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泰州科德橡胶机械密炼机:如何理解橡胶高弹性的特点?

发布时间:2018-01-24 18:55:00 点击:    编辑:澳门棋牌娱乐游戏平台

泰州科德橡胶机械-澳门游戏平台注册网站2018年1月24日讯  任何一本高分子物理的教材都告诉大家,在Tg温度以上高聚物是橡胶,具有独特的力学状态———高弹态。高聚物在高弹态的物理力学性能是极其特殊的:它是固体,但兼备了液体和气体的某些性质。

      橡胶是固体,它有稳定的外形尺寸,在小形变(剪切,<5%)时,其弹性响应符合虎克定律。橡胶像液体,它的热膨胀系数和等温压缩系数等与一般小分子化合物液体有相同的数量级,表明橡胶分子间的相互作用又与液体相似。

       橡胶也像气体,因为使橡胶发生形变的作用力将随温度的增加而增加,与气体的压力随温度增加而增加一样。

     如果单就高聚物在高弹态所呈现的力学性能———高弹性而言,具有以下几个特点:

1.橡胶高弹性的本质是熵弹性,熵越大越稳定,而一般材料的普弹性则是能量的弹性,能量越低越稳定;

2.可逆弹性形变大,高可达1000%,即一根完好的橡胶条可以拉伸10倍后还会恢复到它原来的状态,而金属材料的可逆弹性形变一般不会超过百分之几;

3.弹性模量(高弹模量)小,只有10的5-6次方N/m2,竟比一般金属的弹性模量10的10次方N/m2约小4~5个量级;

4.随温度增加高弹模量是增加的,而金属材料的弹性模量随温度的增加而减小;51快速拉伸(绝热过程)时,橡胶会因放热而升温,金属材料则会因吸热而降温。

下面大家一一来说明高弹性的这些特点。

2 橡胶高弹性特点的渊源

2.1 橡胶高弹性的熵本质

        在这五个特点中,熵弹性本质是橡胶高弹性特点中根本的。理解了高弹性的熵本质,高弹性的其它特点就可迎刃而解了。

    如果在橡胶上作用有外力f,作为一个体系,那么热力学分析告诉大家,在等容和等温条件下橡胶试样的力学状态方程为,它告诉大家外力f如何导致橡胶条能量和熵的变化。

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          等容是体积V不变,统计地讲分子间距不变,即分子间相互作用不变,只需考虑由于分子构象的改变而引起的能量和熵的改变,使问题简单,用分子观点说明橡胶弹性更为合宜。但等容条件下的实验不易实现,所以用等压条件下的实验来代替等容下的实验。加上为避免由于橡胶较大的热膨胀带来的低拉伸时的“热弹转变”(在伸长不大时,由于热膨胀引起的拉力减小超过了在此伸长时应该需要的拉力增大,致使拉力反随温度增加而稍有减小),用拉伸比λ=lΠl0恒定来代替伸长l恒定。这样,引入假定,

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      既然在外力作用下,高分子链只是通过内旋转来改变它们的构象,能量不发生变化,所需的拉力只是克服范德华力,并不对化学键有什么影响,所需的作用力就会比改变键长或键角小很多,所以高弹模量将比普通材料的弹性模量要小几个量级(高弹性特点之三)。

2.3 橡胶的构象熵

   既然橡胶高弹性是它们熵的反映,那么从外力导致的构象熵变就可得到高弹性一系列特点的合理说明。

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       显然,单根高分子链就具有了高弹性。并且式(6)还指出,随温度增加需要更大的外力f才能使橡胶形变。这就说明了高弹模量随温度的增加而增加的事实(高弹性特点之四)。

2.4 交联橡胶的统计理论

          实用的橡胶都是交联的。交联橡胶的统计理论通过如下三个假定

(1)交联点固定不动,无论在应变状态还是在未应变状态;

(2)微观和宏观按比例形变(“仿射形变”(Affinedeformationassumption)假定)。即它的交联结构中每个链末端长度的形变与整个橡胶试样外形尺寸的变化有相同的比例;

(3)交联结构中交联点之间每个链的构象统计仍服从高斯统计,推导出了著名的储能函数(Enengyfunction),

   这里G就是交联橡胶的剪切模量,它与温度成正比关系,No表示单位体积内的网链数。这更直接表明不管是单根高分子链还是交联的橡胶,它们的模量都随温度的增加而增加(又一次高弹性特点之四,见图3)。

2.5 橡胶条的绝热拉伸

       至于快速拉伸(绝热过程)时,橡胶会因放热而升温是很容易理解的。在拉力f作用下,试样被拉长则按热力学第一定律,体系内能的变化dU为,

       dU=dQ-dW       dQ为体系得到的热量,dW为体系对外作的总功。既然已经知道橡胶拉伸时没有能量的变化,那么,dU=0,

         dQ=dW     即拉力对橡胶作的功,就导致热量的产生。因为是快速的绝热拉伸,热量来不及传递给周围环境,橡胶体系本身就会升温。事实上,如果及时用舌尖接触这快速拉伸的橡胶条,能明显感到它的温升。因为人的舌头能感受到零点几度的温差(高弹性特点之五)。

3 橡胶在高分子科学发展中的作用

          橡胶这种材料对高分子学科的贡献很大,像高聚物溶液理论,力学松弛理论(包括化学松弛),黏弹性理论大都是用橡胶作为研究对象的。正如上面已经看到的,橡胶高弹性理论推导出的储能函数W非常的简单,它只与形变参数λ和交联结构参数No(反映交联度的大小)有关,而与橡胶本身的化学结构无关,即可以不考虑组成橡胶的化学结构,只要这些高分子链足够长和具有足够的柔性,能满足前面理论提出的基本假定。

          事实上,诺贝尔化学奖得主Flory提出的非晶高聚物无规线团模型(无论是在溶液中,还是在本体中,高分子链都采取无规线团构象,服从高斯分布,线团分子之间是无规缠结,任意贯穿)的重要依据之一就是橡胶高弹性的统计理论。橡胶高弹性理论以及由此推导出来的储能函数,应力-应变行为规律都是以高分子链为完全无规线团为基础推导出的。它们与橡胶的实验有较好的符合。并且如果在橡胶中加入稀释剂也不会改变以上关系,说明原来的非晶态高分子链并不存在能被进一步溶解和拆散的局部有序结构。


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