[工学]高分子物理-第六章.ppt

第六章 橡胶弹性 基本要求 了解橡胶弹性的特征、橡胶弹性与结构之间的关系，掌握泊松比、杨氏模量、切变模量的概念。重点掌握橡胶弹性的热力学分析、交联橡胶状态方程。掌握热塑性弹性体的概念，嵌段共聚热塑性弹性体的结构、使用的上下限温度。 重 点 橡胶弹性的热力学分析、交联橡胶状态方程。嵌段共聚热塑性弹性体的结构、使用的上下限温度。 难 点 理解和掌握橡胶弹性的热力学分析、嵌段共聚热塑性弹性体的结构和使用的上下限温度。 6.1 形变类型及描述力学行为的基本物理量 1）.普弹性 大应力作用下材料分子中键长和键角变化引起的小形变，形变瞬时完成，除去外力，形变立即恢复。 相应的材料有陶瓷、金属等，玻璃态和结晶态的高聚物在小形变时也具有这种弹性特征。 2）.高弹性 小应力作用下由于高分子链段运动而产生的很大可逆形变，而低分子化合物没有这种特征。 一般来说，所以的线型结构聚合物，只要分子量足够大和分子链的刚性还不是太大，总有这样一个温度范围，在此温度范围内能够呈现出高弹态的特征，或者说，它处在高弹态。 如果这个温度范围正好在室温上下，则该聚合物有可能成为橡胶材料。 3）.粘性 是由于外力作用下分子的质心发生相对位移的运动，这种形变随时间线性增加。且具有不可逆性。 而高分子材料在外力作用下，和其他材料相比，有着显著的粘弹性特征。例如：当外力作用在交联橡胶上时，普弹形变瞬时发生，高弹形变缓慢发展，外力除去后，经过弹性恢复还保留着随时间增加而逐渐恢复的滞后形变。上述高弹形变及滞后形变实际上包含着可逆的弹性形变和与时间有关的粘性形变的结合，称之为粘弹性。 4）、应力与应变 应力：单位面积上的附加内力为应力。单位N/m2, Pa或MPa。 应力的产生：材料受外力作用时，在发生宏观应变的同时，其内部分子间以及分子内各原子间的相对位置和距离将发生变化，使原子间或分子间原有引力平衡受到破坏，因而将产生一种恢复平衡的力，简称附加内力。附加内力与外力在达到平衡时，大小相等，方向相反。 应变：材料受到外力作用而所处的条件却使其不能产生惯性移动时，此时材料的几何形状和尺寸将发生变化，这种变化成为应变。材料因受力方式不同（拉伸、剪切、围压力等），发生形变方式不同，下面分别介绍： 4.1）拉 伸 4.2） 剪 切 4.3） 围压力作用 5）弹性模量 6）柔 量 7）泊 松 比 6.2 橡胶弹性 1）橡胶弹性特征： ① 弹性模量小，高弹模量大大低于金属模量。 ②在不太大的外力作用下，橡胶可产生很大的形变，可高达1000%以上，去除外力后几乎能完全回复，给人以柔软而富有弹性的感觉 ③ 形变时有明显的热效应，绝热拉伸时高聚物放热使温度升高，回缩时温度降低（吸热）拉伸过程从高聚物中吸收热量，使高聚物温度降低。 此外，拉伸的橡胶试样具有负的膨胀系数，即拉伸的橡胶试样在受热时缩短（定拉伸比）。 ④橡胶的弹性模量随温度的升高而增高，而一般固体材料的模量是随温度的升高而下降（定拉伸比）。 橡胶在拉伸时，体积几乎不变 υ=0.5 下面用分子热运动的观点，定性说明橡胶弹性特征。 具有橡胶弹性的高聚物，室温下已处于玻璃化温度以上，加之分子链柔顺性好，自发处于卷曲状态，在外力作用下，大分子线团容易伸展开来。 宏观上拉伸时发生的高弹形变就是在这种微观上大分子线团沿外力作用方向伸展的结果。由于大分子线团的尺寸比其分子链长度要小得多，因而高弹形变可以发展到很大程度。外力去除后，热运动使分子趋向于无序化。大分子要回到稳定的卷曲状态，因而形变是可逆的，并且形成回缩力。 高弹形变的微观过程与普通固体的形变过程显然不同。前者是大分子被拉长，外力所克服的是链段热运动回到最可几构象的力。后者是键长的扩张、价键的伸长，它需要的能量比之大分子链的伸长要大得多。因此，橡胶的模量比普通固体的模量低4~5数量级。 温度升高，分子链内各种运动单元的热运动愈趋激烈，回缩力就愈大，因此橡胶类物质的弹性模量随温度升高而增高。 2）橡胶弹性与大分子结构的关系 ① 链柔性：好 橡胶高分子链柔顺性好，内旋转容易。 如:硅橡胶（硅氧键） －Si－O－ 顺丁橡胶（孤立双键）－C－C＝C－C－ ② 分子间作用力：小 如果聚合物分子链上极性基团过多，极性过强，大分子间存在强烈的范德华力或氢键，降低弹性。橡胶一般都是分子间作用力较小或不含极性基团的化合物，如天然橡胶、顺丁橡胶等。 聚氯乙烯分子中含有极性的氯原子，极性较大，为塑料，但PVC中加入较多的增塑剂后，降低分子间作用力使其具有弹性特征。 ③ 交联：轻度交联 分子间作用力小的聚合物，在形变过程中，大分子间发生相对滑移，产生永久变形，为了防止出现这种永久形变，橡胶往往