橡胶弹性

第六章橡胶弹性橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯有顺式与反式两种构型，它们的结构简式分别为：CH2CCCH2HCH3n顺式CH2CCCH3HCH2n反式橡胶1.天然橡胶（1）分子链的柔顺性较好（2）分子链间仅有较弱的作用力（3）分子链中一般含有容易进行交联的基团（如含不饱和双键）人们仿造天然橡胶的结构，合成了各种各样的合成橡胶。合成橡胶在某些性能上往往优于天然橡胶，例如耐磨、耐油、耐寒等方面。2.合成橡胶下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途。顺式-1,4-聚异戊二烯适合做橡胶，其分子结构具有三个特点：性能：耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小结构式:用途：为合成橡胶中最大的品种（约占50%），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料nyxCH2CHCHCH2CH2CH（1）丁苯橡胶性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差结构式:用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等nCH2CCHCH2Cl（2）氯丁橡胶（万能橡胶）性能：弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹结构式:用途：为合成橡胶的第二大品种（约占15%），大约60%以上用于制造轮胎nCH2CCCH2HH（3）顺丁橡胶性能：耐油性好，拉伸强度大，耐热性好；缺点是电绝缘性、耐寒性差，塑性低、难加工用途：用作机械上的垫圈以及制备收音机和汽车等需要耐油的零件nyxCNCH2CHCHCH2CH2CH结构式:（4）丁腈橡胶性能：分子无双键存在，故耐热、耐氧化、耐老化性好，使用温度高结构式:用途：制造耐热胶管、垫片、三角胶带、输送带、人力车胎等nCH3CH2CH2CHCH2（5）乙丙橡胶性能：是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶，它的特点是既耐高温，又耐低温，弹性好，耐油，防水，其制品柔软光滑，物理性能稳定、无毒、生物惰性、加工性能好，缺点是机械性能差，较脆，易撕裂结构式:用途：可用于医用材料，如导管，引流管，静脉插管，人造器管等，还可用于飞机、导弹上的一些零部件及电绝缘材料nSiOCH3CH3（6）硅橡胶高分子三大材料发展史PolymerMaterialsPlasticRubberFiberCelluloidFirstoneFirstoneFirstoneNatureRubberNitrocelluloseRubberproductsWhatisrubber?Naturerubber-PIPSynthesizerubberRubberisalsocalledelastomer弹性体.Itisdefinedasacross-linkedamorphouspolymeraboveitsglasstransitiontemperature.CH2CCHCH3nCH3•Polybutadiene•Polyisobutylene•PolychloropreneThedefinitionofrubber施加外力时发生大的形变，外力除去后可以恢复的弹性材料高分子材料力学性能的最大特点高弹性粘弹性耐热性，耐寒性，耐老化国防和航空航天尖端技术高弹性的本质橡胶弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。气体弹性的本质也是熵弹性。PBcross-linkedCrosslinkingiswhenindividualpolymerchainsarelinkedtogetherbycovalentbondstoformonegiantmolecule.Molecularmovements具有橡胶弹性的条件：长链交联足够柔性高弹性特点形变量大（WHY？长链,柔性）形变可恢复（WHY？动力:熵增；结构：交链）弹性模量小且随温度升高而增大形变有热效应6.1橡胶形变类型物理的观点简单剪切本体压缩（或本体膨胀）基本的形变形状改变而体积不变体积改变而形状不变拉抻形变体积、形状都改变Easytohandle拉伸Tensile剪切Shear压缩Compression单轴拉伸Uniaxialelongation双轴拉伸biaxialelongation等轴非等轴TheconceptofStrainandStress当材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变。平衡时，附加内力和外力相等，单位面积上的附加内力（外力）称为应力。Basicconcept受一对大小相等，方向相反，作用在一条直线上的力SchematicsofsimpleelongationStress应力0AFStress-theamountofforceexertedonanobject,dividedbythecross-sectionalareaoftheobject.Thecross-sectionalareaistheareaofacross-sectionoftheobject,inaplaneperpendiculartothedirectionoftheforce.Stressisusuallyexpressedinunitsofforcedividedbyarea,suchasN/m2.Strain应变100lll-伸长率elongationratioStrain-theamountofdeformationasampleundergoeswhenoneputsitunderstress.Straincanbeelongation,bending,compression,oranyothertypeofdeformation.Tensilemodulus拉伸模量orYoung’smodulus杨氏模量ED柔量ComplianceModulus-theabilityofasampleofamaterialtoresistdeformation.Shear剪切剪切位移S，剪切角，剪切面间距d剪切应变tgdS剪切应力Shearingstress0AFShearmodulusandcomplianceinshear剪切模量和剪切柔量GJ简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部分子运动相联系，建立高聚物力学行为的分子理论。•固体•液体•粘弹体适用Compression压缩压缩应变Compressionstrain0VV压缩模量ModulusofcompressionPBVPVB0TherelationshipbetweenYoung’smodulusE,shearmodulusGandcompressionmodulusB)21(3)1(2BGEPossionratio泊松比Tllmm00//Possionratiosfordifferentpolymers泊松比数值解释0.5不可压缩或拉伸中无体积变化0.0没有横向收缩0.49~0.499橡胶的典型数值0.20~0.40塑料的典型数值6.2Thermodynamicalanalysisofrubberelasticity橡胶的热力学分析l0–Originallengthf–tensileforcedl–extendedlengthtensileP—所处大气压dV—体积变化外力作用引起熵变•橡胶弹性是熵弹性•回弹动力是熵增FirstlawofthermodynamicsdU=dQ-dWdU–体系内能Internalenergy变化dQ–体系吸收的热量dW–体系对外所做功PdVfdl膨胀功PdV和拉伸功fdldW=PdV-fdl假设过程可逆dQ=TdS热力学第二定律热量变化fdl=-TdS拉伸dl0,dS0dQ0拉伸放热回缩dl0,dS0dQ0回缩吸热dU=0dV=0dU=TdS-PdV+fdlfdl=-dQdQ=TdS6.3StatisticalTheoriesofRubberElasticity橡胶弹性的统计理论•拉伸过程中体积不变•只考虑熵的变化，忽略内能变化•每个交联点由四个有效链组成•两交联点间的链为Gaussian链•形变为仿射形变假设ArthurS.Lodge交联点由四个有效链组成仿射形变Affinedeformation网络中的各交联点被固定在平衡位置上，当橡胶形变时，这些交联点将以相同的比率变形。6.5Swellingeffect溶涨效应溶剂小分子进入橡胶交联网络，不能将其溶解，只能使其溶涨。体系网链密度降低，平均末端距增加，进而模量下降。溶涨交联橡胶的溶涨包括两部分：溶剂分子与大分子链混合，熵增，有利于溶涨GM分子链拉长，储存弹性能，熵减，不利于溶涨Gel达到溶涨平衡0elMGGG6.6Thermoplasticelastomer-TPE交联为弹性体（橡胶）具有高弹性的条件之一，如果交联点为物理交联，则形成热塑弹性体。兼有橡胶和塑料两者的特性，在常温下显示高弹，高温下又能塑化成型。生产方法聚合方法，得嵌段共聚物，TPE机械共混法，得共混物，Ethylenepropylenerubber/PPDefinitioninEnglishElastomer-rubber.Hotshotscientistssayarubberorelastomerisanymaterialthatcanbestretchedmanytimesitsoriginallengthwithoutbreaking,andwillsnapbacktoitsoriginalsizewhenitisreleased.Thermoplastic-amaterialthatcanbemoldedandshapedwhenit'sheated.热固性塑料ThermosetThermoset-ahardandstiffcrosslinkedmaterial.Thermosetsaredifferentfromthermoplastics,whichbecomemoldablewhenheated.Thermosetsarecrosslinked,sotheydon't.Also,theyaredifferentfromcrosslinkedelastomers.Thermosetsarestiffanddon'tstretchthewayelastomersdo.MOLDEDTPEPOLYMERW/PVCSTITCHEDHOCKEYBOOTFOAM-PADDED,SOFTTRICOTLINING•Chassis(Frame):PPWheels:PUThermoplasticelastomer(TPE)filmsthatarepermeabletowatervapor,orbreathable,arefindingincreasinguseinthemedicalindustryThehigherpermeabilityofurethane-filmglovesresultsinincreasedcomfortandhandlingcomparedwithvinylorlatex.隔离服要求透气性hard-segmentresinsether-typesoft-segment聚氨酯弹性体由长链二醇、二异氰酸酯、短链二醇或二胺合成软段硬段软段和硬段发生相分离SBSStyrene-Butadiene-StyreneHardSoftThermoplasticelastomermodifiedpavinggradeasphaltbinderrehabilitation,insurfacetreatmentandaswaterproofingmembrane共混型EPDM硫化乙丙橡胶/PP聚丙烯粘度大粘度小Ques