橡胶弹性课件

第六章第六章 橡胶弹性橡胶弹性 Rubber elasticity1ppt课件第六章 橡胶弹性 Rubber elasticiRubber is also called elastomer 弹性体弹性体.Itisdefinedasacross-linkedamorphouspolymeraboveitsglasstransitiontemperature.The definition of rubber施加外力时发生大的形变，外力除去后可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以恢复的弹性材料.2ppt课件Rubber is also called elastome美国材料与试验协会标准（美国材料与试验协会标准（ASTM）：）：American Society for Testing and Materials橡胶的定义：橡胶的定义：20-27下，下，1min可拉伸可拉伸2倍倍的试样，当外力除去后的试样，当外力除去后1min内至少回缩到内至少回缩到原长的原长的1.5倍以下者或者在使用条件下，具倍以下者或者在使用条件下，具有有106-107Pa的杨氏模量者称为橡胶。的杨氏模量者称为橡胶。3ppt课件美国材料与试验协会标准（ASTM）：3ppt课件RubberProducts4ppt课件Rubber Products4ppt课件具有橡胶弹性的条件：具有橡胶弹性的条件：柔性长链柔性长链 适度交联适度交联使其卷曲分子在外力作用下通过链段使其卷曲分子在外力作用下通过链段运动改变构象而舒展开来，除去外力运动改变构象而舒展开来，除去外力又恢复到卷曲状态又恢复到卷曲状态可以阻止分子链间质心发生位移的可以阻止分子链间质心发生位移的粘性流动，使其充分显示高弹性粘性流动，使其充分显示高弹性5ppt课件具有橡胶弹性的条件：柔性长链 适度交联使其卷曲分子在外力作用Molecularmovements具有橡胶弹性的条件：具有橡胶弹性的条件：长链长链交联交联足够柔性足够柔性6ppt课件Molecular movements具有橡胶弹性的条件：长高高 弹弹 性性 特特 点点形变量大形变量大（WHY？长链长链,柔性柔性）弹性形变量可高达弹性形变量可高达1000弹性模量小弹性模量小,高弹模量约高弹模量约105N/m2一般聚合物一般聚合物109N/m2，金属金属1010-11N/m2弹性模量随温度升高而增大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。晶体材料的弹性模量随温度升高而减小。形变有热效应形变有热效应快速拉伸放热，形变回复吸热快速拉伸放热，形变回复吸热 金属材料与此相反。金属材料与此相反。7ppt课件高 弹 性 特 点形变量大（WHY？长链,柔性）7ppt课件晶体材料的弹性模量随着温度的升高而减小。晶体材料的弹性模量随着温度的升高而减小。温度的升高导致原子间距由于热膨胀而增大，温度的升高导致原子间距由于热膨胀而增大，由于原子间距增大，所以模量下降。由于原子间距增大，所以模量下降。8ppt课件晶体材料的弹性模量随着温度的升高而减小。温度的升高导致原子间高弹模量高弹模量就是由于高分子链力图保持卷曲就是由于高分子链力图保持卷曲的分子构象而产生的反抗拉伸形变的回缩的分子构象而产生的反抗拉伸形变的回缩张力的宏观表现。张力的宏观表现。当温度升高时当温度升高时,高分子链段的热运动加剧高分子链段的热运动加剧,高高分子链趋于卷曲分子构象的倾向增大分子链趋于卷曲分子构象的倾向增大,回缩回缩张力增大张力增大,表现为表现为高弹模量随温度的升高而高弹模量随温度的升高而增大增大。对于橡胶，弹性响应主要由熵控制对于橡胶，弹性响应主要由熵控制9ppt课件高弹模量就是由于高分子链力图保持卷曲的分子构象而产生的反抗拉思考题思考题1.不受外力作用时，橡皮筋受热是伸长还是缩短不受外力作用时，橡皮筋受热是伸长还是缩短?伸长。伸长。是由于正常的热膨胀现象，本质是分子的热运动。是由于正常的热膨胀现象，本质是分子的热运动。10ppt课件思考题1.不受外力作用时，橡皮筋受热是伸长还是缩短?10pp2.在恒定外力下，橡皮筋加热时是膨胀还是收缩在恒定外力下，橡皮筋加热时是膨胀还是收缩？为什么？为什么？由于高分子链的特点，橡皮筋将收缩。由于高分子链的特点，橡皮筋将收缩。熵弹性熵弹性 11ppt课件2.在恒定外力下，橡皮筋加热时是膨胀还是收缩？为什么？由橡胶在张力（拉力）的作用下产生形变，主要橡胶在张力（拉力）的作用下产生形变，主要是熵变化，即蜷曲的大分子链在张力的作用下是熵变化，即蜷曲的大分子链在张力的作用下变得伸展，构象数减少。熵减少是不稳定的状变得伸展，构象数减少。熵减少是不稳定的状态，当加热时，有利于单键的内旋转，使之因态，当加热时，有利于单键的内旋转，使之因构象数增加而卷曲，所以在保持外界条件不变构象数增加而卷曲，所以在保持外界条件不变时，升温会发生回缩现象。时，升温会发生回缩现象。12ppt课件12ppt课件橡胶兼有固、液、气三种物质的性质橡胶兼有固、液、气三种物质的性质固体：固体：小形变，外观、尺寸一定，虎克定律（应力小形变，外观、尺寸一定，虎克定律（应力应变关系）应变关系）液体：液体：热力学参数与液体一致。膨胀系数，等温压热力学参数与液体一致。膨胀系数，等温压缩系数与液体有相同数量级，泊松比缩系数与液体有相同数量级，泊松比 0.5气体：气体：弹性模量，随温度的上升而增加（气体的压弹性模量，随温度的上升而增加（气体的压强随温度升高而增加。）强随温度升高而增加。）与木材、金属相反（低温下模量大）与木材、金属相反（低温下模量大）13ppt课件橡胶兼有固、液、气三种物质的性质固体：小形变，外观、尺寸一定 聚合物的力学性能指的是其受力后的响应聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等，如形变大小、形变的可逆性及抗破损性能等，这些响应可用一些基本的指标来表征。这些响应可用一些基本的指标来表征。6.1 形变类型及描述力学行为的形变类型及描述力学行为的基本物理量基本物理量14ppt课件 聚合物的力学性能指的是其受力后的响应，如形变大小描述力学性质的基本物理量描述力学性质的基本物理量（1）应变）应变strain与应力与应力stress材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称生的变化称应变或形变应变或形变，通常以单位长度（面，通常以单位长度（面积、体积）所发生的变化来表征。积、体积）所发生的变化来表征。15ppt课件描述力学性质的基本物理量（1）应变strain与应力stre 材料在外力作用下发生形变的同时，在其材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对抗外力的附加内力，以使材料内部还会产生对抗外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内力就会使材料回保持原状，当外力消除后，内力就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到平衡时，内力与外力大小相等，方向相反。衡时，内力与外力大小相等，方向相反。单位单位面积上的内力定义为面积上的内力定义为应力应力。16ppt课件 材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会The concept of Strain and StressStress-the amount of force exerted on an object,divided by the cross-sectional area of the object.The cross-sectional area is the area of a cross-section of the object,in a plane perpendicular to the direction of the force.Stress is usually expressed in units of force divided by area,such as N/m2.Strain-the amount of deformation a sample undergoes when one puts it under stress.Strain can be elongation,bending,compression,or any other type of deformation.17ppt课件The concept of Strain and Stre模量：指材料抵抗外力发生形变的能力模量：指材料抵抗外力发生形变的能力大小的物理量。大小的物理量。柔量柔量：在外力作用下能够发生形变的能在外力作用下能够发生形变的能力大小的物理量。力大小的物理量。Modulus-theabilityofasampleofamaterialtoresistdeformation.（2 2）模量）模量modulus,modulus,柔量柔量compliancecompliance 18ppt课件模量：指材料抵抗外力发生形变的能力大小的物理量。Modulu形变类型形变类型简单剪切简单剪切shear本体压缩本体压缩compression基基本本的的形形变变形状改变而形状改变而体积不变体积不变体积改变而体积改变而形状不变形状不变简单拉伸简单拉伸tensile19ppt课件形变类型简单剪切本体压缩基本的形变形状改变而体积改变而简单拉材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，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：材料受力方式主要有以下三种基本类型：（i i）简单拉伸（）简单拉伸（simple elongation,simple elongation,drawing,drawing,tensiletensile)：材料受到一对材料受到一对垂直于材料截面垂直于材料截面、大小相等大小相等、方方向相反向相反并在并在同一直线同一直线上的外力作用。上的外力作用。20ppt课件材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同，材料受力方式主要有以拉伸应力拉伸应力 =F/A0 （A0为材料的起始截面积）为材料的起始截面积）拉伸应变（相对伸长率）拉伸应变（相对伸长率）e e=（l-l0）/l0=l/l0简单拉伸示意图简单拉伸示意图A0l0l lAFF 材料在拉伸作用下产生的形变称为材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变拉伸应变，也称也称相对伸长率（相对伸长率（e e）。受一对大小相等，方向相受一对大小相等，方向相反，作用在一条直线上的力。反，作用在一条直线上的力。21ppt课件拉伸应力=F/A0 （A0为材料的起始截面l0l=l0+l张应变张应变张应力张应力真应力真应力真应变真应变FFEngineering stress 工程应力工程应力True stress22ppt课件l0l=l0+Dl张应变张应力真应力真应变FFEngTensile modulus or Youngs modulus拉伸柔量拉伸柔量23ppt课件Tensile modulus or Youngs mod（ii）简单剪切）简单剪切(shearing)材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏但不在一条直线上的两个外力作用，使材料发生偏斜。其偏斜角的正切值定义为斜。其偏斜角的正切值定义为剪切应变（剪切应变（）。）。A0FF 简单剪切示意图简单剪切示意图24ppt课件（ii）简单剪切(shearing)A0FF简单剪切示意图剪切位移剪切位移S，剪切角剪切角，剪切面间距剪切面间距d Shearing stressShear modulus and compliance in shear简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部简单剪切实验能把高聚物宏观力学性能与它们内部分子运动相联系，建立高聚物力学行为的分子理论。分子运动相联系，建立高聚物力学行为的分子理论。剪切模量剪切模量（刚性模量）（刚性模量）：G=/剪切柔量：剪切柔量：J/剪切应变剪切应变 =S/d=tg 剪切应力剪切应力 =F/A025ppt课件剪切位移 S，剪切角，剪切面间距 d Shearin（iii）均匀压缩）均匀压缩（pressurizing,compress)材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称压缩压缩应变应变（）。）。材料经压缩以后，体积由材料经压缩以后，体积由V0缩小为缩小为V，则，则压缩应变压缩应变：=（V0-V）/V0=V/V0体积模量（本体模量）体积模量（本体模量）：B B=p p/26ppt课件（iii）均匀压缩（pressurizing,compresThe relationship between Youngs modulus E,shear modulus G and compression modulus B Possion ratio 泊松比泊松比 E=2G(1+)=3B(1-2)27ppt课件The relationship between YoungPossion ratios for different polymers泊松比数值泊松比数值 解释解释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28ppt课件Possion ratios for different pE,G,B and Only two independent variables只要知道两个参数就可以描述各向同性材料的只要知道两个参数就可以描述各向同性材料的弹性力学行为。弹性力学行为。各向异各向异性材料性材料单轴取向单轴取向双轴取向双轴取向5个参数个参数9个参数个参数29ppt课件E,G,B and Only two indepen6.2 橡胶弹性的热力学分析橡胶弹性的热力学分析Thermodynamical analysis of rubber elasticity lOriginallength ftensileforce dlextendedlength P所处大气压所处大气压dV体积变化体积变化热力学体系：橡胶热力学体系：橡胶环境：环境：T,P,f（外力）（外力）f作用下，发生作用下，发生dl变化变化30ppt课件6.2 橡胶弹性的热力学分析ThermodynamicaFirst law of thermodynamics dU=dQ-dWdU体系内能体系内能Internalenergy变化变化dQ体系吸收的热量体系吸收的热量dW体系对外所做功体系对外所做功PdV膨胀功膨胀功Fdl拉伸功拉伸功dW=PdV-fdl假设过程可逆假设过程可逆dQ=TdS热力学第二定律热力学第二定律 dU=TdS-PdV+fdl31ppt课件First law of thermodynamics dU讨论：（讨论：（1）等温等压拉伸）等温等压拉伸(T,P不变不变)Gibbs自由能自由能G=H-TSU+PV-TS全微分全微分dG=dU+PdV+VdP-TdS-SdT=fdl+VdP-SdTG(P,T,l)等温等压下，等温等压下，dT=0,dP=0dG=fdl32ppt课件讨论：（1）等温等压拉伸(T,P不变)Gibbs自由能 G即即等温等压时，等温等压时，G=H-TS33ppt课件即等温等压时，G=H-TS33ppt课件拉伸长度对熵的变化拉伸长度对熵的变化=维持力所需温度变化维持力所需温度变化即在一定即在一定l与压力与压力P的条件下，力的条件下，力f随温度随温度T的变化反映了熵随的变化反映了熵随l 的变化的变化34ppt课件拉伸长度对熵的变化=维持力所需温度变化即在一定l与压力P（2）等温等容条件下）等温等容条件下(P,l 不变不变)fdl=dU TdS对l求偏导dU=TdS-PdV+fdl内能的贡献熵的贡献等容等容分子间距离不变分子间距离不变分子间作用力不变，分子间作用力不变，只需考虑由于分子构象改变而引起的内能和熵的变化只需考虑由于分子构象改变而引起的内能和熵的变化35ppt课件（2）等温等容条件下(P,l 不变)fdl=dU f-T Curve36132238Tf固定伸长在恒压条件下，固定样品长度，以在恒压条件下，固定样品长度，以f对对T作图作图截距截距斜率斜率36ppt课件f-T Curve36132238Tf固定伸长在恒热弹转变热弹转变在形变极小时，也会出现应力随温度升高而减在形变极小时，也会出现应力随温度升高而减小的现象，称为小的现象，称为热弹转变。热弹转变。原因：随温度升高，试样的长度增加，使维持原因：随温度升高，试样的长度增加，使维持相同长度所需的应力减小，在形变较小时，由相同长度所需的应力减小，在形变较小时，由热膨胀引起的拉力减小超过了此伸长所需的拉热膨胀引起的拉力减小超过了此伸长所需的拉力增加，宏观表现拉力随温度升高而下降。力增加，宏观表现拉力随温度升高而下降。37ppt课件热弹转变在形变极小时，也会出现应力随温度升高而减小的现象，称结果：各直线外推到结果：各直线外推到T=0K时，时，几乎都通过坐标的原点几乎都通过坐标的原点Tf改用改用固定伸长比固定伸长比，直线不再出现负斜率，直线不再出现负斜率38ppt课件结果：各直线外推到T=0K时，几乎都通过坐标的原点Tf改用固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39ppt课件外力作用引起熵变橡胶弹性是熵弹性39ppt课件高弹性的本质：高弹性的本质：橡皮拉伸时，内能几乎不变，主要引橡皮拉伸时，内能几乎不变，主要引起熵的变化。起熵的变化。在外力作用下，橡皮分子链由原来蜷曲在外力作用下，橡皮分子链由原来蜷曲状态变为伸展状态，熵值由大变小，终态不稳定，当状态变为伸展状态，熵值由大变小，终态不稳定，当外力除去后，由于热运动，分子链自发地趋向熵增大外力除去后，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，就会自发的的状态，分子链由伸展再回复卷曲状态，就会自发的回复到初态。因而形变可逆。回复到初态。因而形变可逆。高弹性的本质是熵弹性。高弹性的本质是熵弹性。40ppt课件高弹性的本质：橡皮拉伸时，内能几乎不变，主要引起熵的变化。在拉伸拉伸dl0,dS0 dQ0 拉伸放热拉伸放热回缩回缩dl0dQ0 回缩吸热回缩吸热dU=0dV=0dU=TdS-PdV+fdlfdl=-TdS=-dQ橡胶拉伸过程中的热量变化橡胶拉伸过程中的热量变化橡胶拉伸时内能不变，橡胶拉伸时内能不变，在恒容条件下，在恒容条件下，41ppt课件拉伸 dl0,dS0 dQ0 拉伸放热回缩 dl0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,回缩时吸收热量回缩时吸收热量.橡胶的热橡胶的热力学方程力学方程42ppt课件热力学分析小结橡胶弹性是熵弹性,回弹动力是熵增.橡胶的热力橡胶形变过程中，橡胶形变过程中，的弹性体叫做理想弹性的弹性体叫做理想弹性体，其弹性响应完全取决于拉伸过程所引起的熵体，其弹性响应完全取决于拉伸过程所引起的熵的减少，称为熵弹性。理想弹性体内能贡献为的减少，称为熵弹性。理想弹性体内能贡献为0。真实弹性体的弹性响应主要是拉伸过程中熵变的真实弹性体的弹性响应主要是拉伸过程中熵变的贡献，但内能变化的贡献也不容忽视。贡献，但内能变化的贡献也不容忽视。许多弹性体在足够高的伸长下将发生结晶，此时许多弹性体在足够高的伸长下将发生结晶，此时内能的变化将变得很重要，甚至其作用可能胜过内能的变化将变得很重要，甚至其作用可能胜过熵变。熵变。43ppt课件橡胶形变过程中，的弹性体叫做理想弹6.3 橡胶弹性的统计理论橡胶弹性的统计理论Statistical Theories of Rubber Elasticity 交联网的构象总数是各个网链构象数的乘积交联网的构象总数是各个网链构象数的乘积忽略内能变化，拉伸过程中体积不变忽略内能变化，拉伸过程中体积不变每个交联点由四个有效链组成每个交联点由四个有效链组成两交联点间的网链为两交联点间的网链为Gaussian链链 形变为形变为仿射形变仿射形变理想交联网的假定理想交联网的假定6.3.1交联橡胶的状态方程交联橡胶的状态方程44ppt课件6.3 橡胶弹性的统计理论Statistical The交联点由四个有效链组成交联点由四个有效链组成网网 链链45ppt课件交联点由四个有效链组成网 链45ppt课件高斯链高斯链 Gaussian chain对孤立柔性高分子链，若将其一端固定在坐标的原对孤立柔性高分子链，若将其一端固定在坐标的原点点(0,0,0)，那么其另一端出现在坐标，那么其另一端出现在坐标(x,y,z)处小体积处小体积dxdydz内的几率：内的几率：2=3/(2Zb2)Z 链段数目链段数目b 链段长度链段长度xyzOdV=dxdydz46ppt课件高斯链 Gaussian chain对孤立柔性高分子链，若将仿射形变仿射形变Affine deformation网络中的各交联点被固定在它们的平衡位置上。当网络中的各交联点被固定在它们的平衡位置上。当橡胶试件变形时，这些交联点以相同的比率变形，橡胶试件变形时，这些交联点以相同的比率变形，即即微观形变、宏观形变按比例，而交联点形变前后微观形变、宏观形变按比例，而交联点形变前后固定在其平均位置。固定在其平均位置。形变前（xi,yi,zi）,形变后（xi,yi,zi）47ppt课件仿射形变 Affine deformation网络中的各STheentropyk-BoltzmannsconstantC-constant 一个网链的构象数一个网链的构象数 48ppt课件SThe entropy k-Boltzmanns 主伸长比率 1 2 3 形变前，(xi,yi,zi)形变后，(1xi,2yi,3zi)形变前构象熵形变后构象熵The change of entropy49ppt课件主伸长比率 1 2 3 形变前，(xi,yi,z构象熵的变化构象熵的变化整个网链的构象熵变化整个网链的构象熵变化平均网链数网链数N50ppt课件构象熵的变化整个网链的构象熵变化平均网链数 N 50ppt课Isotropic network 各向同性网络各向同性网络网链均方末端距网链均方末端距51ppt课件Isotropic network 各向同性网络网链均方末端The change of free energy F 忽略内能变化忽略内能变化 U0恒温过程中，体系恒温过程中，体系Helmholtz自由能自由能 F的减少的减少等于对外界所做的功等于对外界所做的功 W。反之，外界所做的功作为体系的能量被储存起反之，外界所做的功作为体系的能量被储存起来，因此来，因此 F又称储能函数又称储能函数 Store-energyfunction52ppt课件The change of free energy F 忽Uniaxial elongation 单轴拉伸单轴拉伸 交联橡胶的状态交联橡胶的状态方程方程1试样起始截面积A0，网链密度53ppt课件Uniaxial elongation 单轴拉伸 交联 交联点间链的平均分子量交联点间链的平均分子量交联橡胶的状态方程交联橡胶的状态方程254ppt课件 交联点间链的平均分子量 交联橡胶的状态方程254p一般固体物质符合虎克定律一般固体物质符合虎克定律1时 结论：形变很小时，交联橡胶的应力结论：形变很小时，交联橡胶的应力-应变关系符合虎克定律应变关系符合虎克定律55ppt课件一般固体物质符合虎克定律1时 结论：形变很小时，交联橡橡胶形变时体积不变，泊松比橡胶形变时体积不变，泊松比 为为0.5状态方程1改写为E 初始杨氏模量；G 初始剪切模量橡胶状态方程橡胶状态方程356ppt课件橡胶形变时体积不变，泊松比为0.5状态方程1改写为E 橡胶状态方程总结橡胶状态方程总结橡胶状态方程橡胶状态方程1橡胶状态方程橡胶状态方程2橡胶状态方程橡胶状态方程357ppt课件橡胶状态方程总结橡胶状态方程1橡胶状态方程2橡胶状态方程35橡胶弹性的理论曲线与实验结果比较橡胶弹性的理论曲线与实验结果比较 Comparison of theoretical curve and experimental resultsl ls s12Theoretical curveExperimental dataWhy?58ppt课件橡胶弹性的理论曲线与实验结果比较 Comparison o原因：原因：（1）非高斯效应）非高斯效应nonGaussianeffect高应变时，网链接近极限伸长，高斯链的假高应变时，网链接近极限伸长，高斯链的假设不成立。设不成立。（2）应变诱导结晶）应变诱导结晶strain-inducedcrystalization由于应变而形成结晶由于应变而形成结晶59ppt课件原因：59ppt课件6.3.2 6.3.2 橡胶状态方程的一般修正橡胶状态方程的一般修正 *（1）前因子修正）前因子修正Prefactor形变较大时，末端距不再等于高斯链的末端距形变较大时，末端距不再等于高斯链的末端距（2 2）对网链数）对网链数N N的修正的修正（3）对缠结效应的考虑）对缠结效应的考虑（4）对体积变化的考虑）对体积变化的考虑（5）非仿射形变非仿射形变60ppt课件6.3.2 橡胶状态方程的一般修正*（1）前因子修正Pr（1 1）前因子修正）前因子修正(非高斯链修正非高斯链修正)-Prefactor前因子Let61ppt课件（1）前因子修正(非高斯链修正)-Prefactor前因子(2)(2)自由末端修正自由末端修正Ideal network交联前橡胶的数均分子量交联前橡胶的数均分子量62ppt课件(2)自由末端修正Ideal network交联前橡胶的数修正后的单位体积内的有效网链数修正后的单位体积内的有效网链数N模量模量假定每个线形分子链交联后都有两个假定每个线形分子链交联后都有两个末端形成自由链末端形成自由链63ppt课件修正后的单位体积内的有效网链数N模量假定每个线形分子链交联6.4橡胶弹性的唯象理论（略）橡胶弹性的唯象理论（略）phenomenologicaltheory唯象理论不涉及任何分子参数，纯属宏观现象唯象理论不涉及任何分子参数，纯属宏观现象的描述。的描述。Mooney-Rivlin理论理论Ogden理论理论64ppt课件6.4 橡胶弹性的唯象理论（略）phenomenologi6.5影响橡胶高弹性的因素影响橡胶高弹性的因素表征交联网结构的几个参数：网链总数N，网链密度交联点数 交联点的密度/V0 2N网链的平均分子量6.5.1交联与缠结效应交联与缠结效应网链：两个相邻的交联点之间的分子链。网链密度：单位体积内的网链数。65ppt课件6.5 影响橡胶高弹性的因素表征交联网结构的几个参数：6.交联网的弹性模量与其结构的关系交联网的弹性模量与其结构的关系1）化学交联：交联点官能度增加，交联网中网链受到）化学交联：交联点官能度增加，交联网中网链受到更大的束缚，模量升高。更大的束缚，模量升高。2）物理缠结：永久链缠结点起了附加交联的作用，使）物理缠结：永久链缠结点起了附加交联的作用，使模量增大。模量增大。P1733）非高斯效应：由于网链接近极限伸长，使高斯函数）非高斯效应：由于网链接近极限伸长，使高斯函数不再适用，造成对理论的偏离，即非高斯效应。在高不再适用，造成对理论的偏离，即非高斯效应。在高伸长区，橡胶应力急剧增大，模量大幅度增加。伸长区，橡胶应力急剧增大，模量大幅度增加。4）应变诱发结晶：在高度形变的可结晶性交联橡胶中，）应变诱发结晶：在高度形变的可结晶性交联橡胶中，由于形变过程中的网链沿拉伸方向取向，使高分子链由于形变过程中的网链沿拉伸方向取向，使高分子链有序化程度增加，有利于结晶的形成。有序化程度增加，有利于结晶的形成。66ppt课件交联网的弹性模量与其结构的关系1）化学交联：交联点官能度增加6.5.2 Swelling effect 溶胀效应溶胀效应溶剂小分子进入橡胶交联网络，不能将其溶剂小分子进入橡胶交联网络，不能将其溶解，只能使其溶胀。体系网链密度降低，溶解，只能使其溶胀。体系网链密度降低，平均末端距增加，进而模量下降。平均末端距增加，进而模量下降。67ppt课件6.5.2 Swelling effect 溶胀效应 交联橡胶的溶胀包括两部分：交联橡胶的溶胀包括两部分：溶剂分子与大分子链混合，熵增，有利于溶胀 GM 分子链拉长，储存弹性能，熵减，不利于溶胀 Gel 达到溶胀平衡G GM Gel 068ppt课件交联橡胶的溶胀包括两部分：溶剂分子与大分子链混合，熵增，有利化学位达平衡化学位达平衡即溶胀体内部溶剂的化学位和溶胀体外部的化学位相等According to Flory-Huggins Theory P82溶胀平衡时溶胀平衡时69ppt课件化学位达平衡即溶胀体内部溶剂的化学位和溶胀体外部的化学位相等混合偏摩尔自由能混合偏摩尔自由能如果2很小，则由溶液理论由溶液理论70ppt课件混合偏摩尔自由能如果2很小，则由溶液理论70ppt课件弹性自由能弹性自由能=1=2=3 理想交联网等温等压拉伸过程中内能不变，体积不变理想交联网等温等压拉伸过程中内能不变，体积不变71ppt课件弹性自由能=1=2=3 理想交联网等温等压拉伸过程中体系中含n1摩尔溶剂，其摩尔体积为V1：代入自由能公式1/V=2 V=1/2干网络体积为1，总体积为V，V=311172ppt课件体系中含n1摩尔溶剂，其摩尔体积为V1：代入自由能公式1/V求偏导代入到平衡条件中网链的平均分子量聚合物的密度溶剂的摩尔体积Hunggins parameter溶胀前后体积比73ppt课件求偏导代入到平衡条件中网链的平均分子量聚合物的密度溶剂的摩尔Application(1)To obtain the Hunggins parameters(2)To obtain the average molecular weight between cross-linked points Mc(3)交联度低时Mc大，Q大即溶胀后体积增加多74ppt课件ApplicationTo obtain the Hungg例：交联聚氧化丙烯-(CH2CH(CH3)O)-中交联点间距为3000个主链原子，密度为1.20g/cm3。今有一溶剂，密度为0.80g/cm3，分子量为102，=0.40。求聚合物形成的平衡溶胀网络的密度。=1.2g/cm3 =0.4 Mc=581000=58000g/molM1=102g/mol V1=102/0.8/mol=127.5cm3/mol75ppt课件例：交联聚氧化丙烯-(CH2CH(CH3)O)-中交联点间距2=0.113 网络=聚合物 2+溶剂 1=1.2 0.113+0.8 0.887=0.8452 76ppt课件2=0.113 网络=聚合物 2+溶剂6.5.3交联网极限性质与结构的关系交联网极限性质与结构的关系1应变诱导结晶对橡胶极限性质的影响应变诱导结晶对橡胶极限性质的影响 温度升高，抑制应变诱发结晶作用，结晶度降低，温度升高，抑制应变诱发结晶作用，结晶度降低，极限性质降低。极限性质降低。溶胀也抑制结晶作用。溶胀也抑制结晶作用。对非晶交联网，以上两种变化都不重要。对非晶交联网，以上两种变化都不重要。极限性质主要指：极限强度、最大伸长率、断裂行为极限性质主要指：极限强度、最大伸长率、断裂行为P17377ppt课件6.5.3 交联网极限性质与结构的关系1应变诱导结晶对橡2端链对橡胶极限性质的影响端链对橡胶极限性质的影响 端链是交联网中的不完善结构因素，对橡胶弹性没有贡献，它的存在，对一个高弹体的极限性质有有害的效应。3填料填料增强填料模量，拉伸强度，耐磨性提高橡胶中加入增强填料称为橡胶的补强78ppt课件2端链对橡胶极限性质的影响78ppt课件6.6 热塑性弹性体热塑性弹性体 Thermoplastic elastomer-TPE交联为弹性体（橡胶）具有高弹性的条件之一，交联为弹性体（橡胶）具有高弹性的条件之一，如果交联点为物理交联，则形成如果交联点为物理交联，则形成热塑弹性体热塑弹性体。兼有橡胶和塑料两者的特性，在常温下显示高兼有橡胶和塑料两者的特性，在常温下显示高弹，高温下又能塑化成型。弹，高温下又能塑化成型。生产方法生产方法聚合方法聚合方法-嵌段共聚物，嵌段共聚物，TPE机械共混法机械共混法-共混物共混物Ethylene propylene rubber/PP79ppt课件6.6 热塑性弹性体 Thermoplastic elas热固性与热塑性热固性与热塑性Thermoset-a hard and stiff crosslinked material.Thermosets are different from thermoplastics,which become moldable when heated.Thermosets are crosslinked,so they dont.Also,they are different from crosslinked elastomers.Thermosets are stiff and dont stretch the way elastomers do.Thermoplastic-a material that can be molded and shaped when its heated.80ppt课件热固性与热塑性Thermoset-a hard and Thermoplastic elastomer(TPE)films that are permeable to water vapor,or“breathable,”are finding increasing use in the medical industry.隔隔离离服服 要要求求透透气气性性81ppt课件Thermoplastic elastomer(TPE)聚氨酯弹性体聚氨酯弹性体由长链二醇、二异氰酸酯、短链二醇或二胺合成由长链二醇、二异氰酸酯、短链二醇或二胺合成软段软段硬段硬段软段和硬段发生软段和硬段发生微相分离微相分离82ppt课件聚氨酯弹性体由长链二醇、二异氰酸酯、短链二醇或二胺合成软段硬SBS Styrene-Butadiene-StyreneHardSoft-CH2-CH=CH-CH2-83ppt课件SBS Styrene-Butadiene-Styrene共混型共混型TPEEPDM硫化乙丙橡胶硫化乙丙橡胶/PP聚丙烯聚丙烯84ppt课件共混型TPEEPDM硫化乙丙橡胶/PP聚丙烯84ppt课件本章小结本章小结教学目的：教学目的：通过本章的学习，可以全面理解和掌握橡胶弹性产生的原因、条件及特点，建立和使用橡胶状态方程,指导橡胶的使用和加工。教学内容：教学内容：（1）橡胶弹性的特点；（2）橡胶状态方程。（3）溶胀效应（4）热塑性弹性体 重点及要求：重点及要求：掌握橡胶弹性的特点、本质及在受力状态下的应力、应变、温度和分子结构之间相互关系。85ppt课件本章小结教学目的：通过本章的学习，可以全面理解和掌握橡胶弹性