5.1-彈性體基礎(chǔ)知識(shí)

1、第5章 橡膠和彈性體材料,第一節(jié) 基本概念和基礎(chǔ)知識(shí) 第二節(jié) 通用橡膠NR、SBR、BR、 EPDM、IIR、NBR、CR 第三節(jié) 特種橡膠SiR、ACM、FKM 第四節(jié) 熱塑性彈性體共混型、共聚型,橡膠制品在武器裝備中扮演著不可或缺的角色,橡膠是載入航天科技中的關(guān)鍵材料之一,高耐寒、高耐熱橡膠指套和隔熱掌墊,艙口橡膠密封,通體包裹著1厘米厚的橡膠消聲瓦,核潛艇,發(fā)射筒大潛深水密封,核反應(yīng)堆高溫燃汽密封,關(guān)鍵橡膠材料： 太空服橡膠氣密層 軌道艙門橡膠密封 艙外服橡膠手套 ,橡膠是繼石油、鐵礦和有色金屬之后 的第四大戰(zhàn)略資源！,南美洲印第安人早在公元前1600年就知道使用天然膠乳制造器具實(shí)心橡膠

2、球/橡膠人偶/橡膠帶等。,巴西三葉橡膠樹,南美洲有一種樹割破樹皮就會(huì)流出漿液，用此漿液可以制造器具,因而當(dāng)?shù)厝私羞@種樹為“流淚之樹”，即“卡烏-丘克(Cahuchu)”。,橡膠工業(yè)的發(fā)展歷程 1.橡膠的 早期使用和發(fā)現(xiàn)（公元前16世紀(jì)-15世紀(jì)末）,1493-1496年，哥倫布第二次到達(dá)美洲，看到海地人玩的用橡膠樹漿液制成的球能從地上彈跳起來(lái)，將其當(dāng)作“奇珍異寶”帶回了歐洲，使歐洲人第一次認(rèn)識(shí)了橡膠這種物質(zhì)。人們后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種彈性球能夠擦掉鉛筆的痕跡，因此給它起了一個(gè)很普通的名字“擦子(Rubber)”。,Christopher Columbus,2. 173519世紀(jì)中葉早期的橡膠工業(yè),173

3、51743年，法國(guó)科學(xué)家康達(dá)敏從秘魯帶回有關(guān)橡膠樹的詳細(xì)資料，出版了南美洲內(nèi)地旅行記略，書中詳述了橡膠樹的產(chǎn)地、采集乳膠的方法和橡膠的利用情況，使歐洲人進(jìn)一步思考橡膠的利用問(wèn)題。,Charles Marie de La Condamine,托馬斯.漢考克,1826年，英國(guó)人漢考克發(fā)明了雙輥開(kāi)煉機(jī)，用此設(shè)備可以將各種助劑混入橡膠中。,雙輥開(kāi)放式煉煉膠機(jī),C.固特異爾,1839年，美國(guó)化學(xué)家固特異爾偶然中發(fā)明了橡膠的硫化，解決了橡膠遇熱變軟發(fā)粘的缺點(diǎn)，制造出了世界第一雙橡膠防水鞋。,硫化前,硫化后,橡膠在硫化中微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化,世界第一條充氣輪胎,1888年，蘇格蘭獸醫(yī)鄧祿普發(fā)明了世界第一條充氣

4、輪胎，他的兒子使用裝備這種輪胎的自行車贏得了自行車賽的冠軍。,充氣輪胎的發(fā)明不僅促進(jìn)了汽車工業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)了工業(yè)革命的進(jìn)程，也使橡膠的應(yīng)用得到了起飛。,19世紀(jì)末，橡膠工業(yè)的起飛,J.B. 鄧祿普,隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展，野生橡膠產(chǎn)量不能滿足需求。1876年，英國(guó)人魏克漢從巴西引種橡膠樹，開(kāi)始了橡膠人工種植的時(shí)代。,天然橡膠在全球的種植分布,橡膠是現(xiàn)代工業(yè)國(guó)家的戰(zhàn)略性原材料，但天然橡膠的種植區(qū)域十分有限。 兩次世界大戰(zhàn)大大促進(jìn)了人工合成橡膠工業(yè)的發(fā)展。,第一節(jié) 基本概念和基礎(chǔ)知識(shí),1.1 橡膠和彈性體的定義（重點(diǎn)掌握） 1.2 橡膠彈性的特征和對(duì)高分子結(jié)構(gòu)的要求（重點(diǎn)掌握） 1.3 橡膠的分類 1

5、.4 橡膠的配合 1.5 橡膠/彈性體材料的典型力學(xué)性能指標(biāo),1.1橡膠和彈性體的定義,1.1.1 橡膠的定義 根據(jù)美國(guó)材料測(cè)量協(xié)會(huì)（ASTM D1566）標(biāo)準(zhǔn)的定義：橡膠是一種材料，它在大的變形下能迅速地恢復(fù)其形變。 橡膠能夠被改性，改性的橡膠后的橡膠不能溶于有機(jī)溶劑中，但可溶脹。改性的實(shí)質(zhì)是指橡膠的硫化（即交聯(lián)）。 硫化后的橡膠材料的高彈性的特征：,1.1.2 橡膠與彈性體在定義上的異同與關(guān)系 “橡膠（rubber）”最早得名于西班牙探險(xiǎn)家哥倫布在南美洲的探險(xiǎn)活動(dòng)是“擦子”的意思。 合成橡膠由于分子結(jié)構(gòu)和交聯(lián)機(jī)理與天然橡膠有很大的相似性，且通用合成橡膠主要是用來(lái)替代NR的，所以沿用了“橡膠

6、”名稱。 一些特種橡膠的分子結(jié)構(gòu)雖與NR不相類似，但是仍需化學(xué)交聯(lián)（與NR類似），仍沿用“橡膠”。 上世紀(jì)6070年代開(kāi)始，熱塑性彈性高分子材料開(kāi)始發(fā)展。這類材料在分子結(jié)構(gòu)和交聯(lián)機(jī)理與NR具有很大的不同，因此根據(jù)其高彈性特點(diǎn)，創(chuàng)造了“Elastomer，彈性體”以區(qū)別于傳統(tǒng)的天然橡膠和化學(xué)交聯(lián)的合成橡膠。 后來(lái)彈性體逐步成為了具有“高彈性的高分子材料的統(tǒng)稱”（ASTM D1566）。,熱塑性彈性體,傳統(tǒng)的橡膠材料：天然橡膠、合成橡膠,彈性體,其它高分子 彈性體材料,1.2 彈性體材料高彈性的來(lái)源及其對(duì)分子結(jié)構(gòu)的要求,1.2.1 橡膠彈性的來(lái)源 橡膠彈性的來(lái)源于高分子鏈的熵彈性當(dāng)高分子材料受到外

7、力發(fā)生較大的形變時(shí)，其分子鏈通過(guò)分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)發(fā)生變形，整體的熵值減少。當(dāng)外力去除，變形了的高分子鏈有向熵值較高的原始狀態(tài)自發(fā)回復(fù)的趨勢(shì)。,1.2.2 彈性體材料對(duì)結(jié)構(gòu)的要求,1.大分子鏈要有足夠的柔性,保證材料可以發(fā)生較大的變形,保證外力去除后材料可以在熵增的驅(qū)動(dòng)下形變回復(fù),2. 在使用溫度下要不結(jié)晶或結(jié)晶很少 PE和POM雖然Tg都很低，但大量的結(jié)晶結(jié)構(gòu)可將高分子的強(qiáng)迫高彈形變固定下來(lái)。 拉伸結(jié)晶現(xiàn)象對(duì)于橡膠的高強(qiáng)度具有很大的貢獻(xiàn)如NR，IIR，CR和EPM等。,3. 在使用溫度下分子鏈間相對(duì)滑移要小否則制品會(huì)產(chǎn)生很大的永久變形 分子鏈上要有可交聯(lián)（化學(xué)或物理的）的位置。,1.3 橡膠的分類,

8、1.3.1 按來(lái)源和用途分類,1.3.2 按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類,1.3.3 其它分類方法,2006年中國(guó)橡膠消費(fèi)比例,NR,SBR,BR,SBS,2006年我國(guó)共消耗橡膠516.6萬(wàn)噸，其中NR、SBR、BR、SBS四大品種占88。,1.4 橡膠的配合,橡膠的配合指為了滿足橡膠制品的性能、加工工藝和成本的要求，確定橡膠以及各種配合劑的種類和用量。,橡膠配合體系通常包括5大體系： （1）生膠體系母體或基體材料 （2）硫化體系使橡膠產(chǎn)生交聯(lián) （3）填充增強(qiáng)體系提高力學(xué)性能、降低成本 （4）軟化增塑體系提高加工性能、提高制品柔軟度和耐寒性 （5）防護(hù)體系提高橡膠的耐老化性能,1.5 彈性體材料的典型性能指

9、標(biāo),1.5.1 拉伸強(qiáng)度 交聯(lián)的橡膠/熱塑性彈性體試樣在預(yù)先設(shè)定的速率（一般為500mm/min）被拉斷時(shí)的工程應(yīng)力。,1.5.2 斷裂伸長(zhǎng)率 橡膠試驗(yàn)被拉斷時(shí)的應(yīng)變值，單位為。,1.5.3 定伸應(yīng)力 彈性體材料在一定伸長(zhǎng)時(shí)所承受工程應(yīng)力。通常測(cè)100和300時(shí)的定伸應(yīng)力。,1.5.4 硬度 橡膠的硬度試驗(yàn)，是測(cè)定橡膠試樣在一定外力作用下對(duì)壓針的抵抗能力。硬度值的大小反映了橡膠的軟硬程度。,硬度計(jì)和壓針示意圖,1.5.5 撕裂強(qiáng)度 橡膠材料在大形變下，往往先在某處出現(xiàn)小裂口，然后撕裂從該裂口處開(kāi)始并擴(kuò)展，直至材料破壞。 撕裂強(qiáng)度表現(xiàn)了預(yù)制缺口的試驗(yàn)在變形時(shí)抵抗裂口擴(kuò)展的能力。,褲形撕裂試樣,單位: kN/m,注意：不同類型的撕裂試樣得到的撕裂強(qiáng)度數(shù)值各不相同!,1.5.6 疲勞性能 硫化橡膠在周期性應(yīng)力或應(yīng)變的作用下，結(jié)構(gòu)和性能的變化稱為疲勞現(xiàn)象。 定負(fù)荷壓縮疲勞古德里奇壓縮疲勞,主要指標(biāo)包括： 動(dòng)態(tài)溫升 動(dòng)態(tài)壓縮永久變形,1.5.7 耐磨性能阿克隆磨耗 在阿克隆磨耗機(jī)上，使試樣與砂輪成15o傾斜角和受26.7N的壓力下