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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" j" g+ z( m  Z7 c; m8 w  ]
                                 
3 U, M2 E: W, i! R" q+ Z) W一、橡胶高弹性的本质原因
8 @' O. p0 v, V* |: R    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。
  S/ B4 \- o, m' F
2 }. o7 Y) a' ^9 B二、高弹形变的特点
9 S4 O4 f+ m3 }+ r9 q0 p0 B* M1、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%);
& `) R: D2 j3 ?2 H$ p' a$ K' o- o- S2、弹性模量低,约10-1~10MPa(对比金属弹性模量,约104~105MPa)。     : x. C) j; X6 {4 T( M) n
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。  : [* Q' v8 c/ z. H# J1 B6 n# U# ^
4、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。  4 A  p2 t# b8 b2 m- d  S# s4 S2 ~
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。
5 T$ z/ q0 s& @' j" n+ W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。$ S5 A* e% I/ a: }
! D( b6 g* F' F# q8 J/ ?
三、高弹性的条件:
, d- f8 V( ?& G1、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
! g. O# c7 u8 t/ J' Q! N, y1 T2、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。* l$ v. L+ M' |, q2 h; A
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。( h8 O2 g* g) h& g* i9 m  [
4 \( b# `( f( r5 ?5 e
四、橡胶弹性的影响因素:
& R4 M( c) q" E- \& y8 @1 t* _1 e
1、交联与缠结效应:
5 b# i8 M5 J4 B# b: \$ i交联点密度与网链密度的关系:   , C$ B6 `! Z" B+ i2 w: P1 Y' d% z
交联网链间的物理缠结也是影响弹性模量的因素
$ w1 ^; J1 O8 F1 c$ H4 H7 p2、溶胀效应:溶涨度大,网链密度降低,抑制诱发结晶,模量降低。
; x6 h# t* U' @4 y. o4 m3、网链的极限生长:非高斯效应,使应力或弹性模量增加。
% R+ p- b5 w; C4、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。; i1 k7 z. f8 ~
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
8 T$ }0 i1 o) P' m
2 J- X5 x- e% x5 w' M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
1 R6 ^' Y. }  V5 h( Q) M$ I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。
+ @: z, F  R8 W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。* Y8 M1 M+ c& |# e9 b8 b
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。- ?# M' b5 ?; G: ^+ @7 D/ C$ c
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。
  @$ k; X; t# U; Q" Q5 t9 D# J4 C0 |3 V( |4 u
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。
( ]4 X' e3 t* J+ v* c; ^8 {. d" o9 Q( L7 o# p: |. a) I
1、改善高温耐老化性能,提高耐热性(1)改变橡胶的主链结构
+ ]" H# N: I. U5 |; n/ m0 S0 t6 d, ?% K/ r
(a)主链不含双键;' c1 z! C6 L/ K3 b1 \  @
(b)主链上含双键较少的丁基橡胶(异丁烯与异戊二烯);4 O/ [! Y% }% d
(c)主链上含S原子的聚硫橡胶;+ \: m* ]4 l2 y1 J
(d)主链上含有O原子的聚醚橡胶;
' m# m9 U4 k2 g9 L" }0 v(e)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶;! a0 `- ]0 N6 ~

2 v1 d3 a1 b. \1 O; W1 B(2)改变取代基结构  s$ @0 ]& F- b+ Y3 W& M2 D  A0 v
" c5 C: A! w8 ^& `$ N$ D5 q
*带有供电子取代基的橡胶易氧化:天然橡胶、丁苯橡胶
' B# U, W( b+ I* J- Q*带有吸电子取代基的橡胶不易氧化:氯丁橡胶、氟橡胶4 F( r7 {9 q. {8 D" F
/ O4 z" M  L# z3 E( N$ X$ \
(3)改变交联链的结构
3 Q* |* Y6 z4 d. f* b  N. l& x4 x* b& X8 a* O
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-)# [; L  o& S  T* O: L
6 \/ @2 x' v0 ?2 q9 r( N- k
2、降低玻璃化温度,改善耐寒性
. [, ~( \% t+ I3 B  Q; A  L3 G8 M
9 J" w2 c8 }0 W9 h9 u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,9 b) W/ U( S; i/ ~2 C6 B
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)
( y/ i2 N" K+ O# S% z0 X6 T+ E) M" ?  ]* v/ u9 {9 _
加增塑剂:削弱分子间作用力0 ~, c$ ~; n9 d, x" Y
0 ?8 r% c: }2 ~+ s0 n
如氯丁胶Tg-45℃,加葵二酸二丁酯 Tg(-80℃)可使其的 Tg-62℃;
% j2 T% h2 Q. l% G8 ^# i- ]如用磷酸三甲酚酯(-64℃)可使其Tg-57℃。9 U3 b: i$ }0 I
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。
0 z" _% v! Z' q2 \; j: }6 ^9 p) W" W. [
(2)共聚4 t% T8 }* _9 t/ Z& k- p
1 b' K" {  w, W  c- P* o8 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℃
; F( [7 C2 |1 a# {( p$ r6 x+ V: h+ {9 f: c" N/ d' G$ x
(3)降低聚合物结晶能力( a5 H& D+ d& H& K8 V

. k* y: ]2 Z; B( o/ W  k( J5 |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℃。
8 a- s  ~4 O/ T. F/ H2 C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。
: ~* v& u  A6 Z3 r9 q- R* {% T; U" V% f* A7 _
感谢分享。
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