高分子材料的高弹性
高分子材料的变形行为
高分子材料的变形行为高分子材料是一种由长链分子组成的材料，具有许多独特的物理和化学性质。
它们广泛应用于各个领域，如塑料制品、纺织品、医疗器械等。
在使用过程中，高分子材料的变形行为对其性能和应用起着至关重要的作用。
一、弹性变形高分子材料在受到外力作用时具有一定的弹性变形能力。
当外力作用消失后，材料会恢复初始形状。
这种弹性变形主要是由于高分子材料内部的分子链的弹性回弹作用引起的。
高分子材料的分子链通常由相互之间的化学键连接，分子间的键长和键角可以通过变形来适应外力作用。
这种弹性变形可以使高分子材料具有良好的回弹性和柔韧性。
二、塑性变形高分子材料在受到较大的外力作用时，会发生塑性变形。
与弹性变形不同，塑性变形是指材料在外力作用下无法完全恢复其初始形状。
这是因为分子链在受到外力作用时会发生断裂或重新排列，使材料的内部结构发生改变。
塑性变形可以使材料产生更大的变形量，但也会降低材料的强度和刚度。
三、蠕变蠕变是高分子材料长期受到静态外力作用时发生的一种缓慢的变形现象。
这种变形主要是由于分子链的滑移和分子之间的长程运动引起的。
在高温和高应力的条件下，分子链会相互穿越和滑移，导致材料发生形变。
蠕变会导致高分子材料的尺寸和形状发生改变，影响其应用效果。
四、破坏行为高分子材料在受到较大外力作用时会发生破坏。
这种破坏行为可以分为脆性破坏和韧性破坏两种。
脆性破坏是指材料在受到外力作用后，突然发生断裂或破碎。
这种破坏主要是由于高分子材料内部的缺陷、孔隙或分子链的断裂引起的。
韧性破坏则是指材料在受力作用下逐渐发生塑性变形，并最终发生断裂。
不同材料的破坏行为取决于其分子结构、晶体结构和外力作用方式等因素。
五、变形行为的调控为了提高高分子材料的性能和延长其使用寿命，可以通过调控材料的变形行为来实现。
例如，可以通过添加增韧剂来提高材料的抗拉强度和韧性，减少塑性变形的发生。
也可以通过控制材料的分子链长度和分子间交联程度来改变材料的弹性行为。
常见的高分子材料
常见的高分子材料
高分子材料是一类具有高分子量的大分子化合物，由许多重复单元组成，常见的高分子材料包括塑料、橡胶和纤维材料等。
这些材料具有许多优良的性质，如韧性、抗拉强度、耐磨损、耐腐蚀等，因此在各个领域都有广泛的应用。
塑料是一种常见的高分子材料，其分子结构由碳、氢等有机化合物组成。
塑料具有轻质、耐腐蚀、绝缘性能好等特点，因此广泛应用于包装、建筑、电子等领域。
常见的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。
橡胶是一种高分子弹性材料，其分子结构由重复的弹性单元组成。
橡胶具有良好的弹性、耐磨损和抗裂性能，因此被广泛应用于轮胎、密封件、橡胶管等领域。
常见的橡胶有天然橡胶和合成橡胶。
纤维材料是一种由长丝或纤维形成的高分子材料，其分子结构由多个重复单元组成。
纤维材料具有优异的拉伸性能、抗挤压性能和耐磨性能，因此被广泛应用于衣物、绳索、建筑材料等领域。
常见的纤维材料有棉纤维、尼龙纤维、涤纶纤维等。
除了上述常见的高分子材料外，还有许多其他种类的高分子材料。
例如，聚氨酯是一种具有良好弹性和耐磨损性能的高分子材料，常用于制作床垫、汽车内饰等产品。
聚碳酸酯是一种具有高耐热性和高透明度的高分子材料，常用于制作眼镜、手机壳等产品。
聚酰亚胺是一种具有优异的机械性能和耐热性能的高分子材料，常用于制作飞机零部件、电子器件等。
总之，高分子材料是一类具有重要应用价值的材料，其丰富的性能和广泛的应用领域使其成为现代工业发展的关键材料之一。
随着科学技术的不断进步，高分子材料的研究和开发也在不断推进，为人们创造更多的便利和可能性。
高分子材料的高弹性和粘弹性
第二节高分子材料的高弹性和粘弹性本章第二、三节介绍高分子材料力学性能。
力学性能分强度与形变两大块，强度指材料抵抗破坏的能力，如屈服强度、拉伸或压缩强度、抗冲击强度、弯曲强度等；形变指在平衡外力或外力矩作用下，材料形状或体积发生的变化。
对于高分子材料而言，形变可按性质分为弹性形变、粘性形变、粘弹性形变来研究，其中弹性形变中包括普通弹性形变和高弹性形变两部分。
高弹性和粘弹性是高分子材料最具特色的性质。
迄今为止，所有材料中只有高分子材料具有高弹性。
处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生 100-1000% 的大变形，而且形变可逆，这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。
高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变，又称熵弹性。
粘弹性是指高分子材料同时既具有弹性固体特性，又具有粘性流体特性，粘弹性结合产生了许多有趣的力学松弛现象，如应力松弛、蠕变、滞后损耗等行为。
这些现象反映高分子运动的特点，既是研究材料结构、性能关系的关键问题，又对正确而有效地加工、使用聚合物材料有重要指导意义。
一、高弹形变的特点及理论分析（一）高弹形变的一般特点与金属材料、无机非金属材料的形变相比，高分子材料的典型高弹形变有以下几方面特点。
1、小应力作用下弹性形变很大，如拉应力作用下很容易伸长100%~1000% （对比普通金属弹性体的弹性形变不超过 1%）；弹性模量低，约 10 -1~10MPa （对比金属弹性模量，约 104~10 5MPa ）。
2、升温时，高弹形变的弹性模量与温度成正比，即温度升高，弹性应力也随之升高，而普通弹性体的弹性模量随温度升高而下降。
3、绝热拉伸（快速拉伸）时，材料会放热而使自身温度升高，金属材料则相反。
4、高弹形变有力学松弛现象，而金属弹性体几乎无松弛现象。
高弹形变的这些特点源自于发生高弹性形变的分子机理与普弹形变的分子机理有本质的不同。
（二）平衡态高弹形变的热力学分析取原长为 l0的轻度交联橡胶试样，恒温条件下施以定力f，缓慢拉伸至 l0+ d l 。
第2章 高分子材料的高弹性与粘弹性
14
高分子材料性能学
高弹形变可分为平衡态形变（可逆）和非平衡态
形变（不可逆）两种
假设橡胶被拉伸时发生高弹形变，除去外力后可
完全回复原状，即变形是可逆的，所以可用热力
学第一定律和第二定律来进行分析
15
高分子材料性能学
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
h2 S KN 2 ( 21 2 2 32 3) 3
交联网络的构象熵
1 2 2 S Nk (1 2 3 3) 2 2
33
高分子材料性能学
⊿F= ⊿U-T⊿S；⊿U=0 根据赫姆霍尔兹自由能定义：恒温过程中，外力对 体系作的功等于体系自由能的增加。 橡胶弹性贮能方程
粘弹性
同时具有弹性形变和粘 性形变
橡胶：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
3
高分子材料性能学
2.1 高弹性
高弹性——聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表
现出的独特的力学性质，又称橡胶弹性
橡胶、塑料、生物高分子在Tg~Tf间都可表现 出一定的高弹性
4
高分子材料性能学
2.1.1 高弹性的特点
使Байду номын сангаас胶的内能随伸长变化
使橡胶的熵变随伸长变化
17
高分子材料性能学
理想弹性变形时，体系内能不变化
U 0 l T ,V
S f T l T ,V
只对理想橡胶成立
理想橡胶在等温拉伸过程中，弹性回复力主要
是由体系熵变所贡献的。
据上式拉伸功-fdl=TdS=dQ,将转变成热量,若过程进行的快, 体系来不及与外界进行热交换,拉伸功使橡胶升温.
六种高弹性高分子材料的分析、选择、改性(精)
项目14布置
第一组：请为低耐热塑料的生产选择合适的高分子材料； 第二组：请为中耐热塑料的生产选择合适的高分子材料； 第三组：请为高耐热塑料的生产选择合适的高分子材料； 第四组：请为热变形温度＞200℃的塑料制品的生产选择合
适的高分子材料； 第五组：请为热变形温度100℃～180℃的塑料的生产选择合 适的高分子材料； 第六组：请为热变形温度＞300℃的塑料制品的生产选择合 适的高分子材料。
素质目标
初步建立良好的学习方法；
资料收集的方法； 处理问题的方法；
团队合作的意识；
用户至上的意识；
安全环保意识；
表述与合理辩解能力。
参考资料
潘文群, 高分子材料分析与测试. 化学工业出版社
ห้องสมุดไป่ตู้
2005； 戚亚光, 高分子材料改性.化学工业出版社 ,2005； 聂垣凯,橡胶材料与配方, 化学工业出版社, 2004； 王文广 , 塑料材料的选用.化学工业出版社, 2002； 高俊刚, 高分子材料.化学工业出版社, 2002； 桑永, 塑料材料与配方.化学工业出版社, 2001
性能 聚硫橡胶 有机硅橡胶 聚氨酯橡胶 乙丙橡胶 均氯醚橡胶 氟橡胶 热塑性橡胶
项目13的总结部分
硅橡胶
项目13的总结部分
丁腈橡胶
再生丁腈 PVC改性丁腈
项目13的总结部分
项目13的总结部分
松香丁苯橡胶
PU弹性体
氟橡胶
项目13的总结部分
丁基橡胶
项目13引深部分内容
二战期间，德国入侵前苏联，是非正义之战，必 败无疑。另外，从技术角度看，也是必败的？它就是 橡胶的耐低温性能…
六种高弹性高分子材料 的分析、选择、改性
混凝土中的高分子材料应用技术
混凝土中的高分子材料应用技术混凝土是建筑工程中常用的一种材料，它具有高强度、耐久性、耐火性、耐久性和可塑性等优点。
然而，由于混凝土自身的缺陷，如易开裂、渗水、腐蚀和磨损等问题，需要采用高分子材料进行修补和加固。
本文将介绍混凝土中的高分子材料应用技术。
一、高分子材料的分类高分子材料是指由大量单体分子通过共价键连接而成的大分子化合物。
在混凝土中使用的高分子材料主要有以下几种类型：1.丙烯酸酯共聚物丙烯酸酯共聚物是一种常见的高分子材料，它具有高弹性、高耐久性和耐化学腐蚀性。
它可以通过直接混合与混凝土配合使用，也可以作为一种单独的覆盖层使用，以提高混凝土的耐久性和防水性能。
2.聚氨酯聚氨酯是一种由异氰酸酯和多元醇反应制成的高分子材料。
它具有高耐久性、耐化学腐蚀性、耐热性和耐寒性等优点。
在混凝土中的应用主要包括修补、填充和防水等方面。
3.环氧树脂环氧树脂是一种具有高强度、高耐久性和耐化学腐蚀性的高分子材料。
它可以与混凝土表面形成牢固的结合，用于修补和加固混凝土结构。
4.聚合物改性水泥聚合物改性水泥是一种通过在水泥中添加聚合物改性剂制成的新型水泥材料。
它具有高强度、高耐久性和耐化学腐蚀性等优点。
在混凝土中的应用主要包括修补、加固和防水等方面。
二、高分子材料在混凝土中的应用1.混凝土表面涂层混凝土表面涂层是一种常见的混凝土表面处理方式，可以通过添加高分子材料增加涂层的耐久性和防水性能。
具体方法是将高分子材料与水泥、石灰和骨料等混合物中，形成一种涂层材料，然后将其涂抹在混凝土表面。
该方法适用于不同类型的混凝土结构，如地面、墙面和屋顶等。
2.混凝土修补混凝土修补是一种常见的混凝土维修方式，可以通过添加高分子材料增加修补材料的粘结力和耐久性。
具体方法是将高分子材料与水泥、砂子等混合物中，形成一种修补材料，然后将其填充在混凝土表面的损坏处。
该方法适用于各种类型的混凝土结构，如桥梁、隧道和建筑物等。
3.混凝土加固混凝土加固是一种常见的混凝土增强方式，可以通过添加高分子材料增加加固材料的粘结力和耐久性。
高分子材料的高弹性和粘弹性
第二节高分子材料得高弹性与粘弹性本章第二、三节介绍高分子材料力学性能、力学性能分强度与形变两大块,强度指材料抵抗破坏得能力,如屈服强度、拉伸或压缩强度、抗冲击强度、弯曲强度等;形变指在平衡外力或外力矩作用下,材料形状或体积发生得变化、对于高分子材料而言,形变可按性质分为弹性形变、粘性形变、粘弹性形变来研究,其中弹性形变中包括普通弹性形变与高弹性形变两部分。
高弹性与粘弹性就是高分子材料最具特色得性质。
迄今为止,所有材料中只有高分子材料具有高弹性。
处于高弹态得橡胶类材料在小外力下就能发生100-１00０％得大变形,而且形变可逆,这种宝贵性质使橡胶材料成为国防与民用工业得重要战略物资。
高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起得构象熵得改变,又称熵弹性。
粘弹性就是指高分子材料同时既具有弹性固体特性,又具有粘性流体特性,粘弹性结合产生了许多有趣得力学松弛现象,如应力松弛、蠕变、滞后损耗等行为。
这些现象反映高分子运动得特点,既就是研究材料结构、性能关系得关键问题,又对正确而有效地加工、使用聚合物材料有重要指导意义、一、高弹形变得特点及理论分析（一）高弹形变得一般特点与金属材料、无机非金属材料得形变相比,高分子材料得典型高弹形变有以下几方面特点。
1、小应力作用下弹性形变很大,如拉应力作用下很容易伸长100％~1０00％(对比普通金属弹性体得弹性形变不超过1％);弹性模量低,约10—1～10MＰａ(对比金属弹性模量,约104~１05MPa)、２、升温时,高弹形变得弹性模量与温度成正比,即温度升高,弹性应力也随之升高,而普通弹性体得弹性模量随温度升高而下降。
3、绝热拉伸(快速拉伸)时,材料会放热而使自身温度升高,金属材料则相反。
4、高弹形变有力学松弛现象,而金属弹性体几乎无松弛现象。
高弹形变得这些特点源自于发生高弹性形变得分子机理与普弹形变得分子机理有本质得不同。
(二)平衡态高弹形变得热力学分析取原长为l0得轻度交联橡胶试样,恒温条件下施以定力ｆ,缓慢拉伸至l0+ d l 。
高分子材料弹性模量_泊松系数_切变模的测试
G
=
2 (1
E +
u)
式中 : G —切变模量 ;
E —弹性模量 ;
u —泊松系数 。
计算出切变模量 。
5 6 7 8 9 10
x + SD
217 246 258 237 182 211 221. 9 ±
596 726 793 692 584 679 668. 1 ±
0. 364 0. 339 0. 325 0. 342 0. 311 0. 310 0. 332 6 ±
4 讨 论
3 测试结果
弹性模量测试与计算结果见表 1 ,泊松系数测 试与计算结果见表 2 ,切变模量计算结果见表 3 。
表 1 弹性模量测试与计算结果
样号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
x + SD
应力δ
M Pa 4. 423 4. 429 4. 432 4. 427 4. 426 4. 432 4. 421 4. 427 4. 423 4. 426 4. 426 6 ±
本实验以应变电测原理和技术测试了高分子材 料的弹性模量 、泊松系数 ,切变模量值 ,为新材料的 进一步开发奠定了基础 。
参考文献 :
[ 1 ] 吴宗岱. 陶宝祺编著 ,应变电测原理及技术 [ M ] . 北京 : 国防工业出版社 ,1982 ,1～20 页
23. 354 51
69. 631 49
0. 017 696
表 3 切变模量计算结果
样号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x + SD
切变模量 (MPa)
2 658. 8 2 817. 4 2 334. 3 2 421. 7 2 772. 1 2 279. 3 2 103. 7 2 383. 3 2 888. 2 1 978. 6 2 463. 74 ±309. 547 4
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橡胶的高弹性
摘要：高弹性是高分子材料最具特色的性质，又叫橡胶弹性，橡胶具有宝贵的高弹性。
本文描述橡胶高弹性，及其他性能指标，和选择橡胶品种。
关键字：橡胶高弹性特点条件
绪论：处于高弹态的橡胶类材料在小外力下就能发生100-1000%的大变形，而且形变可逆，这种宝贵性质使橡胶材料成为国防和民用工业的重要战略物资。
高弹性源自于柔性大分子链因单键内旋转引起的构象熵的改变，又称熵弹性。
高弹性------聚合物（在Tg以上）处于高弹态时所表现出的独特的力学性质，又称橡胶弹性
一、橡胶高弹性的本质原因
高弹性的本质原因和橡胶内部的分子结构有关系的。
未经硫化的橡胶呈细团状，硫化后呈渔网状。
硫化胶由于各种交联方式的不同，硬度不同，交联密度不同，含胶量不同等原因，表象也不相同。
交联密度高了，分子间的键会增加分子束的强度，这时当外力作用下，交联键会给分子链一定的组合保护，因为分子链的长度不同，这时短的就会先因受力过大断掉。
就象几条线不同长度的线很容易扯断，但是把几条线中间结几个扣，就会受力更均匀一些，也更不易断。
当然交联密度过高就会从本质上改变橡胶大分子的特性，反而会弹性下降。
二、高弹形变的特点
1、形变量大，可达100%~1000%（对比普通金属弹性体的弹性形变不超过1%）；
2、弹性模量低，约10-1~10MPa（对比金属弹性模量，约104~105MPa）。
3、高弹形变的弹性模量与温度成正比，而金属的弹性模量随温度升高而下降。
4、形变过程有热效应，绝热拉伸（快速拉伸）时，材料会放热而使自身温度升高，金属材料则相反。
5、高弹形变有力学松弛现象（高弹形变时分子运动需要时间），而金属弹性体几乎无松弛现象。
高弹性的本质是熵弹性
T △ S ; 自发的熵增可使形变恢复，无能量损耗。
三、高弹性的条件：
1、柔性高，高分子链的柔性是出现高弹性的根本原因。
只有在室温下不易结晶的柔性高聚物，才有可能成为具有高弹性的橡胶
2、分子链长，分子链越长，链段数越多，分子链就越柔顺，热运动越容易；分子量越大物理结点越多，链与链之间不容易滑移，有利于提高弹性。
4、轻度交联，过度的交联会限制分子的链段运动，从而降低弹性。
四、橡胶弹性的影响因素：
1、交联与缠结效应：
交联点密度与网链密度的关系：
交联网链间的物理缠结也是影响弹性模量的因素
2、溶胀效应：溶涨度大，网链密度降低，抑制诱发结晶，模量降低。
3、网链的极限生长：非高斯效应，使应力或弹性模量增加。
4、应变诱发结晶：拉伸网链沿着拉伸方向取向，有序增加，利于结晶。
模量增大。
5、填料，填料的加入可以提高模量、拉伸强度等
五、橡胶的其他性能
橡胶除了高弹性还有其他性能指标，可以帮助我们根据橡胶制品使用要求选择相应的品种。
（1）拉伸强度，试样拉伸破坏时，原截面上单位面积所受的力
（2）扯断伸长率，试样拉伸破坏时，伸长部分与原长之比
（3）硬度，衡量橡胶抵抗变形的能力，通常用邵氏硬度计测量
（4）撕裂强度，表征橡胶耐撕裂性的好坏
例如天然橡胶（NR）以橡胶烃（聚异戊二烯）为主，含少量蛋白质、水分、树脂酸、糖类和无机盐等。
弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳，易于其它材料粘合，在综合性能方面优于多数合成橡胶。
缺点是耐氧和耐臭氧性差，容易老
化变质；耐油和耐溶剂性不好，第抗酸碱的腐蚀能力低；耐热性不高。
使用温度范围：约－60℃～＋80℃。
制作轮胎、胶鞋、胶管、胶带、电线电缆的绝缘层和护套以及其他通用制品。
特别适用于制造扭振消除器、发动机减震器、机器支座、橡胶－金属悬挂元件、膜片、模压制品。
顺丁橡胶（BR）是由丁二烯聚合而成的顺式结构橡胶。
优点是：弹性与耐磨性优良，耐老化性好，耐低温性优异，在动态负荷下发热量小，易于金属粘合。
缺点是强度较低，抗撕裂性差，加工性能与自粘性差。
使用温度范围：约－60℃～＋100℃。
一般多和天然橡胶或丁苯橡胶并用，主要制作轮胎胎面、运输带和特殊耐寒制品。
丁苯橡胶（SBR）丁二烯和苯乙烯的共聚体。
性能接近天然橡胶，是目前产量最大的通用合成橡胶，其特点是耐磨性、耐老化和耐热性超过天然橡胶，质地也较天然橡胶均匀。
缺点是：弹性较低，抗屈挠、抗撕裂性能较差；加工性能差，特别是自粘性差、生胶强度低。
使用温度范围：约－50℃～＋100℃。
主要用以代替天然橡胶制作轮胎、胶板、胶管、胶鞋及其他通用制品。
六、如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即扩大其使用温度的范围。
在高于一定温度时，橡胶由于老化而失去弹性；在低于一定温度时，橡胶由于玻璃化而失去弹性。
1、改善高温耐老化性能，提高耐热性（1）改变橡胶的主链结构
(a)主链不含双键;
(b)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁烯与异戊二烯）;
(c)主链上含S原子的聚硫橡胶;
(d)主链上含有O原子的聚醚橡胶;
(e)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶;
（2）改变取代基结构
*带有供电子取代基的橡胶易氧化：天然橡胶、丁苯橡胶
*带有吸电子取代基的橡胶不易氧化：氯丁橡胶、氟橡胶
（3）改变交联链的结构
原则：含硫少的交联链键能较大，耐热性好，如果交联键是C-C或C-O，键能更大，耐热性更好。
（氯丁橡胶用ZnO硫化交联键为-C-O-C-，天然橡胶用过氧化物或辐射交联，交联键为-C-C-）
2、降低玻璃化温度，改善耐寒性
任何增加分子链的活动性，削弱分子间相互作用的措施都会使玻璃化温度下降，
任何降低聚合物结晶能力和结晶速度的措施均会增加聚合物的弹性，提高耐寒性（因为结晶就是高分子链或链段规整排列，它会大大增加分子间相互作用力，使聚合物强度增加，弹性下降）
加增塑剂：削弱分子间作用力
如氯丁胶Tg-45℃，加葵二酸二丁酯Tg（-80℃）可使其的Tg-62℃；如用磷酸三甲酚酯（-64℃）可使其Tg-57℃。
可见增塑效果不仅与增塑剂结构有关，还与它本身Tg有关，增塑剂的越低，则增塑聚合物的也越低。
（2）共聚
聚苯乙烯有大的侧基，所以主链内旋转难，较刚性，Tg高于室温，但共聚后的丁苯橡胶为-53℃，聚丙烯晴有极性，所以主链内旋转难，较刚性，Tg高于室温，用丁二烯与丙烯晴共聚后的丁睛橡胶为-42℃（3）降低聚合物结晶能力
线型聚乙烯分子链很柔，Tg很低，但由于规整度高，所以结晶，聚乙烯难以当橡胶用，引入体积较小的非极性取代基甲基来破坏其聚乙烯分子链的规整性，从而破坏其结晶性，这就是乙烯与丙烯共聚橡胶Tg =-60℃。
通过破坏链的规整性来降低聚合物结晶能力，改善了弹性但副作用是有损于强度。
参考资料
【1】彭志平高分子材料性能学授课讲义
【2】金日光，华幼卿，高分子物理（第四版）【M】北京;
化工业出版社，2013.7（2014年重印）
【3】凌绳，王秀芬，吴友平，聚合物材料【M】北京，中国轻工业出版社，2012.1。