第四讲 橡胶的弹性PPT课件
合集下载
第四讲橡胶的弹性
( x ,y ,z ) W ( x ,y ,z ) k k k
Boltzmann定理 The entropy
S k ln
k is Boltzmann's constant
2 2 2 2
S C k ( x y z )
C - constant
波尔兹曼定律：把熵和概率联系起来，自发过程总是从小概率向大概率发展，阐 明了热力学第二定律的统计性质。
橡胶的热力学分析
橡胶的热力学分析
橡胶的热力学分析
橡胶的热力学分析
橡胶的热力学分析
橡胶的热力学分析
橡胶弹性的统计理论
(Statistical Theories of Rubber Elasticity)
用构象统计理论计算△S⇒来导出宏观应力-应变（伸长率）的 关系
理想交联网模型假设 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
橡胶的发展
南美土著人1000多年前使用天然胶乳制造器具，“会流泪树的树” ；
哥伦布1493-1496年第二次航行时发现海地人玩的球能从地上弹起 来，欧洲人第一次认识到橡胶； 1747年法国工程师马凯尔用橡胶制造雨衣，橡胶工业的起点； 1823 年韩可克发明双棍炼胶机， 1839 年美国人固特异发明橡胶硫 化，橡胶工业得到突破性进展； 1888年兽医Dunlop发明充气轮胎，橡胶应用得到了起飞； 野生天然橡胶供不应求，1876年英国人 H. Wickham从巴西运回橡 胶种子，在英国皇家植物园试种成功，后来发展至东南亚，开始了橡 胶种植时代；
形变为仿射形变
Arthur S. Lodge
交联点由四个有效链组成
橡胶知识培训课件(PPT 61页)
顺丁橡胶（BR） 异戊橡胶（IR） 氯丁橡胶（CR） 乙丙橡胶（EPDM） 丁基橡胶（IIR）
特种橡胶
硅橡胶（VMQ） 氟橡胶（FKM）
丙烯酸酯橡胶（ACMAEM） 氯醚（醇）橡胶（CO/ECO）
氯化聚乙烯（CM） 氯磺化聚乙烯（CSM) 氢化丁腈橡胶（HNBR） 聚氨酯橡胶（AU、EU）
生胶的基本特性
4活性剂 （1）活性剂的作用：使促进剂反应加速 （2）活性剂种类：主要就是氧化锌(ZnO)氧 化镁(MgO)和硬脂酸等 5.防焦剂 （1）防焦剂的作用：凡少量添加到胶料中 即能防止或迟缓胶料在硫化前的加工和 储存过程中发生早期硫化（焦烧）现象的物 质 （2）a有机酸类，水杨酸（邻羟基苯酸）。
b 含硝基化合物 N-亚硝基二苯胺（防 焦剂NA或NDPA 常用防焦剂：PVI(或CTP)
4.异戊橡 胶（IR）
是由异戊二 烯单体聚合 而成的一种 R 顺式结构橡 胶。
化学组成、立体结构与天然橡胶
相似，性能也非常接近天然橡胶，
故有合成天然橡胶之称。它具有
天然橡胶的大部分优点，耐老化 优于天然橡胶，弹性和强力比天 然橡胶稍低，加工性能差，成本 较高。使用温度范围：约-50～ +100℃。
可代替天然橡胶制作 轮胎、胶鞋、胶管、 胶带以及其它通用制 品。
主要用于制造各种耐 油制品，如胶管、 密封制品等。
缘性不好，耐极性溶剂性能
也较差。使用温度范围：约-
30～+125℃。
8.氢化丁腈橡胶 （HNBR）
它是通过全部或部分氢化NBR的
丁二烯中的双键而得到的。
其特点是机械强度和耐磨性
高，用过氧化物交联时耐热
丁二烯和丙
性比NBR好，其它性能与丁
烯腈的 M
特种橡胶
硅橡胶（VMQ） 氟橡胶（FKM）
丙烯酸酯橡胶（ACMAEM） 氯醚（醇）橡胶（CO/ECO）
氯化聚乙烯（CM） 氯磺化聚乙烯（CSM) 氢化丁腈橡胶（HNBR） 聚氨酯橡胶（AU、EU）
生胶的基本特性
4活性剂 （1）活性剂的作用：使促进剂反应加速 （2）活性剂种类：主要就是氧化锌(ZnO)氧 化镁(MgO)和硬脂酸等 5.防焦剂 （1）防焦剂的作用：凡少量添加到胶料中 即能防止或迟缓胶料在硫化前的加工和 储存过程中发生早期硫化（焦烧）现象的物 质 （2）a有机酸类，水杨酸（邻羟基苯酸）。
b 含硝基化合物 N-亚硝基二苯胺（防 焦剂NA或NDPA 常用防焦剂：PVI(或CTP)
4.异戊橡 胶（IR）
是由异戊二 烯单体聚合 而成的一种 R 顺式结构橡 胶。
化学组成、立体结构与天然橡胶
相似，性能也非常接近天然橡胶，
故有合成天然橡胶之称。它具有
天然橡胶的大部分优点，耐老化 优于天然橡胶，弹性和强力比天 然橡胶稍低，加工性能差，成本 较高。使用温度范围：约-50～ +100℃。
可代替天然橡胶制作 轮胎、胶鞋、胶管、 胶带以及其它通用制 品。
主要用于制造各种耐 油制品，如胶管、 密封制品等。
缘性不好，耐极性溶剂性能
也较差。使用温度范围：约-
30～+125℃。
8.氢化丁腈橡胶 （HNBR）
它是通过全部或部分氢化NBR的
丁二烯中的双键而得到的。
其特点是机械强度和耐磨性
高，用过氧化物交联时耐热
丁二烯和丙
性比NBR好，其它性能与丁
烯腈的 M
非线性弹性橡胶弹性.ppt
将(2),(3)代入(1)得到dU TdS PdV fdl (4)
由泊松比知,橡胶在伸长过程中体积几乎不变,dV 0 dU TdS fdl或者fdl dU TdS
f
U l
T ,V
S l
T
,V
(5)
上式表明f 的作用可分为两部分 : 一部分用于体系内能的
4.0
=1.42
3.0
300
320
340
TK
图5 天然橡胶在不同拉伸比下的张力-温度关系
由图可得到如下的结果:
(1)不同拉伸比的直线的斜率并不相同,拉伸比增大时,斜
率也增大.表明形变增大时,张力的温度敏感性变大.同时
由于
f S T l,V l T ,V
顺丁橡胶 天然橡胶 丁苯橡胶 丁基橡胶 乙丙橡胶 丁腈橡胶 氯丁橡胶
其他还有氟橡胶, 聚氨酯橡胶属于弹性体
Rubber Products
The definition of rubber
• 施加外力时发生大的形变，外力除去后可以回复的
弹性材料
• 橡胶、塑料、生物高分子在Tg~Tf间都可表现出一定
的高弹性
所以在形变增大时,单位长度增加所引起的熵下降也变大.
(2)不同拉伸比所得到的直线外推至0K时,截距几乎都为0.
U l
T ,V
0
即 U 0 l T,V
有f T f T S (8)
T l,V
l T,V
这就是说在外力作用下，橡胶的分子链由原来的蜷曲状 态（S1）变为伸展状态（S2），熵值由大变小 △ S ＝ S1－ S2 > 0 说明形变终态是个不稳定的体系，当外力除去后，就会 自发的回复到初态，这说明为什么橡胶的高弹形变可恢 复。同时说明高弹性主要是由橡胶内熵的贡献
高分子材料-4.5-热塑性弹性体PPT课件
刚开始时塑料为分(Fen)散相，橡胶为连续相。
但在共混过程中，橡胶同时发生原位交联反 应，黏度大增，在机械剪切力的作用下被破 碎为微米级的颗粒。
同时发生相反转，塑料变为连续相，交联橡 胶微粒变为分散相。
TPV是Thermal Plastic Vulcanizate的缩写。
.
17
第十七页，共二十四页。
玻璃态或结晶态微区
.
5
第五页，共二十四页。
<二> 苯乙烯类热塑性弹性体
1. 结构
苯乙烯类嵌段(Duan)共聚型热塑性弹性体的结构 为S—D—S。S为聚苯乙烯硬段(Duan)，其聚集微 区为无定形玻璃态——物理交联点；D为聚 二烯烃或氢化聚丁二烯软段，在常温下处于 高弹态——提供橡胶的弹性。
.
6
第六页，共二十四页。
第十二页，共二十四页。
<四> 乙(Yi)烯-α辛烯共聚物（POE）
1. 结构
该TPE是通过乙烯与α辛烯在茂金属催化剂的 催化下定向共聚而成的具有特殊序列分布的 聚烯烃共聚物。POE是Poly Olefin Elastomer 的缩写。
辛烯共聚单体在分子链上均匀分布，其质量 含量>20%wt。
引入少量的辛烯破坏了与其相邻接碳的结晶， 形成具有无定形结构的弹性区；剩余的PE微 结晶区起到了物理交联点的作用。
POE主链的特性与PE类似——良好的绝缘性 和耐化学介质性。
但耐热性低——永久变形大。
通过部分交联的方式可以改善。
3. 应用
替代EPDM制(Zhi)造防水卷材，耐候性更好。
微交联的POE——高耐候电缆料。
POE还可以用于PP的增韧改性剂，在提高韧 性的同时，强度和加工性牺牲较小。
但在共混过程中，橡胶同时发生原位交联反 应，黏度大增，在机械剪切力的作用下被破 碎为微米级的颗粒。
同时发生相反转，塑料变为连续相，交联橡 胶微粒变为分散相。
TPV是Thermal Plastic Vulcanizate的缩写。
.
17
第十七页，共二十四页。
玻璃态或结晶态微区
.
5
第五页，共二十四页。
<二> 苯乙烯类热塑性弹性体
1. 结构
苯乙烯类嵌段(Duan)共聚型热塑性弹性体的结构 为S—D—S。S为聚苯乙烯硬段(Duan)，其聚集微 区为无定形玻璃态——物理交联点；D为聚 二烯烃或氢化聚丁二烯软段，在常温下处于 高弹态——提供橡胶的弹性。
.
6
第六页，共二十四页。
第十二页，共二十四页。
<四> 乙(Yi)烯-α辛烯共聚物（POE）
1. 结构
该TPE是通过乙烯与α辛烯在茂金属催化剂的 催化下定向共聚而成的具有特殊序列分布的 聚烯烃共聚物。POE是Poly Olefin Elastomer 的缩写。
辛烯共聚单体在分子链上均匀分布，其质量 含量>20%wt。
引入少量的辛烯破坏了与其相邻接碳的结晶， 形成具有无定形结构的弹性区；剩余的PE微 结晶区起到了物理交联点的作用。
POE主链的特性与PE类似——良好的绝缘性 和耐化学介质性。
但耐热性低——永久变形大。
通过部分交联的方式可以改善。
3. 应用
替代EPDM制(Zhi)造防水卷材，耐候性更好。
微交联的POE——高耐候电缆料。
POE还可以用于PP的增韧改性剂，在提高韧 性的同时，强度和加工性牺牲较小。
橡胶弹性
Modulus - the ability of a sample of a material to resist deformation.
E
柔量 Compliance
D
简单剪切Shear
剪切位移 S， 剪切角 ， 剪切面间距 d 剪切应变
S tg d
F A0
S f Therefore l T , P T P,l
Substitute (16) into (7’)
S f l T , P T P ,l
U S f T l T , P l T , P
热力学体系：橡皮试样 环境：外力（单轴拉伸）温度、压力 依据：热力学第一定律dU＝dQ－dW 热力学第二定律dQ＝TdS
tensile
f – tensile force dl – extended length P—所处大气压
dV—体积变化
l 0– Original length
First law of thermodynamics
Josiah Willard Gibbs (1839~1903)
G=H-TS
H、T、S分别为系统的焓Enthalpy、 热力学温度Temperature和熵Entropy
焓是一种热力学体系，对任何系统来说，焓的定义为：
H=U+PV
U为系统的内能；P为系统的压力，V为系统的体积
G=U+PV-TS
Making derivation 求导数
f ( ) TV T ( ) l V
u l
, ,
f T
*
拉伸力f（即应力σ ）对温度作图 。 结果：入＜10％时直线外推到T＝0K时， 通过坐标原点，由式＊＊得
E
柔量 Compliance
D
简单剪切Shear
剪切位移 S， 剪切角 ， 剪切面间距 d 剪切应变
S tg d
F A0
S f Therefore l T , P T P,l
Substitute (16) into (7’)
S f l T , P T P ,l
U S f T l T , P l T , P
热力学体系：橡皮试样 环境：外力（单轴拉伸）温度、压力 依据：热力学第一定律dU＝dQ－dW 热力学第二定律dQ＝TdS
tensile
f – tensile force dl – extended length P—所处大气压
dV—体积变化
l 0– Original length
First law of thermodynamics
Josiah Willard Gibbs (1839~1903)
G=H-TS
H、T、S分别为系统的焓Enthalpy、 热力学温度Temperature和熵Entropy
焓是一种热力学体系，对任何系统来说，焓的定义为：
H=U+PV
U为系统的内能；P为系统的压力，V为系统的体积
G=U+PV-TS
Making derivation 求导数
f ( ) TV T ( ) l V
u l
, ,
f T
*
拉伸力f（即应力σ ）对温度作图 。 结果：入＜10％时直线外推到T＝0K时， 通过坐标原点，由式＊＊得
橡胶弹性热力学
橡胶弹性的原因三：适度交联
无交联的情况
拉伸
回缩
建立交联点
有交联的情况
构成橡胶弹性体的三个要件：
(1) 必须由长链聚合物构成 (2) 聚合物链必须具有高度柔性 (3) 聚合物链必须为交联网络
热力学分析
dL
dL
f
ff
f
L
恒温条件下将原长度为 L0的橡胶带拉长 dL
dL
f
f
体系的内能受三个因素影响： (1)拉伸功 (2)体积变化功 (3)热量变化
Mc=W/N
交联密度的描述方法
(3)交联密度(? /V)：单位体积中的交联点数
? 为交联点总数
橡胶示例
天然橡胶
优点：1有较高的门尼粘度2加工性
能好，易与配合剂混合，且可与多数 合成橡胶并用。 缺点：1非极性橡胶，在非极性溶剂 中膨胀，故耐油、耐溶剂性差。2含
H
HH
－ －－
－C－C＝C－C－
－－
－
f ? ?? ?U ?? ? T ?? ?S ?? ? ?L ?T ,V ? ?L ?T ,V
f ? ?T ?? ?S ?? ? ?L ?T ,V
揭示了橡胶弹性的本质： 熵弹性
近期的研究表明，内能对聚合物高弹性也有一定的贡献，约占十分之一。
解释了形变的热效应
热
冷
W
热
冷
f ? ?T ?? ?S ?? ? ?L ?T ,V
异丁烯
丁基橡胶
气密性好，耐热、耐臭氧、耐化学药品。制 作各种轮胎的内胎、无内胎轮胎的气密层、 各种密封垫圈，在化学工业中作盛放腐蚀性 液体容器的衬里。
橡胶示例
H
H
C ＝C
CH 2
橡胶弹性实用PPT课件PPT课件
第35页/共37页
6．6 热塑性弹性体
• 特点 • 尽管化学合成的嵌段共聚型TPE 有许多优点，但与传统的硫化
胶相比，存在着弹性较差、压缩永久形变较大、热稳定性较差 以及密度较高、价格昂贵等缺点，使其应用受到了一定的限制。 • 共混型TPE 除了具有嵌段共聚型TPE 的基本特征之外，还具有 设备投资少、制备工艺简单、性能可调度大以及成本低等优点， 因此，对其的研究和开发应用受到人们的重视。
实验值＜理论值
第30页/共37页
橡胶状态方程的修正
•
1网链在大变形时不符合高斯链h 2
h
2 0
• △F=
• 参数有时称为“前因子”，可以理解为网链的实际 尺寸同假定它们是孤立的且不受任何约束时的尺寸 的平均偏差。对于理想橡胶网络，前因子显然等于1。
第31页/共37页
橡胶状态方程的修正
• 2网链不是理想的，存在某些对弹性没有贡献的端链
交联网的状态方程
（应力~应变关系）
由于假设形变过程中交联网的内能不变，△U＝0，
故自由能的变化为
△ F = △U-T△S
W
1 2
KNT
21
22
23
3
所上以式有为：橡胶△ F材=料W拉伸12时K形N变T功21与 形22变的23定量3关系
K：玻尔兹曼常数、N：网链总数、T：温度、 λ：伸长 比
• 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——分子链构象从卷曲 克服很小的构象改变能即能产生很大的形变 。 ε大
伸展，外力只需 E小、
* 卷曲（热力学稳定）
伸展（热力学不稳定）
可逆
第6页/共37页
橡胶高弹性的分子机制
6．6 热塑性弹性体
• 特点 • 尽管化学合成的嵌段共聚型TPE 有许多优点，但与传统的硫化
胶相比，存在着弹性较差、压缩永久形变较大、热稳定性较差 以及密度较高、价格昂贵等缺点，使其应用受到了一定的限制。 • 共混型TPE 除了具有嵌段共聚型TPE 的基本特征之外，还具有 设备投资少、制备工艺简单、性能可调度大以及成本低等优点， 因此，对其的研究和开发应用受到人们的重视。
实验值＜理论值
第30页/共37页
橡胶状态方程的修正
•
1网链在大变形时不符合高斯链h 2
h
2 0
• △F=
• 参数有时称为“前因子”，可以理解为网链的实际 尺寸同假定它们是孤立的且不受任何约束时的尺寸 的平均偏差。对于理想橡胶网络，前因子显然等于1。
第31页/共37页
橡胶状态方程的修正
• 2网链不是理想的，存在某些对弹性没有贡献的端链
交联网的状态方程
（应力~应变关系）
由于假设形变过程中交联网的内能不变，△U＝0，
故自由能的变化为
△ F = △U-T△S
W
1 2
KNT
21
22
23
3
所上以式有为：橡胶△ F材=料W拉伸12时K形N变T功21与 形22变的23定量3关系
K：玻尔兹曼常数、N：网链总数、T：温度、 λ：伸长 比
• 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——分子链构象从卷曲 克服很小的构象改变能即能产生很大的形变 。 ε大
伸展，外力只需 E小、
* 卷曲（热力学稳定）
伸展（热力学不稳定）
可逆
第6页/共37页
橡胶高弹性的分子机制
4 非线性弹性-橡胶弹性
应变按照受力方式的不同可以分为三种：张应变，切应 变，体应变
单轴拉伸
基 本 的 形 变
拉伸 Tensile
Uniaxial elongation 双轴拉伸 biaxial elongation 等轴 非等轴
简单剪切 Shear
本体压缩（或 本体膨胀）
形状改变而体 积不变 体积改变而形 状不变
(1) 简单拉伸
4.小应变时符合线性弹性，泊松比较大，＝0.49，接近液体， 拉伸时体积保持不变。 5.形变时伴随着热效应，橡胶急速拉伸时伴随 着热效应，并且随着伸长率的增加而增加。 问题：以分子运动的观点解释橡胶具有高弹性的原因
6.弹性模量小，E很小
例如： 钢铁：1.96109N/m2 E=/ －－应力 －－形变 弹性模量是指单位形变所需要 的应力。抵抗外力产生形变的 能力
•橡胶弹性是熵弹性, 回弹动力是熵增.
•橡胶在拉伸过程中放出热量, 回缩时吸收热量.
非线性弹性(橡胶弹 性) 讨论
1 橡胶弹性为熵弹性 2 理想弹性体 3 熵弹性体的模量比较小 4 当伸长率较大时,可能发生拉 伸结晶,内能变化不能忽略
补充作业题 １ 运用热力学第一，二定律推 导 ， U S
f ( l )T ,P T ( l )T ,P
第二步：用统计法定量的计算分子链的末端距和熵，从而 对分子的弹性做出完整的解释 第三步：把孤立的分子链性质用于交联网的结构体系中， 用定量法描述rubber的高弹性
形变
平衡态——可逆形变。橡胶的高弹形变，可 用热力学第一定律和第二定律进行分析 非平衡态——松弛过程形变
假定长度为l0的橡胶试样，在等温进行拉伸, 受力为f , 形变 为dl，由热力学第一定律： dU＝dQ dW (1) 被拉伸时体系做功包括两部分：一部分是拉伸过程中体积 变化所作的膨胀功PdV，另一部分是外力对体系所作的功－fdl dW＝PdV fdl ( 2) 由热力学第二定律：等温可逆过程体系所得到的热量为： dQ＝TdS－－－－－（3 ）
橡胶ppt课件
23
天然橡胶分类
（1）通用天然橡胶 ( 8个品种、35个级别）
烟片胶： 经凝固、压片、烟熏等工艺制成 的表面带菱形花纹的棕色胶片。 烟片胶综合性能好，保存时间长， 物理力学性能是NR中最好的，可 用于轮胎和一般橡胶制品。
胺类化合物、树脂类化合物、金属氧化物等。
9
②硫化促进剂: 缩短硫化时间，降低硫化温度，改善橡胶性能。
常用促进剂有二硫化氨基甲酸盐、黄原酸盐类、 噻唑类等有机物。 ③活化剂：用来提高促进剂的活性。 常用活化剂有氧化锌、氧化镁、硬酯酸等。
10
④ 填充剂： 提高橡胶强度、改善工艺性能和降低成本。 补强剂如炭黑、白炭黑、氧化锌、氧化镁等； 用于降低成本的填充剂，如滑石粉、硫酸钡等。 ⑤ 增塑剂： 增加橡胶的塑性和柔韧性。 常用增塑剂有石油系列、煤油系列和松焦油系
天然橡胶（NR） ➢ 98%NR来自巴西橡胶树（三叶橡胶树）； ➢ 全世界NR的90%以上产自东南亚地区，主要是马来西
亚、印尼、斯里兰卡、泰国；
➢ 至今NR的消耗量仍约占橡胶总消耗量的40%
22
天然橡胶的制备与分类
新鲜胶乳 稀释 除杂
浓缩
浓缩胶乳
凝固 脱水 干燥 分级 包装 干胶
固体天然橡胶分为通用天然橡胶、特制天然橡胶和 改性天然橡胶。
第四章 橡 胶
1
4.1 概述
橡胶的特征
大分子构象变化 带来的熵弹性。
➢高弹性：在外力作用下具有较大的弹性形变，最高 可达1000%，除去外力后变形很快恢复；
➢柔软性好、硬度低；
➢具有高分子材料的共性：粘弹性、绝缘性、环境老 化性、密度小。
2
橡胶的发展历史
（1）天然橡胶的发现和利用
❖ 早在11世纪，南美洲人即已开始利用野生天然橡胶。 ❖ 1496，哥伦布第二次到美洲，发现橡胶树； ❖ 1736年法国人孔达米纳参加法国科学院赴南美考察队，观察到三叶橡胶
天然橡胶分类
（1）通用天然橡胶 ( 8个品种、35个级别）
烟片胶： 经凝固、压片、烟熏等工艺制成 的表面带菱形花纹的棕色胶片。 烟片胶综合性能好，保存时间长， 物理力学性能是NR中最好的，可 用于轮胎和一般橡胶制品。
胺类化合物、树脂类化合物、金属氧化物等。
9
②硫化促进剂: 缩短硫化时间，降低硫化温度，改善橡胶性能。
常用促进剂有二硫化氨基甲酸盐、黄原酸盐类、 噻唑类等有机物。 ③活化剂：用来提高促进剂的活性。 常用活化剂有氧化锌、氧化镁、硬酯酸等。
10
④ 填充剂： 提高橡胶强度、改善工艺性能和降低成本。 补强剂如炭黑、白炭黑、氧化锌、氧化镁等； 用于降低成本的填充剂，如滑石粉、硫酸钡等。 ⑤ 增塑剂： 增加橡胶的塑性和柔韧性。 常用增塑剂有石油系列、煤油系列和松焦油系
天然橡胶（NR） ➢ 98%NR来自巴西橡胶树（三叶橡胶树）； ➢ 全世界NR的90%以上产自东南亚地区，主要是马来西
亚、印尼、斯里兰卡、泰国；
➢ 至今NR的消耗量仍约占橡胶总消耗量的40%
22
天然橡胶的制备与分类
新鲜胶乳 稀释 除杂
浓缩
浓缩胶乳
凝固 脱水 干燥 分级 包装 干胶
固体天然橡胶分为通用天然橡胶、特制天然橡胶和 改性天然橡胶。
第四章 橡 胶
1
4.1 概述
橡胶的特征
大分子构象变化 带来的熵弹性。
➢高弹性：在外力作用下具有较大的弹性形变，最高 可达1000%，除去外力后变形很快恢复；
➢柔软性好、硬度低；
➢具有高分子材料的共性：粘弹性、绝缘性、环境老 化性、密度小。
2
橡胶的发展历史
（1）天然橡胶的发现和利用
❖ 早在11世纪，南美洲人即已开始利用野生天然橡胶。 ❖ 1496，哥伦布第二次到美洲，发现橡胶树； ❖ 1736年法国人孔达米纳参加法国科学院赴南美考察队，观察到三叶橡胶
《橡胶弹性》课件
深入理解橡胶弹性理论有助于开 发高性能橡胶材料和优化其制备
工艺。
橡胶弹性在可持续发展领域的应用
可持续发展是当今社会的重要 议题，橡胶弹性在可持续发展 领域具有广阔的应用前景。
利用橡胶材料的高弹性、耐腐 蚀性等特点，开发环保型轮胎 、密封件等产品，降低对环境 的污染。
探索橡胶材料在可再生能源领 域的应用，如太阳能电池板、 风力发电机等，推动可持续发 展目标的实现。
感谢您的观看
THANKS
松弛时间短的橡胶具有较好的动态性能，而松弛 时间长的橡胶则表现出较好的静态性能。
温度对橡胶的松弛时间有显著影响，随着温度的 升高，松弛时间会缩短。
橡胶的阻尼性能
01 阻尼性能是指橡胶材料在受到振动或冲击时吸收 能量的能力。
02 阻尼性能与橡胶的弹性模量、内摩擦和温度等因 素有关。
03 高阻尼性能的橡胶材料可以用于减震、隔音等领 域。
其他领域的应用
总结词
除了上述领域外，橡胶弹性还在许多其他领 域中得到广泛应用。
详细描述
橡胶弹性因其独特的物理性质和化学稳定性 而被广泛应用于许多领域，如建筑、医疗、 航空航天等。在这些领域中，橡胶弹性材料 可以发挥其优良的弹性和耐久性，为产品和 装置的性能和寿命提供重要保障。
05
橡胶弹性研究的未来展望
详细描述
在轮胎制造过程中，橡胶弹性起着至关重要的作用。它不仅 决定了轮胎的舒适性和操控性，还影响着轮胎的耐磨性和抓 地力。通过合理选择和调配橡胶弹性，可以生产出性能更优 、寿命更长的轮胎。
减震器制造中的应用
总结词
减震器制造中，橡胶弹性是关键因素之一，它影响着减震器的性能和使用寿命。
详细描述
减震器是许多设备和车辆中的重要部件，用于吸收和缓冲振动和冲击。在减震器制造中，橡胶弹性是 决定其性能和使用寿命的关键因素之一。通过合理选择和调配橡胶弹性，可以提高减震器的吸收能力 和耐久性，从而延长其使用寿命。
04橡胶弹性
a b
剪切：受大小相等、方向相反、不在一条直线上的力作用
A0 剪应力 = f/A0
s
s 剪应变 tg d
f
剪切模量 G = / 剪切柔量 J = 1/G = /
f
d
体积压缩：受流体静压力作用
体积应力 静压力 P V0
V0 V V V0 V0 PV0 P B V / V0 V
N为体系内网链总数
这里再次应用了相似假定，即所有网链的 i 都是相同的
3 NkT 2 2 2 2 2 2 G Gi [( 1 ) x ( 1 ) y ( 1 ) z 1 0 2 0 3 0 ] 2 2 r f , j
拉伸后的自由能：
拉伸前后的自由能变化：
隐含了相似假定
3 kT 2 2 2 2 2 2 Gi Gi Gi0 ( 1 ) x ( 1 ) y ( 1 ) z 1 0 2 0 3 0 2 2 r f , j
一根网链：
x '1 x0 , y '2 y0 , z '3 z0
(2)相似形变假定 dL
宏观尺度的变化
率等于微观坐标
的变化率
f dL
f
1 = ’1
2 = ’ 2 3 = ’ 3
f
f
推导起点：
G=H-TS = -TS
P为几率数
2 2 2 3 ( x y z ) exp dxdydz 2 2r f , j
U S f T L p ,T L p ,T
U f f T L p ,T T p , L
橡胶弹性 ppt课件
第六章 橡胶弹性
Rubber elasticity
ppt课件
1
The definition of rubber
Rubber is also called elastomer 弹性体.
It is defined as a cross-linked amorphous polymer above its glass transition temperature.
ppt课件
18
形变类型
简单拉伸
基
tensile
本
的 形
简单剪切
变
shear
形状改变而 体积不变
本体压缩 compression
体积改变而 形状不变
ppt课件
19
材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同， 材料受力方式主要有以下三种基本类型：
（i）简单拉伸（simple elongation,drawing, tensile)：
ppt课件
足够柔性
交联
6
高弹性特点
形变量大（WHY？长链,柔性） 弹性形变量可高达1000％
弹性模量小,高弹模量约105N/m2 一般聚合物109N/m2，金属1010-11 N/m2
弹性模量随温度升高而增大
晶体材料的弹性模量随温度升高而减小。
形变有热效应——快速拉伸放热，形变回复吸热 金属材料与此相反。
ppt课件
内能的贡献 熵的贡献
35
f-T Curve
f
=
U l
T,V
+
T
f T
l,V
在恒压条件下，固定样品长度，以f对T作图
截距 U
l T ,V
Rubber elasticity
ppt课件
1
The definition of rubber
Rubber is also called elastomer 弹性体.
It is defined as a cross-linked amorphous polymer above its glass transition temperature.
ppt课件
18
形变类型
简单拉伸
基
tensile
本
的 形
简单剪切
变
shear
形状改变而 体积不变
本体压缩 compression
体积改变而 形状不变
ppt课件
19
材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同， 材料受力方式主要有以下三种基本类型：
（i）简单拉伸（simple elongation,drawing, tensile)：
ppt课件
足够柔性
交联
6
高弹性特点
形变量大（WHY？长链,柔性） 弹性形变量可高达1000％
弹性模量小,高弹模量约105N/m2 一般聚合物109N/m2，金属1010-11 N/m2
弹性模量随温度升高而增大
晶体材料的弹性模量随温度升高而减小。
形变有热效应——快速拉伸放热，形变回复吸热 金属材料与此相反。
ppt课件
内能的贡献 熵的贡献
35
f-T Curve
f
=
U l
T,V
+
T
f T
l,V
在恒压条件下，固定样品长度，以f对T作图
截距 U
l T ,V
《橡胶弹性理论》PPT课件_OK
19
• NR，加1~5% S 弹性体 • NR，加10~30% S 硬质橡胶
20
• 4.结晶度：愈少较好
• PE、PP结晶成塑料。
EPR无规共聚破坏结晶形成橡胶。
• 5.分子量
• 从热机械曲线可知，显示高弹态温度范围是在Tg~ Tf之间，而Tg~ Tf的温度范围随分子量的增加而逐 步加宽。因此需要一定的分子量。
线性增加。且具有不可逆性 (irreversibility)。
• 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
15
• 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 • 先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。
T
G l T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S l
T
=-
f T
l
(7)可重新表示为
f
H l
T
,P
+
T
f T
l,P
（9） （10） （11）代入（10）
（12） （13）
（14）
（15）
(16)
26
S l
T
=-
f T
l
f
H l
• NR，加1~5% S 弹性体 • NR，加10~30% S 硬质橡胶
20
• 4.结晶度：愈少较好
• PE、PP结晶成塑料。
EPR无规共聚破坏结晶形成橡胶。
• 5.分子量
• 从热机械曲线可知，显示高弹态温度范围是在Tg~ Tf之间，而Tg~ Tf的温度范围随分子量的增加而逐 步加宽。因此需要一定的分子量。
线性增加。且具有不可逆性 (irreversibility)。
• 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
15
• 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 • 先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。
T
G l T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S l
T
=-
f T
l
(7)可重新表示为
f
H l
T
,P
+
T
f T
l,P
（9） （10） （11）代入（10）
（12） （13）
（14）
（15）
(16)
26
S l
T
=-
f T
l
f
H l
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
度下均呈高弹态。
3
高弹形变的本质：高弹性是一种熵弹性
➢ 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 ➢形变可逆
4
橡胶的热力学分析
5
6
聚丁二烯的交联
➢天然橡胶、合成橡胶：化 学交联，硫化 ➢热塑性弹性体：物理交联
形变有热效应，橡胶拉伸放热，why？ 原因：a.蜷曲→伸展，熵减小，放热，b.分子
摩擦放热，c.拉伸结晶，放热）
9
橡胶的热力学分析
10
橡胶的热力学分析
11
橡胶的热力学分析
12
橡胶的热力学分析
13橡胶的热力学分析14橡胶的热力学分析15
橡胶弹性的统计理论
(Statistical Theories of Rubber Elasticity)
对孤立柔性高分子链，若将其一端固定在坐标的原 点(0,0,0)，那么其另一端出现在坐标(x,y,x)处小体积 dxdydz内的几率为：
W (x,y,z)dxd yd 3zexp2((x2y2z2)dxd
2=3/(2zb2) z – 链段数目
b – 链段长度 18
仿射形变 Affine deformation
①当ε很小时，符合虎克 定律。
②λ＜1.5时，理论与实验 符合较好。
偏差原因： a、很高应变，高斯链假 设不成立。 b、应变引起结晶作用。
29
30
31
32
内能对橡胶弹性的贡献
33
橡胶的发展
➢南美土著人1000多年前使用天然胶乳制造器具，“会流泪树的树” ；
➢哥伦布1493-1496年第二次航行时发现海地人玩的球能从地上弹起 来，欧洲人第一次认识到橡胶；
34
橡胶的发展
➢1879年布恰尔达特在实验室第一次将异戊二烯聚合成类似橡胶的 弹性体； ➢20世纪30年代，乳液聚合丁苯、丁腈、氯丁橡胶等先后工业化； ➢20世纪50年代，Ziegler-Natta发明了定向聚合立体规整橡胶，出 现了乙丙、顺丁、异戊等橡胶； ➢1965-1973年出现热塑性弹性体，橡胶得到进一步的突破。
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。
19
构象数
W (x ,y ,z)3 e 3 /22(x2 y2 z2)
4
(x,y,z)k 1W(xk,yk,zk)
Skln Boltzmann定理 The entropy
k is Boltzmann's constant
➢NR中顺1, 4-聚异戊二烯可发生结晶，低温和拉伸条件下均可使 NR结晶，因此NR自补强性好；
➢NR的性能：综合性能好，高强度，未补强可达17-25MPa，补强 后可达25-35MPa，撕裂可达98KJ/m；
➢NR的应用：轮胎，管带和皮鞋等
36
天然橡胶
37
常见橡胶介绍-聚异戊二烯（IR）
➢溶液聚合的高顺式-1,4-聚异戊二烯； ➢最接近NR的合成胶； ➢分子量分布窄，支化少，不含NR的非橡胶烃成分； ➢纯净度高，无色透明； ➢未硫化性能低； ➢弹性好； ➢应用：管带，胶鞋等
35
常见橡胶介绍-天然橡胶（NR）
➢使用最早，性能最全面，应用最广，占橡胶总量的30-40%；
➢具有重要战略意义，非石油产品；
➢除顺1, 4-聚异戊二烯外，NR中含2.0-3.0%的蛋白质，1.5-4.5%的 丙酮抽出物，还有少量灰分和水分。这些成分对NR的性能有着非常 重要的作用；
➢NR分子量介于3万-3000万之间，分布很宽，加工性能好；
38
常见橡胶介绍-丁苯橡胶（SBR）
➢有溶液聚合和乳液聚合两种，是用量最大的合成胶，占合成胶的 40-50%； ➢St典型含量为23.5%（质量），St:Bu=1:6.3，随着St含量增加， 性能向聚苯乙烯趋近； ➢中等弹性，非自补强型，力学性能低于天然橡胶； ➢抗湿滑性好，滚动阻力低，耐磨性好； ➢加工性能仅次于NR； ➢应用：70%用于轮胎，管、带、鞋等 ➢xSBR：造纸工业
SC k2(x2y2z2)
C - constant
波尔兹曼定律：把熵和概率联系起来，自发过程总是从小概率向大概率发展，阐
明了热力学第二定律的统计性质。
20
21
22
.
23
24
25
26
27
28
Comparison of theoretical curve and experimental results
用构象统计理论计算△S⇒来导出宏观应力-应变（伸长率）的 关系
理想交联网模型假设 ➢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
Arthur S. Lodge
16
交联点由四个有效链组成
17
高斯链 Gaussian chain
39
常见橡胶介绍-聚丁二烯橡胶（BR）
➢一般为高顺式-1,4-聚丁二烯，用量占第三位； ➢分子柔顺性好，弹性最好，滞后小，生热少； ➢良好的耐磨性； ➢Tg为-105℃，低温性能好； 应用：轮胎，管、带、鞋等
未交联橡胶，分子位移，发生永久形变⇒必须硫化。
7
橡胶的分子运动
具有橡胶弹性的条件：
长链 足够柔性 适度交联
8
橡胶高弹性特点
形变量大ε＝1000％，金属ε＜1％，why？ 原因：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 E＝105N/m2，塑料109N/m2 金属1010～11N/m2
橡胶的弹性
1
常见橡胶制品
2
橡胶高弹性的定义
橡胶力学性能的最大 特点
高弹性 粘弹性
➢橡胶高弹性：施加外力时发生大的形变，外力 除去后可以恢复
➢高弹态分子运动的特点：
高弹态是聚合物特有的力学状态。在Tg以上
的非晶态聚合物处于高弹态，典型的代表是各种
橡胶，因为其Tg≈-60-(-20)℃，所以在一般使用温
➢1747年法国工程师马凯尔用橡胶制造雨衣，橡胶工业的起点； ➢1823年韩可克发明双棍炼胶机，1839年美国人固特异发明橡胶硫 化，橡胶工业得到突破性进展；
➢1888年兽医Dunlop发明充气轮胎，橡胶应用得到了起飞； ➢野生天然橡胶供不应求，1876年英国人H. Wickham从巴西运回橡 胶种子，在英国皇家植物园试种成功，后来发展至东南亚，开始了橡 胶种植时代；