G 第六章_橡胶弹性
橡胶弹性
一、交联网络的熵变
根据仿射形变的假设： 单位体积的试样拉伸前（x,y,z）为（1，1，1）
拉伸后长度变为
f
λ1
( xi , yi , zi )
(1xi , 2 yi , 3 zi )
高弹性的特点
1、弹性模量小
比其它固体物质小得多 钢：20000MPa(2×105 ）;
PE: 200MPa 结晶物；
橡胶: 0.2-8MPa.
PS: 2500MPa;
2、形变量大
可达1000%,一般在500%左右,而普通金属材料的形变量 ＜1％
3、弹性模量随温度上升而增大
温度升高，链段运动加剧，回缩力增大，抵抗变形 的能力升高。 4、高弹形变有时间依赖性——力学松弛特性 高弹形变时分子运动需要时间 5、形变过程有明显的热效应(链段运动，分子间摩擦力大） 橡胶：快速拉伸(绝热过程)——高聚物温度升高
所以恒温恒容下：
G ) L. P S T
S f G G ( )T .V ( ) L.P ( )T .P ( )l .V l T l T T .V T l l .V
等温、等容条件下 热力学方程之二
l l0 1 l0
Engineering strain 工程应 变
- 拉伸比 elongation ratio
dl l ln l0 l l0
l
True strain 真应变
Tensile modulus 拉伸模量 or Young’s modulus 杨氏模量
f f
L0
拉伸过程中
dL
由热力学第一定律: dU Q W 由热力学第二定律:
为什么橡胶可以弹性变形？
为什么橡胶可以弹性变形？
橡胶可以弹性变形是因为其分子结构具有特殊的特性。
橡胶是由高分子聚合物构成的材料，其中的分子链可以在外力作用下发生拉伸和扭曲，但当外力消失时，分子链会恢复到原来的状态，从而使橡胶恢复原状。
具体来说，橡胶分子链之间存在着大量的交联结构，这些交联结构可以在外力作用下发生变形，但由于分子链之间的相互作用力很强，一旦外力消失，这些分子链就会迅速恢复到原来的排列状态，使橡胶恢复原状。
另外，橡胶分子链本身也具有一定的柔韧性，使得在外力作用下可以发生一定程度的拉伸和扭曲，但又能够快速恢复到原来的状态，这就是橡胶具有弹性的原因。
总的来说，橡胶之所以能够弹性变形，是因为其分子结构具有交联结构和柔韧性，使得在外力作用下可以发生变形，但一旦外力消失，就能够迅速恢复到原来的状态。
第六章 橡胶弹性
第六章橡胶弹性一、概念1、熵弹性2、热塑性弹性体二、选择答案1、你会选（ A ）聚合物用作液氮罐的软密封。
（液氮沸点为77K）A、硅橡胶，B、顺丁橡胶，C、天然橡胶，D、丁苯橡胶2、橡胶试样快速拉伸，温度升高的原因是（C ）。
⑴分子链从蜷曲到伸展，熵减小放热，⑵分子内摩擦放热，⑶拉伸诱导结晶放热。
A、⑴B、⑴⑵C、⑴⑵⑶D、以上皆不对三、填空题1、交联橡胶的状态方程为，只有在形变很小时，交联橡胶的应力－应变关系才符合虎克定律。
2、橡胶高弹性的热力学本质为熵弹性，即橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引起熵值的变化。
四、回答下列问题1、交联橡胶弹性统计理论的根据是什么？写出由它得出的交联橡胶的状态方程，并说明状态方程的意义。
2、在一具有适当交联度软橡皮试条下端掛一砝码（不是过重），达到平衡形变后，升高温度，会观察到什么现象？为什么？橡胶的模量随温度升高而增高，外力不变，则由状态方程可得出伸长率减少。
故升高温度，会观察到交联度软橡皮试条回缩。
5-4 当迅速拉一块橡胶时，测量温度有些升高，当外力去掉，温度又有所下降，请解释这种现象？解：根据橡胶热力学分析，得出公式为发fDl=-TdQ当拉伸时dl>0 所以dQ<0 是放热反应当外力去掉回缩时dl<0 所以dQ>0 是吸热反应当压缩时，受力与拉力大小相同，方向相反，dl<0,f<0 所以dQ<0 是放热反应这是因为在拉伸前，分子排列是不规整的，熵值是大的，因混乱程度大，经拉伸时分子排列规整，混乱程度减小，分子链从一种构象变成另一种构象，熵值减小，再者，分子间的内摩擦生热，所以是放热，当外力去掉以后，分子链段由约束状态，变成自由状态，也就是由有序态变成无序态，熵值在增加，热运动在增加，但此时，所需的热量，不可能自身供给，只能来自外界，这就是回缩时需要吸热。
5-5 一硫化橡胶，链段分子量为10000，密度为，问于下拉长1倍时的张力为多少？解：根据公式先求出单位体积中链数目T=273+25=298KR=1.38拉伸一倍的情况代入公式五、计算题1、天然橡胶硫化后，网链平均分子量为6000，密度为0.90g/cm3。
橡胶弹性
f U f = +T l T , P T P ,l
——橡胶的热力学方程
等温等容条件的热力学方程:
f = ( ) T ,V T ( ) T ,V
u l s l
*
此式的物理意义:外力作用在橡胶上, 此式的物理意义 一方面使橡胶的内能随着伸长而变化, 另一方面使橡胶的熵随着伸长而变化. 或者说,橡胶的张力是由于变形时,内 能发生变化和熵变化而引起的.
等温等压拉伸 dU =TdS+fdl
U S = T + f 对l求偏导 l T , P l T , P
U S f = T l T , P l T , P
内能变化 熵变化
According to Gibbs function ——吉布斯函数
Josiah Willard Gibbs (1839~1903)
适用
液体 液体 粘弹体 粘弹体
Compression 压缩
压缩应变 Compression strain 压缩模量 Modulus of compression
V = V0
P B=
PV0 B= V
The relationship between Young's Young' modulus E, shear modulus G and compression modulus B
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)℃,所以在一般使用温度下均 呈高弹态.
高分子材料力学 性能的最大特点
高分子物理课件6橡胶弹性
B P
B PV0 V
6 橡胶弹性
对于各向同性的材料，通过弹性力学的数学 推导可得出上述三种模量之间的关系
E 2G(1 ) 3B(1 2 )
泊松比 ：
定义为拉伸实验中 材料横向应变与纵 向应变的比值之负
m / m0
l / l0
T
数。反映材料性质
的重要参数。
6 橡胶弹性
泊松比数值
橡胶拉伸形变时外力的作用主要只引起体系构象熵的变化 而内能几乎不变──熵弹性
橡胶弹性热力学的本质：熵弹性
6 橡胶弹性
橡胶弹性热力学的本质：熵弹性
拉伸橡胶时外力所做的功 主要转为高分子链构象熵的减小
体系为热力学不稳定状态 去除外力体系回复到初始状态
6 橡胶弹性
熵弹性本质的热效应分析
热 dU=0
dV=0
6 橡胶弹性
重点及要求：
橡胶状态方程及一般修正；一般了解“幻影网络” 理论和唯象理论；熟习橡胶和热塑性弹性体结构 与性能关系
教学目的：橡胶是高分子材料的最大种类之一，
研究其力学行为与分子结构和分子运动之间关系 具有重要的理论和实际意义 。通过本讲的学习， 可以全面理解和掌握橡胶弹性产生的理论原因及 在实际中的应用。
6 橡胶弹性
Similar to which type of materials?
橡胶弹性与 弹性相似，都是 弹性，弹性 模量随温度升高而 。
气体 液体 固体
6 橡胶弹性
橡胶弹性的统计理论和唯象理论
本讲内容： ➢橡胶弹性的统计理论 ➢橡胶状态方程 ➢橡胶状态方程的一般修正 ➢“幻象网络”理论 ➢唯象理论 ➢影响因素 ➢热塑性弹性体
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。
橡胶弹性
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
高分子物理6 橡胶弹性
dV≈0
由 H=U+pV
H U l T ,P l T ,P
dH=dU+pdV
≈dU
（8）
再按照热力学定义
G H TS U PV TS
dG dU PdV VdPTdS SdT
将 dU TdS PdV fdl
dG fdl VdP SdT
所以
G f l T ,P
G S T l,P
上式的物理意义：外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的
焓随伸长变化而变化，另一方面则引起橡胶的熵随伸长变
化而变化
这里需要说明一点，大多数参考书 张开/ 复旦大学 何
曼君 / 华东理工大学等书上都是：
f U T S
l T ,P
l T , p
上述两式实际上是一回事，因为橡胶在拉伸时，υ=0.5，
模量。 ②在不太大的外力作用下，橡胶可产生
很大的形变，可高达1000%以上，去除 外力后几乎能完全回复，给人以柔软而 富有弹性的感觉
③ 形变时有明显的热效应，绝热拉伸时 高聚物放热使温度升高，回缩时温度降 低（吸热）拉伸过程从高聚物中吸收热 量，使高聚物温度降低。
此外，拉伸的橡胶试样具有负的膨胀系 数，即拉伸的橡胶试样在受热时缩短 （定拉伸比）。
温度升高，分子链内各种运动单元
的热运动愈趋激烈，回缩力就愈大，因 此橡胶类物质的弹性模量随温度升高而 增高。
2）橡胶弹性与大分子结构的关系
① 链柔性：好 橡胶高分子链柔顺性好，内旋转容易。 如:硅橡胶（硅氧键） －Si－O－ 顺丁橡胶（孤立双键）－C－C＝C－C－
② 分子间作用力：小
如果聚合物分子链上极性基团过多，极 性过强，大分子间存在强烈的范德华力 或氢键，降低弹性。橡胶一般都是分子 间作用力较小或不含极性基团的化合物， 如天然橡胶、顺丁橡胶等。
6橡胶弹性
构成橡胶弹性体的三个必要条件：
(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-适度交联
PB CROSS-
LINKED
橡胶态的聚合物是否满足作为橡胶的条件？？ 橡胶的条件：长链、柔性、适宜交联。
橡胶态的聚合物：1）分子量高于某临界值——长链 2）温度高于Tg链段可运动——柔性 3）交联点何在？？
V V0
Modulus of compression
B P
B PV0
压缩模量
V
E 2G(1 ) 3B(1 2 )
Possion ratio m / m0 T
泊松比
l / l0
拉
伸
◆泊松比
拉伸试验中材料横向收缩应变与纵向伸长 应变的比值。
一些材料的泊松比
材料名称 锌 钢 铜 铝 铅 汞
• 氯丁橡胶(CR) ：氯丁二烯乳液聚合而得。物理力学 性能良好，耐热、耐臭氧氧化，耐燃、耐油、粘合性 良好，气密性良好， Tg为-40℃，绝缘性差 ；低温结 晶，加工对温度敏感，贮存易变质。 • 丁腈橡胶(NBR) ：非晶极性不饱和橡胶，耐油性好， 耐热性优于天然和丁苯胶，耐磨性提高，气密性良好， 耐化学腐蚀性优于天然胶，极性基团导致弹性、耐寒 性、耐区挠性、抗撕裂性差，耐寒性比通用橡胶均差， 电绝缘性最差，耐老化性差，加工性能差，成本高于 氯丁胶。
泊松比 0.21
0.25~0.33 0.31~0.34 0.32~0.36
0.45 0.5
材料名称 玻璃 石料
聚苯乙烯
低密度聚乙烯
赛璐珞 橡胶类
泊松比 0.25
0.16~0.34 0.33 0.38 0.39
0.49~0.5