广东工业大学：《高分子物理》课程教学资源（课件讲稿）第六章 橡胶弹性

引言 第六章 橡胶高弹性 ed'o 4 故称平台 金小边 引言 引言 CHRISTOPHER COLUN以IS 天然橡胶 需伦布(1451-1506 橡胶的种类 合成豫腔 属山生 Hancock.Tire THE DEFINITION OF RUBBER 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称为橡胶 ★ Rubber is a polymer which exhibits erties.ie.a material which can be stretched to se isoniginale without bre king and 高弹性的本质 美国材料协会标准(ASTM-AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS) 规定： 高引修，在外力韩用下，提分子 件下具有10的1的杨氏顺量者称为榨敢。 国4生

檬胶的分类： ·氯丁檬胶(CR)1氧丁二烯乳液聚合而得。物理力学 ·天然橡数：丹成烯啊式1.4恒成站梅，T72℃，第 性能良好，耐热。耐臭氧氧化，耐燃、时油，粘合性 性良好， 良好，气密性良好，Tg为40℃，绝绿性差，低结 异说橡（合成天檬数）： 品，加工对温度感。贮存易变断， ·丁苯橡脑(SB:比无然拉有良好的静性，附透气性， ·丁睛模较(NBR):曹授性不胞和橡胶，耐油性好 弹胜，耐车性。制撕影性装，影油性，和耐非极性溶剂差 财热性优于天然和丁装取，时性提高。气密性良好 附化学宿镇性优于天然取。极性基街导致弹性，附寒 ·顺檬B:丁二稀聚合产物比天较弹性好 性、财区挠性，抗撕裂性差，耐寒性比通用像胶均至 T9女1O5c,耐暗社乐，非楼鞋控胶柔鞋，时法，附溶 电治缘性最差，耐老化性差，加工性捷差。成本高于 刻性差， 氨丁胶。 国材中 鱼3 ·丁甚煤胶(R):异丁箱和少量异成二输共条合而得 结品性非极性橡胶。气密性好，耐热性，附候性，鞋 均成穆胶弹性体的三个必要条件： 化学腐性良好，电缘良好，震件良好，拉伸 强度较高：硫化速度漫，加工型差，常温弹性低。附 ()必须由长链聚合物构减 油性差，的化改性 乙丙胶(EP闭：非品饱和非级性橡。附老化性 )聚合物链必须具有高度柔性 电纶楼性好于丁基像胶，弹性和附寒忙接近于天然橡 胶，时油性差，硫化速度慢，自粘性和互桔性差。 3)聚合物醚色演为交联网络-适度之联 ·硅橡胶、氟榨胶、紧氨、氧感橡胶、紧统橡胶 丙胡酸醛橡酸 @山中 属1u1 都胶态的廉合物是否神足作为缘胶的条件？1 绿腔的条件，长能、柔性、近直交联， 3)交联点何在？？ 0 维结点 菲结点受聚合物分子量和置度的限制1】【I 醉a 编结点？？？？？？ )娘鲸桌为州金只前在一定的温度忘调内同制分于随的滑等才 3)整前信为什么只能在一定的时间忘调内限制分于使的滑落7 懂胶态的本质？？？？？？ 4)不调构的聚合将的橡胶态温度与时饲圆南得不同？ 5)不同册子量的聚合物的橡收老范围有何不调7 6)时胶的运粉特征和~水久橡胶有何不调7

时弹性体—绿胶态（高弹态） 橡胶（弹性体）的特点： 。尺寸稳定，小形变时，弹性响应符合胡克定律一 小分子物质三态：因态、液志和气春 一类似圆体： 高分子物质？？态：固态、液态一内票能 热彬张系数和等温压缩系数与液体具有相同的数 量级一一其分子间作用力与液体相似： 无定形低案物：玻璃态、粘流态—无高弹老 形变的应力随温度升高面增加—一与气体的压强 无走形高聚物：玻璃态、橡胶态、粘流老 灿温度升高面增加有类似性： @山进 金小边 橡脱材科特性究意是属于圆体，液体还是气体？ 高弹性的主要特征一箱弹性的特点 1)可逆形变可高达1000%，金属为水1% 2》弹性模量仅I0-sNM,全属却高达10心1NME 3)弹性模量随温度升高海增加，金属却相反 形空的应力 块热拉伸度升高。国缩时面度降低。而金 倒121 。弹性形变量大且是可逆的 弹性模量小且随度升 高而增大 ☐拉伸 E=g/A 回缩 形变只有原试样的1 橡胶高弹模量 金属的弹性材料的 胶的高弹形变高 模量可达 约为105N/m 达1000 101a1N/m 燥腔弹性慎露弟溶度开高而增大 。形支有热效应 橡胶伸长率和伸长热的关系 长 国4生

高弹与督弹性的视不区别 熱效应顺因 撩胶仲长变形时，分子链段由混乱排列 高弹：大分子链段运动，与时 变成比较规律，此财情减少：同时，由于分 间有关。其内能几乎不变，主 子间的内唐黎力面产生热重；另外，由于分 要由构象熵变化引起。 子规期摔列而发生结晶，在结品过程中也会 放出热量。由于上迷三种原因，使橡胶拉仲 普弹：分子键长、键角变化 时戒出热量，而金属材料在快速拉仲时（绝 与时间几乎无关，主要由内 热过程)正好祖反，其温度减小 能变化引起。 国材进 鱼过 世间万璃可分为因体：液体，气体，西障较的特路之 橡胶弹性的本质：篇弹性 熵弹性 n 由于高聚物特有的分子链柔性流成了橡 胶、 三者兼顾的特性 属 衡u 橡胶弹性的本质 未施加任何力的作用，颜豪分子幕里球形，原因 高弹性是由篇变引起的，在外力作用下， 1)款任何液体而喜，是表面能最低的形状 橡胶分子链由参曲状态变为伸展状态，篇武 2)对长链分子而言，是炼最大的形状，具有最大的 小，当外力移去后，由于热运动，分子链自 构数。 发地趋向熵增大的状态，分予链由伸展再回 复卷曲状态，因而形变可逆。 聚合物呈无烧线团状 面时 衡中 弹性：形变可恢复的性质 能弹性的特点 能弹性 1)应力和应变之保持单值、曜一的关系，与加载 路径无关，符合虎克定律，可称能弹性材料为克 弹性体： 熵弹性 2)弹性形变与时向无关，即弹性形变是新时达到的： 3)弹性变形量小，一般在0.1%1%之问： 4)弹性模量较大，可达10Pa: 5)绝热钟长时变冷（吸热），屏复时放热

能弹性 嫡弹性的特点（与能弹性相反） 品体材料变形时，原处于平衡结点上的原子沿 1)应力和应变之向不保特单值、啡一的关系，与加 应力方向伸长，原子何的引力加大，内能增加。载 路径有关： 荷去除后内能自发减小的过程将使变形何复。由于 2》弹性形变与时何有关，即弹性形变不是瓣时达到的： 品体材料变形时微观有序度基本不变，则销值基本 3》弹性形量大 -般在100%1000%之间： 不变。 4)弹性模量较小， 5》绝热但长时变热（版热），国复时吸热 国过 国中 直环生的姓去 本章的教学内容、要求和目的 妇山高分子材料具有所有材料中宽腾需宽的力学性候 救学内容 )橡胶弹性的特点 2漆胶性热力学分析 名0： 3)棒胶状态方程。 重点及要蒙： 3)高物力修性能树时具有高弹性和性 经小怡方林用下可发生报大尚可隐零毛经盘地 路经垫被本来棉爱得：金受和损穷 触高茶不保供物体 程，指导橡胶的使用和加工， 使暗酒然大的变。外力 橡胶高弹性 iw21 当外力除去后，高弹形变逐渐复 像胶高弹性的本质：熵弹性 橡胶弹性是由棒变引起的，在外力作用下，橡股 分子链由卷曲状态变为伸展状态，滴减小，当外 具有檬股弹性的条件：长足够柔性交联 态餐整：分子由#凝甜灵8面状器，响向图 力移表后，由于热运动，分子徒白发地趋向增 柔性很好的陆。必定会形成高弹性的材料？ 气体弹性的本质也是楠弹性。 不结品的由柔性子链组 聚高不

橡胶高弹性的特点 1)弹性量(E)餐小且随度的开高而增大 (1)弹性形变大，可达1000%，金展~1% E百想 为什么植胶的形瘦是一种高弹形变？ 剑包， 师候。1.960N ▣一一良力 )它是由线形的长分子细成 ,曲状态一 NR:02-1x10N/m 没提男表征抵微外为产业唇 2)前柔性好，分于间吸明力小，受力时增于能晶变形 产雨提大 的能丹高、佳境运动加，回缩力大，长抗支形 @:y 6.1形变及表控力学能的本物理量 风 应变：当材料受到外力作用时材料的几何形状和尺 寸将发生变化，这种变化就称为应变(atrain)。 (4)形变需要时问一力学松老特 提莞被图分子风的内家蜂九：益不虹 恋动：拉面我上的加肉力保力》移为应力 附相内力：材料发生现变形时，其内部分子何及分 来安联的檬乾发生的是不可迎的形变 子内各源子阿的相对位置和距离发生变化使原来的 力平衡拔破环，因而产生族复平衡的力。 国 受力方式与形变类型 单轴拉伸黄单量律 基 双轴拉伸 等 简单剪切 微醉餐安面体 深变面形 She2r言 E(Pa) Shear stress 前物应市 Copper 12x 10m Polystyrene 3×10 y=tan Sott rubber 2×104 I Pa-IN/m-10 dynevemt 1.82-kgdicm: 金2

6.1.2 Poisson's Ratio泊松比 Compression 历rpresare - al [Puisson's e 品 婴 6.1.3 Viscosi驰y粘度 Relutionships Between E.G.B,and v Sheastress E=3B1-2y)=201+vG Shear strain For elastomer,0.5 算流求 Shear rate dy E=3G 文其率 Newton's law r=ny Melt viscosi0 1hs-10 poise(泊) 6.2橡胶弹性的热力学分析 6.14 Complex modulus复数模量 E”=+E" I-h+dl E-E /-Original length l-extended length tan loss tangent “tan 氧物确是材，便耗要手 了-tensile force p所处大气压一体积变化 Similar definitions hold forG. and other me ha @ 热力学第一定律First lw of thermodynamics dU=TdS-Pdvtidl 橡胶在等温拉伸中体积不变，即一0 du=50 8w f✉f al energy变化 FW脚聚功 对求偏导 四拉侮功 δw=PdV-f 内能变化 变化 热力学第二定律6Q=TdS 偷生

一吉布斯密数 G=H-TS dG=Vdp-SdT+fdl H力系统的塘是一种格力学通激，对任何属能， )恒温恒压，ie.TP不变.T=dP-0 H-U+PV◆G=U-PV.TS dG=dU+PdV+VdP-TdS-SdT G=a. dU =TdS-Pav+fdl 2恒压恒长，ieR不变，P-W-0 dG=VdP-SdT+fdl Discussion )- f-T Curve ),合，等 直线 了 外糖应力糖雪度升高奇增大 带华麻条 + 推到T时， 橡胶的热力学方程 橡胶弹性是痛弹性，回弹动力是策增 )》,》 俊胶拉伸过0热礼产fds-paV+仙=0 dΨ=0 fdll=-Tas 6Q=Tds 由熵弹性可解释高弹形变特点： -δQ=fll 卧、形度大路. 拉伸d>0,500>0 回缩吸热 实验江明，第脂条件下橡废拉停500%时，温度可升高10 (4)热效应 热力学分析小结 一拉仲力对遵的线 -】 -留 T 施对零度T水 操胶弹性是喃弹性，回弹动力是嫡增 dU自0 ,橡酸在拉伸过程中放热，同馏时吸格 各直线外推到0时 几乎都通过坐标的原点 伸长率小于10%

Thermo-elastic Inversion热弹装变 Intemal Energy Effects内能的贡 + 正值，该利 41- Thermoelastic behavior of various polymers 周. Polyer (dU dl)v=0 a12 - a17 cis-Polybutadiene Q10 外力作用引起摘度：上部 Polyethytene -041 ,橡胶弹性是销弹性 -016 可弹动力是销增 015 五.3橡胶弹性的统计理论 等等容条#一骨信》 dU =Tds Pay'ifal dy=0 dU=0 热力学分析一热力学倒数的兜化得出老观特理量的关系 -一TS=-0 统计理论一现瓷列实鞋饰佰的比量积 恒温可逆时：d视-1dS 拉伸d0dS0回缩吸热 解释像胶拉伸时放热，回缩时吸热 倒 虎十论的内荐 、樟胶状态方程相似模型 理想气体状态方程：VnRT 出日 分子运动机理 橡胶高弹性的本 虎克弹性体代态力程：。=E 1--0 无规线困的伸展 精弹性 橡胶弹性体状态方程：G-XXXE (构象统计理论 拉伸过程中应力和应变的关产过 国4生

基本思路 撞报火老方程一形变过程中应力知应变的关系 。一个和立的柔性高分子进的构象数一一5 。一个网络链的构象转一整个交联网形变别 律胶状志方覆 的构象嫡（包含了分子尺寸末端距） 。=Nr以-是 a△F-△U-T△S体系自由能的变化 △下体系自由能的变化由外界做功引起 u 檬胶状老方程 建立应力应变关系一檬胶状志方相 06- 橡度状迹方覆 国材进 鱼过 1,单个致形全性分子链的均单娟 对花立不性高处子链，等效白由端合战即高新 由于链的构象数Q和几率密度成比例，根据 链处，白2个长 lt2nnn定理； 另出现在坐标 S=knQ卡是Bmm9意数 的几率为 一个立柔性高分子链的构象崎为， 了=C-k0'(x2+y2+)C-常数 B=3/0ch) :链段数目，b链段长度 w红=xg 国材 输u1 2理地经骤料塔植正存冉象道 伤射形变 采用理想的仿射网路模型”，该模型须回时 满足下列a个条件： ①每个交联点由4个坡此连接的链段构减 ②两交联点间的能为高斯链 ③交联网络的构象总数是所有单个链段构象数的乘积 ④形变为传射形变 ⑧技梓这程中体积不变 面3过 ®e1 设：主长比率名列 a 形变前，任 形变后，a,或，】 形变前构像填S.=C-k好(x+少+z) 形变后构象梅S=C-胡（店x+y+) AS-S-S