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[资料] 橡胶弹性的影响因素

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发表于 2016-12-16 10:54:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形,而且形变可逆,这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变,又称熵弹性。高弹性------聚合物(在Tg以上)处于高弹态时所表现出的独特的力学性质,又称橡胶弹性: R! R! G* E$ z" F/ S6 W/ m
                                 2 Z5 M/ [6 ]# X# ?# Z
一、橡胶高弹性的本质原因5 w2 h  ~* N1 s- U# h- V
    高弹性的本质原因和橡胶内部的分子结构有关系的。未经硫化的橡胶呈细团状,硫化后呈渔网状。硫化胶由于各种交联方式的不同,硬度不同,交联密度不同,含胶量不同等原因,表象也不相同。交联密度高了,分子间的键会增加分子束的强度,这时当外力作用下,交联键会给分子链一定的组合保护,因为分子链的长度不同,这时短的就会先因受力过大断掉。就象几条线不同长度的线很容易扯断,但是把几条线中间结几个扣,就会受力更均匀一些,也更不易断。当然交联密度过高就会从本质上改变橡胶大分子的特性,反而会弹性下降。
! V$ @2 w, P  }" K- Q3 H* i' i' j, y; z4 W( L! z# j
二、高弹形变的特点* v& u" A$ s& q( {0 F- f! p! ]
1、形变量大,可达100%~1000%(对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1%);$ H# {0 A+ ~% u4 C/ F, j
2、弹性模量低,约10-1~10MPa(对比金属弹性模量,约104~105MPa)。     
/ o0 v7 o/ `  F/ |3、高弹形变的弹性模量与温度成正比,而金属的弹性模量随温度升高而下降。  
- F8 U3 \/ f) j9 B& j4、形变过程有热效应,绝热拉伸(快速拉伸)时,材料会放热而使自身温度升高,金属材料则相反。  # f: O- K9 N/ a3 f
5、高弹形变有力学松弛现象(高弹形变时分子运动需要时间),而金属弹性体几乎无松弛现象。
. a& n! ~1 Z% O4 G6 {高弹性的本质是熵弹性形变过程熵减,储存能量T △ S ; 自发的熵增可使形变恢复,无能量损耗。
3 V0 r3 G! k& J+ x# ]# ~$ [' L6 x* d. K1 }/ a
三、高弹性的条件:
0 U) U& c, B" i  Z* a7 S6 b7 m' B1、柔性高,高分子链的柔性是出现高弹性的根本原因。只有在室温下不易结晶的柔性高聚物,才有可能成为具有高弹性的橡胶
8 P$ u8 V* U/ K) _* ~4 D0 o/ ]& Q6 I4 [. N" R2、分子链长,分子链越长,链段数越多,分子链就越柔顺,热运动越容易;分子量越大物理结点越多,链与链之间不容易滑移,有利于提高弹性。6 S; i4 T5 |0 ]3 _3 A  C
4、轻度交联,过度的交联会限制分子的链段运动,从而降低弹性。, f2 n' A% d, e' t4 ~" h3 u

6 w3 T. L; ^0 C/ m四、橡胶弹性的影响因素:! p& Y" {+ T8 I: m  {
% I, e2 o2 u7 @. R4 d/ f
1、交联与缠结效应:
- b" x% R9 R# c2 u! [交联点密度与网链密度的关系:   
5 C9 p; E/ T1 p. G6 Y/ M交联网链间的物理缠结也是影响弹性模量的因素( a8 f% B& x# B) i" p/ |0 [6 @9 f
2、溶胀效应:溶涨度大,网链密度降低,抑制诱发结晶,模量降低。! g6 `+ ^' J2 J7 W& c
3、网链的极限生长:非高斯效应,使应力或弹性模量增加。- p( J$ T% L1 r( R1 |
4、应变诱发结晶:拉伸网链沿着拉伸方向取向,有序增加,利于结晶。模量增大。9 A1 V4 N3 k9 ^$ ~: C+ X9 F
5、填料,填料的加入可以提高模量、拉伸强度等
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 楼主| 发表于 2016-12-16 10:55:52 | 显示全部楼层
五、橡胶的其他性能6 }6 c5 J9 l- @2 Z& D' d- Q) P
$ Z/ W7 b: g, `0 f) }
橡胶除了高弹性还有其他性能指标,可以帮助我们根据橡胶制品使用要求选择相应的品种。(1)  拉伸强度,试样拉伸破坏时,原截面上单位面积所受的力(2)  扯断伸长率,试样拉伸破坏时,伸长部分与原长之比        (3)  硬度,衡量橡胶抵抗变形的能力,通常用邵氏硬度计测量(4)  撕裂强度,表征橡胶耐撕裂性的好坏
+ Q6 l7 |: g1 m3 A! I  ^, Z# j例如天然橡胶(NR)以橡胶烃(聚异戊二烯)为主,含少量蛋白质、水分、树脂酸、糖类和无机盐等。 弹性大,定伸强度高,抗撕裂性和电绝缘性优良,耐磨性和耐旱性良好,加工性佳,易于其它材料粘合,在综合性能方面优于多数合成橡胶。缺点是耐氧和耐臭氧性差,容易老化变质;耐油和耐溶剂性不好,第抗酸碱的腐蚀能力低;耐热性不高。使用温度范围:约-60℃~+80℃。 制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品。特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶-金属悬挂元件、膜片、模压制品。2 Q& A* l" P" y) z" Z$ n9 U8 |  H
顺丁橡胶(BR)是由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶。 优点是:弹性与耐磨性优良,耐老化性好,耐低温性优异,在动态负荷下发热量小,易于金属粘合。缺点是强度较低,抗撕裂性差,加工性能与自粘性差。使用温度范围:约-60℃~+100℃。 一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用,主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。
" s  |' S, ]  z丁苯橡胶(SBR)丁二烯和苯乙烯的共聚体。 性能接近天然橡胶,是目前产量最大的 通用合成橡胶,其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶,质地也较天然橡胶均匀。 缺点是:弹性较低,抗屈挠、抗撕裂性能较差;加工性能差,特别是自粘性差、生胶强度低。使用温度范围:约-50℃~+100℃。 主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。
4 I- n/ F: E8 ]5 V& m六、如何改善橡胶的耐热性和耐寒性,即扩大其使用温度的范围。) n8 f2 c" r6 ~. D- H$ ]
1 G0 F( e9 W6 F5 ~4 f+ m
在高于一定温度时,橡胶由于老化而失去弹性;在低于一定温度时,橡胶由于玻璃化而失去弹性。
( N: G3 B* \- u
6 Z: U9 _6 h7 }0 c3 U% n1、改善高温耐老化性能,提高耐热性(1)改变橡胶的主链结构1 a. N; F8 P$ }" G
5 ^# \$ X6 Q% H3 L# ^# j6 ^, _
(a)主链不含双键;
" E  @- |4 x% h8 I. i8 V(b)主链上含双键较少的丁基橡胶(异丁烯与异戊二烯);" a' n9 L6 a# _
(c)主链上含S原子的聚硫橡胶;
+ P  U: b$ o6 Q  y( E0 x(d)主链上含有O原子的聚醚橡胶;% P& M4 [5 x  L' s5 M- e
(e)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶;
# }( q/ I5 N+ V( f. d( }  d: C. ?
(2)改变取代基结构
. V4 z  u7 n2 j9 E
: E* j: |7 W( Y- Q3 [7 b& I1 w*带有供电子取代基的橡胶易氧化:天然橡胶、丁苯橡胶
: ^. v2 T/ u! w4 y2 E*带有吸电子取代基的橡胶不易氧化:氯丁橡胶、氟橡胶
' M7 a* C7 V! X8 b' S% m3 z
7 k! a" n# g2 T, h3 A4 o2 b(3)改变交联链的结构% G9 E8 w+ F, C( [

, `1 l& |, G& d! y& q# [) I% K原则:含硫少的交联链键能较大,耐热性好,如果交联键是C-C或C-O,键能更大,耐热性更好。(氯丁橡胶用ZnO硫化交联键为-C-O-C-,天然橡胶用过氧化物或辐射交联,交联键为-C-C-)6 p2 C# k7 u7 v8 @( x

& h+ l+ I4 P+ N$ W2 X' f8 |. I2、降低玻璃化温度,改善耐寒性( E: G3 E8 O+ C3 t

* f' E% b' \' f, h* H" y任何增加分子链的活动性,削弱分子间相互作用的措施都会使玻璃化温度下降,
5 @: K0 }0 N! L任何降低聚合物结晶能力和结晶速度的措施均会增加聚合物的弹性,提高耐寒性(因为结晶就是高分子链或链段规整排列,它会大大增加分子间相互作用力,使聚合物强度增加,弹性下降)
8 @5 g+ ]& R; A8 _% G9 Z+ u
9 v$ M7 p# g* x加增塑剂:削弱分子间作用力) u9 @$ [" s& N4 x  A3 e

0 S& v8 D' `+ O, \8 h9 V+ i3 k如氯丁胶Tg-45℃,加葵二酸二丁酯 Tg(-80℃)可使其的 Tg-62℃;
9 p: t# ?# K) m; H! B# Y& C9 J9 m/ _如用磷酸三甲酚酯(-64℃)可使其Tg-57℃。9 q+ X: p& N' p  F" K- K
可见增塑效果不仅与增塑剂结构有关,还与它本身Tg有关,增塑剂的越低,则增塑聚合物的也越低。8 l3 k% y+ F8 T$ q* f( p( y) S/ M
; S/ ^( S0 X0 n7 C
(2)共聚; v, J7 B& K, s& f
+ R( j, {6 A( t% v7 p
聚苯乙烯有大的侧基,所以主链内旋转难,较刚性, Tg高于室温,但共聚后的丁苯橡胶为-53℃,聚丙烯晴有极性,所以主链内旋转难,较刚性,Tg高于室温,用丁二烯与丙烯晴共聚后的丁睛橡胶为-42℃, G$ \8 t9 b! H2 O+ Q- P# t
5 M% \+ I& B. F0 a/ T# K# n$ K% F$ Z
(3)降低聚合物结晶能力4 L2 [: t3 ^" r: `) q
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线型聚乙烯分子链很柔,Tg很低,但由于规整度高,所以结晶,聚乙烯难以当橡胶用,引入体积较小的非极性取代基甲基来破坏其聚乙烯分子链的规整性,从而破坏其结晶性,这就是乙烯与丙烯共聚橡胶Tg =-60℃。2 h* Q! Q2 s2 U1 }# T# `' p
通过破坏链的规整性来降低聚合物结晶能力,改善了弹性但副作用是有损于强度。
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发表于 2016-12-16 11:48:29 | 显示全部楼层
好东西,好分享。。。
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发表于 2016-12-16 12:17:44 | 显示全部楼层
:)
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发表于 2016-12-16 15:43:41 | 显示全部楼层
学习学习。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
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发表于 2017-1-6 10:25:50 | 显示全部楼层
谢谢分享
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发表于 2017-2-16 15:03:05 | 显示全部楼层
好文章。! z  i) z! x) N' Y8 e2 F! u; j

  E" }1 t$ V/ Y! K; k4 J) l4 S感谢分享。
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