第六章 橡胶弹性课件

1、第六章第六章 橡胶弹性橡胶弹性橡胶可分为橡胶可分为天然橡胶天然橡胶和和合成橡胶合成橡胶。 天然橡胶其化学组成是天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯聚异戊二烯有有顺式顺式与与反式反式两种构型，它们两种构型，它们的结构简式分别为：的结构简式分别为：CH2CCCH2HCH3n顺式顺式 CH2CCCH3HCH2n反式反式 橡 胶1.1.天然橡胶天然橡胶（1）分子链的）分子链的柔顺性柔顺性较好较好 （2）分子链间仅有较）分子链间仅有较弱弱的作用力的作用力 （3）分子链中一般含有容易进行）分子链中一般含有容易进行交联交联的基团（如含不饱和双键）的基团（如含不饱和双键） 人们仿造天然橡胶的结构，合成了各种各样的合

2、成橡胶。合成人们仿造天然橡胶的结构，合成了各种各样的合成橡胶。合成橡胶在某些性能上往往优于天然橡胶，例如耐磨、耐油、耐寒橡胶在某些性能上往往优于天然橡胶，例如耐磨、耐油、耐寒等方面。等方面。 2. 合成橡胶合成橡胶下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途。下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途。 顺式顺式-1,4-1,4-聚异戊二烯聚异戊二烯适合做橡胶，其分子结构具有三个特点：适合做橡胶，其分子结构具有三个特点： 性能：性能：耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小油和有机溶剂，抗撕强度小 结构式结构式: :

3、用途：用途：为合成橡胶中最大的品种（约占为合成橡胶中最大的品种（约占50%50%），广泛用于制造汽车轮），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料nyxCH2CHCH CH2CH2CH（1）丁苯橡胶性能：性能：耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差 结构式结构式: :用途：用途：制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等 nCH

4、2CCH CH2Cl（2）氯丁橡胶（万能橡胶）性能：性能：弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹点是抗撕裂能力差，易出现裂纹 结构式结构式: :用途：用途：为合成橡胶的第二大品种（约占为合成橡胶的第二大品种（约占15%15%），大约），大约60%60%以上用于制造以上用于制造轮胎轮胎 nCH2CCCH2HH（3）顺丁橡胶性能：性能：耐油性好，拉伸强度大，耐热性好；缺点是电绝缘性、耐寒耐油性好，拉伸强度大，耐热性好；缺点是电绝缘性、耐寒性差，塑性低、难加工性差，塑性低、难加工 用途：用途：用作机械上的垫

5、圈以及制备收音机和汽车等需要耐油的零件用作机械上的垫圈以及制备收音机和汽车等需要耐油的零件 nyx CNCH2CHCH CH2CH2CH结构式结构式: :（4）丁腈橡胶性能：性能：分子无双键存在，故耐热、耐氧化、耐老化性好，使用温度分子无双键存在，故耐热、耐氧化、耐老化性好，使用温度高高 结构式结构式: :用途：用途：制造耐热胶管、垫片、三角胶带、输送带、人力车胎等制造耐热胶管、垫片、三角胶带、输送带、人力车胎等 nCH3CH2CH2CH CH2（5）乙丙橡胶性能：性能：是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶，它的特点是既耐高温，是一种耐热性和耐老化性很好的橡胶，它的特点是既耐高温，又耐低温，弹性好

6、，耐油，防水，其制品柔软光滑，物理性能又耐低温，弹性好，耐油，防水，其制品柔软光滑，物理性能稳定、无毒、生物惰性、加工性能好，缺点是机械性能差，较稳定、无毒、生物惰性、加工性能好，缺点是机械性能差，较脆，易撕裂脆，易撕裂 结构式结构式:用途：用途：可用于医用材料，如导管，引流管，静脉插管，人造器管等，可用于医用材料，如导管，引流管，静脉插管，人造器管等，还可用于飞机、导弹上的一些零部件及电绝缘材料还可用于飞机、导弹上的一些零部件及电绝缘材料nSiOCH3CH3（6）硅橡胶高分子三大材料发展高分子三大材料发展史史Polymer MaterialsPlasticRubberFiberCellulo

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

8、ene The definition of rubber施加外力时发生大的形变，外力除去后可以恢复的弹性材料高分子材料力学性能的最大特点高弹性高弹性粘弹性粘弹性耐热性，耐寒性，耐老化国防和航空航天尖端技术高弹性的本质高弹性的本质 橡胶弹性是由熵变引起的，橡胶弹性是由熵变引起的，在外力作用下，橡胶分子链由卷在外力作用下，橡胶分子链由卷曲状态变为伸展状态，熵减小，曲状态变为伸展状态，熵减小，当外力移去后，由于热运动，分当外力移去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大的状态，子链自发地趋向熵增大的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。因而形变可逆。 气体弹性的本

9、质也是熵弹性。气体弹性的本质也是熵弹性。PB cross-linkedCrosslinking is when individual polymer chains are linked together by covalent bonds to form one giant molecule.Molecular movements具有橡胶弹性的条件：具有橡胶弹性的条件：高弹性特点形变量大（WHY？长链,柔性）形变可恢复（WHY？动力:熵增；结构：交链）弹性模量小且随温度升高而增大形变有热效应6.1 橡胶形变类型橡胶形变类型物理的观点简单剪切简单剪切本体压缩（或本体压缩（或本体膨胀）本体膨胀）基

10、基本本的的形形变变形状改变而形状改变而体积不变体积不变体积改变而体积改变而形状不变形状不变拉抻形变体积、形状体积、形状都改变都改变Easy to handle拉伸 Tensile剪切 Shear压缩 Compression单轴拉伸Uniaxial elongation双轴拉伸biaxial elongation等轴非等轴The concept of Strain and Stress当材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性位移，材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化就称为应变。平衡时，附加内力和外力相等，单位面积上的附加内力（外力）称为应力。Basic concept受一对大小相等，

11、方向相反，作用在一条直线上的力Schematics of simple elongationStress 应力 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 应变 100lll - 伸长率 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 杨氏模量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 ， 剪切面间距 d剪切应变 tgdS剪切应力Shearing stress0AFShear modulus and compliance in shear 剪切模量和剪切柔量GJ简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部分子运动相联系，建立高聚物力学行为的分子理论。分子运动相联系，建立高聚物力学行为的分子理论。固

14、体固体液体液体粘弹体粘弹体适用Compression 压缩压缩应变 Compression strain0VV压缩模量 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泊松比数值解释0.5不可压缩或拉伸中无体积变化0.0没有横向收缩0.490.499橡胶的典型数值0.

15、200.40塑料的典型数值6.2 Thermodynamical analysis of rubber elasticity 橡胶的热力学分析l 0 Original lengthf tensile forcedl extended lengthtensileP所处大气压dV体积变化外力作用引起熵变橡胶弹性是熵弹性回弹动力是熵增First law of thermodynamicsdU=dQ-dWdU 体系内能Internal energy变化dQ 体系吸收的热量dW 体系对外所做功PdVfdl膨胀功PdV 和拉伸功 fdldW =PdV-fdl假设过程可逆dQ=TdS热力学第二定律热热量量变

16、变化化fdl =-TdS拉伸 dl0, dS0dQ0 拉伸放热回缩 dl0dQ0 回缩吸热dU=0dV=0dU =TdS-PdV+fdlfdl =-dQdQ=TdS6.3 Statistical Theories of Rubber Elasticity 橡胶弹性的统计理论拉伸过程中体积不变只考虑熵的变化，忽略内能变化每个交联点由四个有效链组成两交联点间的链为Gaussian链形变为仿射形变假设Arthur S. Lodge交联点由四个有效链组成仿射形变 Affine deformation网络中的各交联点被固定在平衡位置上，当橡胶形变时，这些交联点将以相同的比率变形。6.5 Swelling

17、 effect 溶涨效应溶剂小分子进入橡胶交联网络，不能将其溶解，只能使其溶涨。体系网链密度降低，平均末端距增加，进而模量下降。溶涨交联橡胶的溶涨包括两部分：溶剂分子与大分子链混合，熵增，有利于溶涨 GM分子链拉长，储存弹性能，熵减，不利于溶涨 Gel达到溶涨平衡0elMGGG6.6 Thermoplastic elastomer - TPE交联为弹性体（橡胶）具有高弹性的条件之一，如果交联点为物理交联，则形成热塑弹性体。兼有橡胶和塑料两者的特性，在常温下显示高弹，高温下又能塑化成型。生产方法聚合方法，得嵌段共聚物， TPE机械共混法，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. 热固性塑料 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