高分子物理之7

第七章

橡膠彈性學習目的要求通過本章的學習，掌握形變類型及描述力學行為的基本物理量，全面理解和掌握橡膠彈性產生的原因、條件及特點，指導橡膠的使用和加工

。

本章的主要內容形變類型及描述力學行為的基本物理量橡膠彈性的熱力學分析熱塑性彈性體第七章

橡膠彈性RubberProducts1.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橡膠高彈性的特點例如：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3.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。應變:當材料受到外力作用，而其所處的條件使其不能產生慣性移動時，其幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種變化稱為應變。應力:材料發(fā)生宏觀形變時，其內部分子間以及分子內各原子間的相對位置和距離就要發(fā)生變化，產生了原子間及分子間的附加內力，抵抗著外力，并力圖恢復到變化前的狀態(tài)，達到平衡時，附加內力與外力大小相等，方向相反。定義單位面積上的附加內力為應力。

1、應力和應變7.1形變類型及描述力學行為的基本物理量彈性模量:對于理想的彈性固體，應力與應變關系服從虎克定律，即應力與應變成正比，比例常數(shù)稱為彈性模量。即彈性模量是材料發(fā)生單位應變時的應力，它表征材料抵抗變形能力的大小。模量越大，材料越不容易變形，表示材料剛度越大。

彈性模量=應力/應變柔量：模量的倒數(shù)。2、彈性模量和柔量7.1形變類型及描述力學行為的基本物理量1.比較陶瓷和橡膠的模量。2.材料的“三高一低”指的是什么？思考題簡單剪切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7.1形變類型及描述力學行為的基本物理量材料受力方式不同，發(fā)生變形的方式也不同。對于各向同性的材料來說，有三種基本的類型：

(1)簡單拉伸：外力垂直于材料截面，大小相等方向相反，且處于同一直線上。此時材料受力而伸長。

材料發(fā)生形變的基本類型受力特點:外力F是與截面垂直，大小相等，方向相反，作用在同一直線上的兩個力。Elongation簡單拉伸張應力張應變拉伸柔量簡單拉伸楊氏模量（2）簡單剪切

外力平行于材料截面，大小相等，方向相反的兩個力。在這種剪切力的作用下，材料將發(fā)生偏斜，偏斜角的正切定義為切應變。

材料發(fā)生形變的基本類型剪切位移S，剪切角，剪切面間距d受力特點:外力F是與界面平行，大小相等，方向相反的兩個力。Shear剪切（當足夠小時）簡單剪切切應力切應變切變模量切變柔量（3）均勻壓縮：

材料受到圍壓力作用發(fā)生體積收縮。受力特點:材料受到的是圍壓力。Compression壓縮材料發(fā)生形變的基本類型圍壓力壓縮應變本體模量本體柔量均勻壓縮

有四個材料常數(shù)最重要，它們是E，G，B和ν。ν是泊松比，定義為在拉伸試驗中，材料橫向單位寬度的減小與縱向單位長度的增加的比值，即對于大多數(shù)材料來說，拉伸時有體積變化，一般會發(fā)生體積膨脹，泊松比在0.2-0.5之間。橡膠和小分子的泊松比接近于0.5,接近于理想不可壓縮體。＝3、泊松比：7.1形變類型及描述力學行為的基本物理量對于各向同性材料來說，E，G，B三者之間存在如下關系：

E=2G（1+ν）=3B（1-2ν）顯然E>G，也就是說拉伸比剪切困難。三大高分子材料在模量上有很大差別，橡膠的模量較低，纖維的模量較高，塑料居中。對于各向異性材料來說，情況要復雜得多，通常至少有5-6個彈性模量，有的多達36項。常見材料的泊松比泊松比數(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0.49~0.499橡膠的典型數(shù)值0.20~0.40塑料的典型數(shù)值l0l=l0+dlffl0–Originallengthf–tensileforcedl–extendedlengthP—所處大氣壓dV—體積變化7.2橡膠彈性的熱力學分析熱力學第一定律

dU=δQ-δWdU–體系內能變化δQ–體系吸收的熱量δW–體系對外所做功PdVfdlδW=PdV-fdl假設過程可逆δQ=TdS熱力學第二定律膨脹功拉伸功ff橡膠在等溫拉伸中體積不變，即dV=0dU=TdS+fdl對l求偏導dU=TdS-PdV+fdl內能變化熵變化難以測量,要變換成實驗中可以測量的物理量——橡膠的熱力學方程將橡皮在等溫下拉伸一定長度l,然后測定不同溫度下的張力f,由張力f對絕對溫度T做圖,在形變不太大的時候得到一條直線.(dV=0)f-TCurve結果：各直線外推到T=0K時，幾乎都通過坐標的原點fT/K直線的斜率為:直線的截距為:外力作用引起熵變橡膠彈性是熵彈性回彈動力是熵增橡膠拉伸過程中的熱量變化fdl=-TdS拉伸放熱回縮dl<0,dS>0,δQ>0dU=0dV=0dU=TdS-PdV+fdlδQ=TdS回縮吸熱拉伸dl>0,dS<0,δQ<0=0熱力學分析小結橡膠彈性是熵彈性,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。橡膠的熱力學方程高彈性的本質橡膠彈性是由熵變引起的，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，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)，分子鏈由伸展再回復卷曲狀態(tài)，因而形變可逆。

7.3熱塑性彈性體

熱塑性彈性體(thermoplasticelastomer,TPE)是一種兼有塑料和橡膠特性、在常溫下顯示橡膠高彈性、高溫下又能演塑化成型的高分子材料，又稱為第三代橡膠。由于TPE既只有傳統(tǒng)橡膠的性質。又不需要硫化，其制品在加工過程中，邊角余料利廢品可重復利用，故具有節(jié)省資源、能源、勞力和生產效率高的特點。按照生產方法的不同，TPE大致可以分為兩大類：(1)通過聚合方法得到的嵌段共聚物;如:苯乙烯—丁二烯—苯乙烯三嵌段共聚物；(2)彈性體與塑料在一定條件下通過機械共混方法制備的共混物。如:乙丙橡膠與聚丙烯共混物—熱塑性乙丙橡膠。7.3熱塑性彈性體7.3熱塑性彈性體嵌段共聚型TPE

嵌段共聚型TPE包括:苯乙烯類TPE，聚氨酯類TPE， 聚酯類TPE，聚硅氧烷類TPE等。特點:彈性好、硬度高、耐磨、耐油。缺點:壓縮永久形變較大、熱穩(wěn)定性較差、密度較高、價格昂貴等。用途:用于注射,擠出成型制品、鞋底、涂布、涂料、粘合等。該領域研究得最深透的是陰離子聚合得到的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS),S/B約為30/70(質量比)。共混型TPE共混型TPE在共混技術上經歷了三個階段:

簡單機械共混（TPO）。

特點為密度小，抗沖擊性特別是低溫脆性好部分動態(tài)硫化共混。

特點