高分子物理6.pdf

第六章 橡胶弹性 第六章 橡胶弹性 第六章 橡胶弹性 橡胶通俗概念：施加外力时发生大的变形，外力除去后形变可以 恢复的弹性材料。 美国材料协会标准规定：20~27ºC下、1min可拉伸2倍的试 样，当外力去除后1min内至少回缩到原长1.5倍以下；或者在使 6 7 用条件下，具有10 ~10 Pa的杨氏模量者，称为橡胶。 高弹态是聚合物特有的基于链段运动的一种力学状态，它所表 现的高弹性是材料中一项十分难得的可贵性能。 对高弹性材料，一方面应努力提高耐老化性能，提高耐热性， 另一方面则需降低其玻璃化温度，改善耐寒性。 一．聚合物高弹性的特征(TTg) 1. 弹性模量很小，而形变量很大 弹性形变大：铜、钢：1%；橡胶：1000%。 橡胶类物质的弹性形变叫做高弹形变。 5 2 10-11 2 橡胶模量小：通常为10 N/m ，比金属(10 N/m )小一万倍。 橡胶弹性模量随绝对温度升高而正比升高， 而金属弹性模量随温度升高而降低； 原因：温度↑ 分子热运动激烈 对于可逆过程：弹性回缩的作用力↑ 即维持相同形变所需的作用力↑ 则高弹性模量E ↑ 2. 橡胶形变具有明显的热效应（热弹效应） dQ T ⋅ΔS 橡胶在快速伸长时会放热；回缩时会吸热。 而金属材料与此相反。 原因—— 高弹形变的本质——熵弹性 3. 弹性形变是一种明显的松弛过程 橡胶发生形变需要时间。链段运动单元比小分子大 所以其运动受到的阻碍较大 运动需要时间较长——松弛特性 高弹性的分子机制 弹性形变模量E 小、形变ε很大、可逆 高弹形变——链段运动——构象发生变化 拉伸——链构象从卷曲→伸展 外力只需克服很小的构象改变能即能产生很大的形变。 即E小、ε大 卷曲（热力学稳定） 伸展（热力学不稳定）→可逆 二．高弹性的高分子结构特征 1．分子链的柔性 橡胶类聚合物都是内旋转比较容易、位垒低的柔性高分子。 2 ．分子间的相互作用 分子间作用力较小的非极性聚合物。 3．分子间的交联 控制一定的交联密度对于获得高弹性是十分重要的。 4．结晶与结晶度 常温下不易结晶的柔性大分子链才具有橡胶弹性。 聚乙烯、聚甲醛等，不呈现高弹性。 天然橡胶和古塔波胶： 前者具有顺式结构，在室温下不易结晶，具有优良的高弹 性能，是一种综合性能优良的橡胶。而后者具有反式结 构，容易结晶，是没有弹性的树脂状物质。 5．聚合物的分子量 当高分子的链段开始运动，而整个分子链尚不能运动时， 聚合物呈高弹性。非晶态聚合物高弹性的温度范围是T 和 g T 之间，这个温度范围通常随分子量的增加而逐渐加宽。 f 三. 描述力学性能的基本物理量 一．应力与应变 1．一般描述 （1 ）应变：材料在外力作用下引起的几何形状和尺寸的变化。 （2 ）应力：材料发生宏观变形时产生的抵抗外力的附加内力。 定义：单位面积上的附加内力为应力。 平衡时，其值与单位面积上所受的外力相等。 2．三种不同形变模式下的应力与应变 （1 ）简单拉伸 ε：拉伸应变； l0：材料的起始长度； I ：材料变形后的长度 l −l Δl 定义 拉伸应变：ε l