度计进行测量或手试。

（2）.破胶

天然生胶在烘透之后，先进行破胶操作，早辊温为 45℃、辊距为 1.5m/m 条件下，愈靠

近大牙轮一端（以防损坏设备）连续将胶块投入（不宜中断，以防胶块弹出）。

第 218 页，共 250 页

- 4 -

（3）.薄通

将辊距调为 0.5m/m，把破过胶的胶片在靠大牙轮一端加入使之通过辊筒间隙，让胶片

直接落于料盘内，当辊筒上无堆积胶时，再将盘内胶片扭转 90 度重新投入辊筒间隙内继续

薄通直至所规定是时间或次数为止。

（4）.捣胶

将辊距放宽为 1m/m，使胶包辊后，从左向右割刀至辊筒右端再向下割，使胶落在接料

盘上至堆积胶将消失时停止割刀，则割落的胶随着辊筒上的余胶被带入辊筒右方，然后再从

辊筒右向左同样方式割胶，反复各进行两次后割断打成卷。

（5）.压光（下片）

将辊距放宽到 10m/m，再将胶卷垂直通过辊缝 2-3 次后在胶片上注明胶种、班组，冷却放置

（如有必要则先涂隔离剂）。

天然胶可塑度为 0.3+0.05 时，通常使用的塑料条件如下表所述：

程序

条件 破胶 薄通 捣胶 压光

辊 温 前辊 45

后辊 45

45℃

45℃

50℃

45℃

50℃

45℃

辊 距 1.5mm 0.5mm 1mm 10mm

时 间 3-4 秒 12-13 秒 2-3 秒

各 2 次

2-3 秒

3 次

刀 法

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- 5 -

实验二 混炼工艺实验

一、混炼的意义

为了使橡胶制品符合性能的要求，改善加工工艺性能，节约生胶，降低成

本，必须在生胶中加入各种配合剂。在炼胶机上将各种配合剂加入生胶中制成混

炼胶的工艺过程称为混炼。混炼的胶料质量对胶料进一步加工和成品质量具有决

定性的影响。混炼不好，胶料会出现配合剂分散不均，胶料可塑度过高或过低，

焦烧、喷霜等现象，使压延、压出、硫化等工序不能正常进行，导致成品性能下

降，故混炼是橡胶加工过程中的重要工作之一。

二、混炼设备

实验室内现使用 6 寸开炼机和小型密炼机进行混炼操作。

三、开炼机混炼机理

混炼时胶料通过辊筒受到压缩和剪切作用，使配合剂与橡胶产生轴向混合作用，而在纵

深方面（即胶料厚度方向）的混合作用很小。但由于在辊缝上方保持一定的堆积胶，当包在

辊上的胶料进入堆积胶时，受到阻力而拥塞，折迭起来，形成波纹，使加入的配合剂入波纹

中而被拉入堆积胶内部，但不能达到包辊胶的全部纵深，而只能达到三分之一处，这层称为

活层，而余下的三分之一无配合剂进入，被称为死层。这样就构成了胶料在周向的混合均

度高，在轴向的混合均 度不固定，这要看配合剂加入均 与否而定，一般中间比辊两端均

，而径向由于有死层，故混合均 度 差，为了弥补机械作用的不足，在工艺上采用必要

的切割翻炼以便使死层的胶料轮番地被带到堆积胶顶部，进入活层，这样就使配合剂均 地

分散到生胶中达到了混炼的目的。

四、开炼机混炼的影响因素

1. 包辊性

开炼机混炼操作中，理想的包辊是混炼的前提，只有塑炼胶加入辊缝后，很快就紧包于

前（慢）辊形成光滑无隙的包辊胶，并在辊距上方有适量的堆积胶时，才能加入配合剂进行

混炼。

包辊性通常和胶种有关，比如天然包辊性较好，而顺丁胶易脱辊。除此之外，工艺操作

对包辊性影响也较大，如顺丁胶加入补强剂碳黑后，由于碳黑凝胶的生成，脱辊现象即可较

快扭转。虽然有的胶包辊性较好，但由于过多地加入增粘剂而产生粘辊现象，或加入润滑剂

软化剂过多而导致脱辊，或因生胶塑炼性不足，在加填料时也会导致脱辊；或因辊温控制不

好，也会造成包辊性不良等等。上述因素都会影响混炼效果以致不能进行混炼操作。

2. 装胶容量

操作过程中，一次投胶量的多少，对混炼质量也密切相关。如果该量过大，增加了堆积

胶量，使堆积胶在辊缝上方自行打转，失去了走折纹夹粉作用，影响配合剂的分散效果，此

时虽然可以采取割下余胶的方法来保持堆积胶一定，但这也会影响 后分散均 度。且胶料

量太大易导致电流超负荷，散热不良等，如一次投胶量过小也不适宜，这不仅使设备利用率

太低，且易造成过炼，增大了胶料的可塑性，严重过炼时则胶料易粘辊，并导致其性能下降，

因此，混炼时应有适宜塑装胶容量，即在辊缝上方保持适量的堆积胶，使胶料通过时能形成

波纹和折皱夹粉剂进入两辊间隙，可根据经验用下列公式计算装胶容量：

V=0.042DL(英制)或 V=0.0065DL（公制）

第 220 页，共 250 页

- 6 -

V——装胶容量，升；

D——辊筒直径，英寸或厘米；

L——辊筒长度，英寸或厘米；

0.042——英制装料系数；

在生产或实验中的实际装胶量并不完全等于理论计算量。而应根据具体情况决定装胶

量。如合成胶的容量比天然胶要小；填充量大、比重大的胶料容量就应小些；使用母炼胶的

胶料就可大些。

3. 辊距

辊距大小也影响辊炼效果。辊距小，配合剂粒子和 橡胶分子的接触机会增多，加快了

混入速度。但因辊距过小引起堆积胶增多，造成堆积以自身为轴打转，失去应有的 折皱夹

粉剂作用，使粉剂运行在堆积胶的表面而混不进去。辊距太大则会减弱剪切效果，使配合剂

不易分散，所以应将辊距控制在辊缝上有适量的堆积胶情况下。

在混炼中由于配合剂不断加入，胶料总容量不断递增，要维持适宜的堆积胶量，应逐步

调宽辊距以求适应，或采用抽胶的方法来保持适当的堆积胶量。

在装胶容量合理的情况下，辊距一般为 4-8 毫米。使用φ160×320 开炼机做实验操作，

其辊距可根据胶量由下表确定，或调节挡胶板的距离，以保持适宜的堆积胶。

胶量（克） 300 500 700 1000 1200

天然胶 1.4+ 2.2+ 2.8+ 3.8+ 4.3+

M/m 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

合成胶 1.1+ 1.8+ 2.0+

M/m 0.2 0.2 0.2

天然胶与合成胶并用时，并用比例相等，总胶量可按天然胶来定辊距；合成胶大于天然

胶比例时，总胶量可按合成胶定辊距。

4. 辊温

混炼时由于辊筒的剧烈剪切作用使橡胶摩擦生热。这对混炼使不利的。因为温度过于上

升会导致胶料焦烧。同时温度上升使胶料变软，剪切效果减弱，不利于配合剂的分散，且低

熔点配合剂熔化后形成结团，也不利于分散。为了便于操作，要求用料包前辊，但天然胶与

合成胶的包辊性有所不同，天然胶包于热辊，因此前辊辊温（55-60℃）应高于后辊辊温（50-55

℃）。多数合成胶易于包冷辊，所以宜使前辊辊温低于后辊，另外，由于合成交的发热量大

于天然胶，所以前后辊的温度也应低于天然胶 5-10℃。

通常以下表所列的经验数据来控制辊温：

辊 温 胶种

前 后

天然胶 55-60 50-55

丁苯胶 45-50 50-55

第 221 页，共 250 页

- 7 -

丁腈胶 35-45 40-50

氯丁胶 < 40 < 45

丁基胶 40-45 55-60

顺丁胶 40-60 40-60

三元乙丙胶 60-75 85 左右

氯磺化聚乙烯 40-70 40-70

氟橡胶 23-27 77-87 77-87

丙烯酸酯橡胶 40-55 30-50

5. 加料顺序

混炼时加料顺序不当，青则影响配合剂分散不均，重则导致焦烧脱辊或过炼，该顺序也

是关系到混炼胶质量的重要因素之一，因此加料必须有一个合理的排列顺序，这首先要服从

配合剂所起到的作用，同时还要兼顾用量多少及分散的难易程度。即配合量少的、难分散的

先加；用量多而易分散的后加。以上述原则进行如下的排列：生胶、塑炼胶、再生胶及各种

母炼胶→固体软化剂→小药（促进剂、防老剂、活性剂）→氧化锌→补强剂→填充剂→液体

软化剂→硫磺→超促生剂。

（1）. 先加入生胶塑炼胶、再生胶、母炼胶等。稍 4 径液压使其达到理想包辊后（即上述

胶具有必备的热塑性）才可开始加入配合剂。

（2）.首先加入固体软化剂，以便于进一步使胶增加塑性便于操作。同时有些软化剂也难以

分散（如石蜡），先加入也有利于分散均 。

（3）.接着加入促进剂，防老剂和 硬脂酸等，小药用量少、均 度要求高，故应先加入，

且有些促进剂如噻唑类有增塑作用，先加有利于混炼操作；防老剂先加可防高温出现的橡胶

老化；硬脂酸是表面活性剂，可以改善亲水性配合剂与橡胶之间的润湿性，如氧化锌表面是

亲水性的，与橡胶之间湿润较差，当加入硬脂酸之后就能使其在橡胶里分散的很好，故要先

加入。

（4）.其次加入氧化锌。氧化锌也要求分散的均 度高，但其分散性差，所以也应先加入。

（5）.填充补强剂的加入。该类填料加入量较大，且要求分散好，本应早加入，但是扎炼过

久会造成粉料之间结聚，所以采取分批少量的投加方法。如果填充补强剂和软化剂用量都较

多时，也可采用交替投加方法。

（6）.液体软化剂的加入。由于液体软化剂具有润滑性，又易使填充补强剂结团，不易使填

充补强剂分散均 。故不过早的加入，一般是在填充补强剂之后加入，而天然胶配方中，因

其用量少，也可以在填充补强剂之前加入。

（7）.加硫。为了防止混炼过程中出现焦烧，硫磺通常在混炼的末期加入；而丁腈混炼时，

硫磺应先加入，这是因为它在丁腈胶中分散困难。再如硫磺用量高达 30-50 份的硬质胶，也

应先加硫磺，这是由于混炼末期加硫，则难以保证在短时间内分散均 ，而混炼过长又易引

起焦烧，故这种胶料应先加硫磺， 后加入促进剂。总的来说，硫磺与促进剂必须分开前后

加入。

五、操作方法

1. 配合剂的秤量

按照胶料配方，准确无误地秤量备好所需生胶和配合剂，以备使用。应注意下述事项：

（1）.秤量之前须先按配方所列，对原材料的外观色泽及料桶签核对无误后方可进行。

（2）.原材料秤量的精确度为：

橡胶和碳黑应精确到 1g；

硫磺和促进剂应精确到 0.02g；

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氧化锌和硬脂酸应精确到 0.1g；

其他成分的精确度为+1％；

据上所列选用相应精度的天平或台秤进行秤量。

（3）.秤料时应将生胶、固体软化剂、小药、补强填充剂、液体软化剂、硫磺和超速促进剂

等分别放置于容器内，便于混炼时使用，且每一种料应单独放置，以利于检查。

（4）.配料完毕后必须对照配方表进行核对。

（5）.秤料过程中切记配合剂之间相互掺杂或混入杂质。

2. 检查设备，调节辊温至所需要求（该项同塑炼工序）。

3. 调辊距为 0.5-1 毫米范围内，将塑炼胶或生胶沿大牙轮一侧投入开炼胶两辊缝隙

中，经过 2-3 分钟的滚压、翻炼（可用捣胶法、打卷法、三角包法等）使胶均 连续的包于

前辊，形成光滑无隙的包辊胶，此时割刀取下全部胶，根据投胶量放宽辊距，再把胶投入辊

缝使其包辊后，方可开始加入配合剂（也可根据堆积胶情况先割下一定量的余胶）。

4. 按前述加药顺序投加配合剂，每加完一种配合剂均要捣胶二次（注意：当堆积胶或

辊筒表面上有明显的游离粉末时，不应割胶）。在加填补强剂时应注意使粉料自然地进入胶

中与橡胶充分混合，更需注意切勿过早地采取割刀，同时要逐步放宽辊距或抽胶，以使堆积

胶量保持在适宜的范围内，待粉剂全部吃完后，再徐徐加入液态软化剂，经捣胶至混炼基本

均 ，取下全部胶料，控制测量好辊温后投入胶料包辊后再加入硫化剂（也可以先割余胶，

再加硫化剂），使之基本混均。

5. 翻炼。各种配合剂加完之后，就要进行翻炼，以便进一步翻炼，以便进一步达到均

（胶料颜色均一，表面光滑）。常用打三角包，打卷等方法进行（此时以适宜的辊距进行

薄通次数）。

6. 胶料下片（按试样要求，将胶料压成所需厚度）。放置于平整、干燥的存胶板上（记

好压延方向、配方编号）代用。各种试样要求的厚度如下表所列：

式样名称 威廉姆可塑度 硫化仪 拉力试验 阿克隆磨耗

下片厚度 mm 14-15 12-13 2.4+0.2 3.5+0.2

试样名称 门尼粘度 屈挠 压缩生热 有效弹性滞后损失

下片厚度 mm 3+1 7+0.5 2+0.5 2.4+0.2

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实验三 橡胶硫化特性曲线测试

一、实验目的 （1）理解橡胶硫化特性曲线测定的意义； （2）了解 GT-M2000 型橡胶硫化仪的结构原理及操作方法； （3）掌握橡胶硫化特性曲线测定和正硫化时间确定的方法。 二、实验原理

硫化是橡胶制品生产中 重要的丁艺过程，在硫化过程中，橡胶经历了一系列的物理和

化学变化，其物理机械性能和化学性能得到了改善，使橡胶材料成为有用的材料，因此硫化

对橡胶及其制品是十分重要的。 硫化是在一定温度、压力和时间条件下使橡胶大分子链发生化学交联反应的过程。 橡胶在硫化过程中，其各种性能随硫化时间增加而变化。橡胶的硫化历程可分为焦烧、

预硫、正硫化和过硫四个阶段。如图 1 所示。

图1 橡胶硫化历程

A⎯起硫快速的胶料; B⎯有延迟特性的胶料； C⎯过硫后定伸强度继续上升的胶料；D⎯具有返原性的胶料；

a1⎯操作焦烧时间；a 2⎯剩余焦烧时间; b⎯模型硫化时间 焦烧阶段又称硫化诱导期，是指橡胶在硫化开始前的延迟作用时间，在此阶段胶料尚

未开始交联，胶料在模型内有良好的流动性。对于模型硫化制品，胶料的流动、充模必须

在此阶段完成，否则就发生焦烧。 预硫化阶段是焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。随着交联反应的进行，橡胶的交联程

度逐渐增加，并形成网状结构，橡胶的物理机械性能逐渐上升，但尚未达到预期的水平。 正硫化阶段，橡胶的交联反应达到一定的程度，此时的各项物理机械性能均达到或接

近 佳值，其综合性能 佳。 过硫化阶段是正硫化以后继续硫化，此时往往氧化及热断链反应占主导地位，胶料会

出现物理机械性能下降的现象。 由硫化历程可以看到，橡胶处在正硫化时，其物理机械性能或综合性能达到 佳值，预

硫化或过硫化阶段胶料性能均不好。达到正硫化状态所需的 短时间为理论正硫化时间，也

称正硫化点，而正硫化是一个阶段，在正硫化阶段中，胶料的各项物理机械性能保持 高值，

但橡胶的各项性能指标往往不会在同一时间达到 佳值，因此准确测定和选取正硫化点就成

为确定硫化条件和获得产品 佳性能的决定因素。 从硫化反应动力学原理来说，正硫化应是胶料达到 大交联密度时的硫化状态，正硫化

时间应由胶料达到 大交联密度所需的时间来确定比较合理。在实际应用中是根据某些主要

性能指标（与交联密度成正比）来选择 佳点，确定正硫化时间。

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橡胶硫化仪通过硫化仪测得胶料随时间的应力变化（硫化仪以转矩读数反映），从而反

映硫化交联过程的情况。图2为由硫化仪测得胶料的硫化曲线。

图2 硫化曲线

在硫化曲线中， 小转矩ML反映胶料在一定温度下的可塑性， 大转矩M；反映硫化

胶的模量，焦烧时间和正硫化时间根据不同类型的硫化仪有不同的判别标准，一般取值是：

转矩达到（MH一ML）×10％＋ML时所需的时间t10为焦烧时间．转矩达到（MH一ML）×90％＋ML时所需的时间t90为正硫化时间，t90一t10为硫化反应速度，其值越小，硫化速度越快。 三、实验仪器与样品

1．实验仪器 GT-M2000型橡胶硫化仪为微机控制无转子硫化仪。其基本结构主要包括主机传动部分、

应力传感器与微机控制和数据处理系统等组成。硫化仪丁作原理是该仪器的工作室（模具）

内有一模子不断地以一定的频率作微小振幅的振动。而包围在模子外面的胶料在一定的温度

和压力下，其硫化程度逐步增加，模量则逐步增大，造成模子振动力矩也成比例地增加。通

过仪器内部的力矩感应器，将力矩值的变化转换成电信号传送到电脑中记录下来，得到力矩

随时间变化的曲线，即为硫化特性曲线。 2．实验样品 橡胶混炼胶（混炼胶配方和制备见相应实验）。一般胶料混炼后2h即可以进行实验，但

不得超过10天。 四、准备工作

(1）仔细观察、了解硫化仪的结构，工作原理和操作规程等。 (2）样品准备。试样是两个直径约为38mm、厚度约5mm的圆片，试样不应含杂质、气

孔及灰尘等。 五、实验步骤

（1）接通总开关，电源供电，指示灯亮。 （2）开动压缩机为模腔加压至3.2kg/cm2。 （3）设定仪器参数：温度、量程、测试时间等。待上、下模温度升至设定温度，稳定

10 min。 （4）开模，将胶料试样置于模腔内，盖满模子，然后闭模。装料闭模时间愈短愈好。 （5）模腔闭合后立即启动电机，仪器自动进行实验。 （6）实验到预设的测试时间，转子停止摆动，上模自动上升，取出转子和胶样。 （7）清理模腔及转子。 （8）在其他条件不变的情况下，同一种胶料分别以几个不同的温度作硫化特性实验。

六、数据处理 硫化仪微机数据处理系统绘出硫化曲线，打印出实验数据及硫化曲线。对硫化曲线进行

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解析，得出焦烧时间 t10、正硫化时间 t90、硫化反应时间 t90一t10 。 七、注意事项

（1）不得使金属工具接触模具型腔，取出转子时注意不得擦伤模具型腔和转子。 （2）清理模腔时不能有废料落入下模腔孔内。 （3）在测试时间内若需终止实验，或实验己达到要求，可以通过微机控制系统停止测

试。 八、思考题

1．未硫化胶硫化特性的测定有何实际意义？ 2．影响硫化特性曲线的主要因素是什么？

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实验四 橡胶硫化工艺实验

一、 实验目的

1、 掌握橡胶模压硫化工艺方法

2、 掌握平板硫化机的使用方法

3、 掌握硫化温度、压力、时间对橡胶硫化的影响

二、 实验原理

硫化就是在一定温度、时间和压力条件下，使混炼胶的橡胶分子进行交联，使链状分

子变成立体网状结构分子的过程。使橡胶塑性消失，而弹性增加，并提高了其它物理机械性

能和化学性能，成为具有使用价值的硫化胶。硫化是橡胶制品加工的 后一道工序，硫化的

好与坏直接影响制品的性能，因此应严格控制硫化工艺条件。

对已确定配方的胶料而言，影响硫化胶质量的因素主要有三个方面：

1、 硫化温度

硫化温度直接影响硫化反应速度和硫化胶的质量，硫化温度对硫化时间的影响如下式所示：

τ 1 /τ 2 =K(t1-t2)/10

其中：τ1 ——温度为 t1时的硫化时间；τ2 ——温度为 t2时的硫化时间；

K ——硫化温度系数

由上式可以看出；K=2 时，硫化温度每升高 10℃硫化时间就可减少一半，这说明硫化

温度对硫化时间的影响是十分明显的，也就是说提高硫化温度可加快硫化反应速度，但是高

温下容易引起橡胶分子链裂解和硫化还原，导致物理机械性能下降，故硫化温度应适宜，不

宜过高，而是要根据胶料配方而定，主要取决于橡胶品种和硫化体系。

2、 硫化时间

硫化时间是由胶料配方和硫化温度来决定的，对于给定的胶料来说，在一定的硫化温

度和压力条件下，就有一个 适宜的硫化时间。硫化时间过长或过短都会影响硫化胶的性能。

适宜硫化时间的选择可通过硫化仪来测定。

3、 硫化压力

硫化过程中对胶料施加压力的目的在于促使胶料在模腔内流动，充满沟槽或花纹，防

止出现气泡或缺胶现象，提高胶料的致密性，增加胶料与布或金属的附着力，有助于提高胶

料的物理机械性能。通常是根据混炼胶的可塑性、试样（产品）的结构来决定，塑性大的压

力宜小些；厚度大、层数多、结构复杂的压力应大些；一般在 1.5~2.5MPa 范围内。

三、 实验设备

实验采用 25 吨电加热平板硫化机

1、 平板硫化机的技术规格

大关闭压力 25 吨

工作液 大压力 145 公斤力/厘米

柱塞 大行程 150 毫米

平板面积 350 毫米*350 毫米

平板单位面积压力 20 公斤力/厘米2

工作层数 二层

每层间距离 75 毫米

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每块平板加热功率 2.4 千瓦

总加热功率 7.2 千瓦

高工作温度 180℃

2、 平板硫化机的组成和工作原理

在硫化机下机座里装有工作液压缸，该缸内有柱塞，其上端固定着升降平板，在这平板

上固定着下平板。上机座与下机座由柱轴连接固定。硫化机除上下平板外，中间还有一可动

平板，该平板可以上下移动。为了使可动平板下降到一定位置时停止，就在柱轴按有限制品，

以便使活动平板之间有一定空间，便于放入硫化模具。合模时，柱塞的上升是油泵供给工作

液托起塞柱并对平板施加压力，工作液施加的压力由压力表指示出，而所需压力值大小是由

调压阀调节，平板上下过程是由操作手轮控制，平板的加热温度由控温仪表控制（应以平板

上温度计的实际温度为准）。油泵电机的开启及指示均由电器控制箱上的开关、按钮和指示

灯所控制和显示。

由泵打入液压缸工作液使其柱塞上的平板对模具施加一定压力，使模具内的胶料在加热

加压条件下进行硫化。

四、 实验步骤

1、未硫化半成品试样的制备

混炼后的胶片应在规定温度下停放 12-24 小时方可裁片硫化试样。其裁片的方法如下：

（1） 片状（拉力等试验用）或条状试样

用裁片样板在胶料上按胶料的压延方向划裁浅痕，用剪刀裁片。胶料的体积应稍大于模

具的容积（其重量用天平称量），并在胶料边上贴好编号及硫化条件的标签。

（2） 圆柱试样

取 2 毫米左右的胶片，以试样的高度（略大于）为宽度。按压延垂直方向裁成胶条，将

其卷成圆柱体，且柱体要卷的紧密，不能有空隙，柱体体积要稍小于模腔，高度要高于模腔。

在柱体底面贴上编号及硫化条件的纸标签。

（3） 圆形试样

按照要求，将胶料裁成圆形胶片试样，如果厚度不够时，可将几片迭放而成，其体积应

稍大于模腔体积。在圆形试样底面贴上编号及硫化条件的纸标签。

2、 按要求的硫化温度调节控制好平板温度，使之恒定。

3、 工作液压力的计算和调节

硫化机工作时，由泵提供高压油液的压力除保证硫化压力外，还需克服硫化机可动部分

（柱塞、平板及模型）的重量及摩擦阻力。

即 P1·S1＞P2·S2+G+f

P2=（P1S1+G+f）/S2

P1：油泵提供给柱塞面上的压力（公斤/厘米2）；

P2：硫化制品要求受到的压力（公斤/厘米2）；

S1：柱塞截面积（厘米2）；

S2：硫化制品（或模具）的受压面积；

G：硫化机可动部分的重量（公斤）；

f：摩察阻力（公斤）。

上式 S1、S2、P2、G、f 均是可知部分。则 P2即可计算出，P2即工作液压力。也就是硫化

时压力表指示的压力，该压力值的高低可由压力调节阀调节。

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4、 将模具置于加热平板上，在硫化温度下预热 30 分钟左右（即加热板温同模具温度达到

平衡）。

5、 将核对编号及硫化条件的胶料毛坯试样以尽快的速度放入预热好的模具内，立即合模，

置于平板中央。上、下各层硫化模型对正于同一方位后施加压力，使平板上升。当压力

表指示到所需工作压力时，开始计算硫化时间，在硫化达到预定时间后立即泄压起模，

取出试样。

6、 硫化后的试样减去胶边，在室温下停放 10 小时后则可进行性能测试。

五、 注意事项

1． 设备高温，注意避免烫伤。

2． 闭合模具时，须排空 2-3 次，再进行保压操作。

3． 加料时混炼胶体积必须大于模具的腔容积以免发生缺料现象。

4． 保证试样达到正硫化状态。

六、 思考题

1、 硫化橡胶时为什么必须严格控制硫化温度、硫化时间及硫化压力？

2、 混炼胶为什么必须停放 12~24 小时之后方可进行硫化？

3、 什么叫正硫化及正硫化时间？硫化橡胶时为什么要控制正硫化条件？

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实验五 邵氏硬度测试

一、概述

橡胶的硬度表示橡胶抵抗外力压力（即反抗变形）的能力。一般用邵氏硬度来表示，它

是以玻璃的硬度为 100 来比较的相对硬度，以“度”表示。其硬度值大小表示了橡胶的软硬

程度。根据硫化胶硬度高低可判断胶料半成品的配炼质量及硫化程度。所以硬度测试常作为

混炼胶质量的快速检验项目之一。另外，各种橡胶制品都需要有一定的硬度，因此硬度值是

橡胶制品一项重要的技术指标。

二、试验原理：

邵氏硬度计是用 1 公斤外力把硬度计的压针，以弹簧的压力压入试样表面的深浅来表示

其硬度。橡胶受压将产生反抗其压入的反力，直到弹簧的压力与反力相平衡，橡胶越硬，反

抗压针压入的力量越大，使压针压入试样表面深度越浅，而弹簧受压越大，金属轴上移越多，

故指示的硬度值越大，反之则相反。

三、邵氏硬度计

邵尔硬度计有两种：邵尔 A 型硬度计适用于橡胶常规硬度范围，邵尔 D型硬度计适用于

橡胶高硬度范围。

图 1 邵尔 A型硬度计压针

试验仪器为邵尔 A 型硬度计（见图 2）：

1． 硬度计压针的形状和尺寸应符合图 1、表 1 规定，并且压针应位于孔的中心。

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表 1 邵尔 A型硬度计的形状和尺寸要求

D/mm d/mm H/mm α/度 φ/mm

1.25±0.15 0.79±0.03 2.50±0.04 35±0.25 3.0-0.5+0.2

2．硬度计压针在自由状态时，其指针指零度；当压针被压入小孔，其端面与硬度计低面在

同一平面时，硬度计所指刻度应为 100 度。

3．对压针所施力的大小同硬度计指示值的关系应符合下列公式，允许偏差为 75mN（即硬度

1 度）：

作用力：施加在压针上的力和硬度计示值的关系应符合下列公式：

F=550+75HA

式中： F 对硬度计所施加的力，mN；

550 压针未压入试样时（硬度计指零时）弹簧的力为 550Mn；

75 硬度计每一度所对应的力（75mN）；

HA 邵尔 A 型硬度计指示的度数。

邵尔 D 型硬度计：

F = 445HD

式中：F 施加在压针上的力。

HD 邵尔 D 型硬度计示值。

四、试样

1 试样的厚度应不小于 6mm，上下两面平行，测量面尺寸应能满足测量要求。试样厚度达不

到要求时，可用同样胶片重叠起来测定，但不得超过三层，并要上下两面平行。

2 试样表面光滑、平整，不应有缺胶、气泡、机械损伤及杂质等。

3 成品试样按 GB9865《硫化橡胶样品和试样的制备》规定制备。

五、试验步骤

1 试样环境调节和试验的标准温度、标准相对湿度及标准时间，按 GB/T2941《橡胶试样环

境调节和试验的标准温度、湿度及时间》规定进行。

2 试验前检查试样，如表面有杂物需用纱布沾酒精擦净。

3 试样下面应垫厚 5mm 以上的光滑、平整的玻璃板或硬金属板。

4 用定负荷架辅助测定或手持测定试样测定硬度时，在试样缓缓地完全受到质量为 1kg 的负

荷时起 1s 内读数；手持硬度计测定时，当硬度计的低面与试样表面平稳的完全接合时起

1s 内读数。

5 试样上的每一点只准测量一次，测量点间距不小于 6mm，测定点与试样边缘的距离不小于

12mm。

6 试验结果以硬度计示值为测定值，每个试样的测试点应不少于 3 点，取测定值中位数为试

验结果。

六、试验影响因素：

1 温度的影响：当试样在温度较高时，由于高聚物分子的热运动加剧，分子间作用力减弱，

内部产生结构松弛，降低了材料的抵抗作用，因而硬度值降低，反之则硬度值增高，故试

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样硫化完毕应在规定条件下停放和测试。

2 试样厚度的影响

试样必须具备一定的厚度，否则，如试样低于要求的厚度，硬度计压针则会受到承托试样

用玻璃片的影响，使硬度值增大，影响测试结果的准确性。

3 读数时间：

由于橡胶是高分子粘弹性体，受外力作用后具有松弛现象，随着压针对试样加压时间的增

长，其压缩力趋于减小，因而试样对硬度计压针的反抗力也减小，所以测量硬度时读数时

间早晚对硬度值有较大影响，为了统一试验方法，提高数据可比性，现在规定“在试样缓

慢的受到 1公斤负荷时立即读数”，此时的硬度值高于硬度计指针稳定后的指示值。

4 压针形状和弹簧的性能对结果的影响

硬度计的锥形压针系靠弹簧压力作用于所测试样上，压针的行程为 2。5mm 时，指针应指

于刻度盘上 100 度的位置。硬度计用久后，弹簧容易变形，或压针的针头易磨损，其针头

长度和针尖和截面积有变化，均影响测试结果的准确性，如针头磨损长度为 0.05mm 时，

会造成 1-3 度之差，截面积直径变化 0.11mm 时，会有 1-4 度的误差，因此硬度计应定期

进行压针形状尺寸的检查和弹簧应力的校正，以保证测试结果的可靠性.

注意事项：

使用邵尔硬度计时，当 A 型硬度计测量值超过 90 时推荐使用 D 型硬度计，当 D 型硬度

计测量值低于 20 时推荐用 A 型硬度计，A 型硬度计示值低于 10 时是不准确的，测量结果不

能使用。

图 2

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实验六 拉伸性能测试

一、 概述

任何橡胶制品都应有一定的强度要求，因而进行成品的质量检查以及设计胶料配方，确

定工艺条件，均需进行强度试验，此外橡胶的耐老化、耐溶胀等性能的优劣，也需要通过强

度试验予以鉴定。因此强度则为橡胶的重要常规项目之一。 同硫化橡胶的强度有关的几个试验项目定义如下： （1） 拉伸应力：试样在拉伸时产生的应力，其值为所施加的力与试样的初始横截面

积之比。 （2） 定伸强度：试样的工作部分拉伸至给定伸长率时的拉伸应力。 （3） 扯断强度：试样拉伸至扯断时的 大拉伸应力。 （4） 伸长率：拉伸试样所引起的工作部分的变形，其值为伸长的增量与初始长度之

比。 （5） 定应力伸长率：试样在扯断时的伸长率。 （6） 扯断永久变形：将试样拉伸至断裂，再使其在自由状态下，恢复一定的时间后

所剩余的变形，其值为工作部分伸长的增量与初始长度之比。 上述项目包括在硫化橡胶拉伸 性能试验之列，均使用 REGER 万能电子拉伸机。

二、试样准备：

(1)硫化完毕的试片，在室温下停放 6 小时后选用标准裁刀裁切出哑钤状试样。裁刀分

为 1、2、3、4 型。其中 1 型为通用型，根据胶料的具体情况选用适当型号的裁刀，如硅氟

等价格昂贵的特种胶，以 4 型为宜。3 型为旧的国家标准中的 A 型。正规的性锸测试不能使

用。裁刀各部位具体尺寸见下图和下表所列。

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(2)1、2、3 型试样应从厚度为 2.00 士 0.30mm 的硫化胶片上裁切。4 型试样应从厚度为

1.00 士 0.10mm 的硫化胶片上裁切。 (3)试样裁切的方向，应保证其拉伸受力方向与压延方向一致，裁切时用力要均 ，并

以中性肥皂水或洁净的自来水湿润试片(或刀具)。若试样一次裁不下来，应舍弃之，不得再

重复旧痕进行裁切．否则影响试样的规则性。此外，为了保护裁刀，应在胶片下垫以适当厚

度的铅板及硬纸板。 (4)裁刀用毕，须立即拭干、涂油，妥善放置，以防损坏刀刃。 (5)在试样中部，用不影响试样物理性能的印色印两条平行标线，每条标线应与试样中

心等距。 (6)用厚度计测量试样距内的厚度，应测量三点：一点在试样工作部分的中心处，另两

点在两条标线的附近。取三个测量值的中值为工作部分的厚度值。再一试样工作部分厚度测

量值的 大差值为 0.01mm。

三、试验步骤

(1)将试样对称并垂直地夹于上下夹持器上，开动机器，使夹持器以 500 士 50mm／min的速度拉伸试样。并用测伸指针或标尺跟踪试样的工作标线。

(2)根据试验要求，记录试样被拉伸到规定伸长率时的负荷、扯断时的负荷及扯断伸长

率(ε)电子拉力机带有自动记录和绘图装置，则可得一条负荷—伸长曲线，试验结果可从该

曲线上查出。 (3)测定应力伸长率时，可将试样的原始截面积乘上给定的应力，计算出试样所需的负

荷，拉伸试样至该负荷值时，立即记下试样的伸长率(如试验机可绘出应力—应变曲线，也

可从该曲线上查出)。 (4)测定永久变形时，将断裂后的试样放置 3 分钟，再把断裂的两部分吻合在一起．用

精度为 0.5 毫米的量具测量试样的标距，并计算永久变形值。

四、试验结果的计算

1.定伸强度和扯断强度按下式计算： σ=F/b·a

式中：σ—定伸强度时扯断强度，MPa；

F—试样所受的作用力 N； b 试样工作部分宽度，mm；（公制用 Cm） a 试样工作部分厚度，mm；（公制用 Cm） 注：1MPa=1N/mm2 2.定应力伸长率和扯断伸长率按下式计算：

ε=（L-L0）/ L0*100 式中：ε—定应力伸长或扯断伸长率，%； L—试样达到规定应力或扯断时的标距，mm； L0—试样的初始标距，mm。 3.扯断永久变形按下式计算：

H=（L-L0）/ L0*100 式中：H—扯断永久变形，%； L—试样扯断后停放 3 分钟对起来的标距，mm； L0—试样的初始标距，mm。

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- 20 -

五、试样结果的表示

1.试样数量不应少于三个，试样结果取中值。 2.进行仲裁试验，试样数量不应少于三个，试验结果取中值。

六、试验的影响因素

1.试验温度 由于橡胶是高分子化合物，对温度的敏感性较强，温度对橡胶的物理性能有较大的影响，

所以世界各国都根据实际情况规定了试验时的统一室温。我国新的国家标准规定了试验温度

为 23 士 2°C。 一般来说，其变化规律是，随室温增高扯断强度、定伸强度降低而扯断伸长率则提高，

这是由于温度升高后，橡胶分子链的热运动加剧，松驰过程进行的较快，且分子链柔性增大，

分子间作用力减弱之故。 2.裁刀的锋利程度和冲切速度对试样的断面形状影响较大。因而刀刃须平整、无缺口、

刀刃的锋线应均 、细直、平行。如裁刀用久未磨而失去锋利度时，则冲切时难于切断或试

样断面产生毛刺，且产生较大的弹性变形，致使试样断面中间部位下凹呈 x 型，导致所测的

各项性能值偏低。故裁刀使用过久应予以研磨，使刀刃部位光洁无沟痕，增加锋利度，以保

证试样的规则性。 冲切速度过慢时，尤其在试片较厚的情况下，试片的上一面由于在刀的作用下被拉伸，

产生较大的弹性变形，而试片的另一面由于与垫板的摩擦而变形较小，故试样裁后，两面的

弹性复原不同，即产生不规则的变形，影响试样的尺寸的正确性，由此看出使用电力裁片机

代替手动裁片机为宜。 3.试样尺寸不同，对测试结果有一定影响，工作部分越宽，所测得的强伸性能值越低。

主要原因是：(1)在试验过程中，试样工作部分的边缘应力大于中间应力，试样越宽，差别

越大，中心部分尚未断裂而边缘部分先断裂，造成试样早期断裂，使测试结果的性能值低。

(2)试样越宽，室在微观缺陷的几率越大，所以不同宽度的裁刀其试验结果不能相互比较。 拉伸性能试验用的试片，须控制在 2.0 士 0.3mm 内．试验证明，试片过厚，其拉伸性能

值均下降．这主要是由于试片越厚．所裁出之试样越不规则，即出现断面中间下凹现象．使

试样实际断面积小于理论计算断面积。 4.试样停放时间长短的影响 试样硫化完毕，必须有适当的停放时间以均衡分布或消除试样在硫化等工艺过程中因热

或机械作用而产生的内应力，使试样在拉仲试验过程中均 的承受应力，防止因局部应一力

集中致试样过早破坏。如硫化完毕的停放时间过短，则导致扯断强度，定伸强度值偏低。 5.拉伸速度的影响。 试样在拉力机上拉伸时，其拉伸速度对性能有一定影响。其规律是，随速度增加，扯断

强度值增高。而伸长率值降低。这是由于试样在拉伸过程中产生应力松驰所致。如速度快，

则外力作用时间短，橡胶来不及松驰，由松驰所引起的应力降低值则小，故扯断强度值高。

且因试样来不及变形，导致伸长率值下降。但试验结果证明在 200~500 毫米／分这一范围内，

对测试结果影响不显著。 6.压延方向及试样夹持状态 实验证明，试样的受力方向与压延方向平行，其扯断强度值高这是由于胶料混炼时受到

剪切应力作用而产生压延效应所致。故试样硫化时应注意剪裁方向。 在夹具间，试样须垂直夹持．香则会由于试样倾斜而造成受力、变形不均，削弱分子间

作用力，降低所测性能值。

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实验七 阿克隆磨耗实验

一．实验目的

1、 掌握阿克隆磨耗的测定方法。

2、 掌握 GT-7012-A 型 AKRON 磨耗仪的操作方法，并了解其工作原理。

二．实验原理

橡胶制品的磨耗是一种普通常见的现象。橡胶制品耐磨性能的优劣在很大程度上决定着

产品的使用寿命，因而是一项重要的技术指标。

归纳磨耗的产生通常有下列两种情况：

（1）橡胶与橡胶或橡胶同其他物体之间产生滑移时，两物体在接触表面上有不同程度

的磨损。

（2）橡胶受到砂粒等各种坚硬粒子的冲击作用，在橡胶表面上产生磨损。

根据以上情况，国际上曾先后设计出阿克隆、格拉西里、邵坡尔、皮克等多种型号磨耗

试验机。一般是用规定条件下试样同摩擦面接触，以被磨下的颗粒的质量或体积来表示测试

结果，其中阿克隆磨耗机是早期应用而现今 为广泛使用的试验机之一，其结构简单、操作

方便、价格低廉，我国现行的橡胶制品技术标准中的耐磨性能指标即以该仪器所定。

由于橡胶制品在实际使用过程中其磨耗往往伴随拉伸、压缩、剪切、生热、老化等复杂

现象，故上述各种室内磨耗试验与实际磨耗存在一定的差距，其相关性有定局限性，但这些

测试仍能判别橡胶耐磨性能的好坏或对同一胶料的耐磨程度进行相对比较。

本实验是使试样与砂轮在一倾斜角度(一般情况下为150 ,当试样磨耗量小于0.1cm

3 时采

用 250)和 2.7kgf 的负荷作用下进行磨擦，测量试样在 1.61Km(3415 转)里程内的磨损体积。

试样为用专用模具硫化出的具有一定厚度的圆片。

三．阿克隆磨耗试验机结构

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阿克隆磨耗试验机结构图

1－电机；2－磨耗角度指针；3－减速机；4－试样胶轮；5－砂轮；

6－自控装置；7－加压重锤；8－角度牌；9－磨耗角度调整手轮；10－旋转轴；

四．实验操作过程

1．试样准备：将半成品胶料的试样用专用模具硫化为条状，长为（D + h）∏＝0～5mm，

宽为 12.7±0.2mm，厚为 320±0.2mm，其表面应平整、不应有裂痕杂质等现象。（D 为胶轮

直径，h 为试样厚度，∏为圆周率。硫化完毕之试样，按规定时间停放后，将其两面用砂轮

打磨出均 的粗糙面之后，清除胶屑，用橡胶水粘贴于胶轮上（粘贴时试样不应受到张力）。

适当放置一段时间，使之粘贴牢固。

2．将粘贴好试样的胶轮固定于试验机的回转轴上，开动电机，使胶轮按顺时针方向旋

转。

3．预磨 15～20 分钟后取下，用天平称重，准确到 0.001g。

4．将试样胶轮固定于回转轴上进行试验试验里程为 1.61km(3415 转)，试验完毕后取下

试样，刷去屑，在 1 小时内称量，准确到 0.001g.

五．实验数据处理

实验结果可用绝对磨耗值和磨耗指数两种方法表示.

a) 试样的磨损体积按下式计算：

V=(g1-g2)/ρ

g1----试样在实验后的质量，g；

g2-------试样在实验前的质量, g；

ρ---试样的密度,g/Cm3。

2) 试样的磨耗指数按下式计算

磨耗指数=(S/T)x100%

S---标准配方的磨损体积；

T---试验配方在相同里程中的磨耗体积。

注：试样数量应不少于两个，以算术平均值表示试验结果，允许偏差为±10％。

磨耗指数越大，表示耐磨性能越好，以该值表示试验结果同以磨损体积表示试验结果有

下列优点：（1）对使用周期较长的磨损面，可以减少因其长期使用，致摩擦面切割力降低，

而造成对试验结果的影响。（2）可减少由于更换摩擦面后其切割力的变化所带来的影响。（3）

可提高同一类型磨耗试验机在不同机器及不同试验室所得结果的可比性。（4）对于不同类型

的磨耗试验机所得结果也可以比较参考。

六、影响因素

试样同砂轮的倾斜角度及在砂轮上所施加的负荷量是该试验结果的主要影响因素。其对

比试验如下列图、表所列。

磨耗量 cm3/1.61Km 项目

胶料 15° 20° 25°

天然胶 0.311 0.754 1.050

顺丁胶 0.018 0.0285 0.039

丁苯胶 0.108 0.246 0.345

顺丁天然胶并用 0.077 0.154 0.196

丁苯天然并用 0.269 0.744 0.966

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- 23 -

1.36 2.72 4.08 5.440.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

由上图曲线可看出，磨耗量是随负荷的增加而逐渐增大，这是由于负荷增加使胶轮的压

力增大，从而使摩擦力增大，致使磨耗量增加。由上表的试验结果可看出，五种胶料的不同

倾斜角度，对磨耗量有显著影响，角度增大，磨耗量几乎成直线激烈增加，这是由于胶轮角

度增大，其滑动率也随之增大的原因。因而，操作之前须严格控制负荷值和倾斜角，由于当

前橡胶制品中合成胶的大量掺用，在轮胎胎面中尤以顺丁胶与天然胶并用较多，如采用 15

°倾斜角来测量耐磨性能，磨耗量很小，一般都不超过 0.1cm3的体积，由于数值小，测量

结果不明显，因而国家标准中规定合成胶及合成胶同天然胶共用胶，可采用 25°倾斜角进

行试验，但应在试验报告中注明。

条状试样的长度应适宜，以保证粘贴时不承受张力，如试样过短，则内应力大，将导致

磨损量增加。

温度的影响较复杂，聚合物不同其影响结果有差异，试样的磨耗量在一般情况下，同一

胶料随室温的提高而增加，这同样是由于温度增高，增大了橡胶分子链间距，分子的活动能

增大，致磨耗量增加。

在磨耗过程中，有的胶料常出现发粘现象，这就使磨下来的微小粒子仍粘附在重复滚动

的发粘试样的表面及砂轮摩擦面上，改变了摩擦面状态，由此所测出的磨耗体积过小，所得

耐磨性结果是一虚假值。故需加以防止消除，一是用硬毛刷及时清除试样或砂轮上的胶屑，

二是在试样和砂轮上沙防粘胶粉，如碳化硅或氧化铝粉末等。

七．注意事项

a. 试样安装好后，应首先预磨 15-20 分钟，然后取下用天平称量，准确到

0.001g。

b. 要根据国标准确测量试样的密度。

八．思考题

1．影响试验测量结果的因素有那些？

九．参考书

1．GB/T 1689《硫化橡胶耐磨性能的测定》

负荷（kg）

磨耗量（cm

3/1.61Km

）

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实验八 屈挠龟裂实验

一、 概述 在周期性应力或应变作用下，硫化胶结构和性能产生变化，导致机械强度降低，使其疲

劳破损。 疲劳性能试验，则是模拟橡胶制品实际应用过程中主要使用条件而设计的项目。如行速

每小时 60 公里的汽车轮胎，相当于对胎体每秒钟 100 次的反复拉伸压缩变形，仿此过程，

即可对橡胶试样施加反复交变应力，测量一定负荷下的温升和永久变形等值。 当前有多种型式的疲劳试验设备，其中“华莱士(Wallace)”疲劳试验机是国际上 70 年代

新发展的一种橡胶疲劳实验仪器。该仪器可做特定的伸长变形（零到某伸长值）下，各种橡

胶耐疲劳性能的试验，由此可定量的检验胶料配方的变化（如防老剂的改变）对其耐疲劳性

能的影响；对于某种橡胶，可做不同伸长变形下其耐疲劳性能的比较，以便于选择橡胶制品

在使用时的 佳伸长变形值；还可做橡胶龟裂试验，由此可对不同胶种或不同伸长值的龟裂

程度做定性的比较。此仪器测定准确，操作简单迅速，并可自动记数，因而是目前较为先进

的一种疲劳试验机。 曲挠龟裂试验是国内目前广泛采用的疲劳试验项目。该试验是德墨西亚（Da Mattia）曲

挠龟裂试验机，反复曲挠硫化橡胶试样，导致该试样于拉伸应力集中部位产生龟裂裂口，并

使该裂口在应力相垂直的方向上进一步扩展，测定其抗龟裂引发和龟裂扩展性能的优劣。

屈挠试验 示意图

1－试样 2、3－夹持器 4－偏心轮

二、 试样 试样为具有模压沟槽的半圆形断面的长条，用专用模具硫化，且使沟槽垂直压延方向，

沟槽应表面光滑，无导致龟裂过早出现的不规则现象。 试样硫化后的停放时间，不应少于 16 小时，也不得超过一星期，对比试验的停放时间

应相同。

三、 试验操作步骤

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1. 试验前先调整下夹持器行程为 57±1mm（即两夹持器的 大距离为 76±0.5mm， 小距

离为 19±0.5mm）。见图所示。 2. 将两夹持器分开到 大距离，装上试样，使试样平展而不受张力，且其沟槽位于两夹持

器中心，其试样曲挠时，沟槽应在所形成折角的外侧，以便于观察结果。 3. 开动试验机，每曲挠 1.5 万次停机，把两夹持器分开到 6.5mm，检查试样龟裂等级后，

继续试验。 四、 试验结果的表示 1. 记录已经完成的曲挠次数和达到的相应龟裂等级。 2. 龟裂程度按下列状态分为 6 级：

1 级：试样出现肉眼可见的“针刺点”状的龟裂裂口，且其数目不超过 10 个。 2 级：上述裂口数目超过 10 个，或虽不足 10 个，但其中的裂口已扩展超出“针刺点”

阶级，即裂口长度小于 0.5mm。 3 级：一个或多个裂口的长度大于 0.5mm, 小于 1mm 4 级： 大裂口长度大于 1mm,小于 1.5mm 5 级： 大裂口长度大于 1.5mm,小于 3mm 6 级： 大裂口长度大于 3mm

3. 龟裂程度 6 级裂口可按原部颁标准《HG4-836-76》划分作内部对比使用，较简单易行。 五、 影响因素

该试验是橡胶试样在周期性的应力应变的作用下。由于反复曲挠橡胶分子链在热及氧的

作用下，使化学键断裂或交联键断裂，由于应力集中，也可使分子链产生机械断裂，在试样

过程中，还由于分子链的移动，二次结合的滑动产生永久变形，导致硫化胶机械强度降低，

此外由于分子链的取向，使硫化较柔性下降，刚性增加，促其耐曲挠性降低，故应注意以下

二点事项： 1.应严格掌握上下两夹持器的间距及平行度，使之适宜，符合测试条件的规定（即 大

间距为 76+-0.6mm）。试样在测试过程中，所受到的弯曲－复原－弯曲的作用，是依赖于试

验机下夹持器的往复运动，当夹持器间试样长度大于夹持间 大距离时，则试样不可能完全

伸直，即应变范围小，对试样的破坏作用小，因而达到一定程度的曲挠次数要多；当夹持器

间试样长度等于夹持器间 大距离时，试样可以恢复到无应变状态。因而应变范围大，则破

坏作用即达到一定裂口程度的曲挠次数要少，使试验稳定，减少了试验。 另外，试样应垂直夹持，各条试样沟槽位于同一水平线上，保证受试条件的一致性。 2.在机械疲劳作用下，臭氧能够促进龟裂的发生。因此，获取纯粹机械疲劳的试验结果，

必须排除臭氧的干扰。曲挠龟裂不应在有产生臭氧的任何仪器的房间里（或者由于某种原因

臭氧不超过正常含量的房间）进行。

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实验九 热空气老化实验

一、 概述

橡胶或橡胶制品在贮存和使用过程中，由于老化作用，导致其使用性能逐渐降低。 后

丧失使用价值，为了改善橡胶制品的耐老化性能。除了合成耐老化的橡胶品种外，使用新型

防老剂具有重要作用。因而，研究引起橡胶老化的内外因素，探索橡胶老化饿作用机理，以

采取有效的防护措施，延缓橡胶老化，延长制品的使用寿命，具有极为重要的意义。根据以

上要求，必须进行老化实验。

橡胶老化试验的方法分为两大类：

1．自然老化试验方法。此类包括大气静态老化试验，大气加速老化试验、自然贮存老

化试验。自然介质（如地理等）老化试验和自然生物（如长霉）老化试验等多种项目。

自然老化试验方法，虽然可获得比较可靠的试验结果，方法也交简便，但其老化速度

缓慢，试验周期长，不能及时满足科研与生产上的及时需要，因此为了尽快取得试验结果，

采取了模拟并强化某种老化因素的人工加速老化试验方法。

2．人工加速老化试验，包括热老化、臭氧老化、光老化、人工气候老化，光臭氧老化、

生物老化等等。其中生产和科研中， 常用的是热空气老化及臭氧老化。

由于橡胶材料或大部分橡胶制品是在空气中贮存或使用的，所以氧化是 基本、 普

遍的一种老化因素。提高温度又会加速橡胶氧化反应。许多橡胶制品是在高温或动态下使用

的，升热性能高，发生显著的热氧化作用。热空气老化试验是一种 普遍的热氧化实验。它

是将橡胶试样置于常压和规定温度的热空气作用下，经一定时间，测定其物理机械性能的变

化。该试验用以测定橡胶的热稳定性和防老剂的效能、对了解制品耐老化程度。使用寿命。

改进配方设计有重要作用。

二、试样

试样为哑铃状，形状和尺寸符合《硫化橡胶拉伸性能的测定》的规定，同一试样，工作

部分厚度的波动范围为±0.1 mm。

1． 老化箱内实验区域唯独波动范围，应不大于实验温度的允许波动范围。

2． 箱内须有连续鼓风的装置应有进气口和排气口。

三、实验步骤

1．需要，确定老化实验温度，可选择 50℃、70℃、100℃、120℃、150℃、200℃ 等。

温度允许波动范围：50 至 100℃为±1℃，101 至 200℃±为 2℃。

2．据需要老化时间可选为 24、43、72、96、144………小时。

3．每种试验品的实验数量不得少于 10 个，其中 5个式样作老化前的拉伸性能试验。其

余式样进行老化—验。（老化前须印标距测厚度）。

尽可能避免不同配方的试样在一起老化，高硫配合、低硫配合、有无防老剂以及含氯、

氟等挥发物互相干扰的试样分别进行老化试验。

4．将老化箱调至所需的温度，并控制稳定，然后把准备好的 5mm 式样与箱璧的距离不

得小于 50mm。

5．式样放入老化箱之后，开始计算老化时间，到了规定的时间，立即取出式样。

6．取出的试样在试验室温度下停放 4 小时后（ 长时间不得超过 96 小时）进行拉伸性

能试验。

四、实验结果的表示

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以往的传统表示法是用老化系统 K表示实验结果。即：

老化前的性能测定值

老化后的性能测定值=K

根据试验的性质和要求，其性能可选择扯断强度、扯断伸长率、定伸强度及抗张积等。

老化系数取精确到小数点后两位数字。

100cm/kg 2 扯断伸长率扯断强度

）注：抗张积（×

=

现在我国开始采用国际上广泛使用的性能百分变化率表示实验结果，如下式所示。

100B

B-AC ×=

式中：C——性能百分率，%

A——试样老化后的性能测定值

B——试样老化前的性能测定值

五、试验影响因素

1．老化箱内温差对试验结果的影响，同一箱内各部位温度是不可能完全一致，试验时

温度也总会有波动。老化系数随温度的升高而减小，当老化温度为 100℃时，若温度为 2℃

时，老化系数相差达 15%。因此在热老化试验中，温度是一项重要的影响因素，应尽可能使

箱内各处温度分布均 ，并使用灵敏，精确的温度控制装置，使温度波动范围尽量缩小。另

外要使试样架能转动，使每一片试样所受温度作用机会趋于一致，从而减小试验误差。

2．试验温度的选择，若温度选取过高，固然可以加速试样老化，缩短试验时间，但热

分解的可能性和配合剂的迁移，挥发都会有所增加，从而可能使反应过程与实际情况不符，

影响试验结果的可靠性。反之，若温度选取过低，老化速度缓慢，试验时即过长，不能满足

测试的需要，因此，原则上应在不改变老化机理的前提下，尽可能提高试验温度，以期在较

短的时间内获得可靠的试验结果。对天然胶，一般取 50-100℃；合成胶，一般取 50-150℃；

特种胶，如丁腈可用 70-150℃；硅氟胶可用 200-300℃，总之，可根据试验目的具体确定。

3．试样数量。如果试验箱内所装试样数量太多，会影响箱内空气流动，导致箱内温度

分布不均，挥发物不能完全被空气带走，使配合剂有转移的可能，影响试验结果。试验证明，

试验箱的容积与试样体积之比不小于 30:1 时，上述影响很小。

4．不同型号的老化箱试验结果出入较大。由于箱内体积不同，箱壁两侧孔的分布和孔

径不同，底板有无开孔，鼓风情况不同，都会影响温度在箱内分布不均，虽然箱上温度计指

示可能相同，但各箱各部分温差出入较大，因此，要注意到不同型号老化箱，同一试验品，

试验结果会有偏差。

5．试样老化后停放时间，老化后试样停放时间长短，对试验结果是有影响的，如不耐

老化天然胶，顺丁胶并用配方，老化后停放一天之内，其测试结果，变化较大；如停放 1-14

天之后再测试，性能又有所降低，因此试验规定停放时间在 90 小时以内，一般认为停放一

天后测试较合适。

6．空气流速，鼓风作用在于使箱内温度均 ，排除老化过程中产生的挥发物补充新鲜

空气，使空气成分保持一致，空气流速大，硫化较快，要选择适当的风速或风量才能获得重

现性较好的结果。如流速太大，会使箱内温度难于控制，一般流速可通过排风门加以调整。

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实验十 橡胶电性能的测试

掌握材料的电性能在选材和材料加工中具有重要的意义。不同材料的电行为是不同的，

有些材料具有很高的导电率，而有些材料是绝缘体。因此，熟悉材料的电性能有利于合理地

应用它们。

一 实验目的

1．了解测定高聚物体积电阻率和表面电阻率的基本原理

2．掌握高聚物体积电阻率和表面电阻率的测定方法

3．学会使用高阻计，了解计算方法

二 实验原理

在工程上，把施加在试样上两个电极的直流电压与电流的比值称为绝缘电阻，它包括体

积电阻和表面电阻两部分，为了表示材料内部和表面的不同导电性，引入了体积电阻率 ρV

和表面电阻率 ρS。

在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间稳态电流之比，称

为体积电阻 RV，单位体积内的体积电阻称为体积电阻率 ρV。

dSRV

V×

=ρ

ρV为体积电阻系数 Ω·cm；RV为体积电阻 Ω；d为试样厚度 cm；S 为测量电极面积 cm2

在试样的某一表面上两电极间所加直流电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之比，称

为表面电阻 RS，单位面积内的表面电阻称为表面电阻率 ρS。

1

2ln

2

dd

RSS

πρ

×=

ρS为表面电阻系数 Ω；RS为表面电阻Ω；d1为测量电极直径 cm；d2为保护电极的内径 cm

本实验使用高阻计法进行测量。高阻计法又称为直流放大法，它是将试样的微弱电流经过放

大后，推动指示仪表，故可测量较高的绝缘电阻。通常在高阻计中，有数个数量级不同的标

准电阻，以适应测量不同数量级的电阻的需要，被测电阻可以直接读出，测试原理如图所示。

1—电源；

2—电压表；

3—试样电阻

4—标准电阻；

5—直流放大器；

6—检流计

三 实验设备和试样

1．ZC36 型高阻计

1

2

3

45

6

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- 29 -

是一种直读式的超高电阻和微电流两用仪器。仪器的 高量限 1017Ω 电阻值和 10

-14A

微电流。适用于绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝缘电阻测量和高阻值兆

欧电阻的测量，也可用于微电流测量。

2．试样

选用圆盘形或正方形的平板状试样，应比电极 大尺寸每边至少多 7mm。

四 实验步骤

1． 试样放入屏蔽盒内，置于三电极的底部电极和上面两个电极之间

2． 接好屏蔽盒内的电线，将屏蔽盒与高阻计相连

3． 打开高阻计电源，预热 15 分钟，操作仪器，使高阻计处于备用状态

4． 测量试样，切换屏蔽盒上的旋钮，指向 RV和 RS时分别为体积表面电阻和表面电阻

5． 记下高阻计的读数

6． 测量完一个试样后，进行放电，然后更换试样，按照同样方法测量

五 实验结果与数据记录

1．绘制表格记录实验中所测得的数据

2．按照以上所给公式计算体积电阻率和表面电阻率

六 思考题

1．讨论影响体积电阻和表面电阻测量的主要因素

2．讨论试样表面的粗燥程度对测定结果有无影响

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实验十一 高分子材料阻燃性测试

一、实验目的

1． 悉氧指数测定仪的结构及工作原理

2．掌握氧指数的测定原理

3. 掌握利用氧指数仪测定高分子材料阻燃性的方法

二、实验原理

本实验是利用氧指数实验法（GB2406-80）来测定材料的阻燃性。

氧指数是指在规定的条件下，试样在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的 低氧浓

度，以氧所占的体积百分数来表示。该方法比较简单，数字重现性较好，具有以数字表现材

料燃烧性能的特点，所以国内外普遍采用，(例如美国的氧指数试验标准为 ANST/ASTM

D2863-1977) 。该方法不但适用于具有自支撑型材料，而且对薄膜，泡沫塑料、橡胶等也适

用。

三、JP-3 型氧指数测定仪的基本结构

1、燃烧筒

小内径 75mm、高 450mm、顶部出口的内径为 40mm 的耐热玻璃管，垂直固定在可通过

氧、氮混合气

流的基座上。底部用直径为 3～5 mm 的玻璃珠充填，充填高度为 80～100mm。在玻璃珠的上

方装有金属网，以防下落的燃烧碎片阻塞气体入口和配气通路。

2、试样夹

a. 自撑材料的试样夹——能固定在燃烧筒轴心位置上，并能垂直夹住试样的构件。

b. 非自撑材料的试样夹——采用下图所示的框架，将试样的两个垂直边同时固定在框

架上。

1——点火器 2——玻璃燃烧筒 3——燃烧着的试样 4——试样夹 5——燃烧筒支架 6——金属网 7——测温装置 8——装有玻璃珠的支架

9——基架座

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支撑非自撑试样的框架结构（1——上参照标记；2——下参照标记）

3、流量测量和控制系统

能测量进入燃烧筒的气体流量，控制精度在±5％(V／V)之内的流量测量和控制系统。

4、气源

用 GB 3863 中所规定的氧和 GB 3864 中所规定的氮及所需的氧、氮气钢瓶和调节装置。

气体使用的压力不低于 1 MPa。

5、点火器

由一根金属管制成，尾端有内径为 2±l mm 的喷嘴，能插入燃烧筒内点燃试样。通以未

混有空气的丙烷，或丁烷、石油液化气、煤气、天然气等可燃气体。点燃后,当喷嘴垂直向

下时，火焰的长度为 16±4 mm。 注：仲裁试验时，须以未混有空气的丙烷作为点燃气体。

6、排烟系统 能排除燃烧产生的烟尘和灰粒，但不应影响燃烧筒中的温度和气

体流速。

7、计时装置 具有±0.25s 精度的计时器。

四、实验方法

4.1 试验准备

4.1.1 试件制备

每组试样至少 15 条，要求试样表面清洁，无影响燃烧行为的缺陷，如：气泡、裂纹、

溶胀、飞边、毛刺等。试样类型、尺寸和用途见下表 1。

4.1.2 试样的标线

对 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型试样，标线划在距点燃端 50 mm 处，对Ⅴ型试样，标线划在框架上

(见图 2 所示)或划在距点燃端 20mm 和 100mm 处。

4.1.3 状态调节与试验环境

试验环境应在 GB 2918 所规定的常温、常湿下进行，即环境温度为 10～35℃，相对湿

度为 45％～75％。如有特殊要求，在产品标准中规定。

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表 1 mm 长 宽 厚

类型 型式 基本尺寸 极限偏差 基本尺寸 极限偏差 基本尺寸 极限偏差

用 途

I 4 ±0.25 用于模塑材料

Ⅱ 10 ±0.5 用于泡沫材料

Ⅲ

80—150 10

＜10.5 — 用于原厚的片

材

自撑

材料

Ⅳ 70～150

—

6.5 3 ±0.25 用于电器用模

塑料或片材

非自

撑材

料

V 140 - 5 52

±0.5

≤10.5 — 用于软片或薄

膜等

注：不同型式、不同厚度的试样，测试结果不可比

4.2 试验步骤

4.2.1 开始试验时氧浓度的确定

根据经验或试样在空气中点燃的情况，估计开始试验时的氧浓度。如在空气中迅速燃

烧．则开始试验时的氧浓度为 18％左右；在空气中缓慢燃烧或时断时续，则为 21%左右；在

空气中离开点火源即灭，至少为 25％。

4.2.2 调整仪器和点燃试样

1、安装试样

将试样夹在夹具上，垂直地安装在燃烧筒的中心位置上。保证试样顶端低于燃烧筒顶端

至少 100mm，其暴露部分 低处应高于燃烧筒底部配气装置顶端至少 100mm。

2、调节气体控制装置

打开氮气、氧气“稳压”阀，仪器压力表指标值为 0.1±O.01MPa 并同时调节流量，使

氮气、氧气混合流量为 lOL±O.5L／min(球形浮子看 大直径处)，此时数显窗口显示的数

值，即为当前的氧浓度值(亦称氧指数值)。调节气体混合及流量控制装置，使混合气中的氧

浓度为 4.2.1 所确定的氧浓度，并始终保持压力 0.1MPa 和总流量 10L／min 不变。以 40±

l0mm/s 的速度流经燃烧筒，洗涤燃烧筒至少 30s。

（总流量的确定：燃烧筒圆面积×流速(4cm±1cm)×每分钟／1000 = 总流量(L)。为了计算操作方便，节

约用气量，建议总流量定为 10L 较为适合，也就是 O2+N2=10L±0.5L／min。）

3、点燃试样

方法 A 顶端点燃法

使火焰的 低可见部分接触试样顶端并覆盖整个顶表面，勿使火焰碰到试样的棱边和侧

表面。在确认试样顶端全部着火后，立即移去点火器，开始记时或观察试样烧掉的长度。

点燃试样时，火焰作用的时间 长为 30s，若在 30s 内不能点燃，则应增大氧浓度，继

续点燃，直至 30s 内点燃为止。

方法 B 扩散点燃法

充分降低和移动点火器，使火焰可见部分施加于试样顶表面，同时施加于垂直侧表面约

6mm 长。点燃试样时，火焰作用时间 长为 30s，每隔 5s 左有稍移开点火器观察试洋，直至

垂直侧表面稳定燃烧或可见燃烧部分的前锋到达上标线处，立即移去点火器，开始计时或观

察试样燃烧长度。

若 30s 内不能点燃试样，则增大氧浓度，再次点燃，直至 30s 内点燃为止。

方法 B也适用于 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型试样，标线应划在距点燃端 10mm 和 60mm 处。

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注：① 点燃试样是指引起试样有焰燃烧，不同点燃方法的试验结果不可比。

② 燃烧部分包括任何沿试样表面淌下的燃烧洒落物。

4.2.3 燃烧行为的评价

1、评价准则

燃烧行为的评价准则，见表 2 所示。

表 2

评价准则（两者取一） 试样型式 点燃方式

燃烧时间，s 燃烧长度

A 法 燃烧前锋超过上标线 I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ

B 法 燃烧前锋超过下标线

V B 法

180

燃烧前锋超过下标线

2、“○”与“×”反应的确定

点燃试样后，立即开始记时，观察试样燃烧长度及燃烧行为。若燃烧中止，但在 1 s

内又自发再燃，则继续观察和计时。

如果试样的燃烧时间或燃烧长度均不超过表 2的规定，则这次试验记录为“○”反应，

并记下燃烧长度或时间。

如果二者之一超过表 2的规定，扑灭火焰，记录这次试验为“×”反应。

还要记下材料燃烧特性，例如熔滴、烟灰、结炭、漂游性燃烧，灼烧、余辉或其他需要

记录的特性。

如果有无焰燃烧，应根据需要，报告无焰燃烧情况或包括无焰燃烧时的氧指数。

3、下次试验准备

取出试样，擦净燃烧筒和点火器表面的污物，使燃烧筒的温度回复至常温或另换一个为

常温的燃烧筒；进行下一个试验。

4.2.4 逐次选择氧浓度

采用“少量样品升-降法”这一特定的条件，以任意步长做为改变量，按 4.2.2～4.2.4

条，进行一组试样的试验： a．如果前一条试样的燃烧行为是“×”反应，则降低氧浓度。

b．如果前十条试样的燃烧行为是“○”反应，则增大氧浓度。

4.2.5 初始氧浓度的确定

采用任一合适的步长，重复 4.2.2～4.2.4，直到以体积百分数表示的两次氧浓度之差

不大于 1.0％，并且一次是“○”反应，一次是“×”反应为止。将这组氧浓度中得“○”

反应的记作初始氧浓度ψ0 。

4.2.6 氧浓度的改变

4.2.6.1 用初始氧浓度 ψ0 重复 4.2.2～4.2.3 操作，记录在 ψ0 时所对应的“×”

或“○”反应。即为 NL系列的第一个值。

4.2.6.2 用混合气浓度的 0.2％(V／V)为步长，重复 4.2.2～4.2.4 操作，测得一组氧

浓度值及对应的反应。直至得到不同于 4.2.6.1 的反应为止，记下这些氧浓度值及其反应。

4.2.6.1 和 4.2.6.2 测得的结果，即为 NL系列。

4.2.6.3 仍以 0.2％(V／V)为步长，重复 4.2.2～4.2.4，再测试四条试样，记下各次的

氧浓度及所对应的反应， 后一条试样的氧浓度，用ψF 表示。4.2.6.1～4.2.6.3 试验结

果，组成 NT系列。

4.3 实验结果计算

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4.3.1 氧指数的计算

以体积百分数表示的氧指数，按式(1)计算：

OI = ψF + Kd .......................(1)

式中: OI —— 氧指数，％；

ψF —— NT 系列 后一个氧浓度，取一位小数，％；

d —— 4.2.6 使用和控制的二个氧浓度之差，即步长，取一位小数

( 每次改变氧浓度升或降都以 0.2％)

K ——查表 3 所得的系数。 (见 GB／T2406-93 标准)。

4.3.2 K 值的确定

a．按 4.2.6.1 试验的试样如为“○”反应，则第一个相反的反应是“×”反应，从表

3 第一栏中找出所对应的反应，并按 NL 系列的前几个反应查出所对应的行数，即为所需 K

值，其符号与表中符号相同。

b．按 4.2.6.1 试验的试样如为“×”反应，则第一个相反的反应是“○”反应，从表

3 第六栏中找出所对应的反应，并按 NL 系列的前几个反应查出所对应的行数，即为所需 K

值，其符号与表中符号相反。

五、试验报告 试验报告应包括下列内容： a．注明采用本国家标准； b．材料的鉴别特征，名称、牌号、批号、生产厂、出

厂日期等；

c．试样制备方法、型式、尺寸、状态凋节情况； d．试样点燃方式，点燃气体种

类；

e．氧指数 OI 和步长 d ； f．燃烧特性；

g．无焰燃烧情况或包括无焰燃烧时的氧指数； h．试验环境、日期和试验人员；

i．声明本试验结果仅供评定在规定条件下材料的燃烧特性，不能用于推断该材料在其

他条件下或其他形状下着火的危险性： j．其他需要注明的事项；

试验结果记录

材料：

试样型式：

点燃方法：

点燃气体：

状态调节：

实验日期：

第一部分：初始氧浓度的测定结果，记于表 B1 ：

表 B1

氧浓度，%

燃烧时间，s

燃烧长度，mm

反应（“×”或“○”）

氧浓度间隔不大于 1%的一对“×”或“○”反应中， “○”反应的氧浓度 ψ0= ，

该值再次用于第二部分的首次测定。

第二部分：氧指数的测定结果，记于表 B2 ：

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表 B2

NT 系列测定

NL 系列测定 ΨF 氧浓度，%

燃烧时间，s

燃烧长度，

mm

反应

查表 3 得，K = 。 由ψF 、 K 及 d 值计数出 OI。

表 3

1 2 3 4 5 6

a．NL前几次测试的反应如下时的 K值 后五次

试验的反应 ○ ○○ ○○○ ○○○○

×○○○○ - 0.55 - 0.55 - 0.55 - 0.55 ○××××

×○○○× - 1.25 - 1.25 - 1.25 - 1.25 ○×××○

×○○×○ 0.37 0.38 0.38 0.38 ○××○×

×○○×× - 0.17 - 0.14 - 0.14 - 0.14 ○××○○

×○×○○ 0.02 0.04 0.04 0.04 ○×○××

×○×○× - 0.50 - 0.46 - 0.45 - 0.45 ○×○×○

×○××○ 1.17 1.24 1.25 1.25 ○×○○×

×○××× 0.61 0.73 0.76 0.76 ○×○○○

××○○○ - 0.30 - 0.27 - 0.26 - 0.26 ○○×××

××○○× - 0.83 - 0.76 - 0.75 - 0.75 ○○××○

××○×○ 0.83 0.94 0.95 0.95 ○○×○×

××○×× 0.30 0.46 0.50 0.50 ○○×○○

×××○○ 0.50 0.65 0.68 0.68 ○○○××

×××○× - 0.04 0.19 0.24 0.25 ○○○×○

××××○ 1.60 1.92 2.00 2.01 ○○○○×

××××× 0.89 1.33 1.47 1.50 ○○○○○

b．NL前几次测试的反应如下时的 K值

× ×× ××× ××××

后五次

试验的反应

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