第六章 橡胶弹性

1. 第六章 橡胶弹性

2. 橡 胶 顺式 反式 橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。 1.天然橡胶 天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯有顺式与反式两种构型，它们的结构简式分别为：

3. 顺式-1,4-聚异戊二烯适合做橡胶，其分子结构具有三个特点： （1）分子链的柔顺性较好 （2）分子链间仅有较弱的作用力 （3）分子链中一般含有容易进行交联的基团（如含不饱和双键） 2. 合成橡胶 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、耐寒等方面。 下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途。

4. （1）丁苯橡胶 结构式: 性能： 耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小 用途： 为合成橡胶中最大的品种（约占50%），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

5. （2）氯丁橡胶（万能橡胶） 结构式: 性能： 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 用途： 制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等

6. （3）顺丁橡胶 结构式: 性能： 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 用途： 为合成橡胶的第二大品种（约占15%），大约60%以上用于制造轮胎

7. （4）丁腈橡胶 结构式: 性能： 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 用途： 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

8. （5）乙丙橡胶 结构式: 性能： 分子无双键存在，故耐热、耐氧化、耐老化性好，使用温度高 用途： 制造耐热胶管、垫片、三角胶带、输送带、人力车胎等

9. （6）硅橡胶 结构式: 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，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，较脆，易撕裂 用途： 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

10. 高分子三大材料发展史 Nature Rubber Rubber First one Polymer Materials Plastic Celluloid First one Fiber Nitrocellulose First one

11. Rubber products

12. What is rubber? Nature rubber-PIP • Polybutadiene • Polyisobutylene • Polychloroprene Synthesize rubber Rubber is also called elastomer弹性体. It is defined as a cross-linked amorphous polymer above its glass transition temperature.

13. 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 高弹性 高分子材料力学性能的最大特点 粘弹性

14. 国防和航空航天尖端技术 耐热性，耐寒性，耐老化

15. 高弹性的本质 橡胶弹性是由熵变引起的，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，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，分子链由伸展再回复卷曲状态，因而形变可逆。 气体弹性的本质也是熵弹性。

16. PB cross-linked

17. Crosslinking is when individual polymer chains are linked together by covalent bonds to form one giant molecule.

18. Molecular movements 足够柔性 交联 长链 具有橡胶弹性的条件：

19. 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

20. 6.1 橡胶形变类型 物理的观点 形状改变而体积不变 简单剪切 基本的形变 本体压缩（或本体膨胀） 体积改变而形状不变 体积、形状都改变 拉抻形变

21. 简单拉伸 Easy to handle 单轴拉伸 Uniaxial elongation 拉伸 Tensile 等轴 双轴拉伸 biaxial elongation 非等轴 剪切 Shear 压缩 Compression

22. 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。

23. Simple elongation Basic concept 受一对大小相等，方向相反，作用在一条直线上的力

24. Schematics of simple elongation

25. Stress 应力  Stress - 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 usually expressed in units of force divided by area, such as N/m2.

26. Strain 应变  Strain - 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.  - 伸长率 elongation ratio

27. Tensile modulus 拉伸模量 or Young’s modulus 杨氏模量 Modulus - the ability of a sample of a material to resist deformation. 柔量 Compliance

28. Shear 剪切 剪切位移 S， 剪切角 ， 剪切面间距 d

29. 剪切应变  剪切应力Shearing stress

30. Shear modulus and compliance in shear 剪切模量和剪切柔量 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。 • 固体 • 液体 • 粘弹体 适用

31. Compression 压缩

32. 压缩应变 Compression strain 压缩模量 Modulus of compression

33. The relationship between Young’s modulus E, shear modulus G and compression modulus B Possion ratio 泊松比 

34. 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 0.49~0.499 橡胶的典型数值 0.20~0.40 塑料的典型数值 Possion ratios for different polymers

35. 6.2 Thermodynamical analysis of rubber elasticity 橡胶的热力学分析 tensile dl – extended length l0– Original length P—所处大气压 dV—体积变化 f – tensile force

36. 外力作用引起熵变 • 橡胶弹性是熵弹性 • 回弹动力是熵增

37. First law of thermodynamics dU=dQ-dW dU – 体系内能Internal energy变化 dQ – 体系吸收的热量 PdV dW – 体系对外所做功 fdl 膨胀功PdV和拉伸功 fdl dW =PdV-fdl dQ=TdS 热力学第二定律 假设过程可逆

38. dQ<0 拉伸放热 拉伸 dl>0, dS<0 dQ>0 回缩吸热 回缩 dl<0, dS>0 dU=0 dV=0 热量变化 dU =TdS-PdV+fdl fdl =-TdS dQ=TdS fdl =-dQ

39. 6.3 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

40. 交联点由四个有效链组成

41. 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。

42. 6.5 Swelling 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

43. 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

44. 6.6 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 rubber/PP

45. Definition in English Thermoplastic - a material that can be molded and shaped when it's heated. Elastomer - 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.

46. 热固性塑料 Thermoset Thermoset - a hard and stiff crosslinked material. Thermosets are different from thermoplastics, which become moldable when heated. Thermosets are crosslinked, so they don't. Also, they are different from crosslinked elastomers. Thermosets are stiff and don't stretch the way elastomers do.

47. MOLDED TPE POLYMER W/PVC STITCHED HOCKEY BOOT FOAM-PADDED, SOFT TRICOT LINING • Chassis(Frame): PP Wheels: PU

48. Thermoplastic elastomer (TPE) films that are permeable to water vapor, or "breathable," are finding increasing use in the medical industry 隔离服 要求透气性 The higher permeability of urethane-film gloves results in increased comfort and handling compared with vinyl or latex.

49. hard-segment resins ether-type soft-segment

50. 聚氨酯弹性体 由长链二醇、二异氰酸酯、短链二醇或二胺合成 软段 硬段 软段和硬段发生相分离