如何設(shè)計(jì)橡膠制品的高彈性

天然橡膠是一種樹汁制成物，提取于熱帶國家的橡膠樹。合成橡膠是由化學(xué)原料人工合成的。二者都是聚合物，都具有良好的彈性。這是因?yàn)橄鹉z分子中含有5個碳原子和8個氫原子，它們彼此之間接成長鏈狀。又由于分子在高速運(yùn)動著，運(yùn)動中的分子總是互相擠來擠去，因此形成橡膠的高分子鏈不可能是直線狀態(tài)，而必然呈卷曲狀，而且許多分子會互相糾纏在一起，好像一團(tuán)不規(guī)則的絨線團(tuán)。如果用力去拉它，這種卷曲的分子鏈可以被拉長一些，而去掉拉力后，它又會縮回原來的形狀，所以橡膠就具有了彈性。改善橡膠（回）彈性的因素：（僅供參考）1、生橡膠的彈性順序如下：NR——EPDM——SBR——NBR——CR——IIR——ACM。2、提高膠料含膠率（或并用高回彈橡膠），彈性隨交聯(lián)密度的增加出現(xiàn)最大值。多硫鍵有較好的彈性。過氧化物有時(shí)也可以獲得較好的彈性。3、對于NR，采用半有效硫化體系的硫化膠彈性最好。其次是普通、有效硫化體系。4、炭黑大粒徑的相對好，F(xiàn)EF<SRF<ISAF<噴霧炭黑<碳酸鈣<納米高嶺土<陶土，即只有既具有高結(jié)構(gòu)性又具有一定粒徑大小的炭黑所補(bǔ)強(qiáng)的硫化膠。少添加無極填料。5、使用適量相似相容的增塑劑，可以獲得較佳的回彈性。非硫化型樹脂一般會影響橡膠彈性。6、塑煉橡膠合理，混煉均勻，硫化溫度按橡膠品種設(shè)計(jì)（不易過高）可以獲得較佳彈性。

一、橡膠高彈性的本質(zhì)原因

高彈性的本質(zhì)原因和橡膠內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)系的。未經(jīng)硫化的橡膠呈細(xì)團(tuán)狀，硫化后呈漁網(wǎng)狀。硫化膠由于各種交聯(lián)方式的不同，硬度不同，交聯(lián)密度不同，含膠量不同等原因，表象也不相同。交聯(lián)密度高了，分子間的鍵會增加分子束的強(qiáng)度，這時(shí)當(dāng)外力作用下，交聯(lián)鍵會給分子鏈一定的組合保護(hù)，因?yàn)榉肿渔湹拈L度不同，這時(shí)短的就會先因受力過大斷掉。就象幾條線不同長度的線很容易扯斷，但是把幾條線中間結(jié)幾個扣，就會受力更均勻一些，也更不易斷。當(dāng)然交聯(lián)密度過高就會從本質(zhì)上改變橡膠大分子的特性，反而會彈性下降。二、高彈形變的特點(diǎn)1、形變量大，可達(dá)100%~1000%（對比普通金屬彈性體的彈性形變不超過1%）；2、彈性模量低，約10的負(fù)一次方~10MPa（對比金屬彈性模量，約10的四次方~10的五次方MPa）。

3、高彈形變的彈性模量與溫度成正比，而金屬的彈性模量隨溫度升高而下降。

4、形變過程有熱效應(yīng)，絕熱拉伸（快速拉伸）時(shí)，材料會放熱而使自身溫度升高，金屬材料則相反。

5、高彈形變有力學(xué)松弛現(xiàn)象（高彈形變時(shí)分子運(yùn)動需要時(shí)間），而金屬彈性體幾乎無松弛現(xiàn)象。高彈性的本質(zhì)是熵彈性形變過程熵減，儲存能量T△S;

自發(fā)的熵增可使形變恢復(fù)，無能量損耗。三、高彈性的條件：1、柔性高，高分子鏈的柔性是出現(xiàn)高彈性的根本原因。只有在室溫下不易結(jié)晶的柔性高聚物，才有可能成為具有高彈性的橡膠。2、分子鏈長，分子鏈越長，鏈段數(shù)越多，分子鏈就越柔順，熱運(yùn)動越容易；分子量越大物理結(jié)點(diǎn)越多，鏈與鏈之間不容易滑移，有利于提高彈性。4、輕度交聯(lián)，過度的交聯(lián)會限制分子的鏈段運(yùn)動，從而降低彈性。

四、橡膠彈性的影響因素：1、交聯(lián)與纏結(jié)效應(yīng)：交聯(lián)點(diǎn)密度與網(wǎng)鏈密度的關(guān)系：

交聯(lián)網(wǎng)鏈間的物理纏結(jié)也是影響彈性模量的因素2、溶脹效應(yīng)：溶漲度大，網(wǎng)鏈密度降低，抑制誘發(fā)結(jié)晶，模量降低。3、網(wǎng)鏈的極限生長：非高斯效應(yīng)，使應(yīng)力或彈性模量增加。4、應(yīng)變誘發(fā)結(jié)晶：拉伸網(wǎng)鏈沿著拉伸方向取向，有序增加，利于結(jié)晶。模量增大。5、填料，填料的加入可以提高模量、拉伸強(qiáng)度等。處于高彈態(tài)的橡膠類材料在小外力下就能發(fā)生100-1000%的大變形，而且形變可逆，這種寶貴性質(zhì)使橡膠材料成為國防和民用工業(yè)的重要戰(zhàn)略物資。高彈性源自于柔性大分子鏈因單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的構(gòu)象熵的改變，又稱熵彈性。高彈性------聚合物（在Tg以上）處于高彈態(tài)時(shí)所表現(xiàn)出的獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，又稱橡膠彈性。（一）、橡膠高彈性的本質(zhì)原因高彈性的本質(zhì)原因和橡膠內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)系的。未經(jīng)硫化的橡膠呈細(xì)團(tuán)狀，硫化后呈漁網(wǎng)狀。硫化膠由于各種交聯(lián)方式的不同，硬度不同，交聯(lián)密度不同，含膠量不同等原因，表象也不相同。交聯(lián)密度高了，分子間的鍵會增加分子束的強(qiáng)度，這時(shí)當(dāng)外力作用下，交聯(lián)鍵會給分子鏈一定的組合保護(hù)，因?yàn)榉肿渔湹拈L度不同，這時(shí)短的就會先因受力過大斷掉。就象幾條線不同長度的線很容易扯斷，但是把幾條線中間結(jié)幾個扣，就會受力更均勻一些，也更不易斷。當(dāng)然交聯(lián)密度過高就會從本質(zhì)上改變橡膠大分子的特性，反而會彈性下降。（二）、高彈形變的特點(diǎn)1、形變量大，可達(dá)100%~1000%（對比普通金屬彈性體的彈性形變不超過1%）；2、彈性模量低，約10-1~10MPa（對比金屬彈性模量，約104~105MPa）。

3、高彈形變的彈性模量與溫度成正比，而金屬的彈性模量隨溫度升高而下降。

4、形變過程有熱效應(yīng)，絕熱拉伸（快速拉伸）時(shí)，材料會放熱而使自身溫度升高，金屬材料則相反。

5、高彈形變有力學(xué)松弛現(xiàn)象（高彈形變時(shí)分子運(yùn)動需要時(shí)間），而金屬彈性體幾乎無松弛現(xiàn)象。高彈性的本質(zhì)是熵彈性變過程熵減，儲存能量T△S;

自發(fā)的熵增可使形變恢復(fù)，無能量損耗。橡膠高彈性的熵本質(zhì)在這五個特點(diǎn)中,熵彈性本質(zhì)是橡膠高彈性特點(diǎn)中最根本的。理解了高彈性的熵本質(zhì),高彈性的其它特點(diǎn)就可迎刃而解了。如果在橡膠上作用有外力f,作為一個體系,那么熱力學(xué)分析告訴我們,在等容和等溫條件下橡膠試樣的力學(xué)狀態(tài)方程為,它告訴我們外力f如何導(dǎo)致橡膠條能量和熵的變化。等容是體積V不變,統(tǒng)計(jì)地講分子間距不變,即分子間相互作用不變,只需考慮由于分子構(gòu)象的改變而引起的能量和熵的改變,使問題簡單,用分子觀點(diǎn)解釋橡膠彈性更為合宜。但等容條件下的實(shí)驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn),所以用等壓條件下的實(shí)驗(yàn)來代替等容下的實(shí)驗(yàn)。加上為避免由于橡膠較大的熱膨脹帶來的低拉伸時(shí)的“熱彈轉(zhuǎn)變”(在伸長不大時(shí),由于熱膨脹引起的拉力減小超過了在此伸長時(shí)應(yīng)該需要的拉力增大,致使拉力反隨溫度增加而稍有減小),用拉伸比λ=lΠl(fā)0恒定來代替伸長l恒定。這樣,引入假定,既然在外力作用下,高分子鏈只是通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)來改變它們的構(gòu)象,能量不發(fā)生變化,所需的拉力只是克服范德華力,并不對化學(xué)鍵有什么影響,所需的作用力就會比改變鍵長或鍵角小很多,所以高彈模量將比普通材料的彈性模量要小幾個量級(高彈性特點(diǎn)之三)。（三）、高彈性的條件：1、柔性高，高分子鏈的柔性是出現(xiàn)高彈性的根本原因。只有在室溫下不易結(jié)晶的柔性高聚物，才有可能成為具有高彈性的橡膠。2、分子鏈長，分子鏈越長，鏈段數(shù)越多，分子鏈就越柔順，熱運(yùn)動越容易；分子量越大物理結(jié)點(diǎn)越多，鏈與鏈之間不容易滑移，有利于提高彈性。4、輕度交聯(lián)，過度的交聯(lián)會限制分子的鏈段運(yùn)動，從而降低彈性。

（四）、橡膠彈性的影響因素：1、交聯(lián)與纏結(jié)效應(yīng)：交聯(lián)點(diǎn)密度與網(wǎng)鏈密