第六章 橡膠彈性課件

1、第六章第六章 橡膠彈性橡膠彈性橡膠可分為橡膠可分為天然橡膠天然橡膠和和合成橡膠合成橡膠。 天然橡膠其化學組成是天然橡膠其化學組成是聚異戊二烯聚異戊二烯有有順式順式與與反式反式兩種構型，它們兩種構型，它們的結構簡式分別為：的結構簡式分別為：CH2CCCH2HCH3n順式順式 CH2CCCH3HCH2n反式反式 橡 膠1.1.天然橡膠天然橡膠（1）分子鏈的）分子鏈的柔順性柔順性較好較好 （2）分子鏈間僅有較）分子鏈間僅有較弱弱的作用力的作用力 （3）分子鏈中一般含有容易進行）分子鏈中一般含有容易進行交聯(lián)交聯(lián)的基團（如含不飽和雙鍵）的基團（如含不飽和雙鍵） 人們仿造天然橡膠的結構，合成了各種各樣的合

2、成橡膠。合成人們仿造天然橡膠的結構，合成了各種各樣的合成橡膠。合成橡膠在某些性能上往往優(yōu)于天然橡膠，例如耐磨、耐油、耐寒橡膠在某些性能上往往優(yōu)于天然橡膠，例如耐磨、耐油、耐寒等方面。等方面。 2. 合成橡膠合成橡膠下面列舉幾種常見的合成橡膠的性能及用途。下面列舉幾種常見的合成橡膠的性能及用途。 順式順式-1,4-1,4-聚異戊二烯聚異戊二烯適合做橡膠，其分子結構具有三個特點：適合做橡膠，其分子結構具有三個特點： 性能：性能：耐水，耐老化性能，特別是耐磨性和氣密性好。缺點是不耐耐水，耐老化性能，特別是耐磨性和氣密性好。缺點是不耐油和有機溶劑，抗撕強度小油和有機溶劑，抗撕強度小 結構式結構式: :

3、用途：用途：為合成橡膠中最大的品種（約占為合成橡膠中最大的品種（約占50%50%），廣泛用于制造汽車輪），廣泛用于制造汽車輪胎，皮帶等；與天然橡膠共混可作密封材料和電絕緣材料胎，皮帶等；與天然橡膠共混可作密封材料和電絕緣材料nyxCH2CHCH CH2CH2CH（1）丁苯橡膠性能：性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸堿，耐老化，耐曲撓性及氣密性耐油，耐氧化，耐燃，耐酸堿，耐老化，耐曲撓性及氣密性都很好；缺點是密度較大，耐寒和彈性較差都很好；缺點是密度較大，耐寒和彈性較差 結構式結構式: :用途：用途：制造運輸帶、防毒面具，電纜外皮、輪胎、膠粘劑等制造運輸帶、防毒面具，電纜外皮、輪胎、膠粘劑等 nCH

4、2CCH CH2Cl（2）氯丁橡膠（萬能橡膠）性能：性能：彈性、耐老化性和耐低溫性、耐磨性，都超過天然橡膠；缺彈性、耐老化性和耐低溫性、耐磨性，都超過天然橡膠；缺點是抗撕裂能力差，易出現(xiàn)裂紋點是抗撕裂能力差，易出現(xiàn)裂紋 結構式結構式: :用途：用途：為合成橡膠的第二大品種（約占為合成橡膠的第二大品種（約占15%15%），大約），大約60%60%以上用于制造以上用于制造輪胎輪胎 nCH2CCCH2HH（3）順丁橡膠性能：性能：耐油性好，拉伸強度大，耐熱性好；缺點是電絕緣性、耐寒耐油性好，拉伸強度大，耐熱性好；缺點是電絕緣性、耐寒性差，塑性低、難加工性差，塑性低、難加工 用途：用途：用作機械上的墊

5、圈以及制備收音機和汽車等需要耐油的零件用作機械上的墊圈以及制備收音機和汽車等需要耐油的零件 nyx CNCH2CHCH CH2CH2CH結構式結構式: :（4）丁腈橡膠性能：性能：分子無雙鍵存在，故耐熱、耐氧化、耐老化性好，使用溫度分子無雙鍵存在，故耐熱、耐氧化、耐老化性好，使用溫度高高 結構式結構式: :用途：用途：制造耐熱膠管、墊片、三角膠帶、輸送帶、人力車胎等制造耐熱膠管、墊片、三角膠帶、輸送帶、人力車胎等 nCH3CH2CH2CH CH2（5）乙丙橡膠性能：性能：是一種耐熱性和耐老化性很好的橡膠，它的特點是既耐高溫，是一種耐熱性和耐老化性很好的橡膠，它的特點是既耐高溫，又耐低溫，彈性好

6、，耐油，防水，其制品柔軟光滑，物理性能又耐低溫，彈性好，耐油，防水，其制品柔軟光滑，物理性能穩(wěn)定、無毒、生物惰性、加工性能好，缺點是機械性能差，較穩(wěn)定、無毒、生物惰性、加工性能好，缺點是機械性能差，較脆，易撕裂脆，易撕裂 結構式結構式:用途：用途：可用于醫(yī)用材料，如導管，引流管，靜脈插管，人造器管等，可用于醫(yī)用材料，如導管，引流管，靜脈插管，人造器管等，還可用于飛機、導彈上的一些零部件及電絕緣材料還可用于飛機、導彈上的一些零部件及電絕緣材料nSiOCH3CH3（6）硅橡膠高分子三大材料發(fā)展高分子三大材料發(fā)展史史Polymer MaterialsPlasticRubberFiberCellulo

7、id First oneFirst oneFirst oneNature RubberNitrocelluloseRubber productsWhat is rubber?Nature rubber-PIPSynthesize rubberRubber is also called elastomer彈性體. It is defined as a cross-linked amorphous polymer above its glass transition temperature.CH2CCHCH3nCH3Polybutadiene PolyisobutylenePolychloropr

8、ene The definition of rubber施加外力時發(fā)生大的形變，外力除去后可以恢復的彈性材料高分子材料力學性能的最大特點高彈性高彈性粘彈性粘彈性耐熱性，耐寒性，耐老化國防和航空航天尖端技術高彈性的本質(zhì)高彈性的本質(zhì) 橡膠彈性是由熵變引起的，橡膠彈性是由熵變引起的，在外力作用下，橡膠分子鏈由卷在外力作用下，橡膠分子鏈由卷曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範顟B(tài)，熵減小，曲狀態(tài)變?yōu)樯煺範顟B(tài)，熵減小，當外力移去后，由于熱運動，分當外力移去后，由于熱運動，分子鏈自發(fā)地趨向熵增大的狀態(tài)，子鏈自發(fā)地趨向熵增大的狀態(tài)，分子鏈由伸展再回復卷曲狀態(tài)，分子鏈由伸展再回復卷曲狀態(tài)，因而形變可逆。因而形變可逆。 氣體彈性的本

9、質(zhì)也是熵彈性。氣體彈性的本質(zhì)也是熵彈性。PB cross-linkedCrosslinking is when individual polymer chains are linked together by covalent bonds to form one giant molecule.Molecular movements具有橡膠彈性的條件：具有橡膠彈性的條件：高彈性特點形變量大（WHY？長鏈,柔性）形變可恢復（WHY？動力:熵增；結構：交鏈）彈性模量小且隨溫度升高而增大形變有熱效應6.1 橡膠形變類型橡膠形變類型物理的觀點簡單剪切簡單剪切本體壓縮（或本體壓縮（或本體膨脹）本體膨脹）基

10、基本本的的形形變變形狀改變而形狀改變而體積不變體積不變體積改變而體積改變而形狀不變形狀不變拉抻形變體積、形狀體積、形狀都改變都改變Easy to handle拉伸 Tensile剪切 Shear壓縮 Compression單軸拉伸Uniaxial elongation雙軸拉伸biaxial elongation等軸非等軸The concept of Strain and Stress當材料受到外力作用而所處的條件卻使其不能產(chǎn)生慣性位移，材料的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種變化就稱為應變。平衡時，附加內(nèi)力和外力相等，單位面積上的附加內(nèi)力（外力）稱為應力。Basic concept受一對大小相等，

11、方向相反，作用在一條直線上的力Schematics of simple elongationStress 應力 0AFStress - the amount of force exerted on an object, divided by the cross-sectional area of the object. The cross-sectional area is the area of a cross-section of the object, in a plane perpendicular to the direction of the force. Stress is us

12、ually expressed in units of force divided by area, such as N/m2. Strain 應變 100lll - 伸長率 elongation ratioStrain - the amount of deformation a sample undergoes when one puts it under stress. Strain can be elongation, bending, compression, or any other type of deformation. Tensile modulus 拉伸模量 or Young

13、s modulus 楊氏模量ED柔量 ComplianceModulus - the ability of a sample of a material to resist deformation. Shear 剪切剪切位移 S， 剪切角 ， 剪切面間距 d剪切應變 tgdS剪切應力Shearing stress0AFShear modulus and compliance in shear 剪切模量和剪切柔量GJ簡單剪切實驗能把高聚物宏觀力學性能與它們內(nèi)部簡單剪切實驗能把高聚物宏觀力學性能與它們內(nèi)部分子運動相聯(lián)系，建立高聚物力學行為的分子理論。分子運動相聯(lián)系，建立高聚物力學行為的分子理論。固

14、體固體液體液體粘彈體粘彈體適用Compression 壓縮壓縮應變 Compression strain0VV壓縮模量 Modulus of compressionPBVPVB0The relationship between Youngs modulus E, shear modulus G and compression modulus B)21 (3)1 (2BGEPossion ratio 泊松比 Tllmm00/Possion ratios for different polymers泊松比數(shù)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0.490.499橡膠的典型數(shù)值0.

15、200.40塑料的典型數(shù)值6.2 Thermodynamical analysis of rubber elasticity 橡膠的熱力學分析l 0 Original lengthf tensile forcedl extended lengthtensileP所處大氣壓dV體積變化外力作用引起熵變橡膠彈性是熵彈性回彈動力是熵增First law of thermodynamicsdU=dQ-dWdU 體系內(nèi)能Internal energy變化dQ 體系吸收的熱量dW 體系對外所做功PdVfdl膨脹功PdV 和拉伸功 fdldW =PdV-fdl假設過程可逆dQ=TdS熱力學第二定律熱熱量量變

16、變化化fdl =-TdS拉伸 dl0, dS0dQ0 拉伸放熱回縮 dl0dQ0 回縮吸熱dU=0dV=0dU =TdS-PdV+fdlfdl =-dQdQ=TdS6.3 Statistical Theories of Rubber Elasticity 橡膠彈性的統(tǒng)計理論拉伸過程中體積不變只考慮熵的變化，忽略內(nèi)能變化每個交聯(lián)點由四個有效鏈組成兩交聯(lián)點間的鏈為Gaussian鏈形變?yōu)榉律湫巫兗僭OArthur S. Lodge交聯(lián)點由四個有效鏈組成仿射形變 Affine deformation網(wǎng)絡中的各交聯(lián)點被固定在平衡位置上，當橡膠形變時，這些交聯(lián)點將以相同的比率變形。6.5 Swelling

17、 effect 溶漲效應溶劑小分子進入橡膠交聯(lián)網(wǎng)絡，不能將其溶解，只能使其溶漲。體系網(wǎng)鏈密度降低，平均末端距增加，進而模量下降。溶漲交聯(lián)橡膠的溶漲包括兩部分：溶劑分子與大分子鏈混合，熵增，有利于溶漲 GM分子鏈拉長，儲存彈性能，熵減，不利于溶漲 Gel達到溶漲平衡0elMGGG6.6 Thermoplastic elastomer - 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(chǎn)方法聚合方法，得嵌段共聚物， TPE機械共混法，得共混物， Ethylene propylene rubb

18、er/PPDefinition in EnglishElastomer - rubber. Hot shot scientists say a rubber or elastomer is any material that can be stretched many times its original length without breaking, and will snap back to its original size when it is released. Thermoplastic - a material that can be molded and shaped whe

19、n its heated. 熱固性塑料 ThermosetThermoset - a hard and stiff crosslinked material. Thermosets are different from thermoplastics, which become moldable when heated. Thermosets are crosslinked, so they dont. Also, they are different from crosslinked elastomers. Thermosets are stiff and dont stretch the way elastomers do. MOLDED TPE POLYMER W/PVC STITCHED HOCKEY BOOT FOAM-PADDED, SOFT TRICOT LININGChassis(Frame): Chassis(Frame): PPPPWheels: PUWheels: PUThermoplastic elastomer (TPE) films