橡膠高彈性課件

1一、橡膠高彈性（RubberElasticity

）的特點（掌握）二、橡膠高彈性的本質（掌握通過熱力學分析）三、統(tǒng)計方法得到的橡膠狀態(tài)方程。（了解）五、溶脹效應（了解）通過本章的學習，可以全面理解和掌握橡膠彈性產生的原因、條件及特點，建立和使用橡膠狀態(tài)方程，指導橡膠的使用和加工

。

四、橡膠和熱塑性彈性體結構與性能關系（熟習）1一、橡膠高彈性（RubberElasticity）的12Thedefinitionofrubber施加外力時發(fā)生大的形變，外力除去后可以回復的彈性材料橡膠、塑料、生物高分子在Tg~Tf間都可表現出一定的高彈性高分子材料力學性能的最大特點高彈性粘彈性2Thedefinitionofrubber施加外力時23本講內容：

描述力學行為的基本物理量應力與應變模量與泊松比一、形變的類型及描述力學行為的基本的物理量：3本講內容：一、形變的類型及描述力學行為的基本的物理量：34應變：當材料受到外力作用，幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化叫應變。應力：材料單位面積上的附加內力叫應力。附加內力：材料發(fā)生宏觀的變形時，其內部分子間及分子內各原子間的相對位置和距離發(fā)生變化使原來的引力平衡被破壞，因而產生恢復平衡的力。應變按照受力方式的不同可以分為三種：張應變，切應變，體應變4應變：當材料受到外力作用，幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化45簡單剪切Shear本體壓縮（或本體膨脹）基本的形變形狀改變而體積不變體積改變而形狀不變拉伸Tensile單軸拉伸Uniaxialelongation雙軸拉伸biaxialelongation等軸非等軸簡單拉伸5簡單剪切Shear本體壓縮（或本體膨脹）基本的形變形狀改變56(1)簡單拉伸l0FFl=l0+DlA0FFA應變應力真應變真應力圖16(1)簡單拉伸l0FFl=l0+DlA0FFA應67FFA0qdSA0剪切角剪切位移切應變切應力(2)簡單剪切圖27FFA0qdSA0剪切角剪切位移切應變切應力(2)簡單剪78(3)均勻壓縮-流體靜壓力的作用V0PV0

-DV均勻壓縮應變體積模量圖38(3)均勻壓縮-流體靜壓力的作用V0PV0-DV均勻89（4）三種彈性模量間的關系彈性模量是表征材料抵抗變形能力的大小,其值的大小等于發(fā)生單位應變時的應力各向同性材料:

Poisson’sratio泊松比泊松比:在拉伸實驗中，材料橫向應變與縱向應變之比值的負數圖49（4）三種彈性模量間的關系彈性模量是表征材料抵抗變形能力的910表1常見材料的泊松比泊松比數值解釋0.5不可壓縮或拉伸中無體積變化0.0沒有橫向收縮0.49~0.499橡膠的典型數值0.20~0.40塑料的典型數值10表1常見材料的泊松比泊松比數值解釋0.5不可10111.彈性形變大

可達1000％，金屬<1％

為什么橡膠的形變是一種高彈形變？1）它是由線形的長鏈分子組成蜷曲狀態(tài)伸展狀態(tài)外力2）鏈柔性好，分子間吸引力小，即分子間的約束力小，受力時分子鏈就易變形二、橡膠高彈性的特點111.彈性形變大可達1000％，金屬<1％為什么橡膠的1112例如：鋼鐵：1.96109N/m2PS：0.25108N/m2NR:

0.2~1104N/m2E=/－－應力－－形變彈性模量是指單位形變所需要的應力。抵抗外力產生形變的能力E隨著溫度升高而增大，而金屬材料的E則相反

2.彈性模量小，E很小12例如：E=/E隨著溫度升高而增大，而金屬材料的E則相12133.形變需要時間－力學松弛特性：鏈段的運動需要克服分子間的內摩擦力，達到平衡位置需要一定的時間。4.形變時伴隨著熱效應，橡膠急速拉伸時伴隨著熱效應，并且隨著伸長率的增加而增加。5.泊松比較大，＝0.49，接近液體，拉伸時體積保持不變。6.未交聯(lián)的橡膠發(fā)生的是不可逆的形變。問題：以分子運動的觀點解釋橡膠具有高彈性的原因133.形變需要時間－力學松弛特性：4.形變時伴隨著熱效應，1314橡膠的彈性理論的發(fā)展分為三步：第一步：對rubber的彈性進行熱力學分析，得出高彈性的本質第二步：用統(tǒng)計法定量的計算分子鏈的末端距和熵，從而對分子的彈性做出完整的解釋第三步：把孤立的分子鏈性質用于交聯(lián)網的結構體系中，用定量法描述rubber的高彈性三.橡膠彈性的熱力學分析Thermodynamicalanalysisofrubberelasticity14橡膠的彈性理論的發(fā)展分為三步：三.橡膠彈性的熱力學分析1415形變平衡態(tài)——可逆形變。橡膠的高彈形變，可用熱力學第一定律和第二定律進行分析非平衡態(tài)——松弛過程形變15形變平衡態(tài)——可逆形變。橡膠的高彈形變，可用熱力學第一定1516161617結論是否正確呢?靠實驗來驗證.后部分不能直接測定需作一變換.普彈性高彈性17結論是否正確呢?靠實驗來驗證.后部分不能直接測定需作一1718181819橡膠熱力學狀態(tài)方程該式的物理意義:當l和V保持不變時,外力(張應力)隨著溫度的變化。

如將橡膠試片等溫拉伸到某一定長度,測定不同溫度下的張力,那么以張力對T作圖,在形變不太大的時得到不同拉伸比的直線.直線的斜率為解釋現象19橡膠熱力學該式的物理意義:當l和V保持不變時,外力(張應19203.04.05.06.0f/9.8104Pa=1.42=1.65=1.87=2.05圖5天然橡膠在不同拉伸比下的張力-溫度關系300320340TK203.04.05.06.0f/9.8104Pa=1.42021由圖可得到如下的結果:(1)不同拉伸比的直線的斜率并不相同,拉伸比增大時,斜率也增大.表明形變增大時,張力的溫度敏感性變大.同時由于所以在形變增大時,單位長度增加所引起的熵下降也變大.(2)不同拉伸比所得到的直線外推至0K時,截距幾乎都為0.21由圖可得到如下的結果:所以在形變增大時,單位長度增加所引2122由(8)得到的結論:橡膠在T和V不變的情況下,伸長或者回縮不會引起內能的變化,只會引起熵值的改變.只能對理想橡膠成立,因為其泊松比接近0.50,所以形變時體積變化很小,恒V困難,只是在恒P條件下,并且直線是在拉伸比一定的條件下測得,,然而試片的起始長度隨著T變化而變化,所以真要拉伸比恒定就要修正l.22由(8)得到的結論:只能對理想橡膠成立,因為其泊松比接近2223這就是說在外力作用下，橡膠的分子鏈由原來的蜷曲狀態(tài)（S1）變?yōu)樯煺範顟B(tài)（S2），熵值由大變小△S＝S1－S2>0說明形變終態(tài)是個不穩(wěn)定的體系，當外力除去后，就會自發(fā)的回復到初態(tài)，這說明為什么橡膠的高彈形變可恢復。同時說明高彈性主要是由橡膠內熵的貢獻——高彈性的本質是熵彈性氣體彈性的本質也是熵彈性23這就是說在外力作用下，橡膠的分子鏈由原來的蜷曲狀態(tài)（S12324（3）在拉伸的過程中，內能不變，在V不變下

-fdl=TdS=dQ當拉伸時dl>0，

dQ<0體系是放熱當壓縮時dl<0，f<0，dQ<0放熱

過程進行的快,體系來不及與外界進行熱交換,拉伸功使橡膠升溫.（4）E?。盒巫兇?，應力小，因熵的變化是通過構象的重排實現的，克服的是次價力。24（3）在拉伸的過程中，內能不變，在V不變下過程2425熱力學分析小結橡膠的熱力學方程橡膠彈性是熵彈性,回彈動力是熵增.橡膠在拉伸過程中放出熱量,回縮時吸收熱量.25熱力學分析小結橡膠的熱力學方程橡膠彈性是熵彈性,回彈動2526材料之所以呈現高彈性，是由于鏈段運動能比較迅速的適應所受外力而改變分子鏈的構象。這就要求鏈在常溫下能夠充分顯示出柔性那么，結論：柔性很好的鏈，必定會形成高彈性的材料？Conclution：在常溫下不易結晶的由柔性分子鏈組成的聚合物才具有高彈性四、高彈性和分子鏈結構的關系

26材料之所以呈現高彈性，是由于鏈段運動能比較迅速的適應所受26271、改善高溫耐老化性，提高耐熱性：在高溫下很快發(fā)生臭氧龜裂、氧化裂解、交聯(lián)或其他物理因素的破壞，很少在120℃以上保持其物理性能五、橡膠的使用溫度范圍271、改善高溫耐老化性，提高耐熱性：五、橡膠的使用溫度范圍2728措施Eg：乙丙橡膠、AN－丙烯酸酯橡膠、丁基橡膠遠優(yōu)于NR、SBR改變橡膠的主鏈結構改變取代基的結構氟橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠、NR和SBR

改變交聯(lián)的結構28措施Eg：乙丙橡膠、AN－丙烯酸酯橡膠、丁基橡膠遠優(yōu)于N28292、降低Tg，避免結晶，改善耐寒性表2292、降低Tg，避免結晶，改善耐寒性表22930三元乙丙是乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物。二烯烴具有特殊的結構，只有兩鍵之一的才能共聚，不飽和的雙鍵主要是作為交鏈處。另一個不飽和的不會成為聚合物主鏈，只會成為邊側鏈。三元乙丙的主要聚合物鏈是完全飽和的。這個特性使得三元乙丙可以抵抗熱，光，氧氣，尤其是臭氧。三元乙丙本質上是無極性的，對極性溶液和化學物具有抗性，吸水率低，具有良好的絕緣特性。在所有橡膠當中，EPDM具有最低的比重。它能吸收大量的填料和油而影響特性不大。因此可以制作成本低廉的橡膠化合物。30三元乙丙是乙烯、丙烯和非共軛二烯烴的三元共聚物。二烯烴具3031六熱塑性彈性體

Thermoplasticelastomer-TPE交聯(lián)為彈性體（橡膠）具有高彈性的條件之一，如果交聯(lián)點為物理交聯(lián)，則形成熱塑彈性體。兼有橡膠和塑料兩者的特性，在常溫下顯示高彈，高溫下又能塑化成型。生產方法聚合方法-嵌段共聚物，TPE機械共混法-共混物Ethylenepropylenerubber/PP31六熱塑性彈性體

Thermoplasticelas3132共混型TPEEPDM硫化乙丙橡膠/PP聚丙烯圖732共混型TPEEPDM硫化乙丙橡膠/PP聚丙烯圖73233聚氨酯彈性體由長鏈二醇、二異氰酸酯、短鏈二醇或二胺合成軟段硬段軟段和硬段發(fā)生微相分離33聚氨酯彈性體由長鏈二醇、二異氰酸酯、短鏈二醇或二胺合成軟3334思考題1.根據已知的結構與性能的關系的知識,寫出8種以上可用作rubber的polymer實例及其制備的單體和聚合方法.2.在乙丙橡膠的制備中常加入一定量的丙烯酸酯與之共聚,用意何在?34思考題1.根據已知的結構與性能的關系的知識,寫出8種以上3435

乙烯丙烯酸甲酯橡膠AEM/Vamac具有良好的耐熱性和耐候性，具有良好的耐熱－耐油平衡性。它主要用于汽車部件，如軸密封、冷卻劑和動力操作管、高溫火花塞保護罩、自動波紋管的恒速連接器等；也可用于電線電纜，如制作引火線護套等。35乙烯丙烯酸甲酯橡膠AEM/Vamac具有良3536解：前者是無規(guī)共聚物，丙烯上的甲基在分子鏈上是無規(guī)排列的，這樣在晶格中難以堆砌整齊，所以得到一個無定形的橡膠狀的透明聚合物。后者是乙烯和有規(guī)立構聚丙烯的嵌段共聚物，乙烯的長嵌段堆砌入聚乙烯晶格，而丙烯嵌段堆砌入聚丙烯晶格。由于能結晶從而是硬而韌的塑料，且不透明。3.兩種組成基本相同的乙烯-丙稀共聚物,一種適于rubber,而另一種適于plastics.推測其原因,如何驗證你的推測?36解：前者是無規(guī)共聚物，丙烯上的甲基在分子鏈上是無規(guī)排列的36374、不受外力作用，橡皮筋受熱伸長；在恒定外力作用下，受熱收縮，試用高彈性熱力學理論解釋解：（1）不受外力作用，橡皮筋受熱伸長是由于正常的熱膨脹現象，本質是分子的熱運動。（2）恒定外力下，受熱收縮。分子鏈被伸長后傾向于收縮卷曲，加熱有利于分子運動，從而利于收縮。其彈性主要是由熵變引起的，