高分子物理之7

1、第七章第七章橡胶弹性橡胶弹性学习目的要求学习目的要求 通过本章的学习，掌握形变类型通过本章的学习，掌握形变类型及描述力学行为的基本物理量，全面及描述力学行为的基本物理量，全面理解和掌握橡胶弹性产生的原因、条理解和掌握橡胶弹性产生的原因、条件及特点，指导橡胶的使用和加工件及特点，指导橡胶的使用和加工 。本章的主要内容本章的主要内容 形变类型及描述力学行为的基本物理量形变类型及描述力学行为的基本物理量 橡胶弹性的热力学分析橡胶弹性的热力学分析 热塑性弹性体热塑性弹性体第七章第七章橡胶弹性橡胶弹性Rubber Products1.1.弹性形变大弹性形变大 可达可达1000，金属，金属GEG，也就是说

2、，也就是说拉伸比剪切困难拉伸比剪切困难。 三大高分子材料在模量上有很大差别，橡三大高分子材料在模量上有很大差别，橡胶的模量较低，纤维的模量较高，塑料居中。胶的模量较低，纤维的模量较高，塑料居中。 对于对于各向异性各向异性材料来说，材料来说，情况要复杂得多情况要复杂得多，通常至少有通常至少有5-65-6个弹性模量，有的多达个弹性模量，有的多达3636项。项。 常见材料的泊松比常见材料的泊松比泊松比数值泊松比数值解解 释释0.5不可压缩或拉伸中无体积变化不可压缩或拉伸中无体积变化0.0没有横向收缩没有横向收缩0.490.499橡胶的典型数值橡胶的典型数值0.200.40塑料的典型数值塑料的典型数值

3、l0l = l0 + dlffl0 Original lengthf tensile forcedl extended lengthP所处大气压所处大气压 dV体积变化体积变化7.2 橡胶弹性的热力学分析热力学第一定律热力学第一定律dU =Q -WdU 体系内能变化体系内能变化Q 体系吸收的热量体系吸收的热量W 体系对外所做功体系对外所做功PdVfdlW = PdV - fdl假设过程可逆假设过程可逆Q=TdS热力学第二定律热力学第二定律膨胀功膨胀功拉伸功拉伸功ff橡胶在等温拉伸中体积不变，橡胶在等温拉伸中体积不变， 即即 dV=0dU = TdS + fdl对对l求偏导求偏导T,VT,VUS

4、=T+ flldU =TdS - PdV+fdlT,VT,VUSf =-Tll内能变化内能变化熵变化熵变化难以测量难以测量, , 要变换成实要变换成实验中可以测验中可以测量的物理量量的物理量,T VSl, l VfT橡胶的热力学方程橡胶的热力学方程将橡皮在等温下拉伸一定长度将橡皮在等温下拉伸一定长度l, 然后测然后测定不同温度下的张力定不同温度下的张力f, 由张力由张力f 对绝对温对绝对温度度T做图做图, 在形变不太大的时候得到一条在形变不太大的时候得到一条直线直线. (dV=0)f - T Curve,V lfT,T VUl,0T VUl结果：各直线外推到结果：各直线外推到T=0K时，时，几

5、乎都通过坐标的原点几乎都通过坐标的原点T,Vl,VUff =+TlTfT /K直线的斜率为直线的斜率为:直线的截距为直线的截距为:外力作用引起熵变外力作用引起熵变橡胶弹性是熵弹性橡胶弹性是熵弹性回弹动力是熵增回弹动力是熵增橡胶拉伸过程中的热量变化橡胶拉伸过程中的热量变化fdl =-TdS拉伸放热拉伸放热回缩 dl0, Q0dU=0dV=0dU =TdS-PdV+fdlQ=TdSQfdl回缩吸热回缩吸热拉伸 dl0, dS0, Q0=0热力学分析小结热力学分析小结橡胶弹性是熵弹性橡胶弹性是熵弹性, 回弹动力是熵增。回弹动力是熵增。橡胶在拉伸过程中放出热量橡胶在拉伸过程中放出热量, 回缩时吸收热量

6、。回缩时吸收热量。橡胶的热橡胶的热力学方程力学方程高弹性的本质高弹性的本质 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，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，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。因而形变可逆。 7.3 热塑性弹性体 热塑性弹性体热塑性弹性体(thermoplastic elastomer,TPE)(thermoplastic elastomer,TPE)是是

7、一种兼有塑料和橡胶特性、在常温下显示橡胶高弹性、一种兼有塑料和橡胶特性、在常温下显示橡胶高弹性、高温下又能演塑化成型的高分子材料，又称为第三代高温下又能演塑化成型的高分子材料，又称为第三代橡胶。由于橡胶。由于TPETPE既只有传统橡胶的性质。又不需要硫既只有传统橡胶的性质。又不需要硫化，其制品在加工过程中，边角余料利废品可重复利化，其制品在加工过程中，边角余料利废品可重复利用，故具有节省资源、能源、劳力和生产效率高的特用，故具有节省资源、能源、劳力和生产效率高的特点。点。按照生产方法的不同，按照生产方法的不同，TPETPE大致可以分为两大类：大致可以分为两大类：(1)(1)通过聚合方法得到的嵌

8、段共聚物通过聚合方法得到的嵌段共聚物; ;如如: :苯乙烯苯乙烯丁二烯丁二烯苯乙烯三嵌段共聚物；苯乙烯三嵌段共聚物；(2)(2)弹性体与塑料在一定条件下通过机械共混方法制备的共弹性体与塑料在一定条件下通过机械共混方法制备的共混物。混物。如如: :乙丙橡胶与聚丙烯共混物乙丙橡胶与聚丙烯共混物热塑性乙丙橡胶。热塑性乙丙橡胶。7.3 热塑性弹性体7.3 热塑性弹性体 嵌段共聚型嵌段共聚型TPETPEn 嵌段共聚型嵌段共聚型TPETPE包括包括: :苯乙烯类苯乙烯类TPETPE，聚氨酯类，聚氨酯类TPETPE， 聚酯类聚酯类TPETPE，聚硅氧烷类，聚硅氧烷类TPETPE等。等。n特点特点: :弹性好

9、、硬度高、耐磨、耐油。弹性好、硬度高、耐磨、耐油。n缺点缺点: :压缩永久形变较大、热稳定性较差、密度较高、价格昂贵压缩永久形变较大、热稳定性较差、密度较高、价格昂贵等。等。n用途用途: :用于注射用于注射, ,挤出成型制品、鞋底、涂布、涂料、粘合等。挤出成型制品、鞋底、涂布、涂料、粘合等。n 该领域研究得最深透的是阴离子聚合得到的苯乙烯该领域研究得最深透的是阴离子聚合得到的苯乙烯- -丁二烯丁二烯- -苯苯乙烯三嵌段共聚物乙烯三嵌段共聚物(SBS),S/B(SBS),S/B约为约为30/70(30/70(质量比质量比) )。共混型共混型TPETPE共混型共混型TPETPE在共混技术上经历了三个阶段在共混技术上经历了三个阶段: :n 简单机械共混（简单机械共混（TPOTPO）。）。 特点为密度小，抗冲击性特别是低温脆性好特点为密度小，抗冲击性特别是低温脆性好n 部分动态硫化共混。部分动态硫化共混。 特点特点: :材料强度、压缩永久形变、耐热、耐溶剂等性能均较材料强度、压缩永久形变、耐热、耐溶剂等性能均较TPOTPO有了很大提高，橡胶含量也可高于有了很大提高，橡胶含量也可高于TPOTPOn 动态硫化共混。热塑性硫化胶动态硫化共混。热塑性硫化胶(IPV)(IPV)。 特点特点: :材料的强度、弹性、抗压缩永久形变性能及耐热性都材料的强度、弹性、抗压缩永